摘要：MBD技术在我国军民机生产中普遍应用，现代飞机生产方式发生翻天覆地的变化，从模拟量传递已经转化为数字量传递，数字化加工使产品质量和精度愈来愈高。传统的测量技术已难以满足飞机零件快速、高效、高精度检测要求。当前基于三维模型的数字化检测技术应用已成为打通飞机复杂零件与大尺寸零部件数字化设计、制造、检测一体化流程，提升检测效率与水平的关键环节。本文通过对钣金大尺寸平面零件的非接触快速检测分析，得到对此类零件检测的正确方法，为后续的检测规划、检测数据比对处理以及质量控制提供了相关指导。
关键词：非接触快速检测；测量技术；数字化；大尺寸平面零件
1 引言
随着飞机数字化设计与制造技术的发展，国内飞机制造企业在飞机研制生产中越来越多的应用三坐标测量机，激光跟踪仪等测量设备和测量技术，在产品质量控制方面发挥了重要作用。但是目前对于钣金零件、复合材料等非金属零件的外形检查，仍在大量使用样板、模胎、专用检验工装及卡尺、塞尺等，对测量者技术要求度高，测量方法变化后测量结果各异，重复测量后结果差异较大，依靠人手工记录，测量数据无法及时传递并对数据进行管理，测量过程中必须接触零件表面，可能对零件表面造成损伤，测量过程中对不规则表面受检测量具的外形影响，有时难以测量。因此需要开展非接触测量技术应用研究，提升飞机装配检验技术水平，改变传统手工测量落后局面。
2 正文
“非接触快速检测”顾名思义就是不运用接触方式来实现相关物理量和其他待计量检测量的测量和检测，综合运用计算机技术的快速计算能力及光学、声学、射线等相关学科，实现快速非接触离线或在线检测计量。采购检验站目前用于零件检测的Laser QC 2D 激光扫描仪就属于此类设备系统。
随着飞机设计、生产全面数字化进程的逐渐深入，数字化加工使产品质量和精度愈来愈高，数字化加工带来的优势已被各企业认可，“中国制造2025”和“工业4.0”以及“智能制造”将成为行业标准。钣金大尺寸平面零件的非接触快速检测方案，不但可以解决采购检验站目前面临现场快速检测问题，同时在也为工艺、制造部门及时反馈加工过程的数据信息，实现数控加工过程中的质量监控。
2.1采购检验站零件检测现状
采购检验站所服务的采购管理部物料配送室，其主要承担着军民机及国际合作项目的毛料、协作件和直交零件的生产，其数字化加工、套裁排样技术应用等方面已处于国内行业较领先地位。引进的激光扫描仪，主要用于对飞机钣金下料零件及平面零件检测及逆向测量技术，从而开启了数字化设计，数字化加工，数字化检测全面数字化覆盖。
在飞机研制过程中，由于采购检验站验收的零件数量、品种多，近年来，虽然数字化检测的的比例不断增加，但仍然有部分零件由于设备原因，制造指令选择加工和检验依据为展开样板，检验工的工作量急剧增加，尤其在飞机大尺寸平面零件工作效率和正确性得不到提高，亟待提高激光扫描仪在检验验收中的应用范围、提高检测精度、深化检验技术的研究。同时，通过研究并在激光扫描仪的随机软件上建立与零件相对应的CAD模型（ICS格式检验模型），并在模型上注明各个尺寸的公差要求，不但能够加快检验速度，而且可以大大提高检验精度、缩短零件制造周期，从而降低制造成本、提高零件质量。真正实现飞机零件生产、检验全面数字化。
2.2设备介绍
现使用的激光扫描仪型号为：QCEXPECT；工作行程：X≥2400mm，Y≥1200mm；测量精度：X、Y≤0.05mm；最大扫描厚度：15mm；操作环境：10～38℃；电源：220v±10% 50HZ±1% 三相五线；相对湿度：<85%。
激光扫描仪系统采用对眼睛安全的class2M级激光扫描装置。该装置安装在扫描台面上方，通过安装的扫描软件，控制激光束对需要进行检测的零件进行快速准确的扫描，快速地获取检测零件表面的实测点和几何特征，与检测数据模型进行二维对比分析。扫描形成的图像直接显示在电脑显示屏上，其结果可以用作后续的多种数据处理分析。
激光扫描仪软件可以将扫描所的图像与CAD标准参考图像进行叠加对比，任何规格尺寸上的偏差，都会在图像中用不同的色彩来显示，这样使零件的尺寸偏差一目了然。扫描完成，激光扫描仪系统就会将测量坐标值储存起来并转换为矢量格式文件，这种格式文件可以立即和现有的CAD数据模型进行比对，使操作人员可以即刻获得检测报告，进行公差统计分析，或生成各种检测报告和彩色偏差图像。
2.3大尺寸平面零件的非接触快速检测方案
从设备参数我们可以看出，设备最大工作台面2400X1200，对于超过该范围的零件无法测量。虽然设备说明书中，对于尺寸超出上述规格的零件，系统还可以对其进行多次扫描之后，通过迭加达到检测要求，但在实际测量中我们发现，多次拼接迭加所产生的误差要远大于拼接次数少的误差，也就是说，拼接次数越多产生的误差越大。拼接产生的误差过大直接会影响到零件与数模轮廓尺寸不符，导致产品出现质量问题。
