CN109798846A - 一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，利用三维激光扫描仪对成形的试件内表面进行扫描，获取成形试件内表面的点云模型，对点云模型去噪对齐后导入CATIA中，用机床喷嘴运动方向的法平面对点云模型进行截取，获取点云模型的截面线，对截面线曲率半径进行测量，取截面线对应的最小曲率半径作为成形试件的曲率半径。本发明通过三维激光扫描技术对试件成形曲率半径进行精确测量，克服了工程中采用半径规来测量试件的成形曲率半径存在的使用不同跨距对试件测量时，测量结果存在偏差的问题。

Description

一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法

技术领域

本发明涉及一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，属于精确测量技术领域。

背景技术

喷丸成形是航空制造领域变厚度、变曲率的复杂结构整体壁板重要成形方法，通过大量的弹丸撞击零件表面，在零件表面形成残余压缩应力层，使板件发生弯曲变形，从而实现整体壁板成形。喷丸过程主要通过喷丸强度来衡量喷射气压、进给速度、弹丸流量、喷射角及喷射距等不同喷丸参数组合的成形能力，可用一定厚度、尺寸的试件的成形曲率半径来表示。并在此基础上建立整体壁板喷丸参数与成形试件几何参数的对应关系。因此，如何准确测量试件的成形曲率半径变得尤为重要。

工程中，通常采用半径规来测量试件的成形曲率半径(如图1所示)。然而，由于弹丸在试件上的为随机离散分布，试件成形表面为曲率半径变化的圆弧面，因而使用不同跨距的测量结果不一致。如图2所示，分别采用30mm及100mm的跨距对成形试件进行测量，可知使用不同跨距对试件测量时，测量结果存在偏差。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，利用三维激光扫描仪对成形的试件内表面(内表面：与试件受喷表面相反的平面，如图3所示)进行扫描，获取成形试件内表面的点云模型，对点云模型去噪后导入CATIA中，用机床喷嘴运动方向的法平面对点云模型进行截取，获取点云模型的截面线，对截面线曲率半径进行测量，取截面线对应的最小曲率半径作为成形试件的曲率半径。

本发明的技术方案为：

所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：对喷丸后的成形试件内表面进行三维扫描，将扫描得到的点云数据导入点云模型软件中，并对喷丸后的成形试件内表面点云数据进行去噪处理，获取喷丸后的成形试件内表面的点云模型；提取试件设计模型内表面并导入点云模型软件中，对喷丸后的成形试件内表面的点云模型与试件设计模型内表面采用最佳拟合对齐方法进行对齐，将对齐后的成形试件内表面点云模型导入三维构型软件中，并在三维构型软件中用若干个垂直于机床喷嘴运动方向的平面对对齐后的成形试件内表面点云模型进行截取，获取若干条截面线，对每条截面线进行曲率半径测量，得到每条截面线中的最小曲率半径，取所有截面线最小曲率半径的均值作为喷丸后的成形试件内表面的成形曲率半径。

所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对试件喷丸成形后，对成形试件内表面S进行三维扫描，获取成形试件的点云数据M_c；

步骤2：将成形试件三维扫描得到的点云数据M_c导入点云模型软件中，通过预处理去除点云数据M_c中的噪声点和飞点，得到成形试件内表面的点云模型Ms；

步骤3：在三维构型软件中提取试件的设计模型内表面M_d，并导入点云模型软件中；设置试件设计模型内表面M_d为参考模型，成形试件内表面点云模型Ms为测试模型，采用基于最佳拟合对齐的方法对齐试件设计模型内表面与成形试件内表面点云模型，得到对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’；

步骤4：将对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’导入三维构型软件中，并在三维构型软件中用若干个垂直于机床喷嘴运动方向的平面对对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’进行截取，获取若干条截面线；

步骤5：对每条截面线进行曲率半径测量，得到每条截面线中的最小曲率半径，取所有截面线最小曲率半径的均值作为试件喷丸成形后内表面的成形曲率半径。

进一步的优选方案，所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：基于最佳拟合对齐的方法为将试件设计模型内表面M_d设定为点集矩阵A，将成形试件内表面点云模型Ms设定为点集矩阵B，用刚体变换矩阵C对点集矩阵B作变换，使得distance(C(B),A)最小，实现通过刚体变换矩阵C的变换，使点集矩阵A与经过变换形成的矩阵C(B)上的对应点距离平方和最小。

