一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，該孔位修正方法根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)和骨架理論模型計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，并用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量對(duì)骨架上的理論孔位進(jìn)行修正得到修正孔位，再確定各個(gè)修正孔位的邊界線，并以修正孔位中心到邊界線的距離作為修正后的制孔邊距。該方法解決了封閉結(jié)構(gòu)邊距難測(cè)的問(wèn)題，且整個(gè)過(guò)程基于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，無(wú)需人工測(cè)量，簡(jiǎn)化了工藝流程，且消除了現(xiàn)有方法中對(duì)合后再依據(jù)人工修正時(shí)存在的孔位不準(zhǔn)確的問(wèn)題，保證自動(dòng)化制孔的精度，且確定制孔邊距前首先對(duì)孔位進(jìn)行修正，獲取修正孔位，消除了由于變形、定位、協(xié)調(diào)所引起的孔位不準(zhǔn)確，保證自動(dòng)化制孔的精度。
【專利說(shuō)明】一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛機(jī)制造領(lǐng)域，尤其涉及一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在飛機(jī)制造領(lǐng)域，飛機(jī)部件與部件的連接是裝配的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在很大程度上決定了飛機(jī)的最終質(zhì)量、制造成本和交貨周期，是整個(gè)飛機(jī)制造過(guò)程中的關(guān)鍵和核心技術(shù)。大型飛機(jī)一般由多個(gè)機(jī)身段對(duì)接裝配而成，而各個(gè)機(jī)身段又由若干壁板組裝拼接而成。壁板作為現(xiàn)代大型飛機(jī)的重要組件之一，既是構(gòu)成飛機(jī)氣動(dòng)外形的重要組成部分，同時(shí)也是機(jī)身、機(jī)翼等的主要承力構(gòu)件。
[0003]如圖1所示，飛機(jī)機(jī)翼只有上壁板1、骨架2和下壁板4，裝配時(shí)將下壁板側(cè)墻5抵接至上壁板上，骨架2上設(shè)有若干個(gè)孔位，按照各個(gè)孔位的孔軸線3制孔并通過(guò)以鉚接為主的手段完成壁板與壁板、壁板骨架的連接，是飛機(jī)裝配中極為重要的環(huán)節(jié)。因此在飛機(jī)部件設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)需要以及制孔工藝，在骨架上設(shè)計(jì)有若干個(gè)理論孔位，在裝配是根據(jù)設(shè)定的理論孔位進(jìn)行鉆孔，并通過(guò)鉚接為主的手段將上下壁板固定至相應(yīng)位置，從而得到完成固定。
[0004]然而在機(jī)翼裝配過(guò)程中，由于零件特性和裝配方式往往造成其自身剛度、強(qiáng)度相對(duì)不足，從而 引起機(jī)翼骨架、壁板的變形。由于變形誤差、定位誤差及裝配誤差的積累，導(dǎo)致骨架、壁板上的實(shí)際孔位偏離了理論設(shè)計(jì)位置，如果還是按照理論位置制孔，會(huì)導(dǎo)致制孔位置不準(zhǔn)，不符合制孔的工藝要求，嚴(yán)重的破壞飛機(jī)結(jié)構(gòu)導(dǎo)致廢件的產(chǎn)生。
[0005]傳統(tǒng)的方法是靠工人劃線來(lái)保證孔間距和孔邊距，或者通過(guò)機(jī)器人先描點(diǎn)再人工測(cè)量孔位是否符合要求，這樣的工藝方法一是導(dǎo)致制孔精度不高、制孔效率低；二是對(duì)于封閉結(jié)構(gòu)無(wú)法測(cè)量，在壁板與骨架對(duì)合以后，無(wú)法測(cè)量壁板孔位與骨架邊緣的距離。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法。
[0007]—種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，所述的骨架上設(shè)有若干個(gè)孔位，所述的孔位修正方法包括:
[0008]( I)按照設(shè)定的掃描路徑對(duì)骨架進(jìn)行掃描，獲取骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)；
[0009](2)根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)和骨架理論模型，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量；
[0010](3)用所述的轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量分別對(duì)骨架上的各個(gè)孔位進(jìn)行修正，得到相應(yīng)的修正孔位，并根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定各個(gè)修正孔位對(duì)應(yīng)的邊界點(diǎn)集，對(duì)相應(yīng)的邊界點(diǎn)集中進(jìn)行擬合，得到該修正孔位對(duì)應(yīng)的邊界線；
[0011](4)針對(duì)每個(gè)修正孔位，計(jì)算修正孔位中心到對(duì)應(yīng)的邊界線的距離dl:
[0012]若dl小于理論制孔邊距L，則將修正孔位向遠(yuǎn)離邊界線的方向移動(dòng)L-dl的距離，并以移動(dòng)后的修正孔位作為實(shí)際孔，[0013]若dl大于或等于理論制孔邊距L，則以修正孔位作為實(shí)際孔位。
