基于激光測量的機翼外形檢測

李 鑫 楊坪川

（成都飛機工業（集團）有限責任公司，四川成都610092）

0 引言

隨著社會的進步和新技術的應用，航空制造業的競爭日趨激烈，對飛機質量及裝配精度的要求也越來越高。

傳統的機翼外形檢測主要使用專用的工裝——外形檢查卡板。這種卡板不但笨重，而且精確度較差，它只能定性地說明機翼外表面形狀是否滿足設計要求，無法定量及準確描述機翼外表面位置是否處在數模所規定的正確位置上。而且這種卡板往往只能適應特定的機型，飛機產品的外形或結構發生改變時，必須重新訂制專用工裝以及與之配套的樣板、樣件等，這都增加了生產成本和生產準備周期。

針對生產中的這種情況，我們采用激光雷達對機翼的外形進行檢測。激光雷達精度較高，滿足測量要求，相比于激光跟蹤儀的優點在于它的非接觸性：不需任何反射鏡或測量探針，不需要在機翼上打制工藝孔放置反射鏡等。這樣可以定量說明，同時避免訂制工裝，極大地減少了生產準備時間。

1 機翼外形檢測總體方案

1.1 測量技術方案流程

本課題采用激光雷達來進行機翼外形檢測，得到機翼外形的點云，通過CATIA軟件將點云與數模對比，得到外形誤差。其基本測量流程如圖1所示。

圖1 測量流程圖

首先，根據所需測量的機翼位置及尺寸特點，制定出測量計劃。由于被測物體確定，本測量計劃確定后可重復使用。

測量計劃中一般包括以下內容：

（1）被測特征點的可測性分析：應盡量選取可表征機體特征又目視可測的特征點作為測量點。如特征點非常重要，而又不能目視可測，則需要根據特征點的位置特征將其設計為轉站可測點或關節臂配合可測點。

（2）測量設備的放置方式：測量設備的放置方位和高度，應使所確定的被測特征點盡可能地都成為單一位置目視可測點和轉站可測點，以盡量減少測量過程中的設備移動。另外，還要考慮測量設備與被測物的距離，盡量減小測量誤差。

本課題需要測量的是機翼的整個外形，因而應將測量設備放置于可方便掃描到全部翼面的位置。

1.2 測量坐標系的建立

本課題的坐標系建立是利用型架上的基準點來確定的。將型架上事先打制好的基準點的測量數據與理論數據進行轉站，建立的坐標系即為飛機坐標系。

1.3 測量方案

本方案使用激光雷達作為測量設備并采用軟件方法來實現機翼外形檢測。先通過測量型架上的點與理論點轉站，使坐標系轉化為飛機坐標系。使用激光雷達的掃描功能測量整個機翼外形。將得到的點云導入CATIA軟件中，與理論數模進行對比，生成報告，分析外形誤差。

本課題使用的MV224激光雷達技術參數為：水平方向360°；垂直方向±45°；測量范圍1～24 m。

測量方案如下：

（1）放置于現場，距被測物體水平距離約3 m，安放平穩并靜待5 min，使系統穩定；

（2）打開激光雷達測量系統，預熱4 h，通過測試后準備開始測量；

（3）測量型架上的基準點，將基準點的實測值與理論值進行最佳擬合，建立坐標系；

（4）測量機翼外形；

（5）操作完畢，保存生成的點云，將點云導入CATIA軟件中；

（6）將點云與被測機翼外形的理論數模進行對比，得到外形誤差；

（7）輸出測量報告。

外形掃描有多種方式，本課題選擇VisionBox Scan，VB-Scan是最快的掃描方式，在移動的同時連續測量。

掃描過程中不能改變焦距，為了避免有空白區域，請確認整個區域在同一景深范圍。范圍大的區域，分成幾個小區域效果更好。

根據需要設置好點線間距（Point spacing＆amp;Line spacing）。雷達開始掃描，點云值發送到Cloudviewer或SA中。

2 結果分析及方法改進

2.1 結果分析

通過以下步驟對掃描的點云進行分析：

（1）將點云數據從SA軟件中導出，導出格式為.txt。

（2）將導出的點云數據導入CATIA中。進入開始—形狀—Digitized shape editor模塊，用工具欄中import工具導入，導入格式選擇ASCII free。

（3）用Digitizedshapeeditor模塊和Quicksurfacereconstruction模塊中的工具對導入的點云進行去噪點、分塊、線擬合、面擬合等操作。

（4）將數模導入CATIA軟件中，與處理好的點云作比對，得到結果，如圖2所示。

圖2CATIA軟件中左機翼示意圖形

測量顯示左機翼的氣動外形誤差符合設計要求。

右機翼采用同樣方法測量并進行結果分析，氣動外形誤差符合設計要求。

2.2 方法改進

本次測量應用激光雷達對實際產品進行外形掃描，還有很多不完善的地方，具體應該在以下幾點改進：

2.2.1 基準點選擇

測量所生成的點云需要與數模比對，這就需要有基準點。該基準點直接關系到評價實際產品裝配質量的合格與否。如果基準點選擇有問題，點云與數模比對時，即使產品本身合格，檢測出的結果不符合要求，這樣對產品質量和生產進度都會有較大影響。

目前有兩種比較準確的基準可供選擇，一是使用型架上現有的靶標點作為基準點，二是在產品上選擇較準確的基準孔作為基準點。

2.2.2 掃描方式

本課題選擇VisionBox Scan掃描方式，采用閉區間圖形分塊掃描的方法，該方法是常用的掃描方法，但在本次掃描機翼時發現由于尺寸較大，掃描得到的點主要集中在閉區間四周，而中心點的能量較小，無法顯示。

因此考慮到特殊性，今后掃描可采取開區間掃描方式，會有較好的包絡性。閉區間及開區間掃描的方式如圖3、圖4所示。

圖3 閉區間掃描示意圖

圖4 開區間掃描示意圖

2.2.3 點線間距

目前點線間距均設置為5 mm，在精度和效率的雙重考慮下，可將點線間距設置為10～30 mm。

2.2.4 自動測量功能

激光雷達具有自動測量功能，可編輯Measurement plan，實現測量的自動化，這樣不需要人員在現場一直操作，可以極大地減輕工作強度。

3 結語

采用激光雷達進行機翼外形掃描，替代傳統的卡板檢驗方法，既節省了生產成本和生產準備周期，也提高了檢驗的準確度。