三維激光掃描技術在大飛機上的應用研究

趙慶輝 何坤

摘 要：數字化測量技術是現代飛機數字化裝配技術的重要組成部分，從當前常見幾種數字化測量系統入手，簡要介紹了各自的優缺點及使用現狀，重點以手持式三維激光掃描儀為研究手段，以某型機中機身環控管路裝配不協調問題為研究對象，詳細論述了手持式三維激光掃描儀在解決機身內部管路裝配偏差問題的研究過程，為今后行業內機身內部管路裝配偏差檢測提供研究方法和思路。

關鍵詞：數字化測量；三維激光掃描；飛機裝配檢測

中圖分類號：TN249 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）02-0017-04

Abstract： Digital measurement technology is an important part of modern aircraft digital assembly technology. Starting with several common digital measurement systems， this paper briefly introduces their advantages and disadvantages as well as the current situation of their use. The paper focuses on the hand-held three-dimensional laser scanner as the research means and the disharmony of the fuselage environmental control pipeline assembly in a certain type of machine as the research object. The research process of the hand-held three-dimensional laser scanner in solving the assembly deviation problem of the internal pipeline of the fuselage is discussed in detail， which provides the research methods and ideas for the assembly deviation detection of the internal pipeline of the fuselage in the industry in the future.

Keywords： digital measurement； three-dimensional laser scanning； aircraft assembly testing

目前，隨著公司飛機生產數量的不斷增加，部、總裝現場零部件的裝配偏差逐漸成為影響飛機交付的一個主要因素。因為飛機裝配偏差是由人為因素、系統誤差以及偶然誤差等多種因素導致[1]，難以避免，分析難度大，所以通常情況下，當出現零、部件裝配偏差問題時，都是根據裝配現場的實際偏差量進行即時位置調整或者取樣新制零件，從而滿足飛機裝配要求。

根據裝配現場的生產實際來看，機身內部各種管路裝配不協調問題，大多直接采用取樣新制，該方法解決管路裝配問題的周期一般為5～7天，不僅費時費力，而且由于沒有有效的檢測工具進行原因分析而直接取樣，整個過程顯得比較盲目，缺乏系統化、科學化的問題處理方法。隨著計算機技術以及信息技術的不斷發展，先進的數字化測量系統逐漸被應用到飛機的裝配制造中，取得了很好的效果。目前，在飛機裝配中常見的數字化測量系統有激光跟蹤儀、數字照相測量、室內GPS以及三維激光掃描，各自以其獨有的測量特點在飛機不同的裝配領域發揮巨大的作用[2]，各種數字化測量系統的特點及應用現狀見表1所示。

本文根據裝配現場遇到的實際裝配問題，采用手持式三維激光掃描儀，嘗試對某型飛機中機身環控管路進行裝配檢測，通過對掃描數據與理論數模進行對比分析，查找管路裝配不協調問題產生原因，進而解決環控管路裝配不協調問題。

1 試驗及方法

1.1 問題描述

某型機中機身環控管路出現裝配偏差，裝配廠認為零件制造廠產品尺寸有問題，而零件制造廠認為該零件使用檢驗模測量合格后交付，無尺寸問題，將問題歸結于裝配問題。由于機身內部空間狹小，環境復雜，常用數字化測量設備無法在該環境下使用，導致管路裝配偏差問題未能及時解決，影響到飛機交付。

1.2 試驗方法

使用加拿大CreaForm公司的HandyScan 300TM手持式三維激光掃描儀以及VXelements數據處理軟件對問題飛機環控管路進行三維掃描，將優化處理完畢后的掃描數據和理論數模共同導入Geomagic Control分析軟件進行對比檢測。

2 結果與討論

根據裝配現場實際反應問題，對問題區域進行三維掃描，掃描結果如圖1所示。（a）圖為掃描數據與理論數模依據基準對齊后在空間中的位置，其中淺灰色部分為掃描數據，深灰色部分為理論數模；（b）圖為對比測量結果，尺寸偏差設置為1mm，其中淺灰色部分為理論數模，深灰色區域為實際點云位置在理論數模曲面法線方向上以及法線反方向上超出1mm的掃描數據，其余灰度區域為介于正負1mm偏差之間的掃描數據（下同）。

由圖可以看出，左側管路明顯偏離理論裝配位置（實線圓圈所示），沿軸線方向其偏離量約為28mm，垂直軸線方向偏移量約為23mm。根據這一測量結果，為了排除零件制造誤差，首先對上圖中存在裝配關系的左側長管（實線圓圈）以及右側短管（當時未裝配，虛線圓圈）分別進行三維外形檢測。

左側長管以及右側短管三維外形檢測結果如圖2和圖3所示。由圖2可以看出，左側長管其實際外形與理論外形基本一致，左端面偏離量約為0.06mm，右端面偏離量約為0.2mm，零件外形偏差在±0.5mm的允許偏差范圍內，符合設計要求；由圖3可以看出，右側短管其實際外形與理論外形基本一致，左端面偏離量約為-0.2mm，右端面偏離量約為-0.04mm，零件外形偏差在±0.5mm允許偏差范圍內，符合設計要求。

根據上述測量結果，排除了零件制造廠的零件制造偏差，裝配廠立即展開錯誤排查，并最終發現該裝配偏差是由左側長管左端面固定卡箍未安裝導致。將左側長管左端面固定卡箍安裝后的環控管路空間掃描數據如圖4所示。

由圖可以看出，左側長管左端面固定卡箍安裝后（左側實現圓圈所示），整個管路的實際安裝位置與理論數模位置基本一致，軸向偏差約1.5mm，垂直軸向偏差約0.3mm，符合裝配現場實際安裝要求。

3 結束語

本文根據裝配現場遇到的實際裝配問題，采用手持式三維激光掃描儀，對某型飛機中機身環控管路進行裝配檢測，通過對掃描數據與理論數模進行多次對比測量，解決了機身內部復雜管路裝配不協調問題，提供了使用手持式三維激光掃描儀進行機身內部復雜環境裝配檢測的方法，為今后行業內機身內部裝配偏差檢測開辟了一條新思路。

參考文獻：

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