CN103895877A - 一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法，该孔位修正方法根据骨架的实际点云数据和骨架理论模型计算旋转矩阵和平移向量，并用旋转矩阵和平移向量对骨架上的理论孔位进行修正得到修正孔位，再确定各个修正孔位的边界线，并以修正孔位中心到边界线的距离作为修正后的制孔边距。该方法解决了封闭结构边距难测的问题，且整个过程基于数字化实现，无需人工测量，简化了工艺流程，且消除了现有方法中对合后再依据人工修正时存在的孔位不准确的问题，保证自动化制孔的精度，且确定制孔边距前首先对孔位进行修正，获取修正孔位，消除了由于变形、定位、协调所引起的孔位不准确，保证自动化制孔的精度。

Description

一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法

技术领域

本发明涉及一种飞机制造领域，尤其涉及一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法。

背景技术

在飞机制造领域，飞机部件与部件的连接是装配的一个重要环节，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和交货周期，是整个飞机制造过程中的关键和核心技术。大型飞机一般由多个机身段对接装配而成，而各个机身段又由若干壁板组装拼接而成。壁板作为现代大型飞机的重要组件之一，既是构成飞机气动外形的重要组成部分，同时也是机身、机翼等的主要承力构件。

如图1所示，飞机机翼只有上壁板1、骨架2和下壁板4，装配时将下壁板侧墙5抵接至上壁板上，骨架2上设有若干个孔位，按照各个孔位的孔轴线3制孔并通过以铆接为主的手段完成壁板与壁板、壁板骨架的连接，是飞机装配中极为重要的环节。因此在飞机部件设计时，首先根据需要以及制孔工艺，在骨架上设计有若干个理论孔位，在装配是根据设定的理论孔位进行钻孔，并通过铆接为主的手段将上下壁板固定至相应位置，从而得到完成固定。

然而在机翼装配过程中，由于零件特性和装配方式往往造成其自身刚度、强度相对不足，从而引起机翼骨架、壁板的变形。由于变形误差、定位误差及装配误差的积累，导致骨架、壁板上的实际孔位偏离了理论设计位置，如果还是按照理论位置制孔，会导致制孔位置不准，不符合制孔的工艺要求，严重的破坏飞机结构导致废件的产生。

传统的方法是靠工人划线来保证孔间距和孔边距，或者通过机器人先描点再人工测量孔位是否符合要求，这样的工艺方法一是导致制孔精度不高、制孔效率低；二是对于封闭结构无法测量，在壁板与骨架对合以后，无法测量壁板孔位与骨架边缘的距离。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法。

一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法，所述的骨架上设有若干个孔位，所述的孔位修正方法包括：

（1）按照设定的扫描路径对骨架进行扫描，获取骨架的实际点云数据；

（2）根据骨架的实际点云数据和骨架理论模型，计算得到旋转矩阵和平移向量；

（3）用所述的转换矩阵和平移向量分别对骨架上的各个孔位进行修正，得到相应的修正孔位，并根据骨架的实际点云数据确定各个修正孔位对应的边界点集，对相应的边界点集中进行拟合，得到该修正孔位对应的边界线；

（4）针对每个修正孔位，计算修正孔位中心到对应的边界线的距离d1：

若d1小于理论制孔边距L，则将修正孔位向远离边界线的方向移动L-d1的距离，并以移动后的修正孔位作为实际孔，

若d1大于或等于理论制孔边距L，则以修正孔位作为实际孔位。

对相应的边界点集中进行拟合具体如下：利用提取出的各个修正孔位的边界点集，拟合出该边界的空间直线，即将边界点集中的各个边界特征点的坐标代入空间直线表达式：AX+BY+CZ+D=0，采用最小二乘法优化求解出待定参数A,B,C,D，然后将解出待定参数A,B,C,D代入空间直线表达式即得到该修正孔位对应的边界线。

