基于激光雷达的数字化装配检测技术研究

 基于激光雷达的数字化装配检测技术研究

孙浩然,张晟

哈尔滨飞机工业集团有限责任公司 黑龙江哈尔滨市150060

摘要 为提高新型飞机装配检测需求，提出了基于激光雷达的装配检测方法，使用激光雷达对装配零部件定位基准进行测量，并对测量数据进行分析，提取出关键尺寸信息，从根本上解决装配问题。结合飞机某部件装配检测实例，对其装配问题进行检测及分析，解决了飞机装配过程中配合尺寸超差问题。结果证明基于激光雷达的装配检测技术可高效准确地检测出飞机装配问题，对实现飞机数字化自动装配具有重要意义。

关键词：

数字化测量；装配检测；激光雷达

数字化装配检测是指使用三维数字化测量设备对安装部件进行测量并获得装配尺寸信息的过程，可以用于检测飞机装配定位点、结构变形量及装配零件尺寸。飞机装配定位点、结构变形量及装配零件尺寸检测数据为保证飞机装配质量提供了关键数据支撑。为提高新型飞机装配检测精度，降低装配检测时间，提出了采用激光雷达测量系统对产生装配问题的部件及其相配合的零件进行三维数字化检测。这种检测手段可以从根本上解决传统测量方式无法检测形面复杂、装配工艺要求高的装配问题，从而提高飞机装配质量。

1激光雷达测量装配检测流程

激光雷达可对空间点进行测量，空间点的测量可用于获取飞机装配部件的外型尺寸数据，依靠预设的测量规划，还可得到空间点的序列数据——点云数据。通过对测量点云数据的处理获得被测物相应尺寸，从而确定装配问题。在进行测量时，如被测物所需数据可在同一位置获得，则将雷达放置于此处，对被测物所需数据进行测量，测量完成后即可对数据进行相应处理以得到被测物体所需尺寸和相对位置。若测量物体在同一位置无法获取到所有信息时，需要用仪器测量位置的移动来实现，即需要对仪器进行转站（转站即仪器通过测量公共目标的位置解算求出各站仪器到统一的测量坐标系的坐标转换参数，从而将仪器从自身坐标系下转换为统一的测量坐标系下，实现测量数据的统一性)
2 激光雷达测量在装配检测中的应用

传统检测方法一般采用三坐标测量机获取零件关键位置的三维空间坐标，而对于飞机装配的零件，很多定位成品尺寸大且定位尺寸特征不能直接测量获得，所以不能利用传统检测方法进行检测，导致此装配问题长期无法解决。为提高飞机装配质量，采用激光雷达对此装配进行检测，并获得测量数据，从而从根本上解决这一装配问题。

2.1 测量方案确定

对于固定在飞机舱位内的高精度定位成品，引起其装配问题的原因。可知，装配问题主要有两个原因，一是装配部件尺寸偏离，即装配部件外形尺寸误差超出设计公差范围；二是装配定位点偏离，包括两个方面，一是多个定位点尺寸偏离，即多个定位点的相对位置不满足设计要求；二是多个定位点整体尺寸偏离，即装配点整体中心偏离理论设计的中心。为确定装配问题，首先需要对装配部件的安装点位置及尺寸进行测量，确定其是否满足装配需求。完成部件测量后再对机上装配定位点之间的相对位置进行测量，通过对两者定位尺寸测量分析，从而确定引起此装配问题的根本原因。

2.2 测量数据及分析

（1）安装部件的测量。

使用激光雷达对安装部件的 3 个安装孔及 3 个安装定位孔的端面进行测量，分别得到 3 个安装孔的外形及安装定位孔端面。

（2）安装部件的数据处理。

通过激光雷达自带软件 SA 进行数据处理（即采用逆向工程的方法对测量数据进行处理从而获取所需信息），获得部件安装孔轴线及装配端面，并求出安装孔轴线与装配面的交点。

3 复杂集成控制技术与装备

飞机装配过程中，包含了众多的工装 硬件系统，各工装系统的数据处理方式存 在多样化的特点。同时，飞机装配设计数 据、工艺数据、测量数据、定位数据、制孔 数据、连接数据等之间存在大量的交互与 协调。因此，对飞机装配的多工装集成控 制系统提出了很高的要求，主要涉及：系 统数据标准化及接口集成技术、离线编程 及在线检测技术、工装系统误差补偿技术 及复杂集成控制系统的开发等。

3.1系统数据标准化及接El集成技术。

飞机数字化装配集成控制软件系统需要与运动机构、PLC、工艺参数库和测量系统进行数据交互，因而需要设计接口进行数据转换和交换。在数据传输协议下，集成控制系统与运动机构控制系统、测量系统和PLC通过发送特定格式的文件进行交互，传输数据包的编码与解码工作在集成控制系统中完成。开发数据接口建立工艺 参数库及集成控制系统，实现对飞机装配 系统数据库的访问。

3.2离线编程及在线检测技术。

基于三维数模的离线控制技术包括 离线编程、加工指令输入、轨迹生成和设 备执行等步骤。通过数字化的三维模型生 成离线数控程序，控制设备的初步运动，到达目标的粗略位置；然后通过测量装置 实时测量并反馈给控制系统，控制系统按 照反馈信息，根据相应算法进一步调整设 备位置，使精度得以保证。

3.3由于飞机的体型巨大，因此飞机内部零件的尺寸也相对较大，并且在飞机部 件要求上必须要保证其精准度高。零部件定位的精准度直接影响工装零件的加工质量。因而对加工装配过程中的工装设备提出了很高的要求。近年来，由于采用了嵌入式控制方法，三维激光跟踪仪可以通过计算机和设备集成起来，实现对工装设备坐标位置的实时测量，达到了全闭环控制的效果，提高了飞机装配过程中的工装定位精度，为现代飞机的高精度装配提供了技术保障。

3.4复杂集成控制系统的开发。飞机数字化装配单元通过控制系统进行集成，并实现数据交互。设计开发的集成控制系统，包括控制硬件和控制软件两部分，通过信息数据集成处理来实现备子系统平稳运行，开发通用集成数据接口，实现各系统之间的信息采集与交互。

结论

基于激光雷达的数字化装配检测新技术不仅实现了大型复杂、高精度配合部件的装配检测，而且避免了传统检测方法无法进行检测的尴尬局面。通过应用验证，基于激光雷达的数字化装配检测新技术可以测量出装配部件基准面、定位点、定位销孔等几何信息，对其进行数据处理，得出基准面、轴、点之间的空间位置关系以及和理论数据之间的偏差，从而找出装配问题的根源，

在后续的生产制造中加以控制，不断完善，保证飞机装配的生产周期，提高生产效率，对实现飞机数字化自动装配具有重要意义。

参考文献：

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