基于三维光栅扫描仪机翼外形检测方法的研究

肖 婧，郭朝阳，吴承亮

（航空工业洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

随着飞机数字化设计与制造技术的飞速发展，传统模拟量的检测模式越来越捉襟见肘，先进的数字化检测技术在航空制造业得到不断应用。针对目前产品在研制过程中所面临的难题——无法保证机体气动外形型面的检测精度，本文提出采用三维光栅扫描仪的解决方案。三维光栅扫描仪作为三维检测技术的典型代表，其精度高、速度快、使用灵活的特点使其在对具有复杂曲面零部件的检测具有优势，检测难题迎刃而解。

1 三维光栅扫描仪测量系统介绍

1.1 系统构成

三维扫描仪系统采用目前国际上最先进的结构光非接触式照相测量技术——一种结合结构光技术、相位测量技术、计算机视觉技术的复合三维非接触式测量技术。所谓照相测量，就是类似于照相机对视野内的物体进行照相，不同的是照相机摄取的是物体的二维图像，而三维光栅测量仪则获取的是物体的三维信息。

此次采用的COMET6三维光栅扫描仪系统结构如图1所示。测量时三维扫描仪系统中的投影仪把基准光栅条纹投向物体，物体的条纹图像经过摄像头和图像采集卡处理后，以特定格式保存在计算机中，对物体条纹图像进行解码和相位计算后，即可得出物体外形的三维坐标，由此建立三维空间坐标系统（X，Y，Z）和二维观测坐标系统（x，y）。

图1 COMET6三维光栅扫描仪系统构成图

1.2 基本原理

三维光栅扫描仪基本原理如图2所示，入射光P照射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到被测物体上的D点，从图示观察A点就移动到C点，距离AC就包含了高度信息Z=h（x，y），即高度受到了表面形状的调制。

图2 光栅投影法原理图

2 机翼外形检测方法的研究

2.1 机翼整体结构概述

机翼是飞机产生升力的部分，也是飞机较为重要的空气动力部件。某型机机翼为梯形翼，展长4740mm。机翼前缘悬挂两个活动面——内、外前缘襟翼，后缘悬挂两个活动面——后缘襟翼和副翼。机翼盒段，即固定翼面则由机翼整体油箱段、机翼外段、机翼前襟舱、机翼后缘四部分组成。图3为机翼整体结构示意图。

图3 机翼整体结构示意图

2.2 检验现状分析

目前，对于飞机部件外形测量主要采用装配检验夹具（卡板、千分片等）或检验样板，检查其型面吻合性，即部件外形上某点实际相对理论的间隙值。机翼外形根据外表面精度和质量要求，分3个区域进行检测：

第1区：从前缘到1梁轴线处；

第2区：从1梁轴线到5梁轴线处；

第3区：所有余下部分，包括后襟和副翼。

沿机翼横向和展向检查机翼外缘的制造偏差：

1）按装配型架卡板在7肋、11肋、8～10肋之间按卡板方向进行检查测量；

2）用600mmc长直尺、按翼弦的25%、35%、45%、55%、65%、75%等百分线沿展向进行测量（机翼整体油箱按装配验收规范固定的区域除外）。具体机翼外形偏差详见表1。

表1 机翼外形偏差 单位：mm

不难看出，传统检测方法存在以下几方面问题：

1）检测结果为间接值，不能直接反映型面偏差状态；

2）检测结果受检测装备和人为因素影响大，检测准确度不高；

3）检测手段专用单一，无法满足不同飞机不同部件检测需要；

4）检测效率低，尤其对于大尺寸范围零部件的检测，无法满足现代飞机制造高效、快捷的需求。

针对上述问题，三维光栅扫描仪能够快速而准确地实现飞机部件外形评价，对有效提升飞机制造质量具有重要意义。

2.3 三维光栅扫描仪试验及结果分析

与传统检测方法相比，COMET6三维光栅扫描仪能够快速方便地获取复杂表面的完整点云，并利用拼合技术，重构出被测部件，完成被测物体与理论模型的数据对比。因此，选用其作为机翼外形检测的主要设备。

机翼具有4个活动翼面，在现有CATIA模型中无法确保理论数模中的活动翼面与实际部件上下摆动处于同一水平面上，因此，在此次试验中，只针对固定翼面，即机翼整体油箱与机翼外段进行外形检测。

机翼架外完工后，将机翼置于稳定的工作架上，其余4个活动翼面处于自由状态，利用COMET6三维光栅扫描仪对机翼外形进行检测，具体试验流程见图4。

图4 机翼外形检测流程图

检测方案确定后，按照工作流程展开对机翼外形的检测。

2.3.2.1 物体扫描

由于机翼外形尺寸较大，不能一次测完全部数据，需进行多次分区扫描，因此，为保证后续图片拼接的准确性，需在机翼外形粘贴标志点。选用合适的镜头参数，完成系统标定。图5为系统标定合格结果。

