三维激光扫描技术在大飞机上的应用研究

赵庆辉 何坤

摘 要：数字化测量技术是现代飞机数字化装配技术的重要组成部分，从当前常见几种数字化测量系统入手，简要介绍了各自的优缺点及使用现状，重点以手持式三维激光扫描仪为研究手段，以某型机中机身环控管路装配不协调问题为研究对象，详细论述了手持式三维激光扫描仪在解决机身内部管路装配偏差问题的研究过程，为今后行业内机身内部管路装配偏差检测提供研究方法和思路。

关键词：数字化测量；三维激光扫描；飞机装配检测

中图分类号：TN249 文献标志码：A 文章编号：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，隨着公司飞机生产数量的不断增加，部、总装现场零部件的装配偏差逐渐成为影响飞机交付的一个主要因素。因为飞机装配偏差是由人为因素、系统误差以及偶然误差等多种因素导致[1]，难以避免，分析难度大，所以通常情况下，当出现零、部件装配偏差问题时，都是根据装配现场的实际偏差量进行即时位置调整或者取样新制零件，从而满足飞机装配要求。

根据装配现场的生产实际来看，机身内部各种管路装配不协调问题，大多直接采用取样新制，该方法解决管路装配问题的周期一般为5～7天，不仅费时费力，而且由于没有有效的检测工具进行原因分析而直接取样，整个过程显得比较盲目，缺乏系统化、科学化的问题处理方法。随着计算机技术以及信息技术的不断发展，先进的数字化测量系统逐渐被应用到飞机的装配制造中，取得了很好的效果。目前，在飞机装配中常见的数字化测量系统有激光跟踪仪、数字照相测量、室内GPS以及三维激光扫描，各自以其独有的测量特点在飞机不同的装配领域发挥巨大的作用[2]，各种数字化测量系统的特点及应用现状见表1所示。

本文根据装配现场遇到的实际装配问题，采用手持式三维激光扫描仪，尝试对某型飞机中机身环控管路进行装配检测，通过对扫描数据与理论数模进行对比分析，查找管路装配不协调问题产生原因，进而解决环控管路装配不协调问题。

1 试验及方法

1.1 问题描述

某型机中机身环控管路出现装配偏差，装配厂认为零件制造厂产品尺寸有问题，而零件制造厂认为该零件使用检验模测量合格后交付，无尺寸问题，将问题归结于装配问题。由于机身内部空间狭小，环境复杂，常用数字化测量设备无法在该环境下使用，导致管路装配偏差问题未能及时解决，影响到飞机交付。

1.2 试验方法

使用加拿大CreaForm公司的HandyScan 300TM手持式三维激光扫描仪以及VXelements数据处理软件对问题飞机环控管路进行三维扫描，将优化处理完毕后的扫描数据和理论数模共同导入Geomagic Control分析软件进行对比检测。

2 结果与讨论

根据装配现场实际反应问题，对问题区域进行三维扫描，扫描结果如图1所示。（a）图为扫描数据与理论数模依据基准对齐后在空间中的位置，其中浅灰色部分为扫描数据，深灰色部分为理论数模；（b）图为对比测量结果，尺寸偏差设置为1mm，其中浅灰色部分为理论数模，深灰色区域为实际点云位置在理论数模曲面法线方向上以及法线反方向上超出1mm的扫描数据，其余灰度区域为介于正负1mm偏差之间的扫描数据（下同）。

由图可以看出，左侧管路明显偏离理论装配位置（实线圆圈所示），沿轴线方向其偏离量约为28mm，垂直轴线方向偏移量约为23mm。根据这一测量结果，为了排除零件制造误差，首先对上图中存在装配关系的左侧长管（实线圆圈）以及右侧短管（当时未装配，虚线圆圈）分别进行三维外形检测。

左侧长管以及右侧短管三维外形检测结果如图2和图3所示。由图2可以看出，左侧长管其实际外形与理论外形基本一致，左端面偏离量约为0.06mm，右端面偏离量约为0.2mm，零件外形偏差在±0.5mm的允许偏差范围内，符合设计要求；由图3可以看出，右侧短管其实际外形与理论外形基本一致，左端面偏离量约为-0.2mm，右端面偏离量约为-0.04mm，零件外形偏差在±0.5mm允许偏差范围内，符合设计要求。

根据上述测量结果，排除了零件制造厂的零件制造偏差，装配厂立即展开错误排查，并最终发现该装配偏差是由左侧长管左端面固定卡箍未安装导致。将左侧长管左端面固定卡箍安装后的环控管路空间扫描数据如图4所示。

由图可以看出，左侧长管左端面固定卡箍安装后（左侧实现圆圈所示），整个管路的实际安装位置与理论数模位置基本一致，轴向偏差约1.5mm，垂直轴向偏差约0.3mm，符合装配现场实际安装要求。

3 结束语

本文根据装配现场遇到的实际装配问题，采用手持式三维激光扫描仪，对某型飞机中机身环控管路进行装配检测，通过对扫描数据与理论数模进行多次对比测量，解决了机身内部复杂管路装配不协调问题，提供了使用手持式三维激光扫描仪进行机身内部复杂环境装配检测的方法，为今后行业内机身内部装配偏差检测开辟了一条新思路。

参考文献：

[1]刘洋.飞机装配注意要点分析[J].科技创新与应用，2015（30）：58.

[2]邹爱丽，王亮，李东升，等.数字化测量技术及系统在飞机装配中的应用[J].航空制造技术，2011（21）：72-75.

[3]李广云.LTD500激光跟踪测量系统原理及应用[J].测绘工程，2001（12）：3-8.

[4]任晓华.新型飞机自动化装配技术[J].航空制造技术，2005（12）：32-35.

[5]李泷杲，黄翔，方位，等.飞机装配中的数字化测量系统[J].航空制造技术，2010（23）：46-48.

[6]于勇，陶剑，范玉青.波音787飞机装配技术及其装配过程[J].航空制造技术，2009（14）：44-47.