基于三维激光测量的飞机装配间隙补偿技术研究

刘颖 王蓓

（中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西西安 710089）

随着现代社会科技不断进步，飞机制造技术得到了迅速且持续的发展，成为跨学科、跨领域先进技术的集大成者。其技术水平的高低直接决定了飞机产品的最终质量、制造成本和交货周期。飞机制造过程一般分为零件制造、组部件装配和试验交付3 个阶段，其中，飞机组部件装配的协调环节多、精度要求高，装配工作量占整个飞机制造工作量的50%以上，是飞机制造中的关键和核心。而在飞机装配过程中存在大量的装配间隙补偿，该项工作占据了大量的时间，同时，若间隙补偿不合理，未控制在设计范围内，会大大降低飞机结构强度和疲劳寿命，为飞行带来安全隐患。因此，使用基于三维激光扫描测量技术的飞机装配间隙补偿技术对提高飞机装配精度和质量非常必要。

1 基于飞机生产制造分析装配间隙补偿技术发展现状

1.1 飞机装配结构特点

当前时代背景下，飞机生产制造愈发复杂和高技术化，尤其是飞机机体结构的装配，无论是部件、零件还是各类组件，对装配工作都具有极高的精度要求。以飞机机体结构件为例，其主要是在数控加工下被生产制作出来的，若是两个零件之间具有配合关系，但其制造精度存在差异时，最终得到的装配间隙将超出零件精度差异数据。例如，某结构件轮廓度在0.1mm 以下，与其配合的材料部件轮廓度在0.3～0.5mm，甚至达到0.8～1mm 范围。针对该情况，需要卡板压紧校形或是使用相关垫片等，从而实现飞机装配间隙的有效补偿［1］。对于飞机装配而言，装配间隙主要集中在回转体部分和支撑组件，前者的生产制造工艺是旋压和焊接，在其结构特性的影响下，无论是焊接还是成形后，都不会开展有关精度提高的处理工作；后者采用数控加工，精度较高，且具有若干数量的法兰，能够满足飞机管路装配要求。在实际装配中，要开展试装检测工作，根据记录明确精度要求。

1.2 技术现状

为实现飞机装配技术指标，目前，飞机产品都具有较高互换性要求，而且一些飞机装配要求整体可完全互换且不能强迫装配。然而，在实际装配过程中，焊接组件测量结果没有呈现出显著规律特点，这给法兰与飞机管路装配造成影响，难以保证飞机装配质量安全。此外，此类零部件为部件级产品，其使用年限需要与飞机整体保持一致，因此，装配组件和焊接组件之间必须落实高精度间隙补偿，这样才能够实现整机同寿、完全互换的设计目标。其中，排除掉预留弹性补偿设计外，装配组件和焊接组件之间不存在补偿结构，针对骨架和蒙皮之间的间隙消除，以及门框和口盖之间的密封性，主要采用弹性补偿技术，这是因为这些部位之间产生的间隙较小，弹性补偿可以很好满足飞机装配精度需求。但是弹性补偿技术无法解决较大间隙，所以，若是两个组件之间存在较大装配间隙，还需要增加工艺补偿，即人工修配垫片补偿，这是以往常用的补偿技术。然而，在金属垫片使用下，随着垫片数量的增加，层间间隙存在且无法被完全消除。使用该技术处理后的产品在经过长途运输到达现场后，由于运输途中具有振动等外力影响因素，存在的间隙将逐渐被压缩，最终呈现较大补偿配合区域，这一偏差将直接对法兰等与机体结构配合的特征的位置度造成影响。因此，相较于弹性补偿、工艺补偿，目前出现了以三维激光测量为基础的补偿技术，下面对其进行具体研究分析。

2 研究三维激光测量对飞机装配间隙补偿的意义

飞机机体对装配精度具有较高要求，尤其是装配过程中的零件与部件。目前，机体结构多为数控加工零件，若是在装配过程中发现制造精度存在较大偏差，不仅影响装配作业的有序开展，还造成不必要的资金资源浪费。但是，通过使用三维激光测量这一数字化的测量方式，可以利用高精度的激光扫描与测量设备进行数据采集，并使用相关软件进行坐标系及虚拟模型的构建，在不进行试装的情况下，就可以自动生成用于补偿的结构垫片，如固态垫片、液态垫片等，同时，还可以保证垫片轮廓加工的科学合理性。因此，三维激光测量对飞机装配间隙补偿具有极强的现实意义［2］。

