基于激光測繪技術的閉腔配孔工藝優(yōu)化

劉祎萍

（中國飛行試驗研究院，陜西 西安 710089）

1 背景

隨著航空工業(yè)的迅速發(fā)展，新型飛機設計定型任務日益增加，每架承擔新型號任務的飛機都需要經(jīng)過各種各樣的改裝，因而測試改裝的要求逐日增加。所謂測試改裝，是為了滿足新型飛機試飛任務需要對其加裝相關測試設備，而對飛機機型機械結構和電氣系統(tǒng)進行改動的工作。機械改裝工作一般包括對結構件的更改設計、結構開孔加強、機械安裝面的設計預留和加強等工作[1]。為實現(xiàn)改裝結構的機上裝配工作，需要通過原機結構的連接孔將改裝結構件與飛機結構進行組鉚裝配，大部分改裝結構的配孔工作可以通過將改裝結構件與飛機結構定位后，通過飛機結構上的連接孔向改裝結構件透孔實現(xiàn)改裝件的配孔工作，此時只要能夠保證鉆頭、劃針等能夠從飛機結構端的孔位向改裝結構件上進行制孔或標記，就能方便可靠地實現(xiàn)改裝件上的配孔工作，保證改裝結構件的裝配精度。然而在實際改裝過程中不可避免地存在閉腔配孔問題，此時改裝件與飛機結構件定位后形成封閉腔體，不能直接從原機結構件內(nèi)側向改裝件透孔。為解決此問題，一種常用的方法是采用劃線引孔的方式為改裝結構件配孔，在原機結構上用2條定位線的交點確定每個孔的位置，然后在改裝件定位后借助定位線確定改裝件上對應的孔位，如圖1所示。在孔位較少、位置關系簡單的情況下劃線引孔是一種快速的配孔方法，然而當連接孔數(shù)量較多、位置關系復雜、施工條件苛刻等情況下，用此方法進行配孔工作量復雜，配孔精度難以保證，極大影響了測試改裝工作的效率。

圖1 閉腔結構劃線配孔示意圖

另一種常用的配孔方法是利用樣板傳遞孔位，此時需要制作一個簡單樣板，從原機的腔體內(nèi)側向樣板引孔，在進行樣板設計時需在樣板與原機結構定位后留有施工空間；然后將樣板上的孔準確傳遞到改裝結構件上，為保證孔位可精確傳遞，設計樣板時還需保證可與改裝結構件進行準確定位。這種配孔方法僅適用于型面簡單、腔體深度較大、連接孔為通孔等情況。在結構件型面復雜等情況下存在樣板制造困難、樣板引孔難以實現(xiàn)等問題。原機結構件孔中有螺紋時使用這種配孔方式會破壞原機結構件孔中的螺紋，這使得該方法應用范圍受限。閉腔結構樣板配孔如圖2所示。

圖2 閉腔結構樣板配孔示意圖

本文針對常規(guī)閉腔結構配孔方法存在的配孔精度差、施工操作輔助、應用局限性大等問題，利用激光測繪與逆向技術，重構原機結構局部型面和孔位，以此制作樣板的數(shù)字模型，利用沖床等加工設備制作了實物樣板，以此代替原機結構，在實際飛機改裝裝配過程中，實現(xiàn)閉腔結構孔位的準確傳遞。

2 激光測繪與樣板孔位傳遞

2.1 激光測繪與型面重構

試驗機改裝激光測繪即以T-Scan（高速手持式掃描儀）獲取的試驗機改裝部位的點云數(shù)據(jù)為基礎，應用曲面重構軟件構建試驗機改裝部位的高精度三維外形模型。得到的三維模型是進行下一階段改裝機械結構設計的基礎性文件，基于該曲面外形而設計的改裝零部件與原機具有良好的裝配性[2]。激光測繪設備的種類較多，有移動式和固定式、接觸式和非接觸式之分等[3]。從點云數(shù)據(jù)的采集方法和便捷方面考慮，非接觸式的采集方法具備速度快且精度高的優(yōu)點，因而在逆向設計中應用最廣泛[4]。目前試驗機改裝常用的非接觸式激光測繪系統(tǒng)包括激光跟蹤儀系統(tǒng)和手持式激光掃描儀（HandScan）。激光跟蹤儀系統(tǒng)掃描精度高、掃面范圍大，但是整套激光跟蹤儀系統(tǒng)包括激光跟蹤儀、控制計算機、高速手持式掃描儀、高速照相機、反射靶球等，設備數(shù)量較多，安裝調試復雜，其測繪精度可達到0.01 mm，通常用于測繪尺寸較大、精度要求較高的結構及外形測繪。手持式激光掃描儀（HandScan）體積較小，不需要復雜的配套設備，能夠直接與筆記本連接，通過結構局部貼點的形式確定掃描范圍，一個人即可完成操作，其精度可達到0.02 mm，用于快速測繪局部結構。

