某型號雙曲率復雜外形數字化檢測的研究

肖 婧 郭朝陽 吳承亮

（江西洪都航空工業集團有限責任公司，南昌 330024）

飛機外形的控制建立在精確測量的基礎上[1]。某型飛機在研制過程中大量運用新材料、新技術和新方法，其中包括鈦合金雙曲率尾噴管的高精度外形檢測，對公司現有檢測水平提出了新挑戰。現有傳統模擬量的檢測模式無法滿足測量準確度和效率的要求，加之新材料的工藝方法尚未成熟，為保證型號的順利研制，需引入數字化測量技術，在獲取高精度外形數據的同時，為工藝制造提供可靠的數字化定量評價與數據支持。

1 檢測方法的選定

1.1 現有檢測難點

某型號尾噴管采用TA32 鈦合金材料，雙曲率的部件結構使得在進行外形檢測時存在以下難點及不足：現有設備無法滿足外形檢測要求（要求檢測精度達到0.1 mm）；檢測效率低；在架上可利用型架上的TB 點進行檢測，但無法在架下完成檢測；對于復雜型面（雙曲率）的檢測無有效可行的解決方案。

1.2 常見的檢測方法和方法的選定

目前，激光雷達、激光跟蹤儀以及工業攝影測量等高精度數字化檢測技術，在飛機部件的外形檢測中得到了越來越多的應用。由于測量原理不同，各類數字化檢測設備具有各自的應用特點與優勢。綜合各因素考慮，最終選定采用激光雷達設備完成某型號尾噴管高精度外形檢測。

激光雷達是一種球坐標系測量系統，如圖1 所示。它產生一束聚焦的紅外激光投向被測目標，在被測目標上產生大量的反射光束。將入射激光返回雷達所經歷的時間與從目標反射或者散射回雷達所用的時間進行對比，得出被測目標與激光雷達的距離。被測目標的方位角和仰角分別由反射鏡和旋轉頭獲得，將獲得的球坐標轉換成直角坐標，即可獲得被測目標的X、Y、Z坐標。

它的測量精度滿足檢測要求；100%自動操作，使得其具有同類設備無法比擬的測量效率，尤其在大部件檢測上，檢測效率優勢更為明顯；激光雷達在測量過程中，無須反射球或靶球等引光、定位輔助裝置，能滿足無型架定位點的架下測量要求，更適合現場測量需要[2]。

2 尾噴管外形檢測方法的研究

2.1 檢測方案

在檢測現場，尾噴管主要分為裝配型架上水平放置和下架后自由狀態垂直擺放兩種狀態進行擺放測量。針對部件的兩種不同狀態，需指定相應的檢測方案。具體檢測流程如圖2 所示。

站位規劃。結合現場實際情況，布置合理站位。

數據采集。依據檢驗方案，利用激光雷達對尾噴管實施數字化測量。

測量數據分析處理。將采集的點云數據與理論公差值進行擬合、比對與分析，獲得檢驗結論。

檢測報告。將檢測結論以報告形式輸出，包含檢驗要求、測量數據以及檢驗結論等內容。

2.2 試驗過程

2.2.1 站位規劃

根據現場實際情況，結合部件擺放狀態，進行激光雷達站位策劃。

（1）裝配型架上。尾噴管水平放置在型架上，上壁板用卡板卡緊，下壁板周圍用工藝鉚釘連接定位。裝配型架上4 個頂角處，各有1 個TB 點。由于激光雷達自身高度的限制和部件擺放狀態等因素的影響，激光雷達無法在一個站位完成部件的外形測量[3]。激光雷達測量范圍為1 ～30 m，水平方向可達±180°，垂直方向上下俯仰可達±45°。通過計算，將激光雷達放置在距離部件1 500 mm 處（詳見圖3），分3 個站位，方能完成100%覆蓋檢測。

為保證激光雷達在轉站過程中始終處于同一坐標系下進行數字化檢驗，在站位點附近布置相關轉站基準點，即激光雷達在1、2、3 站位均能掃描獲取到基準點的坐標信息。

（2）下架后。尾噴管下架后，側立放置在水平工作臺上，用工藝鉚釘連接固定下壁板。蒙皮邊緣用工藝鉚釘拉緊，消除間隙，保持各部件緊密貼合。由于部件垂直放置，將激光雷達放置于零件正中部，距離1 000 mm 處，分前、后兩個站位（即尾噴管上、下表面），完成100%外形檢測。由于尾噴管上壁板的遮擋，導致激光雷達光束無法掃描到腔口內部下型面，致使激光雷達在掃描過程中存在小部分盲區。為此，配合引入NDI激光掃描儀作為補充測量方法，完善測量區域[4]。

