基于关节臂坐标测量机的飞机焊接导管数字化检测方法

姜一鸣，张 晶，赵洪宇，欧佳昕，刘胜兰

(1.航空工业成都飞机工业(集团)有限责任公司钣钳加工厂，四川 成都 610091)(2.南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

导管是飞机的重要组成部分，负责将气体、油料等介质输送到飞机各部位。焊接导管是指将管件、半管、附件等零件采用焊接成形方式并辅助以其他方式连接而成的导管总成件。在飞机导管产品中，焊接导管占总数的25%～35%[1]。

目前，我国航空企业对导管的设计大多采用三维数模，在制造过程中大量采用数控弯管技术[2]，在检测过程中逐步采用数字化检测设备对简单导管进行检测。对于焊接导管，由于其结构复杂且支管多，目前仍然主要采用专用夹具来进行检测，具体方法是：将焊接导管放置在夹具上，并按照定位要求将导管的基准面与夹具的定位面进行贴合定位，然后采用垫片、卡规等实物检测各部位是否存在干涉或者间隙情况。给出的是定性的误差评价结果，检测精度较低，且检测夹具通常与焊接装配过程采用同一套夹具，因而在检测过程中有时会存在由于夹具本身的位置不准确而带来的误差。

近年来，数字化检测方法发展十分迅速，按照测头传感器是否与零部件接触可分为接触式与非接触式两类。其中接触式测头传感器以三坐标测量机和关节臂坐标测量机(articulated arm coordinate measuring machine，AACMM)为代表，非接触式以激光测量和视觉测量为代表。文献[3]、[4]介绍了当前主流测量方法的原理并给出各方法在大尺寸零部件检测中的应用。然而，焊接导管是一类结构形式比较特殊的零部件，单一的测量方法难以直接完成所有部位的检测。目前，在关节臂坐标测量机上配置激光叉形测头和接触式测头进行组合测量是焊接导管的有效测量方法。

在获得测量数据后，就可以根据基准要素将测量数据与理论模型进行匹配，使测量数据转换到理论坐标系下并对其进行误差评价。对于焊接导管，可以在附件上选择3个基准要素，然后采用3-2-1匹配方法将测量数据与理论模型进行匹配，获得各检测要素的误差情况。

1 焊接导管结构分析

焊接导管从几何结构上可分为两部分：管件零件部分和附件零件部分。其中管件包括1个主管件和多个支管件，附件一般安装在管件的末端，包括端头、管套、法兰等。

图1为一典型焊接导管，该导管的管件零件部分包括1个主管件和1个支管件，附件零件部分包括1个管套和2个法兰。

图2为另一个典型焊接导管，该导管的管件零件部分包括1 个主管件和3个支管件，附件零件部分包括1个端头、1个接管嘴和3个法兰。

图1 焊接导管实例1

图2 焊接导管实例2

2 焊接导管检测要素

2.1 管件检测要素

从图1和图2可以看出，管件有直管件也有弯管件。有些弯管件通过数控弯管技术制造而成；有些弯管件则是由2个半管焊接而成，但在几何结构上仍然看作是1个管件，因此按照完整管件来考虑。

弯管制造过程中控制参数有导管各直段的长度(straight length)、两直段间的旋转角度(angle rotation)、三直段间的弯曲角度(bend angle)，也记作LRA参数。管件中的其他参数，如管的直径与弯曲半径并不作为形状控制参数，其中前者由成形前的管料来保证，后者由加工中的模具来保证。

图3为一弯管件的LRA参数，直线段有3个参数L1，L2，L3，旋转角度有2个参数R1，R2，弯曲角度有参数A1。其中A1是直线段L1和L2构成的平面与直线段L2和L3构成的平面之间的夹角。从图中可以看出，这些参数可以通过管件上的一些关键点来控制。其中IP点(intersection points，交点)是端面的中心点和各段中心轴线相交的点，可以用来控制管件的形状，即图中显示的圆点，共有4个。TP点(tangent points，切点)包括端面的中心点和管的直段与弯段相切的点，在图中显示为方形点，共有6个。由于弯曲半径通常是确定的，因此对TP点与IP点，只要获得其中一组的测量值，另一组的测量值可以通过计算得到。

图3 管件的LRA参数和关键点

对于焊接导管，可以采用TP点或者IP点作为管件检测要素。一方面，由于焊接导管并不需要控制单个管件是否超差，而更多的是确定焊接后各管件在整个焊接导管中的位置，采用这些关键点足够。另一方面，有了TP点或IP点，可以反向计算获得L参数和A参数，进一步可以得到R参数，也就是说弯管件的LRA参数通过TP点或IP点可以得到。工程应用中可以根据习惯来选择是选用TP点还是选用IP点。