一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法中在装配前获得骨架的实际点云数据，根据骨架的实际点云数据和骨架理论模型计算旋转矩阵和平移向量，并用旋转矩阵和平移向量对骨架上的理论孔位进行修正得到修正孔位，再确定各个修正孔位的边界线，并以修正孔位中心到边界线的距离作为修正后的制孔边距。该方法只需获取骨架扫描的实际点云数据，该点云数据很容易获取，多采用激光扫描获取，不需要将机翼壁板和骨架对合，就可获取制孔边界，解决了封闭结构边距难测的问题，且整个过程基于数字化实现，无需人工测量，简化了工艺流程，且大大消除了现有的方法中对合后再依据人工修正时存在的不准确的问题，保证自动化制孔的精度。该方法中在确定制孔边距前首先对孔位进行修正，得到实际孔位，消除了由于变形、定位、协调所引起的孔位不准确，保证自动化制孔的精度；无需人工测量，简化了工艺流程。

所述步骤（2）中对骨架的实际点云数据与骨架理论数模进行点匹配计算得到旋转矩阵和平移向量。通过点匹配计算骨架实际点云数据与理论数模对齐的旋转矩阵，平移向量，简单易行，且不需要其他数据。

所述步骤（3）中根据公式：

Pi’=R*Pi+T，

计算骨架理论数模中的第i个理论孔位Pi的修正孔位Pi’，i=1,2……n，n为骨架上理论孔位的个数，R为转换矩阵，T为平移向量。n根据实际情况确定。

所述步骤（3）中针对任意一个修正孔位，通过以下步骤确定边界特征点：

（3-1）确定当前修正孔位的长方体包围区域；

（3-2）对于任意长方体包围区域中的任意一个点P，以满足以下条件的点Q的集合作为点p的ε体邻域：

{Q(x_Q,y_Q,z_Q)∈Ω||x_Q-x_P|≤ε，|y_Q-y_P|≤ε，|z_Q-z_P|≤ε}，

其中，ε为阈值，Ω为长方体包围区域(x_Q,y_Q,z_Q)为点Q的坐标，(x_P,y_P,z_P)为点P的坐标；

（3-3）根据点P的ε体邻域中的点的分布情况判断点P是否为当前修正孔位的边界特征点：

若ε体邻域中的点分布均匀，则判断点P不是当前修正孔位的边界特征点，

否则，判断点P是当前修正孔位的边界特征点。

本发明中所有点的坐标均从扫描得到的点云数据中获取。其中步骤（3-2）中通过以下方法确定ε体邻域：

以长方体包围区域中的任意一个点P，以点P为中心，沿3个坐标轴的正负方向分别上扩展ε，形成的区域即为点P的ε体邻域。

所述的长方体包围区域的长和宽为理论制孔边距的1.5～2倍。长方体包围区域根据理论数模的信息及制孔工艺，通常由于扫描时得到的点云数据是面上的点，因此实际上设定的长方体包围区域实际上为矩形包围区域，高度（垂直与骨架表面方向）通常为0。一般为同时保证制孔边距修正的准确性和修正效率，通常设定长和宽相等，且稍大于理论制孔边距。

ε为扫描密度的5～8倍。通过根据经验和扫描仪的精度设置。

所述步骤（3-3）如下：

（3-31）点Q_j为点P的ε体邻域中的第j个点，j=0,1,…,m，m为点P的ε体邻域中的点的个数，为对向量

进行归一化处理得到向量

（3-32）根据公式：

$\mathrm{\ΣV}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m\stackrel{\→}{{{\mathrm{PQ}}_j}^{\′}}$

计算得到所有归一化处理后的向量

的和向量ΣV，若

μ＜δ＜1，μ为常数，则认为ε体邻域中的点分布不均匀，为边界特征点，

所述的μ为0.3～0.5。

|∑V|为和向量∑V的模，|∑V|越大，则说明向量

中同向的越多，相应的即是对应的点Q位于点P的同一侧，说明点P的另一侧没有点（或点较少），因此为不均匀分布，点P为边界特征点。否则相反。常数μ越大，准确度越高。

本发明基于骨架扫描测量的孔位修正方法的优点在于确定制孔边距前首先对孔位进行修正，得到实际孔位，消除了由于变形、定位、协调所引起的孔位不准确，且基于扫描数据，自动化程度高测量精度高，解决了机翼封闭结构，边距无法测量的问题，无需先描点后测量，简化工艺过程，提高制孔效率。

