CN110686605B - 一种非接触式复材零件厚度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触式复材零件厚度测量方法，包括以下步骤：在模具未与复材零件接触的表面粘贴标志点，扫描模具外表面与反光标志点并将数据储存在同一个工程文件A中，扫描复材零件外表面与反光标志点并将数据储存在同一个工程文件B中，在云处理软件中建立全局坐标系O‑XYZ，导入并固定点云数据A，导入并调整点云数据B，使得点云数据B与点云数据A基于标志点拟合对齐，最后将点云数据A与点云数据B中表征数据形貌的数据拟合为面，再自由选择需要测量的采样点，通过数学运算可以得到测试人员想要的取样点厚度d，通过本方法可以实现对复材零件在不脱模的情况的厚度测量，且采样点可重复定位，操作性强。

Description

一种非接触式复材零件厚度测量方法

技术领域

本发明属于测量领域，具体涉及一种非接触式复材零件厚度测量方法。

背景技术

复合材料，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观(微观)上组成具有新性能的材料，各种材料在性能上互相取长补短，产生协同效应，使复合材料的综合性能优于原组成材料而满足各种不同的要求，复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类，金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金，非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等，复合材料中以纤维增强材料应用最广、用量最大，其特点是比重小、比强度和比模量大，例如碳纤维与环氧树脂复合的材料，其比强度和比模量均比钢和铝合金大数倍，还具有优良的化学稳定性、减摩耐磨、自润滑、耐热、耐疲劳、耐蠕变、消声、电绝缘等性能，石墨纤维与树脂复合可得到膨胀系数几乎等于零的材料。

现如今，比重小、比强度高和比模量大的复合材料已在航空领域得到广泛应用，得益于对性能更优的复合材料研究，现阶段飞机蒙皮、机翼等主、次承力件中复合材料的占比也逐步攀升，虽然复材零件的各方面性能能够很好满足飞机设计需求，但复材零件成型阶段的尺寸控制却是复合材料加工制造的难点，由于飞机复材零件普遍由纤维和树脂组成，纤维密度和树脂用量、均匀性无无法得到精确控制，导致加工成型的复材零件各个区域厚度差异较大，而飞机复材零件对于精度的要求又非常的高标准，因此，加工环节的质量控制难题同样也是复材零件的检验环节的难题，如果能够有效地解决未脱模复材零件的检验，那么便可以更加高效地控制最终复材零件的质量。

技术人员可以通过对区域采样点厚度测量来评判复材零件是否符合设计要求，现阶段测量方法多为卡尺、螺旋测微器、测厚仪等传统方式，而这些测量方法也有很多的缺陷与不足，首先，这些方法必须要在复材零件脱模后才能对采样点进行测量，无法做到复材零件在模测量，然后依据测量结果辅助复材零件补加工；其次，尤其对于大尺寸、结构复杂的复材零件来说，传统方法测量效率低下，工具可达性差，并且采样点难以重定位，一旦测量中间出现错误，很可能就要出现进行测量，耗时耗力，因此，迫切需要一种非接触式的能够高效、全面的测量未脱模复材零件厚度的方法，如果能够对未脱模成型复材零件进行准确的测量监测，就能高效地掌握加工环节的质量问题，准确测量出加工的准确度，分析未脱模复材零件的不足，通过分析不足对未脱模成型复材零件进行再加工，这样既能提高复材零件制造质量合格率，又能减少不合格复材零件数量，降低生产的成本。

发明内容

为了达到在不脱模的情况下对加工成型复材零件进行采样点厚度测量的目的，本发明提供了一种非接触式复材零件厚度测量方法，从而实现复材零件在未脱模状态下的厚度测量。

本发明的技术方案如下：

本发明具体提供了一种非接触式复材零件厚度测量方法，通过与计算机相连的扫描仪分别对未装材料的空的模具和复材零件成型但未脱模时的模具进行非接触式扫描，得到曲面Φ_A和曲面Φ_B，提取曲面Φ_A和曲面Φ_B不重合的部分作为复材零件的下表面区域、上表面区域，上表面区域中曲面Φ_B任意一点的法线方向上曲面Φ_A、曲面Φ_B二个曲面之间的距离即为复材零件该点的厚度。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述的模具的外表面分为用于零件成型的成型面、与成型面直接相连的配合面、不与成型面直接相连的参考面，曲面Φ_A和曲面Φ_B重合的部分为配合面，测量时在配合面上设置标志点。

