某型号双曲率复杂外形数字化检测的研究

肖 婧 郭朝阳 吴承亮

（江西洪都航空工业集团有限责任公司，南昌 330024）

飞机外形的控制建立在精确测量的基础上[1]。某型飞机在研制过程中大量运用新材料、新技术和新方法，其中包括钛合金双曲率尾喷管的高精度外形检测，对公司现有检测水平提出了新挑战。现有传统模拟量的检测模式无法满足测量准确度和效率的要求，加之新材料的工艺方法尚未成熟，为保证型号的顺利研制，需引入数字化测量技术，在获取高精度外形数据的同时，为工艺制造提供可靠的数字化定量评价与数据支持。

1 检测方法的选定

1.1 现有检测难点

某型号尾喷管采用TA32 钛合金材料，双曲率的部件结构使得在进行外形检测时存在以下难点及不足：现有设备无法满足外形检测要求（要求检测精度达到0.1 mm）；检测效率低；在架上可利用型架上的TB 点进行检测，但无法在架下完成检测；对于复杂型面（双曲率）的检测无有效可行的解决方案。

1.2 常见的检测方法和方法的选定

目前，激光雷达、激光跟踪仪以及工业摄影测量等高精度数字化检测技术，在飞机部件的外形检测中得到了越来越多的应用。由于测量原理不同，各类数字化检测设备具有各自的应用特点与优势。综合各因素考虑，最终选定采用激光雷达设备完成某型号尾喷管高精度外形检测。

激光雷达是一种球坐标系测量系统，如图1 所示。它产生一束聚焦的红外激光投向被测目标，在被测目标上产生大量的反射光束。将入射激光返回雷达所经历的时间与从目标反射或者散射回雷达所用的时间进行对比，得出被测目标与激光雷达的距离。被测目标的方位角和仰角分别由反射镜和旋转头获得，将获得的球坐标转换成直角坐标，即可获得被测目标的X、Y、Z坐标。

它的测量精度满足检测要求；100%自动操作，使得其具有同类设备无法比拟的测量效率，尤其在大部件检测上，检测效率优势更为明显；激光雷达在测量过程中，无须反射球或靶球等引光、定位辅助装置，能满足无型架定位点的架下测量要求，更适合现场测量需要[2]。

2 尾喷管外形检测方法的研究

2.1 检测方案

在检测现场，尾喷管主要分为装配型架上水平放置和下架后自由状态垂直摆放两种状态进行摆放测量。针对部件的两种不同状态，需指定相应的检测方案。具体检测流程如图2 所示。

站位规划。结合现场实际情况，布置合理站位。

数据采集。依据检验方案，利用激光雷达对尾喷管实施数字化测量。

测量数据分析处理。将采集的点云数据与理论公差值进行拟合、比对与分析，获得检验结论。

检测报告。将检测结论以报告形式输出，包含检验要求、测量数据以及检验结论等内容。

2.2 试验过程

2.2.1 站位规划

根据现场实际情况，结合部件摆放状态，进行激光雷达站位策划。

（1）装配型架上。尾喷管水平放置在型架上，上壁板用卡板卡紧，下壁板周围用工艺铆钉连接定位。装配型架上4 个顶角处，各有1 个TB 点。由于激光雷达自身高度的限制和部件摆放状态等因素的影响，激光雷达无法在一个站位完成部件的外形测量[3]。激光雷达测量范围为1 ～30 m，水平方向可达±180°，垂直方向上下俯仰可达±45°。通过计算，将激光雷达放置在距离部件1 500 mm 处（详见图3），分3 个站位，方能完成100%覆盖检测。

为保证激光雷达在转站过程中始终处于同一坐标系下进行数字化检验，在站位点附近布置相关转站基准点，即激光雷达在1、2、3 站位均能扫描获取到基准点的坐标信息。

（2）下架后。尾喷管下架后，侧立放置在水平工作台上，用工艺铆钉连接固定下壁板。蒙皮边缘用工艺铆钉拉紧，消除间隙，保持各部件紧密贴合。由于部件垂直放置，将激光雷达放置于零件正中部，距离1 000 mm 处，分前、后两个站位（即尾喷管上、下表面），完成100%外形检测。由于尾喷管上壁板的遮挡，导致激光雷达光束无法扫描到腔口内部下型面，致使激光雷达在扫描过程中存在小部分盲区。为此，配合引入NDI激光扫描仪作为补充测量方法，完善测量区域[4]。

