三維掃描在直升機同軸度檢測與調整中的應用

賈永康，陳 晉，李奕鋒

（成都國營錦江機器廠，四川 成都 610043）

近年來，著眼備戰形勢需要，部隊飛行訓練逐漸增加，越來越貼近實戰，各型直升機面臨非正常損傷的概率增加，傳統修理方法已無法滿足新形勢下直升機基地級修理的需求。在未來很長一段時間內，如何對非正常受損的直升機進行修理，滿足非正常損傷直升機搶修保障需求，恢復裝備性能，挖掘裝備戰斗力，將成為基地級修理共同關注的重點。

尾傳動軸同軸度檢測是直升機維修必須進行的一項工作，直接關系到直升機振動水平及飛行安全。目前一般采用百分表檢測法、光學檢測法，這些方法簡單方便，操作性強，但測量取點范圍小，無法直接測量尾傳動軸整體同軸度情況，隨機誤差大。

尾傳動軸同軸度檢測發現同軸度超差后，需進行調整，使其恢復到出廠性能狀態。傳統維護、修理時一般通過調整尾傳動軸支座位置或調整中減速器支座處墊片厚度的方法進行調整，該方法具有局限性，無法適用于非正常受損直升機修理。三維激光掃描技術的出現，則為解決該課題提供了一條很好的途徑。

三維激光掃描技術是20世紀90年代中期出現的一項新技術，又稱“實景復制技術”[1-3]，目前在國內外發展迅猛，被喻為測量技術的一次“工業革命”。三維激光掃描技術主要應用于物體外殼掃描，能夠快速計算出工件表面標志點的精確三維空間坐標，形成一個全局坐標系統后可與CAD模型進行誤差比對，實現大型工件快速三維檢測。與傳統測量方法相比，其具有精度高、速度快、逼近原型等特點，可以真正做到直接從實物中進行快速逆向三維數據采集及模型重構，無需進行任何實物表面處理，其點云中的每個三維數據都是直接采集目標的真實數據，使得后期處理的數據完全真實可靠。近年來，三維激光掃描技術應用已從汽車領域逐漸滲透到航空領域，在航空設計、制造方面均有大量應用實例，并取得較好效果。本文以加拿大生產的handyscan 700 系列手持式自定位掃描儀（如圖1）為對象，嘗試通過利用三維激光掃描技術檢測非正常損傷的直升機技術狀態，以期為非正常損傷直升機尾傳動軸同軸度檢測與調整提供新的方法和思路。

圖1 handyscan 700 系列手持式自定位掃描儀

1 三維激光掃描原理

三維掃描系統是集光、機、電、計算機技術為一體的新型掃描系統，它主要用于空間物體外形、結構及色彩的掃描，將物體立體信息變換為可以利用計算機直接進行處理的信號，獲得物體空間表面坐標，實現物體的三維掃描[4]。整個三維激光掃描測量系統主要由激光掃描儀、數碼相機、一字標桿、十字標桿、后處理軟件、電源系統及附屬設備組成。三維激光掃描技術的測量原理是由激光脈沖二極管發射的激光脈沖，經過旋轉棱鏡，射向目標，探測區通過接收并記錄反射回來的激光脈沖信號來捕獲數據，最后經過軟件處理后建模輸出。激光掃描的過程，實際上就是一個不斷地進行數據采集和處理的過程。通過具有一定分辨率的點與激光掃描設備構成一個坐標系。通過激光掃描測量系統的測角和測距從而計算出測點的三維坐標（xP，yP，zP）,如圖2所示，其中P點為地面掃描點，地面三維掃描測量系統通過數據采集獲得距離觀測值S，精密時鐘控制編碼器同步實時測量出每個激光脈沖的橫向掃描角度觀測值α和縱向掃描觀測值θ。掃描測量系統在內部坐標系內計算出P點的三維坐標[5]。

圖2 三維激光掃描技術測量三維坐標

2 尾傳動軸同軸度檢測方法

2.1 百分表檢測法

直升機尾傳動軸分段布置，各段傳動軸之間靠聯軸節連接以補償尾傳動軸旋轉時的長度變化和角度變化，從而滿足同軸度要求，若尾傳動軸各段之間的同軸度超過一定限制，會使直升機振動加大，傳動軸承受應力增大，影響飛行的安全性。百分表檢測主要是靠測量膜片聯軸節的角度偏差β是否在限度之內來判斷同軸度是否合格，如圖3所示。

圖3 百分表檢測尾傳動軸聯軸節角度偏差原理圖

2.2 光學檢測法

光學檢測法主要是在傳動軸拆卸的情況下，用靶標代替傳動軸，利用準直望遠鏡或觀測瞄準具進行測量，如圖4所示。

圖4 光學檢測尾傳動軸聯軸節角度偏差原理圖

檢測時，先將準直望遠鏡用夾具固定在中減速器處，通過調整望遠鏡夾具高度，使得望遠鏡“十字線交點”與裝于主減速器輸出法蘭盤的靶標靶心對齊，然后依次將尾軸軸承座靶標裝于各個軸承座，檢測靶心是否與望遠鏡“十字線交點”對齊。