为了更好地实现本发明，进一步地，一种非接触式复材零件厚度测量方法具体包括以下步骤：

步骤一，建立全局坐标系O-XYZ；

步骤二，将所述的标志点粘贴在模具的配合面上；使用所述的扫描仪扫描未装材料的模具的外表面，获得包含模具的外形数据和所有标志点的坐标数据的点云数据A；所有标志点的坐标数据用标记点集合表示，标记点集合记为Ω＝{s₁,...s_i...s_n|n≥3}；

步骤三，在复材零件未脱模的条件下，使用所述的扫描仪扫描装有未脱模复材零件的模具，获得包含标志点坐标数据与复材零件外形数据的点云数据B；

步骤四，在全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，将点云数据A和点云数据B基于标志点的坐标数据拟合对齐；

步骤五，将点云数据A与点云数据B中表征形貌的数据分别拟合为曲面Φ_A和曲面Φ_B，分别用公式Φ_A:F(x,y,z)＝0、Φ_B:G(x,y,z)＝0表示，在对齐后的全局坐标系O-XYZ下测量观测点处的复材零件厚度d。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤四具体是指，在所述全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，所述点云数据A中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

所述点云数据B中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

将点云数据A在坐标系中的位置固定，点云数据B位置浮动，调整点云B在全局坐标系O-XYZ中的位置，记：

T取极小值时固定点云数据B在全局坐标系O-XYZ下的位置，此时点云数据A与点云数据B拟合对齐。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤五具体是指，在曲面Φ_B上取厚度测量采样点P，设其在点云数据B中对应的坐标数据为(X_oB,Y_oB,Z_oB)，则曲面Φ_B在采样点P处的法线与曲面Φ_A的交点记为P＇，设其在点云数据A中对应的坐标数据为(X_oA,Y_oA,Z_oA),则在全局坐标系O-XYZ下PP＇的距离记为厚度d；在此用公式Φ_A:F(x,y,z)＝0、Φ_B:G(x,y,z)＝0来表示曲面Φ_A和曲面Φ_B，在曲面Φ_A上选取测量点P_i，设曲面Φ_A在点P_i处的法矢记为

则过该点且方向向量为

的直线方程为：

通过上述方程求解直线与曲面Φ_B的交点，记为P_i′＝[x_i′,y_i′,z_i′]；

复材零件在该取样点处的厚度

即P_iP_i＇的值；

同理在曲面Φ_A上选择一个测量点P_i+1，则复材零件在P_i+1处的厚度为

即P_i+1P_i+1＇的值。

为了更好地实现本发明，进一步地，所述扫描仪采用了Creaform公司的HandyScan激光扫描仪。

为了更好地实现本发明，进一步地，软件采用了Geomagic进行全局坐标系O-XYZ的构建。

采用以上技术方案具有如下优点：

(1)本发明的技术方案主要用于对未脱模成型复材零件的测量，在模测量可根据测量结果对复材零件质量进行分析，通过对不同采样点的分析可以找出复材零件的不足，然后方便补加工；

(2)本发明由机器和软件来实现，相对于人工通过机械或简易测量工具的测量来说，测量速度更快，测量结果精度更高；

(3)本发明的测量结果非常全面，测量的范围也包含了复材零件的所有区域；

(4)本发明的测量取样点可重复定位，避免人为接触式测量时因为取样点的误差造成的读数奇异性。

附图说明

图1是简单的复材零件与模具扫描截面示意图；

图2是厚度测量示意图。

其中：1-扫描仪，2-复材零件外表面，3-配合面，4-标志点，5-曲面Φ_B，6-曲面Φ_A，7-复材零件，8-模具。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，应当理解，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，因此不应被看作是对保护范围的限定。基于本发明中的实施例，本领域普通技术工作人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1：

本发明涉及一种非接触式复材厚度测量方法，结合图1所示，本方法通过与计算机相连的扫描仪1分别对未装材料的空的模具8和复材零件7成型但未脱模时的模具8进行非接触式扫描，得到曲面5和曲面6，提取曲面5和曲面6不重合的部分作为复材零件7的下表面区域、上表面区域，上表面区域中曲面6任意一点的法线方向上曲面5、曲面6二个曲面之间的距离即为复材零件7该点的厚度。

工作原理：通过计算机扫描未装材料的空的模具和复材零件成型但未脱模时的模具进行非接触式扫描，可以得到曲面Φ_A和曲面Φ_B，通过提取曲面Φ_A和曲面Φ_B不重合的部分可以得到复材零件的下表面区域、上表面区域，进一步得到复材零件的数据模型，通过在数据模型上面选取取样点进行数学运算，即可得到模型上取样点处的厚度，该厚度也就是复材零件上对应取样点位置的厚度。

实施例2：

在具体实施例1的基础上，结合图1所示，进一步地，模具8的外表面分为用于零件成型的成型面、与成型面直接相连的配合面3、不与成型面直接相连的参考面，曲面5和曲面6重合的部分为配合面，测量时在配合面3上设置标志点4，通过对各个不同面的区分测试可以帮助测试。