针对上述问题，我们提出了“相对位置特征点测量法”和“仿形拓扑测量法”分别验证大尺寸平面零件在激光扫描仪系统快速检测的可能性。
2.3.1相对位置特征点测量法
根据测量对象为钣金平板件外形的特点，分析图形构成的要素逻辑关系“点\线\外形”，推理出外形超差也就是点超差，取大型零件长边为基础边（测量基准），在此边的尺寸2400mm或1200mm（扫描仪最大测量范围）的选一个点做为相对原点B（x1，y1），扫描仪刻度尺X和Y方向交点为绝对原点A（0，0）。以B点为原点构建的X，Y新测量坐标系，零件特征点C点（尖点、拐点、切点）C点（△x，△y），间接得出C点的绝对坐标系位置C点（x1+△x，y1+△y），此方法关键在选取零件合适相对原点和特征点。
2.3.2仿形拓扑测量法
仿形拓扑测量法原理：将零件外形理解为连续点运动轨迹的集合，将零件放在某种介质（要求低熔点、不透明、不易变形、厚度薄、不易起褶皱、硬度低、抗弯抗扭强度低）上，用合适的工具（切刀、刻针、高温激光）沿零件外形线或切或刻或“烧”做出“仿零件”，用扫描仪测量生成autucad类数据与标准autocad数据）比对即可。测量大型零件是选择合理框位分解外形，采用局部仿形生成局部“小仿零件”，测量生成“类局部数据”，只是不检测非零件边缘的部分。要点为合理分解大尺寸标准零件外形数据为若干个“小数据外形”，最后用扫描仪比对“类局部数据”和“小数据外形”，机器生成检测报告，得出外形是否合格的结论。
经分析论证及实践，由于仿形拓扑测量法中的拓扑介质短时期没有合适资源，我们选取了相对位置特征点测量法，利用磁条将零件划分为相对的几个区域。对于铁基零件，磁条可直接吸附在零件上，测量时移动零件不会引起磁条窜动；但由于我们验收的零件大部分为铝合金零件，磁条在测量时容易攒动，因此我们采用双面胶带固定磁条在零件上。
利用相对位置特征点测量时，我们首先讲一个磁条作为绝对原点，然后再利用其余磁条分区域扫描测量，形成多个扫描结果图像。将多个扫描结果利用磁条位置合并成整个零件扫描图像。合并完成后，我们通过激光扫描仪系统软件就会将测量坐标值储存起来并转换为矢量格式文件，这种格式文件可以立即和现有的检验数据模型进行比对，使操作人员可以即刻获得检测报告，进行公差统计分析，获生成各种检测报告和彩色偏差图像。在实际测量当中发现，相对位置不能选取过多，过多容易引起合并扫描结果图像时误差加大。在实际操作中还发现，相邻两磁条，如果选择距离较相近的，会导致系统对两磁条位置的混乱，以致拼接图形时拼接失败。下图是用于实验验证的零件16S53672406-253。
16S53672406-253零件图
16S53672406-253零件尺寸２６１１Ｘ９１５，零件尺寸超出设备检测台面，常规无法扫描检测，以往只能通过展开样板检验，这种检验的结果是基于模拟量的合格与不合格，难以精确的描述零件状态，更无法将实物的真实状态反映到产品模型上，形成设计-制造-检测的封闭环节，造成零件精度较低，对飞机的气动外形产生不利影响。
该零件检测时，我们采用了二次扫描合并，快速获取零件数据，通过扫描合并成的测量数据，结合软件给出色差图的不同颜色，检验人员可以轻松、直观、准确地分析出零件的內形外形，相对传统展开样板检测，省时省力，量值传递精度高，检测工作高效。
3 结论
通过对现有激光扫描仪检测方法的研究，解决了了大尺寸平面零件在激光扫描仪检测的问题，对激光扫描这种非接触式检测方法有了进一步认识，相对传统检测方法，激光扫描数据获取速度快，省时性强；数据量大，能够详细描述零件的细节特征；数字化程度高，信息传递、加工、表达容易；操作方便，扫描时软件控制，无需人工干预。
4 结束语
快速检测技术应用规范是对飞机数字化过程中相关技术的高度总结，包括非接触快速检测、接触式快速检测等，是将理论、基础技术研究转换为生产应用的桥梁，是飞机制造企业进行数字化检测实施的指导原则。目前，公司计量部门对本部门所管辖的检测检验设备有各类详细规范，但对基层部门使用的检测设备，计量部门应指导编制相关技术应用规范，如数字化检测工艺规范、检测数据分析与处理技术规范、数字化检测作业流程等。
参考文献：
[1]MIFFY.三维激光扫描测量技术.《工具展望》，2015（3）：26～27
[2]冯子明 基于三维模型的飞机数字化快速检测技术研究《航空制造技术》 2011年
[3]《Laser QC 2D激光扫描仪使用说明书》 2001年
论文作者:昝鸿
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/22
标签：零件论文; 测量论文; 扫描仪论文; 激光论文; 快速论文; 尺寸论文; 磁条论文; 《基层建设》2019年第13期论文;