附图说明

图1为飞机机翼的结构示意图；

图2为本实施例中的骨架的局部示意图；

图3为本实施例中的基于骨架扫描测量的孔位修正方法的流程图；

图4（a）和（b）为本实施例中判断边界特征点的示意图。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明进行详细说明。

本实施例的基于骨架扫描测量的孔位修正方法依赖于以下飞机自动化装配系统实现。在进行孔位修正之前，进行如下准备工作：

将飞机的机翼的骨架吊装至定位工装；

连接测量控制计算机、测量自动化接口盒、激光跟踪仪，调整激光跟踪仪的方向使其捕捉并锁定激光扫描仪，建立完整的测量数据传输通路，为扫描测量做好准备；

通过控制系统向数控机床设定扫描路线。该扫描路径以减小冗余测量数据和规避空间阻挡物为原则，能够完整扫描到骨架。

确定扫描路径后，测量控制计算机向测量自动化接口盒发送开始扫描测量命令，数控机床接受到测量自动化接口盒的开始信息后完成准备工作，并将准备就绪信号发送至激光扫描仪，激光扫描仪开始扫描，且在扫描过程中激光扫描仪在数控机床的带动下按照规定的扫描路径完成测量，扫描结束后测量控制计算机获得部件结合面的扫描点云数据。

本实施例的骨架的局部示意图如图2所示，骨架上设有若干个理论孔位6。

一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法，如图3所示，包括以下步骤：

（1）按照设定的扫描路径对骨架进行扫描，获取骨架的实际点云数据。

（2）将骨架的实际点云数据和骨架理论模型进行点匹配计算，得到旋转矩阵和平移向量；

（3）根据公式：

Pi’=R*Pi+T，

计算骨架理论数模中的第i个理论孔位Pi的修正孔位Pi’，i=1,2……n，n为骨架上理论孔位的个数，R为转换矩阵，T为平移向量。即用得到的转换矩阵和平移向量分别对骨架上的各个孔位进行修正，得到相应的修正孔位，并根据骨架的实际点云数据确定各个修正孔位对应的边界点集，对相应的边界点集中进行拟合，得到该修正孔位对应的边界线；

其中，针对任意一个修正孔位，通过以下步骤确定该修正孔位的边界特征点：

（3-1）根据理论数模的信息及制孔工艺，确定当前修正孔位的长方体包围区域；

（3-2）对于任意长方体包围区域中的任意一个点P，以满足以下条件的点Q的集合作为点P的ε体邻域：

{Ｑ(x_Q,y_Q,z_Q)∈Ω||x_Q-x_P|≤ε，|y_Q-y_P|≤ε，|z_Q-z_P|≤ε}，

其中，ε为阈值，Ω为长方体包围区域(x_Q,y_Q,z_Q)为点Q的坐标，(x_P,y_P,z_P)为点P的坐标；

（3-3）根据点P的ε体邻域中的点的分布情况判断点P是否为当前修正孔位的边界特征点：

若ε体邻域中的点分布均匀，则判断点P不是当前修正孔位的边界特征点，

否则，判断点P是当前修正孔位的边界特征点。

以长方体包围区域Ω中的点Pi为例，归一化后得到的向量分布如图4（a）所示，说明点Pi的ε体邻域中的点分布均匀，则点Pi不是边界特征点，若归一化后得到的向量分布如图4（b）所示，说明点Pi的ε体邻域中的点分布不均匀，则点Pi是边界特征点。具体如下：

（3-31）点Q_j为点P的ε体邻域中的第j个点，j=0,1,…,m，m为点P的ε体邻域中的点的个数，为对向量进行归一化处理得到向量

（3-32）根据公式：

$\mathrm{\ΣV}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m\stackrel{\→}{{{\mathrm{PQ}}_j}^{\′}}$

计算得到所有归一化处理后的向量

的和向量ΣV，若

μ＜δ＜1，μ为常数，（其取值范围为0.3～0.5，本实施例中μ=0.5），则认为ε体邻域中的点分布不均匀，为边界特征点，

否则，认为ε体邻域中的点分布均匀，不为边界特征点。

对于提取得到的边界点集中进行拟合得到边界线：利用提取出的各个修正孔位的边界点集，拟合出该边界的空间直线，即将边界点集中的各个边界特征点的坐标代入空间直线表达式：AX+BY+CZ+D=0，采用最小二乘法优化求解出待定参数A,B,C,D，然后将解出待定参数A,B,C,D代入空间直线表达式即得到该修正孔位对应的边界线。

