嚴 成，黃 翔，李瀧杲，李 棟

（1.南京航空航天大學機電學院，南京 210016；

2.航空工業(yè)江西洪都航空工業(yè)集團有限責任公司，南昌 330024）

飛機蒙皮的作用是維持飛機的氣動外形，這要求其能夠承受一定局部氣動力，所以一般需要蒙皮封閉。然而這在實際裝配中很難保證，所以蒙皮對縫間隙和階差值應在允許范圍內，那么對縫質量的檢測就必不可少。

如圖1所示，蒙皮對縫間隙允許值是按平行和垂直氣流方向分別規(guī)定的，對縫階差允許值是按順氣流和逆氣流方向分別規(guī)定的[1]。在飛機制造各階段，都可能造成間隙或階差超差。原因如下[2]：

（1）零件制造誤差；

（2）部件裝配積累誤差；

（3）裝配定位基準不統(tǒng)一；

（4）裝配工藝路線不合理；

（5）檢驗工具工裝存在問題；

（6）外廠供應商零件制造技術協(xié)議不完善。

目前，國內蒙皮對縫檢測大多使用塞尺測量。該方法對人工操作要求高，且效率低、誤差大、重復精度不高，不能達到測量0.1mm準確度的要求。

如圖2所示，使用塞尺測量間隙時，由于蒙皮邊側形狀的不規(guī)則，存在傾斜或缺陷，人工操作時難以將塞尺放到準確位置，而不同位置選擇的塞尺規(guī)格不同，測量結果差異很大[3]。測量階差時，始終將塞尺放在低位蒙皮一側，然后用手觸摸感覺塞尺與高位蒙皮一側最平的時刻讀數即為階差值，誤差自然較大，且與規(guī)定值略有差異。

在激光檢測間隙階差方面，國外已有相應的系統(tǒng)發(fā)明[4]。文獻[5]以前車燈為例，在數模上選點，定義了間隙與階差的方向，通過改變間隙與階差的數值，在不改變數模幾何形狀的前提下實現了變形后的數模可視化。目前國外已有相關檢測設備，如加拿大LMI Technologies Inc.公司生產的Gocator2300系列，英國Third Dimension Software 公司研發(fā)的Gap Gun，美國Origin Technologies公司的Laser Gauge產品等多采用非接觸式二維激光傳感器用于間隙和階差的檢測。國內部分飛機制造廠也先后引進這些設備運用到實際生產中。

二維激光傳感器以激光三角法[6]為測量原理，照射在物體表面上的激光,反射后在檢測器上成像[7-8]。通過像的位移與物體位移之間的對應關系,計算得到X（橫）向 和Z（縱）向的坐標值。如圖3所示，測量時只處理了單條掃描線，單次測量結果過分依賴臨界點提取的準確度，多次測量時，數據采集位置難以保證，測量重復精度不高。

圖1 蒙皮對縫間隙階差Fig. 1 Gap and flush of the skin seam

圖2 使用塞尺的蒙皮對縫檢測Fig.2 Detection of skin seam by feeler gauge

此外，當掃描線方向與對縫方向不垂直時，間隙會明顯偏大。若激光傾斜測量，那么測量得到的結果一定比實際間隙偏小。

而基于激光的對縫（縫隙）檢測國內正處于研究階段，在汽車零件縫隙檢測方面，上海交通大學的馮國衛(wèi)[9]提出了激光（2D）測量汽車零件間隙處的數據前處理方法和步驟，提煉出了間隙面差數學模型，并驗證其計算精度為0.1mm。在飛機蒙皮對縫檢測方面，國內正在研究線結構光數字照相測量的方法，如航空工業(yè)成飛與南京航空航天大學合作研發(fā)的基于激光的便攜式飛機裝配接縫質量檢測儀[10]，而基于三維激光掃描的飛機蒙皮對縫檢測方法國內則很難見到。

