基于激光测绘技术的闭腔配孔工艺优化

刘祎萍

（中国飞行试验研究院，陕西 西安 710089）

1 背景

随着航空工业的迅速发展，新型飞机设计定型任务日益增加，每架承担新型号任务的飞机都需要经过各种各样的改装，因而测试改装的要求逐日增加。所谓测试改装，是为了满足新型飞机试飞任务需要对其加装相关测试设备，而对飞机机型机械结构和电气系统进行改动的工作。机械改装工作一般包括对结构件的更改设计、结构开孔加强、机械安装面的设计预留和加强等工作[1]。为实现改装结构的机上装配工作，需要通过原机结构的连接孔将改装结构件与飞机结构进行组铆装配，大部分改装结构的配孔工作可以通过将改装结构件与飞机结构定位后，通过飞机结构上的连接孔向改装结构件透孔实现改装件的配孔工作，此时只要能够保证钻头、划针等能够从飞机结构端的孔位向改装结构件上进行制孔或标记，就能方便可靠地实现改装件上的配孔工作，保证改装结构件的装配精度。然而在实际改装过程中不可避免地存在闭腔配孔问题，此时改装件与飞机结构件定位后形成封闭腔体，不能直接从原机结构件内侧向改装件透孔。为解决此问题，一种常用的方法是采用划线引孔的方式为改装结构件配孔，在原机结构上用2条定位线的交点确定每个孔的位置，然后在改装件定位后借助定位线确定改装件上对应的孔位，如图1所示。在孔位较少、位置关系简单的情况下划线引孔是一种快速的配孔方法，然而当连接孔数量较多、位置关系复杂、施工条件苛刻等情况下，用此方法进行配孔工作量复杂，配孔精度难以保证，极大影响了测试改装工作的效率。

图1 闭腔结构划线配孔示意图

另一种常用的配孔方法是利用样板传递孔位，此时需要制作一个简单样板，从原机的腔体内侧向样板引孔，在进行样板设计时需在样板与原机结构定位后留有施工空间；然后将样板上的孔准确传递到改装结构件上，为保证孔位可精确传递，设计样板时还需保证可与改装结构件进行准确定位。这种配孔方法仅适用于型面简单、腔体深度较大、连接孔为通孔等情况。在结构件型面复杂等情况下存在样板制造困难、样板引孔难以实现等问题。原机结构件孔中有螺纹时使用这种配孔方式会破坏原机结构件孔中的螺纹，这使得该方法应用范围受限。闭腔结构样板配孔如图2所示。

图2 闭腔结构样板配孔示意图

本文针对常规闭腔结构配孔方法存在的配孔精度差、施工操作辅助、应用局限性大等问题，利用激光测绘与逆向技术，重构原机结构局部型面和孔位，以此制作样板的数字模型，利用冲床等加工设备制作了实物样板，以此代替原机结构，在实际飞机改装装配过程中，实现闭腔结构孔位的准确传递。

2 激光测绘与样板孔位传递

2.1 激光测绘与型面重构

试验机改装激光测绘即以T-Scan（高速手持式扫描仪）获取的试验机改装部位的点云数据为基础，应用曲面重构软件构建试验机改装部位的高精度三维外形模型。得到的三维模型是进行下一阶段改装机械结构设计的基础性文件，基于该曲面外形而设计的改装零部件与原机具有良好的装配性[2]。激光测绘设备的种类较多，有移动式和固定式、接触式和非接触式之分等[3]。从点云数据的采集方法和便捷方面考虑，非接触式的采集方法具备速度快且精度高的优点，因而在逆向设计中应用最广泛[4]。目前试验机改装常用的非接触式激光测绘系统包括激光跟踪仪系统和手持式激光扫描仪（HandScan）。激光跟踪仪系统扫描精度高、扫面范围大，但是整套激光跟踪仪系统包括激光跟踪仪、控制计算机、高速手持式扫描仪、高速照相机、反射靶球等，设备数量较多，安装调试复杂，其测绘精度可达到0.01 mm，通常用于测绘尺寸较大、精度要求较高的结构及外形测绘。手持式激光扫描仪（HandScan）体积较小，不需要复杂的配套设备，能够直接与笔记本连接，通过结构局部贴点的形式确定扫描范围，一个人即可完成操作，其精度可达到0.02 mm，用于快速测绘局部结构。

本文利用手持式激光扫描仪（HandScan）进行测绘与型面重构，首先采集腔体结构外型面和所关注孔位的点云数据，采集的点云数据需经过格式转换、数据降噪、数据对齐、数据修补、数据抽稀和数据分块后，导入逆向设计软件（CATIA、Imageware、Geomagic等），利用其数字化形状编辑模块、创成式外形设计模块、自由曲面模块等即可完成局部曲面的的重构与检查及连接孔位的确定，并以此为孔位依据设计孔位传递样板。

