飞机机翼装配中的扫描路径规划研究

摘要

数字化测量设备可精确检测飞机装配部件的外形和空间位姿，快速获取检测结果的分析报告，指导产品精准快速装配，大范围高精度的数字化测量是提高飞机产品装配效率和质量的关键。利用机床操作扫描仪，实现自动化扫描测量是飞机数字化装配的必然趋势。扫描路径规划是实现自动化扫描的关键步骤，合理的扫描路径能有效地提高扫描质量和效率。本文以某型飞机机翼自动化装配项目为依托，在分析扫描仪扫描约束及扫描对象几何特征的基础上，对扫描路径规划及其优化方法进行了研究。
　　介绍了自动化扫描测量系统的组成和工作原理，自动化扫描测量系统是飞机机翼装配系统中重要的一部分。硬件上，激光扫描仪安装在数控机床上，由数控机床驱动进行扫描。软件上，自动化扫描测量软件协调控制激光跟踪仪、激光扫描仪和机床运动，使扫描过程高效有序地进行。
　　分析了飞机机翼装配过程中骨架和壁板内侧的壁板墙、边缘、孔洞等分散几何特征的不同特点，结合激光扫描仪倾角、景深、景宽等扫描约束条件，提出了分对象总体最优法。为解决机翼骨架扫描顺序组合爆炸问题，采用蚁群算法优化扫描路径，减小了扫描空行程。
　　针对机翼壁板外侧的大尺寸连续曲面，采用行切法作为其扫描的总体策略。提出了一种基于曲面离散点的自动跟踪扫描及路径优化方法。该方法通过制孔离线编程软件对壁板蒙皮进行数字化离散得到样点，在分析传统直线式和梯形式跟踪法缺点的基础上，采用最小二乘法生成样点的跟踪路径。通过遗传算法对上述路径进行总体优化，优化的路径能有效地减小扫描路径总长度和扫描调姿次数，减少了扫描时间。
　　利用CATIA电子样机模块进行扫描过程仿真，验证了扫描路径的可行性及效率。结合六轴数控机床及扫描仪末端执行器的数模，建立了机床与扫描仪的坐标系，并完成了机床的运动学反解。通过制孔离线编程软件读取各运动轴的运动量驱动机床运动，提出了有效区域碰撞法和激光实线法，对运动干涉、扫描可行性等情况进行判断，仿真结果表明，本文前部分所规划的路径能有效地完成扫描。

目录

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致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 数字化测量技术在飞机装配中的应用

1．2．1 国外发展现状

1．2．2 国内发展现状

1．3 飞机机翼装配中的扫描测量技术

1．4 课题研究背景和意义

1．5 课题研究内容和总体框架

第二章 飞机机翼自动化扫描测量系统

2．1 引言

2．2 机翼自动化装配系统

2．3 自动化扫描测量系统

2．3．1 系统配置及工作原理

2．3．2 系统硬件集成

2．3．3 系统软件集成

2．4 自动化扫描测量工艺流程

2．4．1 扫描过程

2．4．2 自动化扫描测量软件与数控系统通讯

2．5 本章小结

第三章 机翼分散几何特征扫描路径规划

3．1 引言

3．2 机翼分散几何特征分析

3．3 孔洞及壁板边缘的扫描

3．3．1 扫描仪扫描约束分析

3．3．2 主环优先的边缘特征扫描

3．4 壁板内侧墙肋的扫描

3．5 机翼骨架的扫描

3．5．1 基于交叉正交路径法的骨架轮廓线扫描

3．5．2 基于蚁群算法的骨架上表面扫描路径优化

3．6 本章小结

第四章 机翼连续曲面扫描路径规划

4．1 引言

4．2 扫描路径规划的总体策略

4．3 壁板蒙皮的数字化离散

4．3．1 离散的理论分析

4．3．2 蒙皮离散样点信息的获取

4．4 自动跟踪路径的生成

4．4．1 自动跟踪测量方法的分析

4．4．2 基于最小二乘法的跟踪测量

4．5 基于遗传算法的总体扫描路径优化

4．5．1 遗传算法简述

4．5．2 总体扫描路径优化模型的建立

4．5．3 遗传算法求最优值

4．6 优化结果分析

4．7 本章小结

第五章 基于CATIA的扫描过程仿真

5．1 引言

5．2 仿真运动学分析

5．2．1 数控机床位姿描述

5．2．2 数控机床运动学方程

5．2．3 数控机床运动学反解

5．3 自动化扫描过程仿真

5．3．1 仿真模型的建立

5．3．2 基于离线编程系统的仿真

5．3．3 扫描路径有效性判断

5．4 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献