工作原理：通过将模具外表面配合面分为不同部分的面，可以很好地在建立复材零件的数据模型时将模具各面与零件的扫描面对齐，从而准确得到复材零件的数据模型。

实施例3：

在具体实施例1和具体实施例2的基础上，进一步地，可以进行以下步骤：

步骤一，建立全局坐标系O-XYZ；

步骤二，将所述的标志点4粘贴在模具8的配合面3上；使用所述的扫描仪1扫描未装材料的模具8的外表面，获得包含模具8的外形数据和所有标志点4的坐标数据的点云数据A；所有标志点4的坐标数据用标记点集合表示，标记点集合记为Ω＝{s₁,...s_i...s_n|n≥3}；

步骤三，在复材零件7未脱模的条件下，使用所述的扫描仪1扫描装有未脱模复材零件7的模具8，获得包含标志点4坐标数据与复材零件7外形数据的点云数据B；

步骤四，在全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，将点云数据A和点云数据B基于标志点4的坐标数据拟合对齐；

步骤五，将点云数据A与点云数据B中表征形貌的数据分别拟合为曲面5和曲面6，分别用公式、表示，在对齐后的全局坐标系O-XYZ下测量观测点处的复材零件厚度d。所述模具8上粘贴的标志点为摄影测量时的反光标志点或其它能够在图像中有效识别和精确定位的标志，在材料成型时无遮挡，标志点用集合Ω＝{S₁,...S_i...S_n|n≥3}表示，至少存在一个子集Ψ＝{S_a,,S_b,S_c|a≠b≠c,}不共线。

工作原理：使用计算机软件建立一个全局坐标系O-XYZ，将模具配合面上粘贴标志点后进行扫描，可以得到包含模具的外形数据和所有标志点的坐标数据的点云数据A，所有标志点的坐标数据用标记点集合表示，标记点集合记为Ω＝{s₁,...s_i...s_n|n≥3}；在复材零件未脱模的条件下，使用所述的扫描仪扫描装有未脱模复材零件的模具，获得包含标志点坐标数据与复材零件外形数据的点云数据B；将点云数据A和点云数据B都导入全局坐标系O-XYZ中，导入的点云数据A和点云数据B导入坐标系后无法确认具体的对应位置，这个时候就要依靠事先扫描的标志点的坐标作为参考，确认点云数据A和点云数据B的位置进行拟合对齐，点云数据A和点云数据B是许多的点的坐标数据，将点云数据A和点云数据B中的这些点拟合可以分别得到曲面Φ_A和曲面Φ_B，而不共线的三个点可以确定一个面，故标志点的集合Ω＝{S₁,...S_i...S_n|n≥3}中，需要至少存在一个子集Ψ＝{S_a,,S_b,S_c|a≠b≠c,}不共线。

实施例4：

在上述具体实施例的基础上，进一步地，在所述全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，所述点云数据A中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

所述点云数据B中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

将点云数据A在坐标系中的位置固定，点云数据B位置浮动，调整点云B在全局坐标系O-XYZ中的位置，记：

T取极小值时固定点云数据B在全局坐标系O-XYZ下的位置，此时点云数据A与点云数据B拟合对齐。

工作原理：设点云数据A中第i个标志点S_i ^A在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

点云数据B中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

而实现扫描所述的模具的外表面分为用于零件成型的成型面、与成型面直接相连的配合面、不与成型面直接相连的参考面，曲面Φ_A和曲面Φ_B重合的部分为配合面，测量时在配合面上设置标志点，那么根据公式

不难看出，当T的值趋于0的时候，就是零件与模具最为贴合对齐的时候，在这种情况下对数据模型进行运算测量，所得到的结果误差是最小的。

实施例5：

在上述所有实施例的基础上，结合图1和图2,所示，进一步地，可以在曲面Φ_B6上取厚度测量采样点P(X_oB,Y_oB,Z_oB)，曲面Φ_B6在采样点P处的法线与曲面Φ_A5的交线记为P'(X_oA,Y_oA,Z_oA),全局坐标系O-XYZ下P,P'的距离记为厚度d，分别用公式Φ_A:F(x,y,z)＝0、Φ_B:G(x,y,z)＝0表示，在点云数据A上选取测量点P_i，Φ_A在点Pi处的法矢记为