3 研究三维激光测量应用下的飞机装配间隙补偿技术

3.1 以三目视觉为基础的运动跟踪测量补偿技术

随着我国航天事业的持续发展，越来越多的先进测量仪器与设备被应用于此类工作，如激光跟踪仪等，且已经积累了较为成熟的应用经验，尤其是交点精加工、大部件对接等方面。通过在加工装配中应用激光跟踪仪开展测量与指导工作，能够为大部件定位与协调提供较高准确度保障，而且，在该测量仪器设备实际使用时，还可以三维扫描目标对象，结合数字化技术，进行对象几何虚拟模型的重构。在设备类型中，为实现较小尺寸零件的扫描与信息采集，主要使用手持式激光扫描仪，通过结合相关辅助设备，也能够测量复杂内容，如尺寸较大对象的外形等，在全局扫描测量下，可以为相关人员提供全面且准确的点云数据。通过将激光跟踪仪与激光扫描设备各自优势进行有机整合，可以通过激光测量技术落实飞机装配间隙数字量协调与补偿方法［3］。

首先，采集图像信息。使用相机开展信息采集工作，结合视觉测量系统计算其几何信息，根据结果构建虚拟模型。其次，从多个角度采集图像信息，例如，在两台相机的所用下，结合三角法原理进行对象三维信息的提取。即在两台相机信息采集角度下，将图像平面与目标对象进行三角形的构建，形成双目视觉系统测量模型，在该模型下可以获得对象特征点的三维坐标。例如，特征点为P，照相机C1对应的图像点为P1，那么C2对应的是P2。在标定好相机位置后，通过投影矩阵M1和M2可以获得P1和P2图像点坐标。之后，根据投影矩阵M内的元素，结合矩阵公式得到线性方程。由于已知像点坐标，且投影矩阵内的参数是由相机平行移矩阵和旋转矩阵后通过标定相机获得，这时，采用线性最小二乘法，即可通过求解得到P点空间坐标值。值得注意的是，在将该技术应用于工程实际时，相机对被测点定位存在偏差，尤其是轴向坐标，所以可以根据实际情况与需求增加一台相机，以两两组合的方式构成双目视觉系统，进而在强化整个测量技术系统测量精度和可靠性的同时，拓展视场。在三目视觉系统测量模型的使用下，可测对象数量增加，且能够对处于运动状态的物体进行动态实时跟踪，并定位扫描测头空间位置，实现点云数据的高效采集，无需特殊固定测量对象［4］。

3.2 以飞机装配工艺为基础落实科学点云数据采集方案

由于飞机产品同时涉及大部件和精细化小部件的对接装配，因此，为实现不同规格部件之间的精准协调，应结合产品关键特性落实数字量协调方法。具体而言，在实际部件对接过程中，将目标部件处于近似刚体状态，之后，开展有关关键特征空间坐标数据的测量工作，对比分析理论模型，以此判断部件整体姿态的科学合理性。在这一系列过程中，均需要激光跟踪仪的应用指导。

开展大部件对接作业时，确定基准部件是关键环节，部件确定的合理性直接关系到作业开展的有序性及飞机产品整体质量，所以要综合考虑刚性方面和稳定性方面，保证其在后续作业过程中不会轻易出现变形等情况。同时，此类部件还应具有定位基准特征，如接头、高精度孔及用于支撑或约束的结构，从而保证后续对接时空间位置的正确性。与此同时，以往装备工作中使用的基准部件具有刚度较大，且干扰特征少，以孔特征为主的易测量特征较多，但不具备高精度特征，交叉流程较多，作业难度较高。而现阶段的装配零件则以数控加工零件为主，具有较高的装配准确定，在此类零件的应用下，依托于其科学的结构形式，即可实现支撑，一般情况下，将其安装于产品底部即可。同时，此类零件与装配流程匹配度较高，通过其现有的定位接口，即可有序完成后续作业。但是整体刚度不高，在作业时可能出现变形等问题，且复杂结构外露，具有较多干扰特征。值得注意的是，虽然部分组件可以提升刚度，但由于其回转体外形的位置会增加装配作业复杂系数，交叉流程增多，所以，多选用装配组件，针对其存在的缺点，落实配套的支撑工装即可，以此满足作业使用需求。

