大尺寸复合材料薄壁异形回转体零件数字化测量技术研究_郑炜.pdf

机械制造郑炜，等大尺寸复合材料薄壁异形回转体零件数字化测量技术研究基金项目:国家重点研发计划项目(2019YFB17075001)第一作者简介:郑炜(1987)，男，湖北黄冈人，高级工程师，硕士，研究方向为飞机数字化装配和测量技术。参与各类重点科研项目 10余项，获国防科技进步三等奖及航空工业科技进步二等奖，软件著作权 1 项，授权/受理专利 9 项，重要期刊发表论文 10余篇。DOI:1019344/j cnki issn16715276202301006大尺寸复合材料薄壁异形回转体零件数字化测量技术研究郑炜1，陈明1，杨亚鹏1，张沅2，王宏博1(1 中航西安飞机工业集团股份有限公司，陕西 西安 710089;2 南京航空航天大学，江苏 南京 210016)摘要:针对薄壁大尺寸回转体类复合材料零件曲面复杂度高、测量可达性差的问题，研究其非接触数字化测量技术。基于摄影测量建立高精度全局测量场，实现高精度内外形面整体测量误差控制;根据内外形面的特点，设计多传感器组合测量方法，能够在保证扫描精度的同时提高扫描效率。针对内部复杂形面测量，设计一种专用的测量数据采集机构，以解决无法人工携带扫描设备进入型腔内部的难题;并在测量完成后基于几何定位特征进行多源数据融合，进行多段测量数据拼接，最终实现了回转体内外形面高精度整体测量。关键词:大尺寸回转体;复合材料;测量场;激光扫描中图分类号:TG659文献标志码:A文章编号:1671-5276(2023)01-0026-04Digital Measurement Technology for Large Size Thinwalled Composite Parts withotational SymmetryZHENG Wei1，CHEN Ming1，YANG Yapeng1，ZHANG Yuan2，WANG Hongbo1(1 AVIC Xian Aircraft Industry Group Company Ltd，Xian 710089，China;2 Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China)Abstract:The non contact digital measurement technology accurately measuring the morphology of large size thin walledcomposite parts with rotational symmetry is studied A highprecision global measuring field is established by the photogrammetrytechnology to control the overall measurement error of the inside and outside morphologies Based on the features of internal andexternal surfaces，the measuring method of multisensor combinations is designed to realize scanning accuracy as well as scanningefficiency A special data acquisition equipment is designed for the measurement of the internal complex surfaces to overcome thedifficulty of manual operation in a closed structure The data from multiple sources are integrated together by the multisource datafusion base on geometric positioning features and multisegment measurement data are spliced to achieve the overall highprecisionmeasurement for both internal and external surfacesKeywords:large size rotational symmetry;composite;measuring field;laser scanning0引言随着基于实测数据的数字化预装分析技术的发展，以传统量具为代表的接触式测量方法已无法满足指导数字化装配过程的需求。近年来，国内飞机制造厂引进了大量用于外形测量的数字化设备，数字化测量技术在零部件外形测量领域的研究不断深化，出现了许多数字化检测方法，如机械探针接触法12、光学干涉原理检测法3、机器视觉技术45、工业 CT 扫描6 以及核磁共振7 等。其中接触法测量单点定位准确但测量效率较低，激光测量装置质量轻，体积小，不受电磁干扰，无放电和高压现象89。基于以上优点，激光测量的应用范围越来越广，逐渐成为数字化检测技术的重要手段。激光测量不仅能够发挥光学测量的优点，实现高精度的检测，同时还具有使用简单、快捷有效的特点，对于提高飞机制造效率和质量具有重大意义。随着复合材料在飞机制造过程中的大量应用，薄壁大尺寸回转体类零件越来越多。由于回转体类复合材料零件尺寸大、壁厚小，各截面形状分布不规则，难以一次性完成测量。另一方面，回转体零件内形面为封闭型腔，其区域空间不允许携带扫描设备进入，进一步增大了测量的难度。因此，本文提出一种高效、准确的测量方法，能够准确地评价薄壁大尺寸回转体复合材料零件制造准确度，从而满足数字化装配需求。