摘 要：在研究飛機大部件對合麵加工過程中，通過分析對合麵加工工藝流程，借助激光（guāng）輪廓掃描儀獲取加工麵形狀以及基準孔位（wèi）置，計算出待加工麵（miàn）的平麵（miàn）度和孔位關係。 實時檢測對合麵的（de）加工狀況，建立精確的（de）飛機對合麵加工工藝流程，以提高對合麵加工精度和加工效率，從而提高飛機大部件裝配精度。
 
        關鍵詞：加工中心 激光輪廓（kuò）掃（sǎo）描儀 工藝流程 加工精（jīng）度
 
        近幾十年來，隨著計算機（jī）技術、通信網絡技術以及信息化技術的發展（zhǎn）， 飛機大部件數字化設計製造（zào）技術迅速提高［1］。 在飛機裝配過程中，對大部（bù）件對合麵進行精加工的目的是為（wéi）了消除之前工（gōng）序的累積（jī）誤差， 保證（zhèng）對（duì）接裝配的協調性與互換性， 進而保證飛機的裝配質量。 傳統的（de）飛機大部件對接裝配方法采用人工強迫定位與裝夾，且無法（fǎ）實現高效精確的對接麵測量，導致對合（hé）麵加工存（cún）在較大風險。 大部件對合麵在裝夾狀態下進行精加工，加工完（wán）成放（fàng）鬆後會產生回彈變形，使相對理論尺寸發生（shēng）偏移，導致對接困難，而且由人工進行精加工，精度和效率都非常低。
 
       為了在飛機大部件數字化對接裝配中實現（xiàn）以（yǐ）數控（kòng）加工方法取代傳統方法， 筆者（zhě）以某型飛機中外翼發房對接中對合麵的加工係統設計和研（yán）究為例， 詳細說明飛機對合（hé）麵加工過程中的基準檢測和工藝過程， 通過激光輪廓（kuò）掃描儀對加工（gōng）前（qián）對合麵的平麵度、輪廓、孔位基準等進行（háng）檢測，經過計算得出（chū）加工量和加工位置，為主軸銑平麵和鑽孔提供位置運動參數依據， 完成對合麵的完全對合。
 
      1、 對合麵的加工特性分析
  
      飛機大部件數字化裝配係統（tǒng）中對合麵的精加工包（bāo）括麵（miàn）加工和（hé）孔（kǒng）加工兩部分， 其中對合（hé）麵的（de）麵加工主要為銑平麵（miàn），使兩個對合麵可以完全貼（tiē）合。對合麵的孔（kǒng）加工需要經過鑽孔、擴孔以及鉸孔等工藝步驟，必須保證精確（què）的孔位（wèi）、孔徑和表麵質（zhì）量（liàng），才可以實現對合麵的精確對合連接裝配。 對合麵的材料類型對於精加工也有重要 影響，主要包 括鋁合金 7050、鋼襯套 30CrMnSiA等，不同材料的（de）切削加（jiā）工性能也存（cún）在較大差異。
 
      2 、對合麵加工係統（tǒng）設計
 
      對合麵精加工設備采用專用加工（gōng）中心， 有 4 個獨立的坐（zuò）標運動，具備可在（zài） X、Y、Z 3 個方向運動的聯動控製單元。 另外繞 Y 軸（zhóu）進給方向有一（yī）回轉工作台，可保證對合麵的兩側加工。 加工設備坐標軸的確定如圖1 所示。

        
              圖（tú） 1 加（jiā）工設備結構示意

       圖 1 中，X 向通過伺服電機控製運（yùn）動，以實現加工單元沿對接麵平行方向直線運動（dòng）， 采用精密的導（dǎo）軌絲（sī）杠係統保證其運（yùn）動精（jīng）度。 Y 向（xiàng）通過帶製動器的伺服電（diàn）機實現（xiàn）同步（bù）運動，為防止進（jìn）給機構在重力作用下下滑，配合平衡油缸實現 Y 軸的平（píng）滑運動。 Z 軸由伺服電機驅動，並通過絲杠導（dǎo）軌進行傳動，帶動電主軸完成對合麵的加工。
 
