飞机蒙皮数字化测量与建模技术应用

钣金蒙皮零件是飞机的外表零件，为推进其数字化加工，需利用数字化测量技术对仅有二维图纸的钣金蒙皮进行建模。通过分析蒙皮零件的制造依据，综合采用激光扫描的非接触式测量和关节臂的接触式测量，实现蒙皮零件三维数据的高精度完整采集，并提出数字化建模方案，以数字化加工验证蒙皮数字化测量与建模方案的正确性。蒙皮零件是飞机的外表零件，一般尺寸比较大，形状比较复杂，多数呈双曲率，机身头部、尾部以及整流罩的蒙皮，形状则更为复杂。随着航空技术的发展，提出了飞机蒙皮无余量装配方案，对蒙皮零件外形精确度提出更高的要求，因此蒙皮零件的数字化加工是未来发展的必然趋势，而蒙皮零件的三维数模是实现其数字化加工的必要条件。对于某机型，由于当时技术条件限制，并未采用三维模型设计，而蒙皮零件为复杂自由曲面，既无法根据二维图纸作出相应的自由曲面，也难以使用卡尺等量具测绘零件实物，这种设计方式决定了该项目蒙皮零件至今仍采用模拟量传递体系。蒙皮通过拉伸或滚弯成形后，其外形切割是按拉型模上外形刻线，依靠手工加工完成，如图1所示。拉型模上的外形刻线是依据模线刻制，误差比较大，为避免在装配时产生不协调，蒙皮交付时，往往留有余量。这种采用模拟量传递的传统加工方法存在加工效率低、劳动强度大、零件制造精度难以提高等诸多问题。结合公司逐年递增的生产需求及蒙皮无余量装配方案的提出，改变模拟量传递的加工方式、提高零件加工精度和生产速率已变得迫在眉睫。图1

蒙皮手工切割

按照现代航空制造技术的三个发展方向：数字化、信息化、智能化。现有蒙皮零件加工方法显然已无法满足现代航空制造的需求，如何为飞机蒙皮零件数字化制造提供数字量依据（即零件三维模型）具有很大的研究和应用空间，通过本课题研究将有如下意义：⑴改变传统模拟量传递的制造方式，将数字化制造技术运用到蒙皮零件加工。⑵将蒙皮手工留余量切割改变为数控精确铣切，提高蒙皮零件外形精度和零件加工效率。因此，针对仅有设计蓝图的某机型的蒙皮零件研究数字化测量和建模技术，是将其转为数字化制造依据的一种有效方法，其对于提高零件外形精度，满足无余量装配，缩短零件加工周期，提升产业效益有着十分重要的意义，为实现钣金厂蒙皮零件全数字化加工奠定基础。数字化测量模拟量制造依据分析蒙皮零件型面是依据拉型模拉伸成形，其轮廓是通过拉型模上的刻线来表达，刻线的宽度仅为0.2mm，且深度较浅（小于1mm）。为满足零件数字化加工或装配定位孔的需求，需数字化描述拉型模上的补加孔位（位于零件轮廓以外）。拉型模汇总了蒙皮零件所有的制造依据，故选择拉型模作为蒙皮零件的数字化测量依据。测量方法数字化测量根据测量方式不同可分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量通过传感器测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。其测量精度高，特别是手持关节臂可通过人工操作直接识别，但存在测量速度慢，测量数据点过少而无法描述零件外形情况等不足之处，非接触式测量主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点，激光扫描测量技术近年来发展较快，其最大优势是测量速度快。测量方案对蒙皮零件拉型模进行测量不仅要求能够快速获得型面、刻线、孔位数据，而且需要解决浅刻线、孔边缘磨损等多个难题。单一的测量方法无法解决所有问题，本文采用以标记点为辅助的激光扫描测量拉型模型面（非接触式测量）和手持关节臂测量刻线和孔位（接触式测量）两种方法。激光扫描测量通过标记点进行型面数据的拼接，在拉型模型面布置标记点，从各个角度对型面进行扫描，快速获取大量的表面点云数据。关节臂对拉型模表面刻线并深入孔内壁完整进行人工打点测量。通过激光扫描与关节臂完整测量了蒙皮零件的拉型模，如图2所示。其中型面测量数据为表面点云，零件轮廓的测量数据为离散刻线点。图2

关节臂接触式测量对于拉型模型面与刻线数据的对合，采用在拉型模型面边缘放置若干个球（胶粘），以激光扫描和关节臂分别测量球的型面，各自计算出球心点，将对应的球心点相合，即可完成拉型模型面与刻线数据的对合。数字化建模基于数字化测量获取蒙皮零件型面、刻线等数据，对蒙皮零件进行数字化建模，如图3所示。图3

型面与刻线数据数据处理将扫描得到的点云数据分型面和轮廓两部分数据导出为.igs格式，再分别用CATIA软件中的DigitizedShapeEditor模块导入点云数据（图4）进行处理、编辑。图4

导入点云数据数据处理即是处理点云中的噪点，它直接影响拟合曲面的质量、准确度和精度。噪点是由于数据测量过程中某些环境因素、人为因素、设备因素等造成的，不符合产品外形的点。由于噪点数量太多，一点点的剔除要花很长时间。经过多次试验，可假设点云中其中一点周围5mm范围内没有其他点，即认为该点为噪点，也可理解为以一点为球心，半径为5mm建立一个球，所建立的球体不包含其他点，则该点为噪点。通过CATIA软件中的Filter功能设置如图5所示。按照上述提出的噪点定义，过滤点云中该类型的噪点，达到快速过滤噪点的目的，过滤效果如图6所示。图5

Filter功能图6

噪点过滤而在点云轮廓区域往往有很多密集噪点，上述过滤噪点的方法就不再适用，这部分噪点明显不符合零件外形，用肉眼很容易进行分辨，所以一般进行手动剔除即可。利用CATIA软件中的Remove功能，定义多边形进行快速剔除轮廓区域的密集噪点，如图7所示。本文提出这两种剔除噪点的方法，可以快速进行数据处理，提高效率。图7

噪点剔除曲面重构经过数据处理的点云才能进行曲面重构。曲面重构可使用CATIA软件中的QuickSurfaceReconstruction模块中的PowerFit功能（图8），选择零件型面的点云，生成光顺的零件外形面，将生成的曲面与点云进行距离偏差分析（DeviationAnalysis），以评估曲面与点云的符合度（图9），若存在部分点与构造的曲面距离较远，说明还存在很多噪点，数据未处理好，需要重新进行数据处理，剔除噪点，由此可见，数据处理对于构造正确的曲面至关重要。对于零件边界点云，使用3D曲线功能即可生成空间轮廓曲线（图10）。图8

PowerFit功能图9

距离偏差分析图10

边界曲线模型建立在CATIA软件中将零件边界曲线投影到构造的零件型面上，并切割出零件内外形曲面，通过加厚度的操作即可生成零件三维数模（图11）。图11

模型建立模型验证基于建立的蒙皮零件三维数模进行数控编程，开展零件数控加工环境仿真分析，并应用五坐标蒙皮立体切割机进行蒙皮零件的轮廓铣切，通过零件数字化加工来判断零件数字化建模的正确性。经过加工验证（图12），零件轮廓加工误差满足±0.5mm精度要求，证明了蒙皮数字化测量与建模技术方案满足零件生产需求。图12

加工验证结束语针对以模拟量为制造依据