基于激光测量的机翼外形检测

李 鑫 杨坪川

（成都飞机工业（集团）有限责任公司，四川成都610092）

0 引言

随着社会的进步和新技术的应用，航空制造业的竞争日趋激烈，对飞机质量及装配精度的要求也越来越高。

传统的机翼外形检测主要使用专用的工装——外形检查卡板。这种卡板不但笨重，而且精确度较差，它只能定性地说明机翼外表面形状是否满足设计要求，无法定量及准确描述机翼外表面位置是否处在数模所规定的正确位置上。而且这种卡板往往只能适应特定的机型，飞机产品的外形或结构发生改变时，必须重新订制专用工装以及与之配套的样板、样件等，这都增加了生产成本和生产准备周期。

针对生产中的这种情况，我们采用激光雷达对机翼的外形进行检测。激光雷达精度较高，满足测量要求，相比于激光跟踪仪的优点在于它的非接触性：不需任何反射镜或测量探针，不需要在机翼上打制工艺孔放置反射镜等。这样可以定量说明，同时避免订制工装，极大地减少了生产准备时间。

1 机翼外形检测总体方案

1.1 测量技术方案流程

本课题采用激光雷达来进行机翼外形检测，得到机翼外形的点云，通过CATIA软件将点云与数模对比，得到外形误差。其基本测量流程如图1所示。

图1 测量流程图

首先，根据所需测量的机翼位置及尺寸特点，制定出测量计划。由于被测物体确定，本测量计划确定后可重复使用。

测量计划中一般包括以下内容：

（1）被测特征点的可测性分析：应尽量选取可表征机体特征又目视可测的特征点作为测量点。如特征点非常重要，而又不能目视可测，则需要根据特征点的位置特征将其设计为转站可测点或关节臂配合可测点。

（2）测量设备的放置方式：测量设备的放置方位和高度，应使所确定的被测特征点尽可能地都成为单一位置目视可测点和转站可测点，以尽量减少测量过程中的设备移动。另外，还要考虑测量设备与被测物的距离，尽量减小测量误差。

本课题需要测量的是机翼的整个外形，因而应将测量设备放置于可方便扫描到全部翼面的位置。

1.2 测量坐标系的建立

本课题的坐标系建立是利用型架上的基准点来确定的。将型架上事先打制好的基准点的测量数据与理论数据进行转站，建立的坐标系即为飞机坐标系。

1.3 测量方案

本方案使用激光雷达作为测量设备并采用软件方法来实现机翼外形检测。先通过测量型架上的点与理论点转站，使坐标系转化为飞机坐标系。使用激光雷达的扫描功能测量整个机翼外形。将得到的点云导入CATIA软件中，与理论数模进行对比，生成报告，分析外形误差。

本课题使用的MV224激光雷达技术参数为：水平方向360°；垂直方向±45°；测量范围1～24 m。

测量方案如下：

（1）放置于现场，距被测物体水平距离约3 m，安放平稳并静待5 min，使系统稳定；

（2）打开激光雷达测量系统，预热4 h，通过测试后准备开始测量；

（3）测量型架上的基准点，将基准点的实测值与理论值进行最佳拟合，建立坐标系；

（4）测量机翼外形；

（5）操作完毕，保存生成的点云，将点云导入CATIA软件中；

（6）将点云与被测机翼外形的理论数模进行对比，得到外形误差；

（7）输出测量报告。

外形扫描有多种方式，本课题选择VisionBox Scan，VB-Scan是最快的扫描方式，在移动的同时连续测量。

扫描过程中不能改变焦距，为了避免有空白区域，请确认整个区域在同一景深范围。范围大的区域，分成几个小区域效果更好。

根据需要设置好点线间距（Point spacing＆amp;Line spacing）。雷达开始扫描，点云值发送到Cloudviewer或SA中。

2 结果分析及方法改进

2.1 结果分析

通过以下步骤对扫描的点云进行分析：

（1）将点云数据从SA软件中导出，导出格式为.txt。

（2）将导出的点云数据导入CATIA中。进入开始—形状—Digitized shape editor模块，用工具栏中import工具导入，导入格式选择ASCII free。

（3）用Digitizedshapeeditor模块和Quicksurfacereconstruction模块中的工具对导入的点云进行去噪点、分块、线拟合、面拟合等操作。

（4）将数模导入CATIA软件中，与处理好的点云作比对，得到结果，如图2所示。

图2CATIA软件中左机翼示意图形

测量显示左机翼的气动外形误差符合设计要求。

右机翼采用同样方法测量并进行结果分析，气动外形误差符合设计要求。

2.2 方法改进

本次测量应用激光雷达对实际产品进行外形扫描，还有很多不完善的地方，具体应该在以下几点改进：

2.2.1 基准点选择

测量所生成的点云需要与数模比对，这就需要有基准点。该基准点直接关系到评价实际产品装配质量的合格与否。如果基准点选择有问题，点云与数模比对时，即使产品本身合格，检测出的结果不符合要求，这样对产品质量和生产进度都会有较大影响。

目前有两种比较准确的基准可供选择，一是使用型架上现有的靶标点作为基准点，二是在产品上选择较准确的基准孔作为基准点。

2.2.2 扫描方式

本课题选择VisionBox Scan扫描方式，采用闭区间图形分块扫描的方法，该方法是常用的扫描方法，但在本次扫描机翼时发现由于尺寸较大，扫描得到的点主要集中在闭区间四周，而中心点的能量较小，无法显示。

因此考虑到特殊性，今后扫描可采取开区间扫描方式，会有较好的包络性。闭区间及开区间扫描的方式如图3、图4所示。

图3 闭区间扫描示意图

图4 开区间扫描示意图

2.2.3 点线间距

目前点线间距均设置为5 mm，在精度和效率的双重考虑下，可将点线间距设置为10～30 mm。

2.2.4 自动测量功能

激光雷达具有自动测量功能，可编辑Measurement plan，实现测量的自动化，这样不需要人员在现场一直操作，可以极大地减轻工作强度。

3 结语

采用激光雷达进行机翼外形扫描，替代传统的卡板检验方法，既节省了生产成本和生产准备周期，也提高了检验的准确度。