[0014]對(duì)相應(yīng)的邊界點(diǎn)集中進(jìn)行擬合具體如下:利用提取出的各個(gè)修正孔位的邊界點(diǎn)集，擬合出該邊界的空間直線，即將邊界點(diǎn)集中的各個(gè)邊界特征點(diǎn)的坐標(biāo)代入空間直線表達(dá)式:AX+BY+CZ+D=0，采用最小二乘法優(yōu)化求解出待定參數(shù)A，B, C，D，然后將解出待定參數(shù)A, B, C，D代入空間直線表達(dá)式即得到該修正孔位對(duì)應(yīng)的邊界線。
[0015]一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法中在裝配前獲得骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)和骨架理論模型計(jì)算旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量，并用旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量對(duì)骨架上的理論孔位進(jìn)行修正得到修正孔位，再確定各個(gè)修正孔位的邊界線，并以修正孔位中心到邊界線的距離作為修正后的制孔邊距。該方法只需獲取骨架掃描的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)，該點(diǎn)云數(shù)據(jù)很容易獲取，多采用激光掃描獲取，不需要將機(jī)翼壁板和骨架對(duì)合，就可獲取制孔邊界，解 決了封閉結(jié)構(gòu)邊距難測(cè)的問(wèn)題，且整個(gè)過(guò)程基于數(shù)字化實(shí)現(xiàn)，無(wú)需人工測(cè)量，簡(jiǎn)化了工藝流程，且大大消除了現(xiàn)有的方法中對(duì)合后再依據(jù)人工修正時(shí)存在的不準(zhǔn)確的問(wèn)題，保證自動(dòng)化制孔的精度。該方法中在確定制孔邊距前首先對(duì)孔位進(jìn)行修正，得到實(shí)際孔位，消除了由于變形、定位、協(xié)調(diào)所引起的孔位不準(zhǔn)確，保證自動(dòng)化制孔的精度；無(wú)需人工測(cè)量，簡(jiǎn)化了工藝流程。
[0016]所述步驟(2)中對(duì)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)與骨架理論數(shù)模進(jìn)行點(diǎn)匹配計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。通過(guò)點(diǎn)匹配計(jì)算骨架實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)與理論數(shù)模對(duì)齊的旋轉(zhuǎn)矩陣，平移向量，簡(jiǎn)單易行，且不需要其他數(shù)據(jù)。
[0017]所述步驟(3)中根據(jù)公式:
[0018]Pi，=R*Pi+T，
[0019]計(jì)算骨架理論數(shù)模中的第i個(gè)理論孔位Pi的修正孔位Pi’，i=l, 2……η，η為骨架上理論孔位的個(gè)數(shù)，R為轉(zhuǎn)換矩陣，T為平移向量。η根據(jù)實(shí)際情況確定。
[0020]所述步驟(3)中針對(duì)任意一個(gè)修正孔位，通過(guò)以下步驟確定邊界特征點(diǎn):
[0021](3-1)確定當(dāng)前修正孔位的長(zhǎng)方體包圍區(qū)域；
[0022](3-2)對(duì)于任意長(zhǎng)方體包圍區(qū)域中的任意一個(gè)點(diǎn)P，以滿足以下條件的點(diǎn)Q的集合作為點(diǎn)P的ε體鄰域:
[0023]{Q (xQ, yQ, zQ) e Ω I I xQ_xp | ( ε，| yQ-yP | ( ε，| zQ_zP | ε }，
[0024]其中，ε為閾值，Ω為長(zhǎng)方體包圍區(qū)域(xQ，yQ，zQ)為點(diǎn)Q的坐標(biāo)，(xP, yP, zP)為點(diǎn)P的坐標(biāo)；
[0025](3-3)根據(jù)點(diǎn)P的ε體鄰域中的點(diǎn)的分布情況判斷點(diǎn)P是否為當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn):
[0026]若ε體鄰域中的點(diǎn)分布均勻，則判斷點(diǎn)P不是當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn)，
[0027]否則，判斷點(diǎn)P是當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn)。
[0028]本發(fā)明中所有點(diǎn)的坐標(biāo)均從掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中獲取。其中步驟(3-2)中通過(guò)以下方法確定ε體鄰域:
[0029]以長(zhǎng)方體包圍區(qū)域中的任意一個(gè)點(diǎn)P，以點(diǎn)P為中心，沿3個(gè)坐標(biāo)軸的正負(fù)方向分別上擴(kuò)展ε，形成的區(qū)域即為點(diǎn)P的ε體鄰域。
[0030]所述的長(zhǎng)方體包圍區(qū)域的長(zhǎng)和寬為理論制孔邊距的1.5~2倍。長(zhǎng)方體包圍區(qū)域根據(jù)理論數(shù)模的信息及制孔工藝，通常由于掃描時(shí)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)是面上的點(diǎn)，因此實(shí)際上設(shè)定的長(zhǎng)方體包圍區(qū)域?qū)嶋H上為矩形包圍區(qū)域，高度(垂直與骨架表面方向)通常為O。一般為同時(shí)保證制孔邊距修正的準(zhǔn)確性和修正效率，通常設(shè)定長(zhǎng)和寬相等，且稍大于理論制孔邊距。
