基于三維光柵掃描儀機翼外形檢測方法的研究

肖 婧，郭朝陽，吳承亮

（航空工業洪都，江西 南昌，330024）

0 引言

隨著飛機數字化設計與制造技術的飛速發展，傳統模擬量的檢測模式越來越捉襟見肘，先進的數字化檢測技術在航空制造業得到不斷應用。針對目前產品在研制過程中所面臨的難題——無法保證機體氣動外形型面的檢測精度，本文提出采用三維光柵掃描儀的解決方案。三維光柵掃描儀作為三維檢測技術的典型代表，其精度高、速度快、使用靈活的特點使其在對具有復雜曲面零部件的檢測具有優勢，檢測難題迎刃而解。

1 三維光柵掃描儀測量系統介紹

1.1 系統構成

三維掃描儀系統采用目前國際上最先進的結構光非接觸式照相測量技術——一種結合結構光技術、相位測量技術、計算機視覺技術的復合三維非接觸式測量技術。所謂照相測量，就是類似于照相機對視野內的物體進行照相，不同的是照相機攝取的是物體的二維圖像，而三維光柵測量儀則獲取的是物體的三維信息。

此次采用的COMET6三維光柵掃描儀系統結構如圖1所示。測量時三維掃描儀系統中的投影儀把基準光柵條紋投向物體，物體的條紋圖像經過攝像頭和圖像采集卡處理后，以特定格式保存在計算機中，對物體條紋圖像進行解碼和相位計算后，即可得出物體外形的三維坐標，由此建立三維空間坐標系統（X，Y，Z）和二維觀測坐標系統（x，y）。

圖1 COMET6三維光柵掃描儀系統構成圖

1.2 基本原理

三維光柵掃描儀基本原理如圖2所示，入射光P照射到參考平面上的A點，放上被測物體后，P照射到被測物體上的D點，從圖示觀察A點就移動到C點，距離AC就包含了高度信息Z=h（x，y），即高度受到了表面形狀的調制。

圖2 光柵投影法原理圖

2 機翼外形檢測方法的研究

2.1 機翼整體結構概述

機翼是飛機產生升力的部分，也是飛機較為重要的空氣動力部件。某型機機翼為梯形翼，展長4740mm。機翼前緣懸掛兩個活動面——內、外前緣襟翼，后緣懸掛兩個活動面——后緣襟翼和副翼。機翼盒段，即固定翼面則由機翼整體油箱段、機翼外段、機翼前襟艙、機翼后緣四部分組成。圖3為機翼整體結構示意圖。

圖3 機翼整體結構示意圖

2.2 檢驗現狀分析

目前，對于飛機部件外形測量主要采用裝配檢驗夾具（卡板、千分片等）或檢驗樣板，檢查其型面吻合性，即部件外形上某點實際相對理論的間隙值。機翼外形根據外表面精度和質量要求，分3個區域進行檢測：

第1區：從前緣到1梁軸線處；

第2區：從1梁軸線到5梁軸線處；

第3區：所有余下部分，包括后襟和副翼。

沿機翼橫向和展向檢查機翼外緣的制造偏差：

1）按裝配型架卡板在7肋、11肋、8～10肋之間按卡板方向進行檢查測量；

2）用600mmc長直尺、按翼弦的25%、35%、45%、55%、65%、75%等百分線沿展向進行測量（機翼整體油箱按裝配驗收規范固定的區域除外）。具體機翼外形偏差詳見表1。

表1 機翼外形偏差 單位：mm

不難看出，傳統檢測方法存在以下幾方面問題：

1）檢測結果為間接值，不能直接反映型面偏差狀態；

2）檢測結果受檢測裝備和人為因素影響大，檢測準確度不高；

3）檢測手段專用單一，無法滿足不同飛機不同部件檢測需要；

4）檢測效率低，尤其對于大尺寸范圍零部件的檢測，無法滿足現代飛機制造高效、快捷的需求。

針對上述問題，三維光柵掃描儀能夠快速而準確地實現飛機部件外形評價，對有效提升飛機制造質量具有重要意義。

2.3 三維光柵掃描儀試驗及結果分析

與傳統檢測方法相比，COMET6三維光柵掃描儀能夠快速方便地獲取復雜表面的完整點云，并利用拼合技術，重構出被測部件，完成被測物體與理論模型的數據對比。因此，選用其作為機翼外形檢測的主要設備。

機翼具有4個活動翼面，在現有CATIA模型中無法確保理論數模中的活動翼面與實際部件上下擺動處于同一水平面上，因此，在此次試驗中，只針對固定翼面，即機翼整體油箱與機翼外段進行外形檢測。

機翼架外完工后，將機翼置于穩定的工作架上，其余4個活動翼面處于自由狀態，利用COMET6三維光柵掃描儀對機翼外形進行檢測，具體試驗流程見圖4。

圖4 機翼外形檢測流程圖

檢測方案確定后，按照工作流程展開對機翼外形的檢測。

2.3.2.1 物體掃描

由于機翼外形尺寸較大，不能一次測完全部數據，需進行多次分區掃描，因此，為保證后續圖片拼接的準確性，需在機翼外形粘貼標志點。選用合適的鏡頭參數，完成系統標定。圖5為系統標定合格結果。