62机械制造郑炜，等大尺寸复合材料薄壁异形回转体零件数字化测量技术研究1概述11测量对象本文的研究对象为薄壁大尺寸回转体类复合材料零件如图 1 所示。该零件具有空间尺度大(长度超过 5m)、形面结构复杂等特点，而激光测量仪具有一定的测量范围和适用对象，单一测量设备无法对所述测量对象实现一次性整体测量。因此本文提出一种组合式测量方法，即针对内外形面采用不同的设备分别进行测量。图 1测量对象12测量设备针对大型自由曲面的尺寸大、结构复杂等特点，国内外已有相关研究，并涌现了一批基于三维形貌测量技术的测量设备，如激光跟踪仪、IGPS、三坐标测量机、投影摄像测量系统、全站仪、关节式测量臂等。其中三坐标测量机、关节式测量臂采用接触式逐点测量的方式，测量效率较低且需要经常校准测头;激光跟踪仪和 IGPS 等因光路原因无法实现形面完整扫描;数字摄影测量技术需要在测件表面添加标记点，可用于构建高精度测量场，跟踪式三维扫描设备能高效率实现形面扫描。本文的测量设备如图 2所示，主要包括:1)动态跟踪测量装置 CTrack(图 2(a);2)3D 扫描仪 MetraSCAN 750，设备参数:最高精度为0030mm;分辨率为 0050mm;测量速率为 480 000 次/s(图 2(b);3)3D 扫描仪 HandySCAN 700，设备参数为最高精度为 0030mm(图 2(c);4)MaxSHOT 3D 摄影测量系统(图 2(d);5)测量标记点、靶球、编码片若干。图 2测量设备13测量方案本文研究一种基于三维扫描仪和摄影测量相结合的测量手段。通过基于摄影测量建立高精度测量控制场生成全局坐标系，根据零件形面特点采用不同的三维激光扫描仪完成数据采集测量，最后基于几何定位特征将多站位测量数据配准融合，实现零件高精度整体测量。2测量实施21零件姿态固持薄壁大尺寸复合材料零件的弱刚性容易在重力的作用下产生变形，会极大地影响测量的精度进而导致后续虚拟预装配精度低。针对此类零件，采用与装配型架集成的带飞机坐标系 ES 点的专用检测托架，利用外形卡板保证零件姿态与飞机姿态一致。22高精度测量场构建由于多站位测量数据为增量式采集，缺少整体的精度把控，随着扫描站位的增加，将会产生一定累积误差，从而影响最终测量结果。针对这一问题，本文采用基于摄影测量的高精度测量场构建技术，核心在于建立覆盖整个测量区域的控制场。如图 3 所示，其原理为通过多台高分辨率的数字相机对被测物摄影，采用回光反射标记点得到物体的数字影像，假设 j 个摄站(j 条光线)相交，则会有 j 个共线方程。根据最小二乘原理，将多条光线(束)的共线方程联立求解(光线束法平差)即得到标记点的空间坐标。通过解算测量区域内标记点的坐标作为大尺寸零件点云数据的误差约束来提高整体测量精度，消除大尺度增量测量误差累积问题，实现整体曲面的高精度测量。图 3摄影测量原理基于摄影测量的高精度测量控制场建立是一个复杂而细致的过程，本文中依据设备附带软件 Vxelements 和MaxSHOT 进行测量控制场构建，生成全局坐标系，通过专用托架上的 ES 点拟合对齐到飞机坐标系。摄影测量整体过程可以概括为测量准备、布设标志、拍摄影像、数据处理等 4 个步骤，流程如图 4 所示。对于标记点布置，包括编码标记点和非编码标记点。非编码标记点使用高反射标记点分为 6mm 和12mm 两种规格，其中 6mm 目标点布置在零件内形面，约 200mm 添加一个标记点，供 HandySCAN 700 使用;12mm 标记点布置在零件外形面，约 300mm 添加一个标记点，供 Ctrack转站定位使用;在 ES 点处使用测量靶标;编码标记点按间距 6001 000mm 分布，确保 SHOT 在拍照过程中每张72机械制造郑炜，等大尺寸复合材料薄壁异形回转体零件数字化测量技术研究图片含有至少 4 个编码标记点，且编码标记点在不同图片之间形成重叠。图 4测量控制场建立流程23外形面测量针对零件外形面特点，使用基于三维激光扫描技术的MetraSCAN 3D 无 臂 手 持 式 扫 描 仪 与 双 目 跟 踪 系 统CTrack 双摄像头传感器相结合的多站位测量方式。具体为:MetraSCAN 3D 光学 CMM 扫描系统具有较高的稳定性和精度，可以动态扩展测量范围而不降低精度，用于外形面扫描数据采集。CTrack 双摄像头传感器配有高品质光学设备和特殊的照明装置，能够在其操作空间内测量所有的反射体，可以连续采集和传输图像、反射器照明、与计算机交换命令、存储传感器参数等，用于跟踪扫描仪。各站位扫描数据通过 ES 点和测量场统一到飞机坐标系下。24内形面测量内形面整体成筒形，无法从外部实现完整的内形面数据采集，人工携带扫描设备进入内部会造成零件变形，因此本文设计一种集成 HandySCAN 扫描仪的可伸缩测量装置辅助测量。其中，在两端开口处可直接进行扫描，对于离开口较远的深处，根据形面位置调节脚架高度，控制支撑平台横向平移并调整扫描仪与伸缩杆轴线夹角，由伸缩杆控制扫描仪，沿伸缩杆的轴线进行旋转扫描，经过多次循环，完成内形面数据采集。辅助测量装置如图 5 所示，内形面扫描示意图见图 6。图 5内形面测量装置图 5 中:1 为 HandySCAN 扫描仪，和伸缩杆通过电控角度调节模块连接，可调整扫描平面与伸缩杆轴线夹角。2 为电控角度调节模块，利用蜗轮蜗杆传动机构实现扫描仪与伸缩杆轴线夹角的电动控制。3 为伸缩杆，碳纤维伸缩杆，伸出总长超过 3m。4 为接头，使用滚动轴承连接脚架与伸缩杆，并且保留沿伸缩杆轴线转动自由度，使得伸缩杆可以带动其上固连的扫描仪沿伸缩杆轴线转动进行一定范围的扫掠。与脚架连接部分为球铰接头，提供伸缩杆与扫描仪以球铰为中心的 3 个转动自由度。5 为脚架，为伸缩杆和扫描仪提供主要支撑。中轴可伸缩，高度可调。6、7、8 为支撑平台，用以承载脚架。图 6测量装置扫描示意3数据融合分析内、外形面在分段扫描时，所基于的坐标系可能不同，导致扫描得到的数据不在同一坐标系，为保证最后所有的扫描数据