基于逆向扫描技术蒙皮曲面装配偏差分析

张双双

摘 要：飞机装配是飞机制造中至关重要的一个环节。随着数字化装配技术在装配过程中的应用，飞机装配精度不断提高，给装配检测技术提出更高的要求。装配过程中迫切需要一种更加便捷、准确的测量方式检测飞机装配偏差。文章旨在介绍逆向扫描技术在飞机装配过程中的应用。使用扫描设备对变形曲面及基准进行数据采集，然后基于CATIA软件对扫描数据进行处理。在装配状态下通过空间平移和装配约束使扫描数据与理论数据重合。对两者进行偏差分析，探究变形曲面变形分布，为飞机装配提供数据支持。

关键词：装配检测；装配偏差；逆向扫描技术；偏差分析

中图分类号：V262 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0019-02

1 概述

随着数字化技术的提高，基于MBD技术的全三维数模制造已经应用于飞机设计生产的各个环节。飞机零部件的设计、制造实现了从二维图纸到三维数模的转变，尺寸链由模拟量到数字量的信息传递。零件、工装制造精度的提高使飞机精确化装配成为现实。当前，受装配工艺和装配技术的限制，飞机部总装主要依据装配型架卡板和定位器进行定位，通过前期制造留有余量后期修配完成装配过程。受零部件制造误差、工装误差以及装配过程误差等因素影响，飞机装配误差会引起蒙皮曲面变形。为确定变形量是否影响飞机的气动外形，需对装配状态下蒙皮曲面进行数据采集，并对采集数据进行分析。为此，可通过逆向技术，扫描变形处采集点云信息，通过CATIA软件构建实际曲面，并与理论曲面进行空间对比进行偏差分析，为指导后续装配过程提供数据支持。

2 逆向技术及使用设备介绍

逆向技术作为一项由现有实物和模型反求零件CAD模型的技术，在新产品的改型和仿制、数字化模型的检测以及破损零件的修复方面展示了巨大的优势。通过扫描设备获取点云信息，并根据采集的数据重新构建实物模型，省去了实物反复加工过程，降低了产品研发成本，缩短了产品设计研制的周期。使用扫描设备对实物进行数据采集，根据采集数据进行CAD实体构建，并用来零件生产或者产品数据检测。

其中数据采集是逆向技术的基础，采集数据的好坏直接影响到后期曲面成型质量、精度以及曲面重构的效率。本文采用的扫描设备为Creaform公司手持式三维激光扫描Handyscan。

该设备具有操作简便、携带便捷等特点，采用采用激光三角测距法[1]，能够快速采集零件表面信息。下端十字激光发射口发出激光，由两侧镜头接收反射回来的激光获得扫描数据。镜头四周是四个LED发光点，用来屏蔽外界光线干扰。扫描之前，首先要在被扫描物体表面粘贴定位点。根据曲度的不同，定位点成不规则排列。扫描仪获取定位点的空间信息作为数据采集的坐标系。定位点采集完成后，可以通过翻转、移动零件相对位置完成数据采集[2]。

3 数据构建及对比

在扫描之前，首先要确定定位基准，为后期数据分析做准备。定位基准的准确性后期数据分析是否有效。考虑到装配过程存在误差，定位基准最好选用重要的框平面或装配基准。为方便数据采集，基准要靠近扫描曲面。本次扫描数据选用某框的三个相互垂直的面作为定位基准，并对曲面信息进行扫描。

利用CATIA软件数字曲面编辑器模块（Digitized Shape Editor）和快速曲面构建模块（Quick Surface Reconstruction）对扫描数据进行曲面构建。原始数据比较粗糙，存在多余的点云，构造之前需要将数据进行处理。扫描分为三部分，两侧的蒙皮曲面和中间的定位基准。需要分别构建，并依据生成的定位基准与理论曲面进行对比。其两侧曲面和定位基准，如图1所示。以该曲面附近某框平面作为定位基准。考虑到扫描数据及零件装配中存在误差，在和理论数据重合过程中可能存在偏差，选用的多个扫描面作为定位基准，对比时可以根据需要进行调整。

因扫描数据坐标系与理论曲面坐標系不同，想要两组数据能够对比，需要将理论数据与采集数据放在同一个装配文件下，通过移动、约束等命令将两组数据大致靠近。然后依据扫描数据的定位基准与理论数据重合进行对比。首先通过接触约束将两组数据靠近到一起，然后使用自由移动命令更改扫描数据的空间姿态，使扫描数据与理论数据大体吻合，最后通过定位基准进行准确定位。

定位完成后就可以对两组数据进行空间对比，确定蒙皮曲面变形量。需要对两侧数据分别进对比分析。选用理论曲面作为基准面，分别进行对比。其结果如图2所示。

对比结果分析：右侧进气道曲面上部转变处偏差较大，偏差量在2～3mm之间。其余部分偏差主要分布在1～2mm，偏差量绝对值在1～2mm之间的约为40%，左侧曲面变形量较小，偏差主要分布在±1之间，约占78%，仅下部未下部分有较大变形。

4 结束语

基于逆向技术的数据采集可以对飞机装配过程中曲面偏差进行定量对比分析。在数据扫描前，首先要选好扫描数据空间基准。扫描完成后，通过软件建模形成装配状态下蒙皮曲面。在装配状态下通过空间位移约束等手段，与理论数据进行对比，可快速获得曲面变形的数据云图，为后续装配提供数据支持。随着装配技术和装配工艺的提高，数字化装配技术、自动钻铆技术、柔性工装等的应用，给装配检测技术提出更高的要求，迫切需要一种更加便捷、准确的检测技术。逆向技术能够快速、获取大量点云数据，形成曲面片，在飞机检测技术领域展现了广阔的应用前景。

参考文献：

[1]唐圣彪，屠大维.激光同步扫描三角测距成像系统的理论分析[J].光电子·激光，2001（6）.

[2]刘胜兰，罗志光，谭高山，等.飞机复杂装配部件三维数字化综合测量与评估方法[J].航空学报，2013（1）.

[3]王志宏.复杂零件在装配模块下的拟合方法[J].科技创新与应用，2015（35）：93-94.endprint