大型航天器與外熱流模擬裝置的數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法

謝吉慧，蘇新明，秦家勇，袁偉峰，吳星亮

（1.北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094； 2.北京諾斯頓測量技術(shù)（北京）有限公司，北京 100024）

0 引言

在真空熱試驗中，常選用紅外加熱籠作為外熱流模擬裝置。為提高外熱流模擬的準(zhǔn)確性，紅外加熱籠需要對航天器進(jìn)行全表面覆形，與航天器表面距離一般控制在300mm左右。大型航天器包含多個結(jié)構(gòu)艙段，外形尺寸大、表面結(jié)構(gòu)狀態(tài)復(fù)雜，因其表面有大量外露設(shè)備超出了紅外加熱籠與航天器表面的間距控制范圍而需對紅外加熱籠開孔進(jìn)行結(jié)構(gòu)避讓。為了減小紅外加熱籠開孔對外熱流模擬準(zhǔn)確性的影響，這些開孔應(yīng)盡量小，開孔邊界與凸出設(shè)備的幾何容差應(yīng)控制在50mm左右。紅外加熱籠為分塊框架型結(jié)構(gòu)，采用二維模式設(shè)計與加工，使用不銹鋼管、角形鋼等標(biāo)準(zhǔn)材料焊接而成，其加工尺寸誤差一般在20mm 左右。

紅外加熱籠與航天器的結(jié)構(gòu)匹配主要存在如下問題：1）大尺寸框架型結(jié)構(gòu)焊接的加工尺寸誤差大，約占設(shè)計容差的40%；2）傳統(tǒng)尺寸測量方法對圓錐、圓臺、球等曲面空間位置的測量誤差大，導(dǎo)致紅外加熱籠加工尺寸驗證困難；3）采用實物試裝配的方法提前對紅外加熱籠與航天器進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配驗證的代價太大，需要占用1星期以上的主線研制時間，并耗用大量的人力資源；4）航天器表面部分軟性結(jié)構(gòu)的實施狀態(tài)與航天器結(jié)構(gòu)設(shè)計存在差異。

三維掃描技術(shù)主要用于對物體空間外形、結(jié)構(gòu)及色彩進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。該技術(shù)能實現(xiàn)非接觸測量，具有速度快、精度高的優(yōu)點[1]，且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口。因此，三維掃描技術(shù)在制造業(yè)[2]、建筑業(yè)[3]、文物考古[4]及生物醫(yī)學(xué)[5]等方面得到了廣泛應(yīng)用。在汽車和航空制造行業(yè)中，三維掃描技術(shù)已經(jīng)基本替代了傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量檢測方式用于渦輪增壓葉片和航空發(fā)動機(jī)葉片的檢測；大型汽車工廠已經(jīng)完成主要部件三維掃描流水線的布設(shè)，通過三維掃描儀和工業(yè)機(jī)器人的結(jié)合，使用計算機(jī)軟件自動控制整個檢測和分析過程，極大提高了產(chǎn)品檢測的準(zhǔn)確度和效率。

針對外熱流模擬裝置與大型航天器結(jié)構(gòu)匹配的問題，本文提出基于三維掃描技術(shù)的數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法：首先利用三維掃描技術(shù)獲取外熱流模擬裝置或航天器實物的結(jié)構(gòu)表面空間坐標(biāo)（點云數(shù)據(jù)），然后構(gòu)建外熱流模擬裝置或航天器的實物三維模型，最后利用三維軟件對所構(gòu)建的模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配驗證。

1 數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法及流程

外熱流模擬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計主要以航天器結(jié)構(gòu)模型及分區(qū)要求作為設(shè)計輸入，其中分區(qū)要求規(guī)定了航天器表面加熱區(qū)域的劃分及外熱流模擬裝置與航天器表面的距離。部分航天器結(jié)構(gòu)模型仍為二維模型，既無法進(jìn)行結(jié)構(gòu)匹配驗證，也給外熱流模擬裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來不便，因此需對這類航天器的表面結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維掃描，建立與實物對應(yīng)的三維結(jié)構(gòu)模型（簡稱實物三維模型），以作為外熱流模擬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)。

