李睿
中航西安飞机工业集团股份有限公司 陕西省西安市 710089
摘要：一般在设计大型壁板的简易固持装置时，可考虑通过壁板自重进行吸盘装置高度的调节，使各真空吸盘均与壁板充分接触。固持装置中调节弹簧自动调整高度以适应工件的型面形状，当壁板较轻时可进行外部加载；固持装置可增减吸盘装置的数量，用于固持不同大小、不同形状的壁板曲面，有很好的通用性和柔性。本章讨论了如何根据实际测量的数据来优化复合材料壁板中所涉及到的主要关键技术，以及基于实测数据分析如何优化壁板固持位置和力大小。
关键词：实测模型；点云数据；有限元模型；壁板优化
前言
基于实测模型的虚拟装配和容差分配技术是通过测量机得到真实模型的点云数据，并通过与实测模型的比对，得到偏差信息。为了实现通过在计算机中搭建的虚拟装配系统得到最优的安装容差，通过将得到的安装位置信息输送到数控设备中达到自动加工的目的，需要对搭建的系统做一些技术支持。
1 数字化测量技术
飞机、船舶制造中使用的数字化测量系统有：数控坐标测量仪，电子经纬仪测量系统，光学准直仪系统，激光自动跟踪仪系统，激光扫描仪，三坐标激光测量仪，数字子照相测量系统以及室内 GPS系统。他们在飞架装配线中主要用来测量各个部件的实际相对尺寸，检测装配质量，是飞机数字化装配系统的重要组成部分。与传统三坐标测量机测量方式相比，数字化测量技术具有非接触，速度快，便携性好以及测量范围大等特点。目前，应用最广泛的是激光跟踪定位测量系统，以其具有的实时扫描、极高的测量的精度和效率，而受到用户的青睐。计算机数字控制技术是飞机、船舶实现数字化肉性装配的基础，他将完成部件装配过程中所需的各种运动部件的精确定位和钻孔、铆接、焊接、紧固，实现工装系统对部件的可靠固定，保证飞机装配外形与数字化样机的一致性。
2.点云模型处理技术
2.1 点云数据
点云数据是空间坐标点的集合，测量系，通过测量被测零件的表面点相对自身坐标系的相对位置，组成实际模型。
2.2测量数据精简
某型号关节臂式三坐标测量仪是具有多关节的位置测量仪，通过测量点的位置坐标而将这些点组成点云来组成实际模型的真实结构。具有精度高，使用方便的特点。在对舱段的测量过程中由于舱段结构尺寸相对较大，测量的点云的数据量就很大，处理这些数据需要合适的高效率的算法来完成。
2.3 点云去噪
从测量学角度来看，非接触式测量真正实现了无力矩测量，保证了数据的足够的准确性，并且对于软质、超薄构件的测量带来了很大的好处。但是，测量的数据具有数据量大，冗余多，噪声点多等特点，测量时引起的噪声点对舱段按模型的信息提取有较大的影响，个别点偏差过大会造成面拟合误差急剧增大，不能正确的反应真实的模型信息。需要模型数据中对其噪声点进行过滤，已经有很多的研究成果，针对这些问题，寻求解决舱段测量模型点云去噪的方法。一些人提出了一种针对无组织散乱点云的去噪处理方案，通过三维栅格阵列，对散乱的点进行空间栅格划分，运用最小二乘法确定栅格中散乱点的最佳逼近平面并将栅格内的散乱点向该坐标系进行坐标转换的方法获得散乱点的深度信息。通过密度的聚类算法将簇定义为密度项链的点的最大集合，将密度分布连续点进行聚类，提取出目标点云。
3 基于实测数据分析如何优化壁板固持位置
由于激光跟踪仪测量技术具有精度高、测量范围大、转站方便、操作简单等优点在国内外航空制造企业应用广泛。通过激光跟踪仪测量获得的实测数据受到测量环境测量方法的影响。为了提高测量精度考虑温度补偿和半径补偿。关键控制特性点的坐标信息是激光跟踪仪测量靶球获得的实际测量到的是靶球的球心坐标值因此需要在测量方向上补偿一个靶球半径长度。为方便半径补偿计算在装配坐标系中建立平行于装配坐标系的辅助计算坐标系如图1所示。
激光跟踪仪中心点为(x1、y1、z1)反射靶球点为(x2, y2, z2)靶球半径为r待测点的实际坐标为(x3, y3,z3)。通过几何关系,仰角α、偏转角β的三角函数表达式为：
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测量数据只包含点坐标及偏差数据缺少装配精度分析所需点的法向矢量信息无法满足预装配分析时对测量数据的属性要求。因此,有必要提取装配精度模型中点的法向矢量信息并与测量数据整合到一个测量文件中形成包含点名称、实测坐标值和点的法向矢量信息的数据文件。由于测量数据文件存在格式单一的缺陷，在多数情况下都满足不了装配精度分析数据的提取要求。所以需要提前确定数据结构，在预装配精度分析之前按照数据结构对测量数据进行格式转换。例如将数据整合后的csv格式文件转换为xml格式的数据文件。
4 优化设计的数学模型
结构优化设计中的数学模型是反映设计问题中主要因素间的联系，因此，从结构设计问题中抽象出正确的数学模型是结构优化设计的关键。
优化设计数学模型可分解为三要素：设计变量、目标函数和约束条件。
设计变量：优化设计过程中需要优先确定的设计参数，这类参数称为设计变量。
目标函数：也称为评价函数，是评价设计目标优劣的重要标志。
约束条件：在优化目标函数的同时，设计变量的取值还必须服从各种规律和限制，即构成了设计的约束条件。基本优化问题的数学描述：
5 壁板优化设计有限元模型
壁板蒙皮厚度为设计变量，以寻求壁板结构用料尽可能最省为目标，以中央翼上壁板的控制应力为约束条件，对中央翼上壁板有限元模型进行优化设置。利用全机有限元模型进行整体解求解计算，给出中央翼上壁板边界节点的位移。在有限元前后处理软件Msc.Patran中读入中央翼上壁板边界节点的位移，生成位移场，以此位移场作为中央翼上壁板优化模型的边界支持条件。
通过璧板局部模型进行优化分析，与初始设计相比中央翼上壁板减重约15%，优化后上壁板稳定性最小剩余强度为：η =3674.22/3672.13=1.0
结束语
尽管我国在数字化装配技术方面已经做了很多的研究和应用，我国的航天工业制造业的的技术水平从总体上看，仍然以传统的制造工艺为主，有的甚至还停留在手工生产的阶段，仍采用模线，手工钻孔，手工画线，简单的测量工具测量，等传统技术。相比航空技术，航天技术无法与国外进行技术交流，只能通过自主研发进行发展，技术发展的缓慢。
参考文献
[1]季红侠.基于激光跟踪仪的飞机翼身对接测量方法研究[J].南京航空航天大学, 2012.
[2]王恒生,程艳婷.复合材料在航天领域中的研究与应用进展[J].化工科技,2013,02：67-70.