劉祎萍

（中國飛行試驗(yàn)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(jī)設(shè)計(jì)定型任務(wù)日益增加，每架承擔(dān)新型號任務(wù)的飛機(jī)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(jī)試飛任務(wù)需要對其加裝相關(guān)測試設(shè)備，而對飛機(jī)機(jī)型機(jī)械結(jié)構(gòu)和電氣系統(tǒng)進(jìn)行改動的工作。機(jī)械改裝工作一般包括對結(jié)構(gòu)件的更改設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)開孔加強(qiáng)、機(jī)械安裝面的設(shè)計(jì)預(yù)留和加強(qiáng)等工作[1]。為實(shí)現(xiàn)改裝結(jié)構(gòu)的機(jī)上裝配工作，需要通過原機(jī)結(jié)構(gòu)的連接孔將改裝結(jié)構(gòu)件與飛機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行組鉚裝配，大部分改裝結(jié)構(gòu)的配孔工作可以通過將改裝結(jié)構(gòu)件與飛機(jī)結(jié)構(gòu)定位后，通過飛機(jī)結(jié)構(gòu)上的連接孔向改裝結(jié)構(gòu)件透孔實(shí)現(xiàn)改裝件的配孔工作，此時(shí)只要能夠保證鉆頭、劃針等能夠從飛機(jī)結(jié)構(gòu)端的孔位向改裝結(jié)構(gòu)件上進(jìn)行制孔或標(biāo)記，就能方便可靠地實(shí)現(xiàn)改裝件上的配孔工作，保證改裝結(jié)構(gòu)件的裝配精度。然而在實(shí)際改裝過程中不可避免地存在閉腔配孔問題，此時(shí)改裝件與飛機(jī)結(jié)構(gòu)件定位后形成封閉腔體，不能直接從原機(jī)結(jié)構(gòu)件內(nèi)側(cè)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(jié)構(gòu)件配孔，在原機(jī)結(jié)構(gòu)上用2條定位線的交點(diǎn)確定每個(gè)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(yīng)的孔位，如圖1所示。在孔位較少、位置關(guān)系簡單的情況下劃線引孔是一種快速的配孔方法，然而當(dāng)連接孔數(shù)量較多、位置關(guān)系復(fù)雜、施工條件苛刻等情況下，用此方法進(jìn)行配孔工作量復(fù)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(jié)構(gòu)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(shí)需要制作一個(gè)簡單樣板，從原機(jī)的腔體內(nèi)側(cè)向樣板引孔，在進(jìn)行樣板設(shè)計(jì)時(shí)需在樣板與原機(jī)結(jié)構(gòu)定位后留有施工空間；然后將樣板上的孔準(zhǔn)確傳遞到改裝結(jié)構(gòu)件上，為保證孔位可精確傳遞，設(shè)計(jì)樣板時(shí)還需保證可與改裝結(jié)構(gòu)件進(jìn)行準(zhǔn)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(jié)構(gòu)件型面復(fù)雜等情況下存在樣板制造困難、樣板引孔難以實(shí)現(xiàn)等問題。原機(jī)結(jié)構(gòu)件孔中有螺紋時(shí)使用這種配孔方式會破壞原機(jī)結(jié)構(gòu)件孔中的螺紋，這使得該方法應(yīng)用范圍受限。閉腔結(jié)構(gòu)樣板配孔如圖2所示。

圖2 閉腔結(jié)構(gòu)樣板配孔示意圖

本文針對常規(guī)閉腔結(jié)構(gòu)配孔方法存在的配孔精度差、施工操作輔助、應(yīng)用局限性大等問題，利用激光測繪與逆向技術(shù)，重構(gòu)原機(jī)結(jié)構(gòu)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(shè)備制作了實(shí)物樣板，以此代替原機(jī)結(jié)構(gòu)，在實(shí)際飛機(jī)改裝裝配過程中，實(shí)現(xiàn)閉腔結(jié)構(gòu)孔位的準(zhǔn)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(gòu)

試驗(yàn)機(jī)改裝激光測繪即以T-Scan（高速手持式掃描儀）獲取的試驗(yàn)機(jī)改裝部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，應(yīng)用曲面重構(gòu)軟件構(gòu)建試驗(yàn)機(jī)改裝部位的高精度三維外形模型。得到的三維模型是進(jìn)行下一階段改裝機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)性文件，基于該曲面外形而設(shè)計(jì)的改裝零部件與原機(jī)具有良好的裝配性[2]。激光測繪設(shè)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(diǎn)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(diǎn)，因而在逆向設(shè)計(jì)中應(yīng)用最廣泛[4]。目前試驗(yàn)機(jī)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(jì)算機(jī)、高速手持式掃描儀、高速照相機(jī)、反射靶球等，設(shè)備數(shù)量較多，安裝調(diào)試復(fù)雜，其測繪精度可達(dá)到0.01 mm，通常用于測繪尺寸較大、精度要求較高的結(jié)構(gòu)及外形測繪。手持式激光掃描儀（HandScan）體積較小，不需要復(fù)雜的配套設(shè)備，能夠直接與筆記本連接，通過結(jié)構(gòu)局部貼點(diǎn)的形式確定掃描范圍，一個(gè)人即可完成操作，其精度可達(dá)到0.02 mm，用于快速測繪局部結(jié)構(gòu)。