其中，在设计装配组件支撑工装时，需要配合连接机体结构接口，集成焊接组件支撑与调姿机构，统一基准组件定位和调姿的测量基准。由于主要使用激光跟踪设备关键特征在工装坐标系下的坐标值进行焊接组件位置与姿态合格性的判断，所以，优先思考跟踪仪自带测头，结合运动追踪器扫描、测量零件表面。通过落实该结构形式的技术系统与设备，可以满足曲面重构的精度要求。而且，光学追踪器具有较高采样频率，所以，若想要提升采样频率，可以使用NDI专用扫描设备的手持测头，以此满足作业需求。但是需要注意的是，专门用于激光扫描的相关设备通过结合运动追踪器，能够更好地应对高复杂水平组件、零部件，且适用于多种零件表面扫描场景，工作效率较高。因此，在开展实际点云采集工作时，相关工作人员要根据工作需求和条件选择合适的点云采集方案，综合考虑成本、效率等要素［5］。

方案一：选用Leica AT 960 激光跟踪仪作为追踪设备，其采样频率为1000Hz，扫描设备为Leica T-Scan 5，扫描效率160 线/s、210 000 点/s，最小点间距75μm，其中，追踪设备会在±5°内自动断光重建。方案二：选用NDI PRO CMM 运动追踪设备，其采样频率为4500Hz，扫描设备选用NDI Scan TRAK Ⅱ，该方案下的扫描效率为450线/s、450 000点/s，最小点间距35μm，其中，追踪设备视野内存在任意3 个追踪点即可。由此可见，前者精度高，针对飞机零部件装配过程中遇到的曲面重构要求可以很好满足，但后者具有更高的运动速度和采样频率。为此，若是考虑工作效率的提高，应选择方案一开展点云采集作业。

3.3 采集与协调定位

在使用以三维激光测量为基础的飞机装配间隙补偿技术时，为保证数据采集的全面性和准确性，应对补偿与协调过程进行梳理，从而保证数据传递完整可靠，具体步骤如下。（1）做好准备工作，进行靶标点的预置，基于设备测量仪器设备建立坐标系。（2）架号定位，使用专用接口固持，一般情况下，定位于装配组件。（3）使用激光追踪仪器对坐标系下的关键特征坐标数据进行测量，判断是否符合技术要求。（4）吊运焊接组件至调姿机构。（5）协调特征点坐标，避免焊接组件特征点坐标与设计数模出现偏差，将偏差控制在合理范围内。（6）记录坐标数据。（7）操作调姿机构分离焊接组件和装配组件，使用激光扫描仪进行配合区曲面的扫描与信息点云采集，建立靶标点。（8）使用Poly works软件处理数据，修补漏洞，提高数据准确性。（9）基于协调特征点，使用Poly works软件对齐理论模型和基准实现点云。（10）在完成理论数模比对之后，判断其是否满足相关设计要求，如果满足，则可以进一步实现三角化，实现BURBS曲面生成，并将有关数据导入到CAD软件当中。

随后，应进一步开展以下操作。第一，在CAD 软件中，应确保工装数模靶标点与激光跟踪仪测量实际点坐标统一，并确保工装可以稳定在测量状态。第二，完成装配组建模型的导入，并按照理论位置安装到工装上。第三，在坐标系不变的前提下，完成激光跟踪仪记录协调点的建立。第四，确保该协调特征点可以与Polyworks 导出曲面上的协调特征点保持对齐。第五，完成配合区理论曲面的提取，并在上一步骤的基础上，构建曲面包络空间实体模型。第六，加强对实体模型的细节完善，并借助数控加工工艺，满足加工工艺性和协调定位的需求。第七，借助数控加工工艺，完成补偿件的制造，将补偿件装配在装配组件上，如果存在干涉问题，可以对补偿件进行适当调整［6］。

4 结语

综上所述，三维激光测量技术对飞机装配间隙补偿目标的精准化实现具有极强现实意义。因此，应积极使用激光扫描仪和跟踪设备等，利用数字化测量方法，精准测量集合尺寸，并落实数模关联，从而实现部件之间的高质量衔接，降低制造成本，提高技术水平。