       3 、對合麵（miàn）加工檢測係統
 
       3.1 測量（liàng）儀器選擇、
 
      本測量係統采用德國 MICRO-EPSILON 高速激光輪廓掃描儀執行檢測工作（zuò），其（qí）技術規格見表 1。 激光輪廓（kuò）掃（sǎo）描（miáo）儀與電主軸同軸安裝在精加工設備上（shàng）， 其位置如圖 2 所示。
  
  

      
                                 圖 2 激光輪廓掃描儀安裝位置
 
       3.2 測量（liàng）步驟（zhòu）
   
      第一步，執行機翼對合端麵的平（píng）麵度和輪廓檢測（cè）。加工設備快速移動到（dào）檢測位置， 激光輪廓掃描儀隨著加工設備的移動（dòng）掃 描 機 翼 對 合 端麵 輪 廓 信 息 並 輸入 到 控 製 係 統 。控 製 係 統 計 算 出中 外 翼 八 字 板（bǎn） 對合 端 麵（miàn） 加 工 量 和鑽 孔 位 置。 掃 描過 程（chéng） 示 意 如 圖 3所（suǒ）示（shì）。
  
     
         圖 3 機翼對合麵掃描過程示意
 
      第 二 步 ， 執行 發 房 對 合 端 麵平 麵 度、 輪 廓 檢測。 加 工 設 備 回轉 180°，移動至相應工位定（dìng）位，激光輪廓掃描儀開始（shǐ）工作，掃描該對合端麵輪廓信息並輸入到係統，係統計（jì）算對合端麵加工量和製孔（kǒng）位置。掃描過（guò）程（chéng）如圖 4 所示。
 
               表 1 MICRO-EPSILON 高速激光輪廓掃描儀技術規格（gé） 
      

      
                                    圖 4 發房對合麵掃描過程示意
 
     3.3 測量結果
 
     激光輪廓掃描儀在檢測完成後會生（shēng）成（chéng）位（wèi）置數據文件，數據文件中包含大量的測量數（shù）據信息。因為輸出（chū）的測量數據格式（shì）為 TXT 文本文件，此（cǐ）格式（shì）文件可以采用（yòng）程序方式順序讀取（qǔ）並轉（zhuǎn）換為數據庫文件。 精加工設備實現自動化檢測（cè）， 需要對激光（guāng）輪廓掃描儀進行應用軟件的二（èr）次開發， 進行（háng）待檢測物三維（wéi）輪廓信息的掃描以獲取三（sān）維（wéi）位置信息數據，如圖 5 所示，最後對必要的（de）麵特征或孔特征數據（jù）進行提取，解算需（xū）要的位置參數。

                  圖 5 掃描三維型麵數據采集過（guò）程
 
      3.3.1 對合麵平麵度檢測
 
     基於三維點雲數據進行曲麵擬合， 將（jiāng）數（shù）據中那些非實體上的點全部剔除，否則會對分析（xī）帶來失真。在針（zhēn）對不同特征提取數據時所用的剔除算法也是不同的，針對基於點雲進行平麵擬（nǐ）合（hé）的需求， 筆者采用的（de）方法（fǎ）是：先擬合出實體所在的表麵，然後根據點到擬合平麵的（de）距離（lí）來判斷是否剔除。 擬合平麵使用最小二乘法擬（nǐ）合，該方法具有誤差（chà）小、穩定性好的特點（diǎn）。 特征提取過程如圖（tú） 6 所示。
  
  

     
                     圖 6 麵（miàn）特征提取及處理軟件實現
 
      基於最（zuì）小二乘法擬合平麵的（de）思想，結合空間平麵測量（liàng）的點雲數據求解後，平麵曲麵方程為： z=ax+by+c，然後剔除離平（píng）麵距離大於 0.2 mm（軟件中的粗度篩選值）的點，得到（dào） data_zn 數（shù）據（jù）點，再次經過曲麵擬合的迭代計算（suàn），去除個別雜點，最（zuì）後根據 計 算（suàn） 式 ：

