飛機(jī)蒙皮數(shù)字化測(cè)量與建模技術(shù)應(yīng)用

鈑金蒙皮零件是飛機(jī)的外表零件，為推進(jìn)其數(shù)字化加工，需利用數(shù)字化測(cè)量技術(shù)對(duì)僅有二維圖紙的鈑金蒙皮進(jìn)行建模。通過分析蒙皮零件的制造依據(jù)，綜合采用激光掃描的非接觸式測(cè)量和關(guān)節(jié)臂的接觸式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)蒙皮零件三維數(shù)據(jù)的高精度完整采集，并提出數(shù)字化建模方案，以數(shù)字化加工驗(yàn)證蒙皮數(shù)字化測(cè)量與建模方案的正確性。蒙皮零件是飛機(jī)的外表零件，一般尺寸比較大，形狀比較復(fù)雜，多數(shù)呈雙曲率，機(jī)身頭部、尾部以及整流罩的蒙皮，形狀則更為復(fù)雜。隨著航空技術(shù)的發(fā)展，提出了飛機(jī)蒙皮無余量裝配方案，對(duì)蒙皮零件外形精確度提出更高的要求，因此蒙皮零件的數(shù)字化加工是未來發(fā)展的必然趨勢(shì)，而蒙皮零件的三維數(shù)模是實(shí)現(xiàn)其數(shù)字化加工的必要條件。對(duì)于某機(jī)型，由于當(dāng)時(shí)技術(shù)條件限制，并未采用三維模型設(shè)計(jì)，而蒙皮零件為復(fù)雜自由曲面，既無法根據(jù)二維圖紙作出相應(yīng)的自由曲面，也難以使用卡尺等量具測(cè)繪零件實(shí)物，這種設(shè)計(jì)方式?jīng)Q定了該項(xiàng)目蒙皮零件至今仍采用模擬量傳遞體系。蒙皮通過拉伸或滾彎成形后，其外形切割是按拉型模上外形刻線，依靠手工加工完成，如圖1所示。拉型模上的外形刻線是依據(jù)模線刻制，誤差比較大，為避免在裝配時(shí)產(chǎn)生不協(xié)調(diào)，蒙皮交付時(shí)，往往留有余量。這種采用模擬量傳遞的傳統(tǒng)加工方法存在加工效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大、零件制造精度難以提高等諸多問題。結(jié)合公司逐年遞增的生產(chǎn)需求及蒙皮無余量裝配方案的提出，改變模擬量傳遞的加工方式、提高零件加工精度和生產(chǎn)速率已變得迫在眉睫。圖1

蒙皮手工切割

按照現(xiàn)代航空制造技術(shù)的三個(gè)發(fā)展方向：數(shù)字化、信息化、智能化?，F(xiàn)有蒙皮零件加工方法顯然已無法滿足現(xiàn)代航空制造的需求，如何為飛機(jī)蒙皮零件數(shù)字化制造提供數(shù)字量依據(jù)（即零件三維模型）具有很大的研究和應(yīng)用空間，通過本課題研究將有如下意義：⑴改變傳統(tǒng)模擬量傳遞的制造方式，將數(shù)字化制造技術(shù)運(yùn)用到蒙皮零件加工。⑵將蒙皮手工留余量切割改變?yōu)閿?shù)控精確銑切，提高蒙皮零件外形精度和零件加工效率。因此，針對(duì)僅有設(shè)計(jì)藍(lán)圖的某機(jī)型的蒙皮零件研究數(shù)字化測(cè)量和建模技術(shù)，是將其轉(zhuǎn)為數(shù)字化制造依據(jù)的一種有效方法，其對(duì)于提高零件外形精度，滿足無余量裝配，縮短零件加工周期，提升產(chǎn)業(yè)效益有著十分重要的意義，為實(shí)現(xiàn)鈑金廠蒙皮零件全數(shù)字化加工奠定基礎(chǔ)。數(shù)字化測(cè)量模擬量制造依據(jù)分析蒙皮零件型面是依據(jù)拉型模拉伸成形，其輪廓是通過拉型模上的刻線來表達(dá)，刻線的寬度僅為0.2mm，且深度較淺（小于1mm）。為滿足零件數(shù)字化加工或裝配定位孔的需求，需數(shù)字化描述拉型模上的補(bǔ)加孔位（位于零件輪廓以外）。拉型模匯總了蒙皮零件所有的制造依據(jù)，故選擇拉型模作為蒙皮零件的數(shù)字化測(cè)量依據(jù)。測(cè)量方法數(shù)字化測(cè)量根據(jù)測(cè)量方式不同可分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。接觸式測(cè)量通過傳感器測(cè)頭與樣件的接觸而記錄樣件表面點(diǎn)的坐標(biāo)位置。其測(cè)量精度高，特別是手持關(guān)節(jié)臂可通過人工操作直接識(shí)別，但存在測(cè)量速度慢，測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)過少而無法描述零件外形情況等不足之處，非接觸式測(cè)量主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)，激光掃描測(cè)量技術(shù)近年來發(fā)展較快，其最大優(yōu)勢(shì)是測(cè)量速度快。測(cè)量方案對(duì)蒙皮零件拉型模進(jìn)行測(cè)量不僅要求能夠快速獲得型面、刻線、孔位數(shù)據(jù)，而且需要解決淺刻線、孔邊緣磨損等多個(gè)難題。單一的測(cè)量方法無法解決所有問題，本文采用以標(biāo)記點(diǎn)為輔助的激光掃描測(cè)量拉型模型面（非接觸式測(cè)量）和手持關(guān)節(jié)臂測(cè)量刻線和孔位（接觸式測(cè)量）兩種方法。激光掃描測(cè)量通過標(biāo)記點(diǎn)進(jìn)行型面數(shù)據(jù)的拼接，在拉型模型面布置標(biāo)記點(diǎn)，從各個(gè)角度對(duì)型面進(jìn)行掃描，快速獲取大量的表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。關(guān)節(jié)臂對(duì)拉型模表面刻線并深入孔內(nèi)壁完整進(jìn)行人工打點(diǎn)測(cè)量。通過激光掃描與關(guān)節(jié)臂完整測(cè)量了蒙皮零件的拉型模，如圖2所示。其中型面測(cè)量數(shù)據(jù)為表面點(diǎn)云，零件輪廓的測(cè)量數(shù)據(jù)為離散刻線點(diǎn)。圖2

