三维扫描在直升机同轴度检测与调整中的应用
时间：2023-04-25 16:25:05 来源：千叶帆 本文已影响人
贾永康，陈 晋，李奕锋
（成都国营锦江机器厂，四川 成都 610043）
近年来，着眼备战形势需要，部队飞行训练逐渐增加，越来越贴近实战，各型直升机面临非正常损伤的概率增加，传统修理方法已无法满足新形势下直升机基地级修理的需求。在未来很长一段时间内，如何对非正常受损的直升机进行修理，满足非正常损伤直升机抢修保障需求，恢复装备性能，挖掘装备战斗力，将成为基地级修理共同关注的重点。
尾传动轴同轴度检测是直升机维修必须进行的一项工作，直接关系到直升机振动水平及飞行安全。目前一般采用百分表检测法、光学检测法，这些方法简单方便，操作性强，但测量取点范围小，无法直接测量尾传动轴整体同轴度情况，随机误差大。
尾传动轴同轴度检测发现同轴度超差后，需进行调整，使其恢复到出厂性能状态。传统维护、修理时一般通过调整尾传动轴支座位置或调整中减速器支座处垫片厚度的方法进行调整，该方法具有局限性，无法适用于非正常受损直升机修理。三维激光扫描技术的出现，则为解决该课题提供了一条很好的途径。
三维激光扫描技术是20世纪90年代中期出现的一项新技术，又称“实景复制技术”[1-3]，目前在国内外发展迅猛，被喻为测量技术的一次“工业革命”。三维激光扫描技术主要应用于物体外壳扫描，能够快速计算出工件表面标志点的精确三维空间坐标，形成一个全局坐标系统后可与CAD模型进行误差比对，实现大型工件快速三维检测。与传统测量方法相比，其具有精度高、速度快、逼近原型等特点，可以真正做到直接从实物中进行快速逆向三维数据采集及模型重构，无需进行任何实物表面处理，其点云中的每个三维数据都是直接采集目标的真实数据，使得后期处理的数据完全真实可靠。近年来，三维激光扫描技术应用已从汽车领域逐渐渗透到航空领域，在航空设计、制造方面均有大量应用实例，并取得较好效果。本文以加拿大生产的handyscan 700 系列手持式自定位扫描仪（如图1）为对象，尝试通过利用三维激光扫描技术检测非正常损伤的直升机技术状态，以期为非正常损伤直升机尾传动轴同轴度检测与调整提供新的方法和思路。
图1 handyscan 700 系列手持式自定位扫描仪
三维扫描系统是集光、机、电、计算机技术为一体的新型扫描系统，它主要用于空间物体外形、结构及色彩的扫描，将物体立体信息变换为可以利用计算机直接进行处理的信号，获得物体空间表面坐标，实现物体的三维扫描[4]。整个三维激光扫描测量系统主要由激光扫描仪、数码相机、一字标杆、十字标杆、后处理软件、电源系统及附属设备组成。三维激光扫描技术的测量原理是由激光脉冲二极管发射的激光脉冲，经过旋转棱镜，射向目标，探测区通过接收并记录反射回来的激光脉冲信号来捕获数据，最后经过软件处理后建模输出。激光扫描的过程，实际上就是一个不断地进行数据采集和处理的过程。通过具有一定分辨率的点与激光扫描设备构成一个坐标系。通过激光扫描测量系统的测角和测距从而计算出测点的三维坐标（xP，yP，zP）,如图2所示，其中P点为地面扫描点，地面三维扫描测量系统通过数据采集获得距离观测值S，精密时钟控制编码器同步实时测量出每个激光脉冲的横向扫描角度观测值α和纵向扫描观测值θ。扫描测量系统在内部坐标系内计算出P点的三维坐标[5]。
图2 三维激光扫描技术测量三维坐标
2.1 百分表检测法
直升机尾传动轴分段布置，各段传动轴之间靠联轴节连接以补偿尾传动轴旋转时的长度变化和角度变化，从而满足同轴度要求，若尾传动轴各段之间的同轴度超过一定限制，会使直升机振动加大，传动轴承受应力增大，影响飞行的安全性。百分表检测主要是靠测量膜片联轴节的角度偏差β是否在限度之内来判断同轴度是否合格，如图3所示。
图3 百分表检测尾传动轴联轴节角度偏差原理图
2.2 光学检测法
光学检测法主要是在传动轴拆卸的情况下，用靶标代替传动轴，利用准直望远镜或观测瞄准具进行测量，如图4所示。
图4 光学检测尾传动轴联轴节角度偏差原理图
检测时，先将准直望远镜用夹具固定在中减速器处，通过调整望远镜夹具高度，使得望远镜“十字线交点”与装于主减速器输出法兰盘的靶标靶心对齐，然后依次将尾轴轴承座靶标装于各个轴承座，检测靶心是否与望远镜“十字线交点”对齐。