图5 系统标定结果

标定合格后，展开对被测工件的扫描，图6为物体扫描实时成像图。

图6 物体扫描实时成像图

2.3.2.2 点云生成

测量时，三维扫描系统中的投影仪把基准光栅条纹投影到被测工件表面产生摩尔条纹，摩尔条纹的变化被CCD镜头记录下来传送到计算机，经过处理后，得到物体外形的三维坐标，即生成点云信息。

2.3.2.3 特征提取

经扫描所得到的往往是散乱点形式无序排列的大量点云，基于物体复杂程度，实体点云的数据量有较大区别，加之由于测量仪器和其他诸如环境等因素的影响，不可避免地引入了噪声点。因此，在特征提取过程中，COMET6利用自身逆向工程软件，对所采集到的点云进行处理，反求出相应的曲面。

2.3.2.4 三维造型

COMET6测量系统依靠事先在工件表面所粘贴的标志点进行曲面的拼接，最终利用特征信息完成三维造型。图7为机翼外形扫描结果。需要注意的是，每一次拍摄必须由3个以上的参考点重合，然后根据这三个“前”点来定义“后”点，如此循序递推便可完成整个测量工作。

图7 机翼外形扫描结果

2.3.2.5 对比评价

利用INSPECTplus软件将设备所采集的数据与理论CATIA模型进行对比，通过彩图体现出误差具体部位。图8为机翼外形检测数据报告，可根据左边颜色条，判断出零件外形是否超差。

图8 机翼外形检测报告

与传统卡板只能针对局部某一区域进行检测的方法相比，三维光栅扫描仪无论是在检测范围还是检测精度来说，都得到了较为直观的体现，说明将三维光栅扫描仪运用于机翼外形检测方法，科学可行，误差可控。但另一方面，正是由于它的高精度，在检测结果方面，较多区域处于超差状态（尤其是灰色区域，由于超差过大，因而无色差显示）。而产生这种结果的原因可能是由以下几方面造成：

1）点云采集误差

由于机翼外形面积较大，COMET6需依靠事先在零件实体表面的标志点来定位，并通过获取实体表面的反射光线得知物体表面的曲面信息。每一次拍摄必须要有3个及以上的参考点被CCD镜头同时获取，而且其中的3个点必须是已经定义过的，然后可根据这3个“前”点来定义“后”点，如此循环递推完成整个测量工作。在数据采集过程中，误差本身的产生是不可避免的，但误差累积到一定程度将无法满足精度要求。即在每次扫描过程中，并不会重合点数越多，扫描结果越准确。相反，重复点数每增加一个，都将给点云采集带来误差的累积。

2）零件铆钉连接

从图8中可以发现，误差较大区域主要集中在铆钉连接处。这是因为工人在铆接过程中，由于个体存在差异，施铆时所施加的力度有所差别。尤其在机翼上，有较多口盖需要铆接，由于连接处力度不均，引起各曲面出现凹凸变形。这种变形对于传统量具测量困难，但三维光栅扫描仪测量精度可达10μm，能检测出型面的细微差别。

除以上两个主要原因外，其他影响检测结果的可能原因还有温度、材质、外界光线。值得注意的是，单次数据采集时，三维扫描仪与被测物体之间距离的远近，在不超过规定范围内，是否会因距离的不同对检测结果产生影响，需进一步验证。

3 总结与展望

三维光栅扫描仪因测量速度快、精度高、非接触、灵活性强、智能化等优点在航空产品检测方面起着重要作用。在大量查阅国内外相关文献的基础上，结合实际应用情况，选定三维光栅扫描仪展开对机翼外形的检测。试验表明该方法能够快速准确地测量出机翼外形曲面。

此次研究工作尚处于初步试验阶段，通过得到机翼上翼面外形的检测数据，为后续产品（机翼、进气道、其他复杂曲面的零部件）提供了有效参考价值。针对此次试验所暴露出的问题，在今后工作中，还需从以下几个方面展开深入研究：

1）点云采集方法

在点云采集过程中，误差的产生是不可避免的。当误差累积到一定程度时，则无法满足精度要求。但如若引入照相技术可解决此类问题。因为三维光栅扫描仪系统测量所得数据是物体表面的点的数据——点云，而照相扫描系统所得到的是参考点的坐标。由于COMET6是根据参考点来为所测量点云进行定位的，因此，借助照相技术的辅助，COMET6误差累积问题就可迎刃而解。

2）处理参数优化

COMET6拥有强大的测量软件和数据处理软件，一些模块在试验初期未完全被挖掘利用，部分处理参数可深入优化。如：

①扫描参数的调整

点云密度越高对数据和图形的表现力越好，测量结果也越精确。但有时在测量大平面、结构不复杂的零件时，点云过密反而会增加数据处理时间，并加大误差累积的可能。因此，在后期扫描时，可根据被测物件特性，针对不同区域设置适当的点云密度。

②后处理参数的设置

针对扫描所得图像，除进行简单的去除非相关点、除噪等基本操作外，还可进一步优化参数，如网格计算（包括网格大小的设置、光顺）、表面去峰值等。

③对比类型的选择

在将扫描结果与理论数模进行对比时，alignment（精准对齐）方式的选择及所选部位都将对产品的评价产生影响。因此在后续工作中，可将点—点、线—线和面—面三种方式进行比较，寻找最优方法。