2.2 样板设计与孔位传递

在获得原机结构局部型面和连接孔位置的数字模型后，即可完成孔位传递样板的设计。样板设计需要考虑以下方面内容：样板孔位能准确反映原机连接孔位置；样板应能方便地与原机结构进行定位；样板应能与改装结构进行方便准确地定位；样板展开、制造、成型方便，能够用冲床等简单机床加工。考虑到加工和成型，通常选择0.5～1 mm的不锈钢板进行加工。

对于加工好的样板，可根据设计方案采用多种方式进行孔位的传递。一种常用的方式是当改装件与原机结构的相对位置关系明确时，样板设计时主要考虑其与改装件的定位关系，通过将样板与改装件进行定位后，直接从样板向改装件进行透孔。另一种常用的方式是当改装件与原机结构相对位置关系不确定时，需现场取样确定改装件，需现场调整来确定接面形状和相对位置关系，当改装件留有修锉预留时需要进行现场修配，样板设计时主要考虑其与飞机结构的定位关系，需首先对改装件进行修锉和装配位置调整，以确定其与飞机机构的装配位置关系，然后通过样板上预留的定位孔将样板与原机结构进行定位，此时样板应位于改装件外表面，样板上预制的孔位同原机连接孔位一致，从样板上向改装件进行透少量定位孔即可完成样板与改装件的定位，最后拆下样板和改装件，利用定位孔定位样板和改装件位置，完成其余孔位的配制。

3 某飞机挂梁底部整流罩安装配孔实例

3.1 结构简介

在改装某试验机过程中，需要拆除该飞机挂梁下方圆锥形整流罩，换装新的改装整流罩，新整流罩与原安装孔进行连接，安装孔内预埋托板螺母，如图3所示。由于整流罩为半圆柱形，与原机挂梁装配时形成闭腔结构，挂梁上的安装孔不能直接通过内部向外透孔，且整流罩为钣金成型，并且需要现场进行修配，不能在其安装边上预制连接孔。由于原机连接孔数量多，施工不便，采用划线方法进行引孔难度大，效率低；另一方面，原机预留托板螺母，直接用样板引孔不能直接通过螺母向样板透孔，因此，激光测绘技术制造样板进行孔位传递便成为一种行之有效的方法。

图3 挂梁底部整流罩换装位置

3.2 局部外形测绘与样板设计

在挂梁顶部两侧与新雷达罩的连接区粘贴专用定位点，利用手持式激光扫描仪（HandScan）对连接区进行扫描获得局部点云，将处理后的点云导入到CATIA中，如图4所示，可以清楚地看到各连接孔的位置关系。利用该点云进行样板设计，按照点云中各连接孔位置在样板上制出对应的孔位，并且考虑样板与挂梁的定位关系，选取连接区上方2个孔作为定位孔以确定样板的位置，最终的样板结构如图5所示，将样板展开即可直接用于加工冲床。

图4 局部外形测绘点云及样板

3.3 利用样板进行整流罩的配孔

利用样板进行制孔前需要对整流罩进行修配，保证整流罩与挂梁及短舱结构良好配合，在确定整流罩与挂梁的相对位置关系后，将样板置于整流罩外侧，利用定位孔将样板进行固定，如图5所示。根据样板上的连接孔位向整流罩透孔，即可实现整流罩的配孔工作。

图5 利用样板进行整流罩配孔示意图

4 结论与展望

针对实际试验机改装结构件机上装配中遇到的闭腔结构配孔问题，本文介绍了常用的2种方法，即划线引孔法和样板配孔法。同时分析了这2种方法在使用中存在配孔精度差、施工操作辅助、应用局限性大等问题，于是给出了一种利用激光测绘与逆向技术进行型面重构，得到局部型面及连接孔位置的数字模型后，依此设计孔位传递样板，并进行配孔的工艺方法，并总结了样板设计需要考虑的问题，给出了在不同条件下设计孔位传递的方式。本文还给出了一个利用激光测绘将闭腔配孔技术应用到某试验机挂梁下方整流罩配孔工程的实例，实现了整流罩与原机结构形成的闭腔结构的一次性快速配孔，提高了配孔质量与配孔效率，有效保证整流罩与原机挂梁的良好配合，为后续改装工作提供了基础。

实践表明，该配孔技术操作简单，配孔精度较高，可方便应用到后续试验机改装闭腔结构装配中。