2.2.2 數字化測量

利用激光雷達設備，實施現場數字化測量。

（1）測量坐標系的建立，見圖4。一方面，裝配型架上。利用工裝型架上4 個TB 點，建立測量坐標系，獲得相對于設備原點的坐標值。另一方面，下架后。利用部件上4 個精密孔建立測量坐標系，獲得相對于設備原點的坐標值。

（2）數字化測量。根據檢測要求，采用高精度掃描模式，設置掃描間距40 mm 進行檢測。圖5 為尾噴管在架上時激光雷達在2 號站位時的掃描圖。

（3）轉站。尾噴管在架上時，激光雷達需擺放在3 個不同站位即轉站，方能實現部件100%全覆蓋測量[5]。尾噴管在架下時，激光雷達需擺放在2 個不同站位，才能實現部件100%全覆蓋測量。通過測量轉站基準點，利用測量軟件，將轉站前后兩個坐標系之間進行最佳擬合，使得轉站前后所獲取的測量點在同一坐標系中[6]。

2.2.3 數據分析處理

測量完成后，通過將實測點位與理論模型進行擬合和對比獲得對應尺寸偏差，并與公差值進行比對，得出最終檢測結果。

（1）架上檢測結果。圖6 為架上檢測結果，共獲取外形點位數據2 652 個，型面偏差理論值為-0.8 ～+1.5，其中2 595 個數據點（97.9%）在公差范圍內，57 個數據點（2.1%）超差。尾噴管在卡板等固持夾具的施力作用下，零件外形符合技術要求。

（2）架下檢測結果。圖7 為架下檢測結果，上壁板獲取點位數據6 743 個，下壁板獲取點位數據5 040個，尾噴管腔口獲取點位數據9 501 個，型面偏差理論值為-0.8 ～+1.5。其中：上壁板4 657 個（69.1%）在公差范圍內，2 086 個（30.9%）超差；下壁板4 287個（85.1%）在公差范圍內，753 個（14.9%）超差；尾噴管腔口6 035 個（63.5%）在公差范圍內，3 466個（36.5%）超差。從圖7 可以看出：超差區域主要集中在尾噴管后部，即雙曲率鈦合金部位；越靠近底部尖角處，超差越嚴重。

3 結語

此次尾噴管試驗件尚屬首次制造，由于工藝方法不成熟，存在部分區域超差，尤其是在架下，超差區域較大。在激光雷達檢測報告中，準確直觀地反映產品超差的具體部位及詳細數據，通過提供詳細可靠的數字化定量評價給制造單位，可為工藝改進提供數據支持。

利用激光雷達檢測技術，順利解決某型號尾噴管在外形測量中無高效、高精度檢測方法的難題，為大尺寸、大部件甚至全機的外形測量提供了可行有效的檢測方法及數據支持。在數字化測量過程中，部分功能存在可優化的空間。

（1）前期站位規劃。由于型號結構復雜，外形尺寸較大，為保證測量效率，需在前期進行縝密規劃，合理規劃激光雷達站位。目前，尾噴管前期規劃僅通過人工數字計算方式進行模擬，導致在實際測量過程中掃查區域存在重合，而重合區域面積的大小將直接影響檢測效率，尤其在進行全機外形檢測時，大大增加了掃查時間。通過引入仿真軟件，模擬現場實際情況，還原檢測現場，可精確定位檢測站位，如被測對象距離地面高度、工裝遮擋等環境因素的設置等。根據激光雷達站位信息及轉站位置信息，創建最優測量路徑。

（2）擴大測量范圍。受激光雷達自身高度和測量范圍的影響，當部件擺放位置過高或部件高度超出激光雷達掃查范圍時，將給測量帶來一定難度。但是，如若引入智能自動導引運輸車（Automated Guided Vehicle，AGV）和六軸機械臂，可完美解決因被測對象位置過低或過高所帶來的問題，使激光雷達在最優位置完成數字化測量。