外熱流模擬裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計、加工完成后，需要對其實物進(jìn)行三維掃描，建立實物三維模型，將實物三維模型與三維設(shè)計模型進(jìn)行數(shù)字化匹配驗證，以確認(rèn)外熱流模擬裝置的結(jié)構(gòu)加工誤差是否在要求范圍內(nèi)；如存在超差情況，則須對超差部分的外熱流模擬裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改；修改完成后，對修改的部分進(jìn)行三維掃描，并利用掃描結(jié)果進(jìn)行外熱流模擬裝置實物三維模型的修正，再次進(jìn)行三維實物模型與設(shè)計模型的比對，以確認(rèn)尺寸超差的修改結(jié)果是否滿足要求。

在航天器進(jìn)行熱試驗前，其結(jié)構(gòu)表面要鋪設(shè)大量電纜和包覆軟性材料，這些軟性結(jié)構(gòu)無法在航天器設(shè)計模型中準(zhǔn)確給出，因而造成航天器實物與其三維模型之間存在差異。因此，在航天器表面電纜和軟性結(jié)構(gòu)實施完成后，須對航天器表面的軟性結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，建立其三維包絡(luò)模型，并據(jù)此對航天器的三維模型進(jìn)行修正，以提高模型與實物的貼合度。利用修正后的航天器模型與紅外加熱籠模型進(jìn)行數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配，以確認(rèn)兩者是否存在結(jié)構(gòu)干涉（隱患）；如發(fā)現(xiàn)干涉（隱患），須進(jìn)行原因分析并采取措施予以消除。

整個數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法的流程如圖1所示。

圖1 數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法流程圖Fig.1 Flow chart of digital structure matching method

2 數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法中的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 三維掃描及逆向建模的幾何精度要求

外熱流模擬裝置在設(shè)計時預(yù)留的幾何容差為50mm，從大量的實際經(jīng)驗來看，紅外加熱籠與航天器的安全距離至少應(yīng)控制在30mm左右，因此留給數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配的幾何容差為20mm；數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配中航天器和紅外加熱籠均需要進(jìn)行三維掃描和逆向建模，因此單次過程的幾何容差最大為10mm。

三維掃描和逆向建模過程引入的幾何誤差主要來自：1）三維掃描儀的測量誤差；2）多站測量點云數(shù)據(jù)的拼接誤差；3）逆向建模時的數(shù)據(jù)處理誤差。以上三者的累積不可超過10mm，推薦的誤差分配為：掃描誤差≤4mm，拼接誤差≤3mm，逆向建模數(shù)據(jù)處理誤差≤3mm。

2.2 三維掃描的布站原則

在進(jìn)行航天器或外熱流模擬裝置三維掃描前，需要根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境規(guī)劃掃描站點和標(biāo)靶點的布置，以保證尺寸數(shù)據(jù)掃描的完整性和拼接精度，一般遵循如下原則：

1）使掃描設(shè)站以及標(biāo)靶點（參考球或紙質(zhì)標(biāo)靶）分布盡量均勻，掃描站點之間要有30%的重復(fù)區(qū)域；

2）對于重點掃描區(qū)域，應(yīng)多角度多方位架設(shè)站點以保證掃描數(shù)據(jù)完整性在90%以上；

3）參考球應(yīng)布設(shè)在兩掃描測站中間，兩站之間至少有3個可視的參考球，參考球之間應(yīng)有一定的高度差，以保證兩掃描測站之間的數(shù)據(jù)能正常拼接；

4）紙質(zhì)標(biāo)靶的布設(shè)最好與掃描儀視角方向成垂直角度，距離盡量控制在10 m以內(nèi)。

2.3 多站測量拼接誤差累積問題的處理

對于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，航天器或外熱流模擬裝置周圍存在工裝阻隔掃描儀可視區(qū)域的情況（如航天器在大型操作平臺內(nèi)部進(jìn)行總裝），需要大量增加掃描站數(shù)以保證數(shù)據(jù)的完整性；但是隨著掃描站數(shù)的增加，通過站間標(biāo)靶點進(jìn)行數(shù)據(jù)拼接的處理方法會導(dǎo)致拼接誤差的累積。這種情況下，采用全站儀對各掃描站點數(shù)據(jù)進(jìn)行控制，可以大大降低因掃描站數(shù)增多帶來的拼接誤差累積。