2.2.2 数字化测量

利用激光雷达设备，实施现场数字化测量。

（1）测量坐标系的建立，见图4。一方面，装配型架上。利用工装型架上4 个TB 点，建立测量坐标系，获得相对于设备原点的坐标值。另一方面，下架后。利用部件上4 个精密孔建立测量坐标系，获得相对于设备原点的坐标值。

（2）数字化测量。根据检测要求，采用高精度扫描模式，设置扫描间距40 mm 进行检测。图5 为尾喷管在架上时激光雷达在2 号站位时的扫描图。

（3）转站。尾喷管在架上时，激光雷达需摆放在3 个不同站位即转站，方能实现部件100%全覆盖测量[5]。尾喷管在架下时，激光雷达需摆放在2 个不同站位，才能实现部件100%全覆盖测量。通过测量转站基准点，利用测量软件，将转站前后两个坐标系之间进行最佳拟合，使得转站前后所获取的测量点在同一坐标系中[6]。

2.2.3 数据分析处理

测量完成后，通过将实测点位与理论模型进行拟合和对比获得对应尺寸偏差，并与公差值进行比对，得出最终检测结果。

（1）架上检测结果。图6 为架上检测结果，共获取外形点位数据2 652 个，型面偏差理论值为-0.8 ～+1.5，其中2 595 个数据点（97.9%）在公差范围内，57 个数据点（2.1%）超差。尾喷管在卡板等固持夹具的施力作用下，零件外形符合技术要求。

（2）架下检测结果。图7 为架下检测结果，上壁板获取点位数据6 743 个，下壁板获取点位数据5 040个，尾喷管腔口获取点位数据9 501 个，型面偏差理论值为-0.8 ～+1.5。其中：上壁板4 657 个（69.1%）在公差范围内，2 086 个（30.9%）超差；下壁板4 287个（85.1%）在公差范围内，753 个（14.9%）超差；尾喷管腔口6 035 个（63.5%）在公差范围内，3 466个（36.5%）超差。从图7 可以看出：超差区域主要集中在尾喷管后部，即双曲率钛合金部位；越靠近底部尖角处，超差越严重。

3 结语

此次尾喷管试验件尚属首次制造，由于工艺方法不成熟，存在部分区域超差，尤其是在架下，超差区域较大。在激光雷达检测报告中，准确直观地反映产品超差的具体部位及详细数据，通过提供详细可靠的数字化定量评价给制造单位，可为工艺改进提供数据支持。

利用激光雷达检测技术，顺利解决某型号尾喷管在外形测量中无高效、高精度检测方法的难题，为大尺寸、大部件甚至全机的外形测量提供了可行有效的检测方法及数据支持。在数字化测量过程中，部分功能存在可优化的空间。

（1）前期站位规划。由于型号结构复杂，外形尺寸较大，为保证测量效率，需在前期进行缜密规划，合理规划激光雷达站位。目前，尾喷管前期规划仅通过人工数字计算方式进行模拟，导致在实际测量过程中扫查区域存在重合，而重合区域面积的大小将直接影响检测效率，尤其在进行全机外形检测时，大大增加了扫查时间。通过引入仿真软件，模拟现场实际情况，还原检测现场，可精确定位检测站位，如被测对象距离地面高度、工装遮挡等环境因素的设置等。根据激光雷达站位信息及转站位置信息，创建最优测量路径。

（2）扩大测量范围。受激光雷达自身高度和测量范围的影响，当部件摆放位置过高或部件高度超出激光雷达扫查范围时，将给测量带来一定难度。但是，如若引入智能自动导引运输车（Automated Guided Vehicle，AGV）和六轴机械臂，可完美解决因被测对象位置过低或过高所带来的问题，使激光雷达在最优位置完成数字化测量。