过该点且方向向量为

的直线方程为：

联立方程组求解直线与曲面Φ_B6的交点，记为P_i′＝[x_i′,y_i′,z_i′]；

复材零件7在该取样点处的厚度

工作原理：将曲面拟合对齐后就得到了零件的数据模型，此时则要在外表面选择取样点，然后在数据模型上计算取样点对应的位置的复材零件厚度，这时候就要考虑到零件厚度的定义了，在这里我们确认的是从曲面Φ_B上的取样点开始到该取样点处法线与曲面Φ_A的交点结束的这一段距离长度即为复材零件在该取样点处的厚度，明确了定义之后，通过上述的公式我们可以求得复材零件对应的曲面Φ_B上任意一个指定的取样点处的复材零件厚度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种非接触式复材零件厚度测量方法，其特征在于，通过与计算机相连的扫描仪(1)分别对未装材料的空的模具(8)和复材零件(7)成型但未脱模时的模具(8)进行非接触式扫描，得到曲面Φ_A(5)和曲面Φ_B(6)，提取曲面Φ_A(5)和曲面Φ_B(6)不重合的部分作为复材零件(7)的下表面区域、上表面区域，上表面区域中曲面Φ_B(6)任意一点的法线方向上曲面Φ_A(5)、曲面Φ_B(6)二个曲面之间的距离即为复材零件(7)该点的厚度；所述的模具(8)的外表面分为用于零件成型的成型面、与成型面直接相连的配合面(3)、不与成型面直接相连的参考面，曲面Φ_A(5)和曲面Φ_B(6)重合的部分为配合面，测量时在配合面(3)上设置标志点(4)；

具体包括以下步骤：

步骤一，建立全局坐标系O-XYZ；

步骤二，将所述的标志点(4)粘贴在模具(8)的配合面(3)上；使用所述的扫描仪(1)扫描未装材料的模具(8)的外表面，获得包含模具(8)的外形数据和所有标志点(4)的坐标数据的点云数据A；所有标志点(4)的坐标数据用标记点集合表示，标记点集合记为Ω＝{s₁,...s_i...s_n|n≥3}；

步骤三，在复材零件(7)未脱模的条件下，使用所述的扫描仪(1)扫描装有未脱模复材零件(7)的模具(8)，获得包含标志点(4)坐标数据与复材零件(7)外形数据的点云数据B；

步骤四，在全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，将点云数据A和点云数据B基于标志点(4)的坐标数据拟合对齐；

步骤五，将点云数据A与点云数据B中表征形貌的数据分别拟合为曲面Φ_A(5)和曲面Φ_B(6)，分别用公式Φ_A:F(x,y,z)＝0、Φ_B:G(x,y,z)＝0表示，在对齐后的全局坐标系O-XYZ下测量观测点处的复材零件(7)厚度d；具体是指，在曲面Φ_B(6)上取厚度测量采样点P，设其在点云数据B中对应的坐标数据为(X_oB,Y_oB,Z_oB)，则曲面Φ_B(6)在采样点P处的法线与曲面Φ_A(5)的交点记为P＇，设其在点云数据A中对应的坐标数据为(X_oA,Y_oA,Z_oA),则在全局坐标系O-XYZ下PP＇的距离记为厚度d；

根据设置的不同采样点和在模测量得到的厚度d，对复材零件进行分析，得到复材材料的不足，然后进行补加工。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式复材零件厚度测量方法，其特征在于，所述步骤四具体是指，在所述全局坐标系O-XYZ中导入点云数据A和点云数据B，所述点云数据A中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

所述点云数据B中第i个标志点

在全局坐标系O-XYZ中的坐标为

将点云数据A在坐标系中的位置固定，点云数据B位置浮动，调整点云B在全局坐标系O-XYZ中的位置，记：

T取极小值时固定点云数据B在全局坐标系O-XYZ下的位置，此时点云数据A与点云数据B拟合对齐。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式复材零件厚度测量方法，其特征在于，用公式Φ_A:F(x,y,z)＝0、Φ_B:G(x,y,z)＝0来表示曲面Φ_A(5)和曲面Φ_B(6)，在曲面Φ_A(5)上选取测量点P_i，设曲面Φ_A(5)在点P_i处的法矢记为

则过该点且方向向量为

的直线方程为：

通过上述方程求解直线与曲面Φ_B(6)的交点，记为P_i′＝[x_i′,y_i′,z_i′]；

复材零件(7)在该取样点处的厚度

即P_iP_i＇的值；

同理在曲面Φ_A(5)上选择一个测量点P_i+1，则复材零件(7)在P_i+1处的厚度为

即P_i+1P_i+1＇的值。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式复材零件厚度测量方法，其特征在于，所述扫描仪(1)采用了Creaform公司的HandyScan激光扫描仪。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式复材零件厚度测量方法，其特征在于，软件采用了Geomagic进行全局坐标系O-XYZ的构建。

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