本文利用手持式激光掃描儀（HandScan）進(jìn)行測繪與型面重構(gòu)，首先采集腔體結(jié)構(gòu)外型面和所關(guān)注孔位的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需經(jīng)過格式轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)降噪、數(shù)據(jù)對齊、數(shù)據(jù)修補(bǔ)、數(shù)據(jù)抽稀和數(shù)據(jù)分塊后，導(dǎo)入逆向設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)模塊、自由曲面模塊等即可完成局部曲面的的重構(gòu)與檢查及連接孔位的確定，并以此為孔位依據(jù)設(shè)計(jì)孔位傳遞樣板。

2.2 樣板設(shè)計(jì)與孔位傳遞

在獲得原機(jī)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)。樣板設(shè)計(jì)需要考慮以下方面內(nèi)容：樣板孔位能準(zhǔn)確反映原機(jī)連接孔位置；樣板應(yīng)能方便地與原機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位；樣板應(yīng)能與改裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行方便準(zhǔn)確地定位；樣板展開、制造、成型方便，能夠用沖床等簡單機(jī)床加工?？紤]到加工和成型，通常選擇0.5～1 mm的不銹鋼板進(jìn)行加工。

對于加工好的樣板，可根據(jù)設(shè)計(jì)方案采用多種方式進(jìn)行孔位的傳遞。一種常用的方式是當(dāng)改裝件與原機(jī)結(jié)構(gòu)的相對位置關(guān)系明確時(shí)，樣板設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其與改裝件的定位關(guān)系，通過將樣板與改裝件進(jìn)行定位后，直接從樣板向改裝件進(jìn)行透孔。另一種常用的方式是當(dāng)改裝件與原機(jī)結(jié)構(gòu)相對位置關(guān)系不確定時(shí)，需現(xiàn)場取樣確定改裝件，需現(xiàn)場調(diào)整來確定接面形狀和相對位置關(guān)系，當(dāng)改裝件留有修銼預(yù)留時(shí)需要進(jìn)行現(xiàn)場修配，樣板設(shè)計(jì)時(shí)主要考慮其與飛機(jī)結(jié)構(gòu)的定位關(guān)系，需首先對改裝件進(jìn)行修銼和裝配位置調(diào)整，以確定其與飛機(jī)機(jī)構(gòu)的裝配位置關(guān)系，然后通過樣板上預(yù)留的定位孔將樣板與原機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行定位，此時(shí)樣板應(yīng)位于改裝件外表面，樣板上預(yù)制的孔位同原機(jī)連接孔位一致，從樣板上向改裝件進(jìn)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(jī)掛梁底部整流罩安裝配孔實(shí)例

3.1 結(jié)構(gòu)簡介

在改裝某試驗(yàn)機(jī)過程中，需要拆除該飛機(jī)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(jìn)行連接，安裝孔內(nèi)預(yù)埋托板螺母，如圖3所示。由于整流罩為半圓柱形，與原機(jī)掛梁裝配時(shí)形成閉腔結(jié)構(gòu)，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(jìn)行修配，不能在其安裝邊上預(yù)制連接孔。由于原機(jī)連接孔數(shù)量多，施工不便，采用劃線方法進(jìn)行引孔難度大，效率低；另一方面，原機(jī)預(yù)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(shù)制造樣板進(jìn)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(shè)計(jì)

在掛梁頂部兩側(cè)與新雷達(dá)罩的連接區(qū)粘貼專用定位點(diǎn)，利用手持式激光掃描儀（HandScan）對連接區(qū)進(jìn)行掃描獲得局部點(diǎn)云，將處理后的點(diǎn)云導(dǎo)入到CATIA中，如圖4所示，可以清楚地看到各連接孔的位置關(guān)系。利用該點(diǎn)云進(jìn)行樣板設(shè)計(jì)，按照點(diǎn)云中各連接孔位置在樣板上制出對應(yīng)的孔位，并且考慮樣板與掛梁的定位關(guān)系，選取連接區(qū)上方2個(gè)孔作為定位孔以確定樣板的位置，最終的樣板結(jié)構(gòu)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(diǎn)云及樣板

3.3 利用樣板進(jìn)行整流罩的配孔

利用樣板進(jìn)行制孔前需要對整流罩進(jìn)行修配，保證整流罩與掛梁及短艙結(jié)構(gòu)良好配合，在確定整流罩與掛梁的相對位置關(guān)系后，將樣板置于整流罩外側(cè)，利用定位孔將樣板進(jìn)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(shí)現(xiàn)整流罩的配孔工作。

圖5 利用樣板進(jìn)行整流罩配孔示意圖

4 結(jié)論與展望

針對實(shí)際試驗(yàn)機(jī)改裝結(jié)構(gòu)件機(jī)上裝配中遇到的閉腔結(jié)構(gòu)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(shí)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(yīng)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(shù)進(jìn)行型面重構(gòu)，得到局部型面及連接孔位置的數(shù)字模型后，依此設(shè)計(jì)孔位傳遞樣板，并進(jìn)行配孔的工藝方法，并總結(jié)了樣板設(shè)計(jì)需要考慮的問題，給出了在不同條件下設(shè)計(jì)孔位傳遞的方式。本文還給出了一個(gè)利用激光測繪將閉腔配孔技術(shù)應(yīng)用到某試驗(yàn)機(jī)掛梁下方整流罩配孔工程的實(shí)例，實(shí)現(xiàn)了整流罩與原機(jī)結(jié)構(gòu)形成的閉腔結(jié)構(gòu)的一次性快速配孔，提高了配孔質(zhì)量與配孔效率，有效保證整流罩與原機(jī)掛梁的良好配合，為后續(xù)改裝工作提供了基礎(chǔ)。

實(shí)踐表明，該配孔技術(shù)操作簡單，配孔精度較高，可方便應(yīng)用到后續(xù)試驗(yàn)機(jī)改裝閉腔結(jié)構(gòu)裝配中。