使用全站儀進(jìn)行掃描站點數(shù)據(jù)控制的方法為：1）布置全站儀，建立基準(zhǔn)坐標(biāo)系；2）按照布站規(guī)劃進(jìn)行掃描，每站至少保證3個可視的參考球；3）使用全站儀測量每個參考球的空間坐標(biāo)；4）在SCENE軟件中導(dǎo)入坐標(biāo)文件，手動指定參考球空間坐標(biāo)，強(qiáng)制進(jìn)行對應(yīng)掃描數(shù)據(jù)的拼接。在這種方法中，推薦使用ATS大參考球配合棱鏡的方式進(jìn)行空間位置的測量，最后掃描數(shù)據(jù)的拼接誤差即為全站儀的測量誤差，一般可以控制在2mm左右。

以某次測試為例，航天器外包絡(luò)高度方向尺寸約10 m，直徑約3 m，位于5層操作平臺中，需要分層進(jìn)行掃描，每層掃描4站。三維激光掃描儀采用FARO Focus X330，全站儀使用徠卡 TCRP1201，總掃描站數(shù)為23站。采用站站間參考球進(jìn)行掃描點云數(shù)據(jù)的拼接，SCENE軟件統(tǒng)計的拼接誤差平均值為8.7mm；采用全站儀進(jìn)行掃描站點數(shù)據(jù)控制拼接，SCENE軟件統(tǒng)計的拼接誤差平均值為1.4mm。選取航天器底部與頂部2個端面作為標(biāo)準(zhǔn)比對平面，兩平面設(shè)計高度差為8 180.0mm，分別對用以上2種方法拼接出的數(shù)據(jù)進(jìn)行平面擬合，以軸心作為中心，在圓周上按120°均布的方式提取2個平面的高度差，站站拼接方式和全站儀控制拼接方式得到的高度差平均值分別為 8 168.1 和8 183.1mm，可見全站儀控制拼接方式的誤差要明顯小于站站拼接方式的誤差。詳細(xì)數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 站站拼接與全站儀控制拼接誤差對比Table 1 Comparison of deviations between two different methodsmm

2.4 三維掃描儀參數(shù)的選擇

三維掃描儀的掃描參數(shù)決定了掃描時長、測試精度以及數(shù)據(jù)量的大小。在滿足測試精度的基礎(chǔ)上，選擇合適的掃描參數(shù)，可以節(jié)省掃描時長，降低掃描數(shù)據(jù)量，以便后期計算機(jī)能更快地處理數(shù)據(jù)。

掃描參數(shù)包括掃描質(zhì)量和掃描步長。掃描質(zhì)量是指掃描時對單個測點進(jìn)行激光測距的測量次數(shù)，通過多次測量可提高測距精度。掃描步長是指掃描儀掃描相鄰測量點時掃描頭的旋轉(zhuǎn)角度，分為垂直步長和水平步長，其決定了被測表面的幾何采樣分辨率。掃描參數(shù)的選擇一方面要考慮掃描誤差的要求，另一方面要考慮掃描點云處理軟件對參考球識別的要求，一般軟件推薦參考球上的掃描點數(shù)要＞100。

如圖2所示，設(shè)掃描儀的水平步長為角α；A、B為掃描到被測物體表面的相鄰兩點；d為掃描儀到A點的距離；f為A、B兩點的間距。f相對于d很小，故可以認(rèn)為d與f之間為直角，則tanα=f/d，f=dtanα。f應(yīng)不大于掃描誤差（4mm），當(dāng)d較小時，可以增加掃描步長，以提高掃描速度，節(jié)省掃描和后期數(shù)據(jù)處理的時間。另外，參考球半徑r一般在100mm左右，在其擺放距離與被測物尺寸相當(dāng)?shù)那闆r下，要保證掃描誤差≤4mm，參考球上的掃描點數(shù)應(yīng)＞100，以滿足軟件識別的要求；在其擺放距離為被測物尺寸2倍以上的情況下，需要考慮參考球上掃描點的數(shù)量來確定掃描步長，如圖3所示。