[0031]ε為掃描密度的5~8倍。通過(guò)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和掃描儀的精度設(shè)置。
[0032]所述步驟(3-3)如下:
[0033](3-31)點(diǎn)Qj為點(diǎn)P的ε體鄰域中的第j個(gè)點(diǎn)，j=0，I,…，m, m為點(diǎn)P的ε體鄰域中的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，為對(duì)向量進(jìn)行歸一化處理得到向量
[0034](3-32)根據(jù)公式:
[0035]
【權(quán)利要求】
1.一種基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，所述的骨架上設(shè)有若干個(gè)理論孔位，其特征在于，所述的孔位修正方法包括: (1)按照設(shè)定的掃描路徑對(duì)骨架進(jìn)行掃描，獲取骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)； (2)根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)和骨架理論模型，計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量； (3)用所述的轉(zhuǎn)換矩陣和平移向量分別對(duì)骨架上的各個(gè)孔位進(jìn)行修正，得到相應(yīng)的修正孔位，并根據(jù)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)確定各個(gè)修正孔位對(duì)應(yīng)的邊界點(diǎn)集，對(duì)相應(yīng)的邊界點(diǎn)集中進(jìn)行擬合，得到該修正孔位對(duì)應(yīng)的邊界線； (4)針對(duì)每個(gè)修正孔位，計(jì)算修正孔位中心到對(duì)應(yīng)的邊界線的距離dl: 若dl小于理論制孔邊距L，則將修正孔位向遠(yuǎn)離邊界線的方向移動(dòng)L-dl的距離，并以移動(dòng)后的修正孔位作為實(shí)際孔， 若dl大于或等于理論制孔邊距L，則以修正孔位作為實(shí)際孔位。
2.如權(quán)利要求1所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，所述步驟(2)中對(duì)骨架的實(shí)際點(diǎn)云數(shù)據(jù)與骨架理論數(shù)模進(jìn)行點(diǎn)匹配計(jì)算得到旋轉(zhuǎn)矩陣和平移向量。
3.如權(quán)利要求2所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，所述步驟(3)中根據(jù)公式:
Pi’ =R*Pi+T， 計(jì)算骨架理論數(shù)模中的第i個(gè)理論孔位Pi的修正孔位Pi’，i=l, 2……η，η為骨架上理論孔位的個(gè)數(shù)，R為轉(zhuǎn)換矩陣，T為平移向量。
4.如權(quán)利要求3所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，所述步驟(3)中針對(duì)任意一個(gè)修正孔位，通過(guò)以下步驟確定邊界特征點(diǎn): (3-1)確定當(dāng)前修正孔位的長(zhǎng)方體包圍區(qū)域； (3-2)對(duì)于任意長(zhǎng)方體包圍區(qū)域中的任意一個(gè)點(diǎn)P，以滿足以下條件的點(diǎn)Q的集合作為點(diǎn)P的ε體鄰域:
{Q (xQ, yQ, zQ) e Ω 11 Xq-Xp I ≤ ε，I yQ-yP I≤ ε，I zQ-zP I ≤ ε}， 其中，ε為閾值，Ω為長(zhǎng)方體包圍區(qū)域，(xQ, yQ, zQ)為點(diǎn)Q的坐標(biāo)，(xP, yP, zP)為點(diǎn)P的坐標(biāo)； (3-3)根據(jù)點(diǎn)P的ε體鄰域中的點(diǎn)的分布情況判斷點(diǎn)P是否為當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn): 若ε體鄰域中的點(diǎn)分布均勻,則判斷點(diǎn)P不是當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn)， 否則，判斷點(diǎn)P是當(dāng)前修正孔位的邊界特征點(diǎn)。
5.如權(quán)利要求4所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，所述的長(zhǎng)方體包圍區(qū)域的長(zhǎng)和寬為理論制孔邊距的1.5~2倍。
6.如權(quán)利要求5所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法,其特征在于，ε為掃描密度的5~8倍。
7.如權(quán)利要求6所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，所述步驟(3-3)如下: (3-31)點(diǎn)為點(diǎn)P的ε體鄰域中的第j個(gè)點(diǎn)，j=0，1,…，m, m為點(diǎn)P的ε體鄰域中的點(diǎn)的個(gè)數(shù)，為對(duì)向量PQj進(jìn)行歸一化處理得到向量PQj；(3-32)根據(jù)公式:
8.如權(quán)利要求7所述的基于骨架掃描測(cè)量的孔位修正方法，其特征在于，μ為0.3~.0.5。
【文檔編號(hào)】B64F5/00GK103895877SQ201410118224
【公開(kāi)日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】王青, 李江雄, 柯映林 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)