进一步的优选方案，所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：刚体变换矩阵C由一个旋转矩阵D和一个平移矩阵E共同描述。

进一步的优选方案，所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：步骤5中，将每条截面线复制到三维构型软件中，采用三维构型软件的曲率分析工具，设置对截面线读取的密度为m，读取m个密度点P_j对应的曲率ρ_j，j＝1、2、3、···、m，并根据公式

计算每个离散点对应的曲率半径R_j；而后获取每条截面线中的曲率半径最小值其中表示第i条截面线中的曲率半径最小值，取所有n条截面线的最小曲率半径的均值作为试件喷丸成形后内表面的成形曲率半径R：

进一步的优选方案，所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：点云模型软件采用Qualify软件，三维构型软件采用CATIA软件。

有益效果

本发明通过三维激光扫描技术对试件成形曲率半径进行精确测量，克服了工程中采用半径规来测量试件的成形曲率半径存在的使用不同跨距对试件测量时，测量结果存在偏差的问题。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1半径规成形曲率半径测量；

图2 30mm及100mm跨距半径规测量结果；

图3喷丸成形试件；

图4喷丸成形试件精确测量过程；

图5试件扫描点云；

图6试件点云模型；

图7试件点云模型与设计模型内表面对齐过程；

图8试件点云模型截面线；

图9截面线密度点曲率提取；

图10截面线密度点曲率读取结果。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本实施例中以图3所示的喷丸成形试件为例，结合附图，说明一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法的具体过程。

1.对试件A喷丸成形后，使用Handyscan500三维激光扫描仪对成形试件内表面S进行三维激光扫描，获取成形试件内表面的点云数据M_c并保存为“.stl”格式文件，如图5所示。

将成形试件三维扫描得到的点云数据M_c导入Qualify软件中，通过预处理去除点云数据M_c中的噪声点和飞点，得到成形试件内表面的点云模型Ms，具体过程为：利用软件中的修剪功能，首先手动清除偏离较远的点，然后进行翻转选取以及清除操作，最终得到预处理后的成形试件内表面的点云模型Ms，如图6所示。

同时在试件的设计模型中，利用CATIA的提取功能对设计模型外形面进行提取，得到设计模型内表面M_d，保存为“.stl”格式的文件并导入Qualify软件中。分别设置试件设计模型内表面M_d为参考模型，成形试件内表面点云模型Ms为测试模型，采用基于最佳拟合对齐方式对齐试件设计模型内表面与成形试件内表面点云模型，使得成形试件内表面点云模型与试件设计模型的参考坐标系一致，对其过程如图7所示。得到对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’，并将点云模型Ms’导出为CATIA软件能够读取的“.stl”格式文件。

最佳拟合对齐方式是保证试件设计模型内表面上每个单元到试件点云模型距离平方和最小：将试件设计模型内表面M_d设定为点集矩阵A，将成形试件内表面点云模型Ms设定为点集矩阵B，用刚体变换矩阵C对点集矩阵B作变换，使得distance(C(B),A)最小，实现通过刚体变换矩阵C的变换，使点集矩阵A与经过变换形成的矩阵C(B)上的对应点距离平方和最小。刚体变换矩阵C由一个旋转矩阵D和一个平移矩阵E共同描述

2.进入CATIA软件Digitized Shape Editor点云处理模块，导入对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’的“.stl”文件，创建3个垂直于机床喷嘴运动方向的平面S₁、S₂、S₃(S₁平面为点云模型Ms’中间区域对应的平面，S₂、S₃分别为S₁两侧的平面，到S₁距离为5mm)。使用Planar Sections命令，分别选取试件点云模型Ms’、截平面S₁、S₂、S₃，自动创建试件点云模型Ms’与截平面S_i(i＝1、2、3)相交的截面线l_i(i＝1、2、3)，实现对对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’进行截取，获取3条截面线，如图8所示。