圖2 掃描步長和掃描距離的關(guān)系Fig.2 The relationship between scanning step and distance

圖3 參考球上的掃描點示意Fig.3 The scanning points on the reference ball

2.5 三維掃描點云數(shù)據(jù)的處理

三維掃描儀在工作過程中，每站掃描都會采集到測距范圍內(nèi)的所有可視點；另外，由于被測物表面材質(zhì)反射率的影響，會產(chǎn)生測試噪聲點，這些都包含在原始點云數(shù)據(jù)中。原始點云數(shù)據(jù)中所包含的大量無關(guān)數(shù)據(jù)和噪聲數(shù)據(jù)會給后期逆向建模帶來干擾，因此點云數(shù)據(jù)處理的第1步就是剔除無關(guān)點和噪聲點。SCENE軟件可以按一定距離過濾掉部分無關(guān)的點，更多的點處理過程則需要使用專業(yè)的點云處理軟件（如GEOMAGIC軟件），如非連接點和體外孤點的剔除，處理示例見圖4、圖5所示。

圖4 SCENE 軟件無關(guān)點剔除功能Fig.4 Removing the irrelevant points by SCENE software

圖5 GEOMAGIC 軟件非連接點和體外孤點剔除功能Fig.5 Removing non-connecting points and isolated points by GEOMAGIC software

數(shù)據(jù)處理的第2步是進(jìn)行所有掃描數(shù)據(jù)的采樣、抽稀和簡化，通過數(shù)據(jù)點云軟件統(tǒng)一采樣功能對點云進(jìn)行數(shù)量優(yōu)化，統(tǒng)一點云數(shù)據(jù)的點間距、減少點數(shù)量。對于平整面可以設(shè)置點間距為10mm進(jìn)行優(yōu)化，對存在拐點的復(fù)雜區(qū)域可設(shè)置點間距為2～3mm保留細(xì)節(jié)，再將局部數(shù)據(jù)替換到整體數(shù)據(jù)中。這樣既減少了形狀簡單的平整面的數(shù)據(jù)量，又保證了局部位置的精細(xì)程度。

2.6 逆向建模

對于幾何尺寸大的航天器或外熱流模擬裝置，點云數(shù)據(jù)處理完成后，可利用點云數(shù)據(jù)處理軟件生成STL標(biāo)準(zhǔn)的三角網(wǎng)格數(shù)據(jù)，以便Pro/E三維建模軟件能順利打開，一般圖形工作站中使用單個STL格式的三角網(wǎng)數(shù)據(jù)不能超過3 000 000面數(shù)。根據(jù)航天器或外熱流模擬裝置的實際結(jié)構(gòu)形式，依托三角網(wǎng)數(shù)據(jù)構(gòu)建其三維結(jié)構(gòu)模型，構(gòu)建完成后利用軟件功能統(tǒng)計三維結(jié)構(gòu)模型與三角網(wǎng)數(shù)據(jù)的幾何尺寸誤差，并將誤差控制在3mm內(nèi)，以確保整個處理流程的精度滿足要求。

3 應(yīng)用情況

自2015年以來，該數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法已應(yīng)用于多個航天器真空熱試驗，經(jīng)過數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配后，外熱流模擬裝置與航天器的配裝成功率達(dá)到100%，實際安裝狀態(tài)與仿真結(jié)果吻合度較好。該數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法的部分應(yīng)用場景如圖6、圖7所示。

圖6 三維數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配仿真與實物對比Fig.6 Comparison of digital structure matching and physical matching

圖7 三維數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配仿真示例Fig.7 Examples of digital structure matching verification method

4 結(jié)束語

數(shù)字化結(jié)構(gòu)匹配方法通過對三維掃描技術(shù)及數(shù)字建模技術(shù)的整合，解決了外熱流模擬裝置加工尺寸驗證和與航天器結(jié)構(gòu)匹配困難的問題，具有不占用航天器主線研制時間、不存在操作安全風(fēng)險等優(yōu)點，是實現(xiàn)尺寸不大于20 m外熱流模擬裝置與航天器結(jié)構(gòu)匹配的理想解決方案。

該方案還能用于其他復(fù)雜地面工裝以及航天器之間的結(jié)構(gòu)干涉驗證，具有很好的通用性。

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