（4）针对每个修正孔位，计算修正孔位中心到对应的边界线的距离d1：

若d1小于理论制孔边距L，则将修正孔位向远离边界线的方向移动L-d1的距离，并以移动后的修正孔位作为实际孔，

若d1大于或等于理论制孔边距L，则以修正孔位作为实际孔位。

修正孔位中心的坐标为{Xc，Yc，Zc}，则距离d1为：

$d1=\frac{|\mathrm{AXc}+\mathrm{BYc}+\mathrm{CZc}+D|}{\sqrt{A^2+B^2+C^2}}.$

以上所述仅为本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅限于上述实施方式，凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于骨架扫描测量的孔位修正方法，所述的骨架上设有若干个理论孔位，其特征在于，所述的孔位修正方法包括：

（1）按照设定的扫描路径对骨架进行扫描，获取骨架的实际点云数据；

（2）根据骨架的实际点云数据和骨架理论模型，计算得到旋转矩阵和平移向量；

（3）用所述的转换矩阵和平移向量分别对骨架上的各个孔位进行修正，得到相应的修正孔位，并根据骨架的实际点云数据确定各个修正孔位对应的边界点集，对相应的边界点集中进行拟合，得到该修正孔位对应的边界线；

（4）针对每个修正孔位，计算修正孔位中心到对应的边界线的距离d1：

若d1小于理论制孔边距L，则将修正孔位向远离边界线的方向移动L-d1的距离，并以移动后的修正孔位作为实际孔，

若d1大于或等于理论制孔边距L，则以修正孔位作为实际孔位。

2.如权利要求1所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，所述步骤（2）中对骨架的实际点云数据与骨架理论数模进行点匹配计算得到旋转矩阵和平移向量。

3.如权利要求2所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，所述步骤（3）中根据公式：

Pi’=R*Pi+T，

计算骨架理论数模中的第i个理论孔位Pi的修正孔位Pi’，i=1,2……n，n为骨架上理论孔位的个数，R为转换矩阵，T为平移向量。

4.如权利要求3所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，所述步骤（3）中针对任意一个修正孔位，通过以下步骤确定边界特征点：

（3-1）确定当前修正孔位的长方体包围区域；

（3-2）对于任意长方体包围区域中的任意一个点P，以满足以下条件的点Q的集合作为点p的ε体邻域：

{Q(x_Q,y_Q,z_Q)∈Ω||x_Q-x_P|≤ε，|y_Q-y_P|≤ε，|z_Q-z_P|≤ε}，

其中，ε为阈值，Ω为长方体包围区域，(x_Q,y_Q,z_Q)为点Q的坐标，(x_P,y_P,z_P)为点P的坐标；

（3-3）根据点P的ε体邻域中的点的分布情况判断点P是否为当前修正孔位的边界特征点：

若ε体邻域中的点分布均匀，则判断点P不是当前修正孔位的边界特征点，

否则，判断点P是当前修正孔位的边界特征点。

5.如权利要求4所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，所述的长方体包围区域的长和宽为理论制孔边距的1.5～2倍。

6.如权利要求5所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，ε为扫描密度的5～8倍。

7.如权利要求6所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，所述步骤（3-3）如下：

（3-31）点Q_j为点P的ε体邻域中的第j个点，j=0,1,…,m，m为点P的ε体邻域中的点的个数，为对向量

进行归一化处理得到向量

（3-32）根据公式：

$\mathrm{\ΣV}={\mathrm{\Σ}}_{j=1}^m\stackrel{\→}{{{\mathrm{PQ}}_j}^{\′}}$

计算得到所有归一化处理后的向量的和向量ΣV，若

μ＜δ＜1，μ为常数，则认为ε体邻域中的点分布不均匀，为边界特征点，

否则，认为ε体邻域中的点分布均匀，不为边界特征点。

8.如权利要求7所述的基于骨架扫描测量的孔位修正方法，其特征在于，μ为0.3～0.5。

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