關(guān)節(jié)臂接觸式測(cè)量對(duì)于拉型模型面與刻線數(shù)據(jù)的對(duì)合，采用在拉型模型面邊緣放置若干個(gè)球（膠粘），以激光掃描和關(guān)節(jié)臂分別測(cè)量球的型面，各自計(jì)算出球心點(diǎn)，將對(duì)應(yīng)的球心點(diǎn)相合，即可完成拉型模型面與刻線數(shù)據(jù)的對(duì)合。數(shù)字化建?；跀?shù)字化測(cè)量獲取蒙皮零件型面、刻線等數(shù)據(jù)，對(duì)蒙皮零件進(jìn)行數(shù)字化建模，如圖3所示。圖3

型面與刻線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理將掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分型面和輪廓兩部分?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出為.igs格式，再分別用CATIA軟件中的DigitizedShapeEditor模塊導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)（圖4）進(jìn)行處理、編輯。圖4

導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理即是處理點(diǎn)云中的噪點(diǎn)，它直接影響擬合曲面的質(zhì)量、準(zhǔn)確度和精度。噪點(diǎn)是由于數(shù)據(jù)測(cè)量過程中某些環(huán)境因素、人為因素、設(shè)備因素等造成的，不符合產(chǎn)品外形的點(diǎn)。由于噪點(diǎn)數(shù)量太多，一點(diǎn)點(diǎn)的剔除要花很長(zhǎng)時(shí)間。經(jīng)過多次試驗(yàn)，可假設(shè)點(diǎn)云中其中一點(diǎn)周圍5mm范圍內(nèi)沒有其他點(diǎn)，即認(rèn)為該點(diǎn)為噪點(diǎn)，也可理解為以一點(diǎn)為球心，半徑為5mm建立一個(gè)球，所建立的球體不包含其他點(diǎn)，則該點(diǎn)為噪點(diǎn)。通過CATIA軟件中的Filter功能設(shè)置如圖5所示。按照上述提出的噪點(diǎn)定義，過濾點(diǎn)云中該類型的噪點(diǎn)，達(dá)到快速過濾噪點(diǎn)的目的，過濾效果如圖6所示。圖5

Filter功能圖6

噪點(diǎn)過濾而在點(diǎn)云輪廓區(qū)域往往有很多密集噪點(diǎn)，上述過濾噪點(diǎn)的方法就不再適用，這部分噪點(diǎn)明顯不符合零件外形，用肉眼很容易進(jìn)行分辨，所以一般進(jìn)行手動(dòng)剔除即可。利用CATIA軟件中的Remove功能，定義多邊形進(jìn)行快速剔除輪廓區(qū)域的密集噪點(diǎn)，如圖7所示。本文提出這兩種剔除噪點(diǎn)的方法，可以快速進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，提高效率。圖7

噪點(diǎn)剔除曲面重構(gòu)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理的點(diǎn)云才能進(jìn)行曲面重構(gòu)。曲面重構(gòu)可使用CATIA軟件中的QuickSurfaceReconstruction模塊中的PowerFit功能（圖8），選擇零件型面的點(diǎn)云，生成光順的零件外形面，將生成的曲面與點(diǎn)云進(jìn)行距離偏差分析（DeviationAnalysis），以評(píng)估曲面與點(diǎn)云的符合度（圖9），若存在部分點(diǎn)與構(gòu)造的曲面距離較遠(yuǎn)，說明還存在很多噪點(diǎn)，數(shù)據(jù)未處理好，需要重新進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，剔除噪點(diǎn)，由此可見，數(shù)據(jù)處理對(duì)于構(gòu)造正確的曲面至關(guān)重要。對(duì)于零件邊界點(diǎn)云，使用3D曲線功能即可生成空間輪廓曲線（圖10）。圖8

PowerFit功能圖9

距離偏差分析圖10

邊界曲線模型建立在CATIA軟件中將零件邊界曲線投影到構(gòu)造的零件型面上，并切割出零件內(nèi)外形曲面，通過加厚度的操作即可生成零件三維數(shù)模（圖11）。圖11

模型建立模型驗(yàn)證基于建立的蒙皮零件三維數(shù)模進(jìn)行數(shù)控編程，開展零件數(shù)控加工環(huán)境仿真分析，并應(yīng)用五坐標(biāo)蒙皮立體切割機(jī)進(jìn)行蒙皮零件的輪廓銑切，通過零件數(shù)字化加工來判斷零件數(shù)字化建模的正確性。經(jīng)過加工驗(yàn)證（圖12），零件輪廓加工誤差滿足±0.5mm精度要求，證明了蒙皮數(shù)字化測(cè)量與建模技術(shù)方案滿足零件生產(chǎn)需求。圖12

加工驗(yàn)證結(jié)束語針對(duì)以模擬量為制造依據(jù)