3.进入CATIA软件创成式外形设计模块，分别复制截面线l_i(i＝1、2、3)并粘贴到新建的CATIA模块中，选择曲率分析模块下的箭状曲率分析功能，选择要分析的对象为截面线l_i，通过调整曲率分布密度m(为了保证测量精度设置读取密度点的间距为1mm)来调整读取截面线l_i上曲率的数量，自动获取截面线l_i各密度点对应的曲率，提取如图9所示。由于试件各处对应的成形曲率不一样，读取截面线l_i上m个离散点对应的成形曲率ρ_j(j＝1、2、3、···、m)，读取结果如图10所示，利用公式

计算截面线l_i上m个离散点对应的成形曲率半径R_j(j＝1、2、3、···、m)，分别读取3条截面线l_i(i＝1、2、3)对应的最小曲率半径用3条截面线最小曲率半径的均值作为试件A喷丸成形后的曲率半径值R。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (6)

1.一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：对喷丸后的成形试件内表面进行三维扫描，将扫描得到的点云数据导入点云模型软件中，并对喷丸后的成形试件内表面点云数据进行去噪处理，获取喷丸后的成形试件内表面的点云模型；提取试件设计模型内表面并导入点云模型软件中，对喷丸后的成形试件内表面的点云模型与试件设计模型内表面采用最佳拟合对齐方法进行对齐，将对齐后的成形试件内表面点云模型导入三维构型软件中，并在三维构型软件中用若干个垂直于机床喷嘴运动方向的平面对对齐后的成形试件内表面点云模型进行截取，获取若干条截面线，对每条截面线进行曲率半径测量，得到每条截面线中的最小曲率半径，取所有截面线最小曲率半径的均值作为喷丸后的成形试件内表面的成形曲率半径。

2.一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：对试件喷丸成形后，对成形试件内表面S进行三维扫描，获取成形试件的点云数据M_c；

步骤2：将成形试件三维扫描得到的点云数据M_c导入点云模型软件中，通过预处理去除点云数据M_c中的噪声点和飞点，得到成形试件内表面的点云模型Ms；

步骤3：在三维构型软件中提取试件的设计模型内表面M_d，并导入点云模型软件中；设置试件设计模型内表面M_d为参考模型，成形试件内表面点云模型Ms为测试模型，采用基于最佳拟合对齐的方法对齐试件设计模型内表面与成形试件内表面点云模型，得到对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’；

步骤4：将对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’导入三维构型软件中，并在三维构型软件中用若干个垂直于机床喷嘴运动方向的平面对对齐后的成形试件内表面的点云模型Ms’进行截取，获取若干条截面线；

步骤5：对每条截面线进行曲率半径测量，得到每条截面线中的最小曲率半径，取所有截面线最小曲率半径的均值作为试件喷丸成形后内表面的成形曲率半径。

3.根据权利要求2所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：基于最佳拟合对齐的方法为将试件设计模型内表面M_d设定为点集矩阵A，将成形试件内表面点云模型Ms设定为点集矩阵B，用刚体变换矩阵C对点集矩阵B作变换，使得distance(C(B),A)最小，实现通过刚体变换矩阵C的变换，使点集矩阵A与经过变换形成的矩阵C(B)上的对应点距离平方和最小。

4.根据权利要求3所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：刚体变换矩阵C由一个旋转矩阵D和一个平移矩阵E共同描述。

5.根据权利要求2所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：步骤5中，将每条截面线复制到三维构型软件中，采用三维构型软件的曲率分析工具，设置对截面线读取的密度为m，读取m个密度点P_j对应的曲率ρ_j，j＝1、2、3、···、m，并根据公式

计算每个离散点对应的曲率半径R_j；而后获取每条截面线中的曲率半径最小值其中表示第i条截面线中的曲率半径最小值，取所有n条截面线的最小曲率半径的均值作为试件喷丸成形后内表面的成形曲率半径R：

6.根据权利要求2所述一种喷丸成形试件成形曲率半径测量方法，其特征在于：点云模型软件采用Qualify软件，三维构型软件采用CATIA软件。