对于焊接导管中的直管段，由于有时难以获得该直管段的IP点，因此可以采用接触式测头获得管段的外圆柱，将外圆柱的轴线作为检测要素。

2.2 附件检测要素

焊接导管上的附件主要是机械加工零件，通常由规则的平面、圆柱面构成，可以参照产品几何技术规范国家标准GB/T 17851—2010[5]中的相关内容来定义附件的检测要素。一般机械零件的检测要素包括形状尺寸要素(如平面度、圆柱度等)和位置要素(如位置度、平行度、角度等)。

对于焊接导管，单个零件的形状尺寸要素在零件加工完成后已经检测完毕，即在焊接前就是合格的，因而焊接后无需进行再次检测。由焊接导管的装配要求可知，需要检测的是位置要素。通过对大量焊接导管结构的分析可知，检测要素的具体内容包括：1)端面位置，包括测量面到理论面的距离和夹角；2)圆柱轴线位置，包括测量轴线到理论轴线的距离和夹角；3)圆的位置，包括测量圆的中心到理论中心的轴向距离和径向距离。

对于不同类型的附件，可采用表1所示的检测要素。需要说明的是，检测要素通常是指在装配过程中与其他零部件有配合要求、或者安装位置可能与其他零部件存在干涉情况的面、轴线、点位。如果所需检测的配合面、轴线、点位等要素由于测量设备难以达到而无法检测，则可以用与之有确定位置关系的其他要素来替代，例如图1中的法兰，在测量台上固定时靠近台面，因其外端面(底部的面)难以接触到，可用内端面(上部的面)来替代。

表1 焊接导管中附件的检测要素

部分典型附件实例的检测要素如图4所示。

图4 典型附件的检测要素

3 焊接导管测量方法

在关节臂坐标测量机末端安装叉形激光测头，可对管件的要素进行测量。操作人员手持测头沿导管截面方向运动，检测系统通过激光束的交点就可获得导管的中心位置，通过在多个截面上的测量形成导管轴线，并通过算法处理就可获得管件的IP点或TP点。若将叉形激光测头更换成接触式测头，则可以实现对平面、柱面、圆等特征元素的检测，这些特征元素就是焊接导管附件的检测要素。因此组合有叉形激光测头和接触式测头的关节臂坐标测量机对焊接导管的检测有很好的适应性。

图5为海克斯康公司的Romer关节臂的导管测量设备[6]。Romer关节臂测量精度确定依据的是B89.4.22 和 VDI/VDE 2617-9标准，不同型号精度略有区别，以型号RA-7530的设备为例，其接触式测头的精度为0.054 mm，叉形测头的精度为0.09 mm。在使用过程中若有操作不当导致误差过大，关节臂会提示错误进行重新操作，确保测量结果的可靠性。

焊接导管的具体测量步骤如下：

1)创建测量项目，采用激光叉形测头对主管件进行测量，获得主管件的IP点；

2)创建另一个测量项目，采用激光叉形测头对各支管件进行测量，获得支管件的IP点，直至所有支管测量完成；

3)替换接触式测头对所有的附件进行测量，获得各附件的平面、柱面、圆等要素；

图5 关节臂坐标测量机

4)若管件为直管段，用接触式测头测出主管端的外圆柱特征。

4 实例验证

对图1所示的焊接导管进行检测要素分析。该管件共有14个检测要素，其检测要素与基准设置如图6所示。其中要素1～3为法兰1上1个平面和2个圆，为3-2-1匹配时的第一、第二和第三基准；要素4～9为主管件上的5个IP点，要素10为支管(该支管为直管段)外圆柱；要素11为管套的外圆柱，该管套端面面积窄小，可以看作无端面管套；要素12～14为法兰2的端面和2个圆。该实例中各要素中的距离值的公差范围为±1 mm，角度值的公差范围为±2°。

图6 样件的基准及检测要素

采用Romer关节臂进行测量，测量结果如图7所示，其中“*”为管件的IP点，其他则为平面、圆柱、圆等检测要素。

图7 样件的测量数据

采用3-2-1匹配方法将样件测量数据与理论模型进行匹配，结果如图8所示，从而可以得到各个检测要素的误差。其中IP点的偏差为1.0～1.6 mm，大于公差；而管套圆柱轴线的距离与角度偏差在公差范围内，法兰2的端面、圆的误差均大于各自公差，说明该零件不合格。

图8 3-2-1匹配结果

5 结论

本文通过对焊接导管的结构进行分析，总结出管件和附件的检测要素，采用关节臂坐标测量机进行数字化检测，采用3-2-1匹配方法进行配准，获得各检测要素的误差情况，得到以下结论：

1)对焊接导管中的管件，采用IP点或者TP点作为检测要素，检测内容既简洁又有效；

2)对焊接导管中的附件，其检测要素为影响零件配合关系的面、轴线、点位，若由于测量设备难以到达而无法检测，则可以用与之有确定位置关系的其他要素来替代；

3)带有叉形激光测头和接触式测头的组合式关节臂坐标测量机是焊接导管测量的有效设备。