2.3 三维激光扫描检测尾传动轴同轴度方法
2.3.1 设备组成
设备主要由摄影测量系统、手持式激光扫描仪、检测软件组成。
2.3.2 检测方法
使用摄影测量系统对传动轴上的所有点拍照，获取整个传动轴点云。
利用手持式激光扫描仪传动轴进行面数据扫描，完成当前状态的扫描后，将传动轴旋转约90度再进行第二次面数据扫描。
最后分别将两次扫描的面数据导出为stl（网格面数据格式，通用型格式）格式文件，导入检测软件。
检测流程详见图5。
图5 三维扫描检测传动轴同轴度流程
根据三种直升机尾传动轴检测方法的原理分析和技术特点，可以总结出各自的优缺点及发展趋势，如表1所示。
表1 三种尾传动轴检测方法的优缺点对比
3.1 正常直升机同轴度调整
采用以上检测方法检测正常直升机同轴度超差后，一般通过调整尾传动轴支座位置或调整中减速器支座处垫片厚度的方法可将同轴度调至目标值。
3.2 非正常损伤直升机同轴度调整
非正常损伤直升机由于做机动飞行或非正常着陆等造成尾梁、尾斜梁结构变形，严重偏离直升机出厂状态。检测到直升机同轴度超差后，通过调整尾传动轴支座位置或调整中减速器支座处垫片厚度等传统方法已无法将同轴度调至目标值。而三维扫描技术可通过对变形情况进行检测，检测评估后对机体机构进行修复，并增加调整点对中机身-尾梁、尾梁-尾斜梁相对位置进行调整后，结合传统方法可使尾传动轴同轴度恢复至出厂水平。
3.2.1 中机身-尾梁相对位置调整
中机身-尾梁相对位置变化主要是尾梁变形导致，并间接导致尾传动轴同轴度超差故障，理论上可在中机身与尾梁对接的地方加装楔形垫片进行补偿（如图6），但是由于尾梁变形量无法确认，无法精确计算加装的楔形垫片厚度，需反复尝试，因此，中机身与尾梁需多次拆卸。按照技术规定，拆卸达到规定的三次就需更换整套对接螺栓，造成人力和航材浪费。利用三维扫描技术，可解决该问题，具体作业流程如下所示。
图6 中机身与尾梁对接框处安装楔形垫片示意图
① 将该系统附带的一字标杆、十字标杆和标识点贴在所测部位的表面，调整相机的光圈和焦距，对所测部位进行拍照。
② 将拍摄的照片导入三维计算软件(比如3D-Metric）中进行运算，获取整个测量区域的空间点分布。
③ 将获取的空间点分布数据导入三维测绘软件(比如VXelements），调节三维激光扫描仪的快门、分辨率、激光束类型等参数，以获取的空间点分布为基础，对尾梁外形进行测绘，获取三维模型并与理论模型进行比对，得出具体变形部位、变形量。
④ 对变形部位进行矫正、修理，通过变形量计算中机身与尾梁对接地方的楔形垫片厚度。
3.2.2 尾梁-尾斜梁相对位置调整
尾梁-尾斜梁相对位置变化主要体现为尾梁-尾斜梁对接处夹角尺寸超差。由于尾梁平面与尾斜梁平面属于未发生相交的空间面，制造出厂前，通过制作专用大型工装夹具保证该夹角达到规定值144°(如图7），制造出厂后尾梁平面与尾斜梁平面均加装了钣金结构、导管、铆钉等，因此在直升机修理时工装夹具已无法进行测量，给该夹角恢复调整带来困难。而采用三维扫描技术可避免钣金结构、导管、铆钉等的影响，可直接扫描该夹角模型，将模型导入CATIA软件，根据模型特征提取尾梁、尾斜梁平面后，直接读取夹角值，可精确到0.01°。根据测量的夹角值，调整尾梁-尾斜梁处连接接头，使该尾梁-尾斜梁夹角恢复至规定值144°。
图7 尾梁与斜梁的夹角示意图
基于三维扫描技术的直升机尾传动轴同轴度检测方法无需配套任何夹具，测量精度高，能直观反映整段尾传动轴偏差的真实情况，为尾传动轴同轴度检测提供一种新的思路和方法。
利用三维扫描技术可实现直升机中机身-尾梁、尾梁-尾斜梁相对位置调整，对非正常受损的直升机修理具有重要意义。目前，基于三维扫描技术对直升机尾传动轴同轴度检测与调整的方法，已在某非正常受损国产运输直升机特殊修理时进行运用，经试飞验证，传动轴同轴度及振动数据均符合技术要求，直升机修复后使用良好，振动水平低，效果显著。
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