本文利用手持式激光掃描儀（HandScan）進行測繪與型面重構，首先采集腔體結構外型面和所關注孔位的點云數(shù)據(jù)，采集的點云數(shù)據(jù)需經(jīng)過格式轉換、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)修補、數(shù)據(jù)抽稀和數(shù)據(jù)分塊后，導入逆向設計軟件（CATIA、Imageware、Geomagic等），利用其數(shù)字化形狀編輯模塊、創(chuàng)成式外形設計模塊、自由曲面模塊等即可完成局部曲面的的重構與檢查及連接孔位的確定，并以此為孔位依據(jù)設計孔位傳遞樣板。

2.2 樣板設計與孔位傳遞

在獲得原機結構局部型面和連接孔位置的數(shù)字模型后，即可完成孔位傳遞樣板的設計。樣板設計需要考慮以下方面內(nèi)容：樣板孔位能準確反映原機連接孔位置；樣板應能方便地與原機結構進行定位；樣板應能與改裝結構進行方便準確地定位；樣板展開、制造、成型方便，能夠用沖床等簡單機床加工?？紤]到加工和成型，通常選擇0.5～1 mm的不銹鋼板進行加工。

對于加工好的樣板，可根據(jù)設計方案采用多種方式進行孔位的傳遞。一種常用的方式是當改裝件與原機結構的相對位置關系明確時，樣板設計時主要考慮其與改裝件的定位關系，通過將樣板與改裝件進行定位后，直接從樣板向改裝件進行透孔。另一種常用的方式是當改裝件與原機結構相對位置關系不確定時，需現(xiàn)場取樣確定改裝件，需現(xiàn)場調整來確定接面形狀和相對位置關系，當改裝件留有修銼預留時需要進行現(xiàn)場修配，樣板設計時主要考慮其與飛機結構的定位關系，需首先對改裝件進行修銼和裝配位置調整，以確定其與飛機機構的裝配位置關系，然后通過樣板上預留的定位孔將樣板與原機結構進行定位，此時樣板應位于改裝件外表面，樣板上預制的孔位同原機連接孔位一致，從樣板上向改裝件進行透少量定位孔即可完成樣板與改裝件的定位，最后拆下樣板和改裝件，利用定位孔定位樣板和改裝件位置，完成其余孔位的配制。

3 某飛機掛梁底部整流罩安裝配孔實例

3.1 結構簡介

在改裝某試驗機過程中，需要拆除該飛機掛梁下方圓錐形整流罩，換裝新的改裝整流罩，新整流罩與原安裝孔進行連接，安裝孔內(nèi)預埋托板螺母，如圖3所示。由于整流罩為半圓柱形，與原機掛梁裝配時形成閉腔結構，掛梁上的安裝孔不能直接通過內(nèi)部向外透孔，且整流罩為鈑金成型，并且需要現(xiàn)場進行修配，不能在其安裝邊上預制連接孔。由于原機連接孔數(shù)量多，施工不便，采用劃線方法進行引孔難度大，效率低；另一方面，原機預留托板螺母，直接用樣板引孔不能直接通過螺母向樣板透孔，因此，激光測繪技術制造樣板進行孔位傳遞便成為一種行之有效的方法。

圖3 掛梁底部整流罩換裝位置

3.2 局部外形測繪與樣板設計

在掛梁頂部兩側與新雷達罩的連接區(qū)粘貼專用定位點，利用手持式激光掃描儀（HandScan）對連接區(qū)進行掃描獲得局部點云，將處理后的點云導入到CATIA中，如圖4所示，可以清楚地看到各連接孔的位置關系。利用該點云進行樣板設計，按照點云中各連接孔位置在樣板上制出對應的孔位，并且考慮樣板與掛梁的定位關系，選取連接區(qū)上方2個孔作為定位孔以確定樣板的位置，最終的樣板結構如圖5所示，將樣板展開即可直接用于加工沖床。

圖4 局部外形測繪點云及樣板

3.3 利用樣板進行整流罩的配孔

利用樣板進行制孔前需要對整流罩進行修配，保證整流罩與掛梁及短艙結構良好配合，在確定整流罩與掛梁的相對位置關系后，將樣板置于整流罩外側，利用定位孔將樣板進行固定，如圖5所示。根據(jù)樣板上的連接孔位向整流罩透孔，即可實現(xiàn)整流罩的配孔工作。

圖5 利用樣板進行整流罩配孔示意圖

4 結論與展望

針對實際試驗機改裝結構件機上裝配中遇到的閉腔結構配孔問題，本文介紹了常用的2種方法，即劃線引孔法和樣板配孔法。同時分析了這2種方法在使用中存在配孔精度差、施工操作輔助、應用局限性大等問題，于是給出了一種利用激光測繪與逆向技術進行型面重構，得到局部型面及連接孔位置的數(shù)字模型后，依此設計孔位傳遞樣板，并進行配孔的工藝方法，并總結了樣板設計需要考慮的問題，給出了在不同條件下設計孔位傳遞的方式。本文還給出了一個利用激光測繪將閉腔配孔技術應用到某試驗機掛梁下方整流罩配孔工程的實例，實現(xiàn)了整流罩與原機結構形成的閉腔結構的一次性快速配孔，提高了配孔質量與配孔效率，有效保證整流罩與原機掛梁的良好配合，為后續(xù)改裝工作提供了基礎。

實踐表明，該配孔技術操作簡單，配孔精度較高，可方便應用到后續(xù)試驗機改裝閉腔結構裝配中。