本文針對塞尺及二維激光傳感器測量對縫存在的問題，提出了一種基于三維激光掃描蒙皮對縫的檢測方法。根據蒙皮對縫間隙階差對氣動外形的影響，針對實際掃描點云結果，分析其幾何結構，提煉出間隙階差的數學模型，得出間隙階差的計算方法，并通過試驗對比，驗證其可行性及精度。

1 點云數據前處理

本文采用的是Leica T-Scan 5進行數據采集，線頻率達到每秒140線，平均掃描寬度為90mm，精度為20μ m，空間長度測量不確定度（2 sigma）為60μ m (＜8.5m情況下)。T-Scan同樣以激光三角法為基礎,在跟蹤儀上安裝了T-Cam（可連續(xù)高速變焦的相機），測量中跟蹤儀可以實時獲取T-Scan中心處的三維坐標值，而T-Cam則通過拍攝T-Scan上的LED影像獲取其旋轉姿態(tài)，即空間三維參數（I，J，K）。通過這種方式得到掃描點相對于激光跟蹤儀的空間坐標[11]。掃描數據結構為線式點云，部分有序排列，測量點如圖4所示。由于T-Scan的掃描寬度最小可設置為40%（約為40mm），線間距最小可設置為0.1mm，考慮到實際檢測中部分蒙皮對縫某個方向存在微小曲率的情況以及提高數據處理效率和準確度，掃描線只取約20條，每條掃描線只取中間約為20mm長度的數據。

圖3 基于二維激光掃描的蒙皮對縫檢測模型Fig.3 Detection model of skin seam based on 2D laser scanning

1.1 去噪

如圖 5所示，去噪主要是剔除間隙零點，邊緣鉚釘位置處的點，僅對激光打在蒙皮表面上的數據進行處理。點間距出現突變的位置則為間隙零點，突變值可設置為蒙皮厚度(一般為3mm)。實際掃描中受光線、對縫間隙大小和對縫內部的清潔度影響，間隙零點或有或無。對單條掃描線而言，當點間距有兩次突變且值約為蒙皮厚度時，則說明存在間隙零點，剔除并將其余點排序；當點間距僅有一次突變且值比蒙皮厚度小時，則說明不存在間隙零點。鉚釘位置與蒙皮邊緣的距離也一定，可以識別剔除。由于掃描數據存在小幅波動，所以要進行適當的濾波處理。本文使用非線性的雙邊濾波[12]，該方法可以有效避免掃描數據失真。

1.2 臨界點識別及提取

圖4 測量點Fig.4 Measuring point

圖5 去噪Fig.5 De-noising

圖6 臨界點提取Fig.6 Extracting the critical points

式中,單條掃描線上單側臨界點Pi的識別方法如圖7所示。

記單側掃描線上的點為Pi,j（1≤i≤m，1≤j≤n，m為掃描線總數），臨界點為Pi,s，將單側掃描線上的點Pi,j（1≤i≤m，1≤j≤s-1）擬合出一個平面方程為Ax+By+Cz=D。

2 階差間隙數學模型

2.1 階差數學模型

理論上的階差如圖1所示，為兩平行面之間的高度差值；而在實際檢測中，在高密度的點云掃描下，兩平面往往不平行，見圖8。考慮到氣動外形的要求，垂直航向的對縫階差值定義為背風面的臨界點Pi，s的前一個點Pi，s-1（xi，s-1,yi，s-1,zi，s-1）到迎風的平面的距離：

階差值則為:

Pi，s在迎風面平面的投影點記為Pi，t，若 flush ≠ 0，1 ≤i≤m時，s＜n，

圖7 臨界點識別方法Fig.7 Identification method of critical points

計算一側所有臨界點Pi，s到另一側平面距離的平均值，得到兩個結果。經幾何分析，當兩平面夾角為6°時，以0.5mm間隙和0.5mm階差計算，兩者差值最大約為0.05mm，所以順航向的對縫階差值可取較大值作為最終值。

2.2 間隙數學模型

臨界點間的距離disti為背風面臨界點到迎風面臨界點擬合出的直線的距離:

如圖 8所示，利用勾股定理，垂直航向的間隙值為:

順航向階差取較小值時，間隙計算結果較大，可作為最終值。

圖8 實際間隙階差Fig.8 Actual schematic diagram of gap and flush

圖9 激光掃描邊界Fig.9 Laser scanning boundary

然而，由于T-Scan屬于點激光掃描，掃描線返回的是離散點，存在一定的點間距，所以在對縫處會有不精確的情況，蒙皮邊緣通常會出現在離散點的中間部位，如圖9所示。可以看出單條掃描線最大誤差為2a（a為點間距），而結果是多條掃描線取平均值，所以有:

與二維激光傳感器檢測不同的是，由于整個掃描得到的點云數據是以激光跟蹤儀為基礎坐標系的三維坐標，所以只要激光跟蹤儀和待測部件位置不變，在滿足T-Scan掃描約束條件的前提下，掃描過程中的光線入射角對最終數據處理結果沒有影響。

3 試驗與分析

3.1 試驗裝置

利用圖 10所示的六維組合平移臺（行程：XYZ±12.5mm，仰視、旋轉：±1.8°，分度值為 0.01mm），在上面固定模擬件，其材料為45鋼，孔定位精度為0.01mm。調整平移臺，使得模擬件待測對縫間隙為零，掃描兩模擬件待測對縫，對縫長度取4mm左右，得出點云數據。通過PolyWorks軟件選取對縫兩側點擬合平面，計算得到平面度。反復調整六維組合平移臺，直到控制平面度在0.02mm以下。

3.2 試驗測試

試驗測試中，T-Scan掃描設置參數設置為點間距為0.075mm，線間距為0.1mm，掃描寬度為40%（約為40mm），掃描時間約為2s；基于2D激光掃描蒙皮對縫檢測采用的設備是加拿大LMI Technologies Inc公司生產的Gocator2030（Z向分辨率為0.008～0.018mm，X向分辨率為0.088～0.15mm，掃描點數為640），見圖11。本文根據以上方法利用VS2008，以C++語言開發(fā)了相應軟件，其中包括T-Scan和Gocator2030的數據采集模塊以及相應的數據處理模塊，測試時圖 6中的閾值d根據調試結果取值為0.06mm。

圖10 試驗裝置Fig.10 Experimental device

調整平移臺，掃描壓緊邊間隙階差分別為0.6mm和0.3mm時的對縫，進行15次測量，結果分別如圖12和圖13所示。其分析結果如表1所示。

3.3 對比分析

以0.4mm間隙為例，使用基于2D和3D激光掃描的兩種方法檢測的對比結果如圖14所示?？梢钥闯?，基于3D激光掃描的方法重復精度較2D激光掃描高，精度也較高，與前者計算掃描平面和后者計算直線相關，且后者為了保證測量結果的精度對儀器操作要求相對較高。

4 結束語

本文對使用塞尺和基于二維激光掃描的蒙皮對縫檢測方法進行分析，針對其缺陷提出了基于三維激光掃描的蒙皮對縫檢測方法，并通過試驗驗證了該檢測方法可以達到間隙為0.04mm，階差為0.02mm的精度。精度有所提高，對飛機蒙皮對縫檢測具有實際意義。

圖11 試驗現場Fig.11 Experimental site

圖12 0.6mm間隙測量結果Fig.12 Measurement results of 0.6mm gap

圖13 0.3mm階差測量結果Fig.13 Measurement results of 0.3mm flush

表1 測量結果分析 mm

圖14 0.4mm間隙測量結果對比Fig.14 Comparison of measurement results of 0.4mm gap

本文提出的對縫檢測方法具有較強的普適性，可以推廣到其他包含對縫檢測的領域，但使用時需要注意各個參數或閾值調整及各間隙階差的定義。當前檢測對象尚有限制范圍，檢測法向面曲率較大的對縫時需要改進，這將是后續(xù)研究的重點。此外，測量前可先測工裝基準點，再進行坐標系轉換，T-Scan掃描數據即為飛機坐標系下的值，提煉出蒙皮對縫位置信息，即可與理論數模比對，分析其蒙皮對縫位置與理論數模的差值，為后續(xù)裝配提供數據參考。

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