2.3 三維激光掃描檢測尾傳動軸同軸度方法

2.3.1 設備組成

設備主要由攝影測量系統、手持式激光掃描儀、檢測軟件組成。

2.3.2 檢測方法

使用攝影測量系統對傳動軸上的所有點拍照，獲取整個傳動軸點云。

利用手持式激光掃描儀傳動軸進行面數據掃描，完成當前狀態的掃描后，將傳動軸旋轉約90度再進行第二次面數據掃描。

最后分別將兩次掃描的面數據導出為stl（網格面數據格式，通用型格式）格式文件，導入檢測軟件。

檢測流程詳見圖5。

圖5 三維掃描檢測傳動軸同軸度流程

根據三種直升機尾傳動軸檢測方法的原理分析和技術特點，可以總結出各自的優缺點及發展趨勢，如表1所示。

表1 三種尾傳動軸檢測方法的優缺點對比

3 直升機同軸度調整方法

3.1 正常直升機同軸度調整

采用以上檢測方法檢測正常直升機同軸度超差后，一般通過調整尾傳動軸支座位置或調整中減速器支座處墊片厚度的方法可將同軸度調至目標值。

3.2 非正常損傷直升機同軸度調整

非正常損傷直升機由于做機動飛行或非正常著陸等造成尾梁、尾斜梁結構變形，嚴重偏離直升機出廠狀態。檢測到直升機同軸度超差后，通過調整尾傳動軸支座位置或調整中減速器支座處墊片厚度等傳統方法已無法將同軸度調至目標值。而三維掃描技術可通過對變形情況進行檢測，檢測評估后對機體機構進行修復，并增加調整點對中機身-尾梁、尾梁-尾斜梁相對位置進行調整后，結合傳統方法可使尾傳動軸同軸度恢復至出廠水平。

3.2.1 中機身-尾梁相對位置調整

中機身-尾梁相對位置變化主要是尾梁變形導致，并間接導致尾傳動軸同軸度超差故障，理論上可在中機身與尾梁對接的地方加裝楔形墊片進行補償（如圖6），但是由于尾梁變形量無法確認，無法精確計算加裝的楔形墊片厚度，需反復嘗試，因此，中機身與尾梁需多次拆卸。按照技術規定，拆卸達到規定的三次就需更換整套對接螺栓，造成人力和航材浪費。利用三維掃描技術，可解決該問題，具體作業流程如下所示。

圖6 中機身與尾梁對接框處安裝楔形墊片示意圖

① 將該系統附帶的一字標桿、十字標桿和標識點貼在所測部位的表面，調整相機的光圈和焦距，對所測部位進行拍照。

② 將拍攝的照片導入三維計算軟件(比如3D-Metric）中進行運算，獲取整個測量區域的空間點分布。

③ 將獲取的空間點分布數據導入三維測繪軟件(比如VXelements），調節三維激光掃描儀的快門、分辨率、激光束類型等參數，以獲取的空間點分布為基礎，對尾梁外形進行測繪，獲取三維模型并與理論模型進行比對，得出具體變形部位、變形量。

④ 對變形部位進行矯正、修理，通過變形量計算中機身與尾梁對接地方的楔形墊片厚度。

3.2.2 尾梁-尾斜梁相對位置調整

尾梁-尾斜梁相對位置變化主要體現為尾梁-尾斜梁對接處夾角尺寸超差。由于尾梁平面與尾斜梁平面屬于未發生相交的空間面，制造出廠前，通過制作專用大型工裝夾具保證該夾角達到規定值144°(如圖7），制造出廠后尾梁平面與尾斜梁平面均加裝了鈑金結構、導管、鉚釘等，因此在直升機修理時工裝夾具已無法進行測量，給該夾角恢復調整帶來困難。而采用三維掃描技術可避免鈑金結構、導管、鉚釘等的影響，可直接掃描該夾角模型，將模型導入CATIA軟件，根據模型特征提取尾梁、尾斜梁平面后，直接讀取夾角值，可精確到0.01°。根據測量的夾角值，調整尾梁-尾斜梁處連接接頭，使該尾梁-尾斜梁夾角恢復至規定值144°。

圖7 尾梁與斜梁的夾角示意圖

4 結論

基于三維掃描技術的直升機尾傳動軸同軸度檢測方法無需配套任何夾具，測量精度高，能直觀反映整段尾傳動軸偏差的真實情況，為尾傳動軸同軸度檢測提供一種新的思路和方法。

利用三維掃描技術可實現直升機中機身-尾梁、尾梁-尾斜梁相對位置調整，對非正常受損的直升機修理具有重要意義。目前，基于三維掃描技術對直升機尾傳動軸同軸度檢測與調整的方法，已在某非正常受損國產運輸直升機特殊修理時進行運用，經試飛驗證，傳動軸同軸度及振動數據均符合技術要求，直升機修復后使用良好，振動水平低，效果顯著。