圖5 系統標定結果

標定合格后，展開對被測工件的掃描，圖6為物體掃描實時成像圖。

圖6 物體掃描實時成像圖

2.3.2.2 點云生成

測量時，三維掃描系統中的投影儀把基準光柵條紋投影到被測工件表面產生摩爾條紋，摩爾條紋的變化被CCD鏡頭記錄下來傳送到計算機，經過處理后，得到物體外形的三維坐標，即生成點云信息。

2.3.2.3 特征提取

經掃描所得到的往往是散亂點形式無序排列的大量點云，基于物體復雜程度，實體點云的數據量有較大區別，加之由于測量儀器和其他諸如環境等因素的影響，不可避免地引入了噪聲點。因此，在特征提取過程中，COMET6利用自身逆向工程軟件，對所采集到的點云進行處理，反求出相應的曲面。

2.3.2.4 三維造型

COMET6測量系統依靠事先在工件表面所粘貼的標志點進行曲面的拼接，最終利用特征信息完成三維造型。圖7為機翼外形掃描結果。需要注意的是，每一次拍攝必須由3個以上的參考點重合，然后根據這三個“前”點來定義“后”點，如此循序遞推便可完成整個測量工作。

圖7 機翼外形掃描結果

2.3.2.5 對比評價

利用INSPECTplus軟件將設備所采集的數據與理論CATIA模型進行對比，通過彩圖體現出誤差具體部位。圖8為機翼外形檢測數據報告，可根據左邊顏色條，判斷出零件外形是否超差。

圖8 機翼外形檢測報告

與傳統卡板只能針對局部某一區域進行檢測的方法相比，三維光柵掃描儀無論是在檢測范圍還是檢測精度來說，都得到了較為直觀的體現，說明將三維光柵掃描儀運用于機翼外形檢測方法，科學可行，誤差可控。但另一方面，正是由于它的高精度，在檢測結果方面，較多區域處于超差狀態（尤其是灰色區域，由于超差過大，因而無色差顯示）。而產生這種結果的原因可能是由以下幾方面造成：

1）點云采集誤差

由于機翼外形面積較大，COMET6需依靠事先在零件實體表面的標志點來定位，并通過獲取實體表面的反射光線得知物體表面的曲面信息。每一次拍攝必須要有3個及以上的參考點被CCD鏡頭同時獲取，而且其中的3個點必須是已經定義過的，然后可根據這3個“前”點來定義“后”點，如此循環遞推完成整個測量工作。在數據采集過程中，誤差本身的產生是不可避免的，但誤差累積到一定程度將無法滿足精度要求。即在每次掃描過程中，并不會重合點數越多，掃描結果越準確。相反，重復點數每增加一個，都將給點云采集帶來誤差的累積。

2）零件鉚釘連接

從圖8中可以發現，誤差較大區域主要集中在鉚釘連接處。這是因為工人在鉚接過程中，由于個體存在差異，施鉚時所施加的力度有所差別。尤其在機翼上，有較多口蓋需要鉚接，由于連接處力度不均，引起各曲面出現凹凸變形。這種變形對于傳統量具測量困難，但三維光柵掃描儀測量精度可達10μm，能檢測出型面的細微差別。

除以上兩個主要原因外，其他影響檢測結果的可能原因還有溫度、材質、外界光線。值得注意的是，單次數據采集時，三維掃描儀與被測物體之間距離的遠近，在不超過規定范圍內，是否會因距離的不同對檢測結果產生影響，需進一步驗證。

3 總結與展望

三維光柵掃描儀因測量速度快、精度高、非接觸、靈活性強、智能化等優點在航空產品檢測方面起著重要作用。在大量查閱國內外相關文獻的基礎上，結合實際應用情況，選定三維光柵掃描儀展開對機翼外形的檢測。試驗表明該方法能夠快速準確地測量出機翼外形曲面。

此次研究工作尚處于初步試驗階段，通過得到機翼上翼面外形的檢測數據，為后續產品（機翼、進氣道、其他復雜曲面的零部件）提供了有效參考價值。針對此次試驗所暴露出的問題，在今后工作中，還需從以下幾個方面展開深入研究：

1）點云采集方法

在點云采集過程中，誤差的產生是不可避免的。當誤差累積到一定程度時，則無法滿足精度要求。但如若引入照相技術可解決此類問題。因為三維光柵掃描儀系統測量所得數據是物體表面的點的數據——點云，而照相掃描系統所得到的是參考點的坐標。由于COMET6是根據參考點來為所測量點云進行定位的，因此，借助照相技術的輔助，COMET6誤差累積問題就可迎刃而解。

2）處理參數優化

COMET6擁有強大的測量軟件和數據處理軟件，一些模塊在試驗初期未完全被挖掘利用，部分處理參數可深入優化。如：

①掃描參數的調整

點云密度越高對數據和圖形的表現力越好，測量結果也越精確。但有時在測量大平面、結構不復雜的零件時，點云過密反而會增加數據處理時間，并加大誤差累積的可能。因此，在后期掃描時，可根據被測物件特性，針對不同區域設置適當的點云密度。

②后處理參數的設置

針對掃描所得圖像，除進行簡單的去除非相關點、除噪等基本操作外，還可進一步優化參數，如網格計算（包括網格大小的設置、光順）、表面去峰值等。

③對比類型的選擇

在將掃描結果與理論數模進行對比時，alignment（精準對齊）方式的選擇及所選部位都將對產品的評價產生影響。因此在后續工作中，可將點—點、線—線和面—面三種方式進行比較，尋找最優方法。