      90° -arccos （1 /  
  
      可計算出檢測平麵與主軸（zhóu）的法平麵之間的夾角，從而為主軸加工提供數據依據。
 
      3.3.2 對合（hé）麵基準孔特征檢測
 
      基於（yú）輪廓掃描儀配合（hé）伺服驅動實現孔（kǒng）特征（zhēng）的三維型麵掃描，以采集的點雲數（shù）據為（wéi）對象，提出了一種三維點（diǎn）雲中圓的提取方法。 此方法是結（jié）合點雲的邊界特征來提取的方法（fǎ）， 並充分利用了點（diǎn）雲和圖像的對應投影關係特性以及圖（tú）像處理中成熟的圓檢測算法， 如圖 7所示，提取出了三維點雲中的圓。 此方法簡便快捷，易（yì）於實現。
 

                圖 7 孔特征提（tí）取及處（chù）理軟件實現
   
     4 、對合麵加工過程
 
     通過激光輪廓掃描儀對機翼（yì）和發房（fáng）兩側對合麵進行掃描，計算得出對合麵的（de）加（jiā）工（gōng）餘量和（hé）孔位關係，采用精（jīng）加工設備進行對合麵（miàn）加工，加（jiā）工工藝流程如下。
 
    （1） 精加工設備移動到被加工端麵再定位。
    （2） 激光輪廓掃描（miáo）儀對發房對合接（jiē）頭平麵以及（jí）連接（jiē）孔進（jìn）行檢測。精加工（gōng）係統反轉，激光輪廓掃描儀對機翼對合端（duān）麵及連接孔進行檢測，調用對合麵加工算（suàn）法，計算（suàn）平麵加工量和（hé）孔位（wèi）誤（wù）差。
    （3） 通過計算機對加工量和孔位誤差進行評價。
    （4） 上述工作完（wán）成後，精加工係統（tǒng）首先（xiān）更換銑刀，對機翼對合端麵按照加工量進行銑削，然後，精加工係統反轉，對發動機上支架端麵進行（háng）銑削。銑削（xuē）結束後需對機翼與發房的對合端麵進（jìn）行對合，檢測對合度。
    （5） 對合度滿足需求後， 將精加工設備移回加工工位，對發房和機翼兩側對合端麵（miàn）的連接孔進行加工。
    （6） 完成連接孔的精加工後， 將加工係統移動至下一個工位，進（jìn）行下一個工位的加工。
 
     5、 對合麵加工試驗（yàn）
 
     為驗證基於實時檢測的飛（fēi）機對合麵加工係（xì）統的可（kě）行性，利用激光輪廓掃描儀對加工麵進行掃描預處理，計算出（chū）對合麵的加工（gōng）餘量， 利用精加工設備進行對合麵的（de）精銑和鑽孔試驗。對合麵加（jiā）工試驗如圖 8 所示，其（qí）中圖 8（a）為機翼對合麵精銑結果；圖（tú） 8（b）為（wéi）機翼對合麵鑽孔現場。 精銑對合麵後（hòu）的平麵度<0.05 mm，表麵粗糙（cāo）度 Ra3.2 μm。 對合麵孔（kǒng）加工結果為孔徑精度 H7，表麵（miàn）粗糙度為 Ra3.2 μm，鑽孔定位精度 0.10 mm，重複定位精度 0.05 mm，鑽孔（kǒng）垂（chuí）直度偏（piān）差<0.3°，完全滿足加（jiā）工要求（qiú）。
  
  

    
                                 圖 8 對合麵加工現（xiàn）場試驗
 
     6 、結束語
 
     筆者提出了一種滿足飛機對（duì）合（hé）麵（miàn）加工的實時檢測方法。根據對合麵的加工特點，對對合麵的精（jīng）加工係統實現數字化加工， 通過（guò）激（jī）光輪廓掃描儀確定（dìng）對合麵的加（jiā）工餘量，采用精銑平麵和鑽、擴、鉸孔的孔（kǒng）加工方法（fǎ），並通過對合麵試切加工試驗， 對加工（gōng）方法的可行性進行了驗證，實（shí）驗結果滿足對合麵（miàn）加工公差要求。