CN111583309B - 一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法 - Google Patents

一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种复杂曲面上实现Z‑pin植入的方法,包括以下内容:步骤一、获取复杂曲面的点云数据;对由点云数据构成的点云模型进行划分,并建立点云数据拓扑关系;简化点云数据,并提取点云数据的曲率、法向量特征,再根据曲率特征提取特征平面;步骤二、对复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行预配准;步骤三、对复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行精配准;步骤四、修正步骤一中提取的点云数据的曲率和法向量,得到对应的精确法线方向;步骤五、以步骤四确定的精确法线方向和给针长度,通过植入头将植入针以重合于待植入点的法线方向植入复杂曲面。解决了目前Z‑pin技术应用于复杂曲面时,人工手动植入效率低、植入精度不高的问题。

Description

一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法
【技术领域】
本发明属于复合材料加工技术领域,具体涉及一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法。
【背景技术】
在目前应用的复合材料的增强方法中利用z-pin来增强层合板层间性能是应用较广的,主要用在层合板的预浸料成型过程。Pin为一种直径在0.2-1.0左右的短针,为了抵抗复合材料的分层,在固化之前确定植入点,然后把这种短针沿Z方向植入铺层,所以称为(z-pin)。其工作过程为,pin沿Z方向,通过植入头将pin压到还未被固化的层合板中。这样在厚度方向上引入增强纤维的结构设计方法从而提高层合板层间韧性,使得复合材料的抗分层能力大大提高。在目前z-pin的植入过程主要存在的问题是植入精度低,由于大都是人工手动植入,特别是在曲面复杂的构件中,例如飞机发动机叶片,相对于平板件来说,曲面不同的地方是其法线方向一直是变化的,人工很难保证植入角度的精确性使短针垂直于植入点精准地植入。
【发明内容】
本发明的目的是提供一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,以解决目前Z-pin技术应用于复杂曲面时,人工手动植入效率低、植入精度不高的问题。
本发明采用以下技术方案:一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,包括以下内容:
步骤一、获取复杂曲面的点云数据;
对由点云数据构成的点云模型进行划分,并建立点云数据拓扑关系;
简化点云数据,并提取点云数据的曲率、法向量特征,再根据曲率特征提取特征平面;
步骤二、对复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行预配准;
步骤三、对复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行精配准;
步骤四、修正步骤一中提取的点云数据的曲率和法向量,得到对应的精确法线方向;确定待植入点处的曲面厚度,厚度即为植入针的给针长度;
步骤五、将植入头连接于机械手臂端部,再将机械手臂移动到待植入点处,以步骤四确定的精确法线方向和给针长度,通过植入头将植入针以重合于待植入点的法线方向植入复杂曲面。
进一步的,步骤一中,点云数据即为复杂曲面的曲面三维坐标,对点云数据进行简化的方法具体为:采用均匀采样法,对获取的三维坐标先均匀的划分,根据三维坐标的存储顺序,每隔相同的距离采集一个三维坐标。
进一步的,步骤二中预配准的方法具体为:在步骤一提取的特征平面的基础上,建立匹配点对,求得点云模型相对于理论模型的旋转和平移矩阵。
进一步的,步骤三中精确配准的方法具体为:以简化后的点云数据作为控制点集,求出点云模型相对于理论模型的总的平移和旋转矩阵,使点云模型和理论模型上相对应的控制点集之间的距离平方和最小。
进一步的,步骤四中,通过相邻边向量积方法来修正步骤一中得到的点云数据的曲率和法向量。
进一步的,步骤五中的机械手臂端部连接有机械植入头;
植入头,包括设置于外壳、及设置在其内的以下部件:
一滚轮,为一自转轮盘;
一送pin装置,设置于滚轮的下方,其为左右并列设置的两个辊轮,两个辊轮之间留有间隙,用于供pin穿过;
一Z-pin自动裁剪装置,设置于送pin装置的下方,用于在合适的长度位置切断pin;
一植入针,其包括尾端和尖端,其尖端用于向复杂曲面植入;
一pin,为金属或碳纤维制成的线,其一自由端从水平方向经滚轮的圆周侧后,向下穿入送pin装置的间隙,再经过Z-pin自动裁剪装置旁,最后连接至植入针的尾端;
pin用于与植入针的尾端连接,并在滚轮和送pin装置的导向作用下向下移动,同时在合适的长度位置由Z-pin自动裁剪装置切断,切断后的部分跟随植入针植入复杂曲面。
本发明的有益效果是:将Z-pin植入的应用范围扩展到复杂曲面,通过计算分析得到植入点的切线,调节植入的角度,提高了植入精度;相较于传统人工手动植入来说,植入效率和植入精度都有提高。
【附图说明】
图1为本发明一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法的方法流程图;
图2为本发明一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法中涉及的植入头的结构示意图;
图2中,1.滚轮,2.pin,3.送pin装置,4.Z-pin自动裁剪装置,5.植入针;
图3为本发明实施例中邻边向量修正待植入点法向量。
【具体实施方式】
下面通过附图和实施例,对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
本发明提供了一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,如图1所示,具体步骤如下:
步骤一、获取复杂曲面的点云数据;对由所述点云数据构成的点云模型进行划分,并建立点云数据拓扑关系;简化点云数据,并提取点云数据的曲率、法向量特征;再根据曲率特征提取特征平面;
所述点云数据即为所述复杂曲面的曲面三维坐标,对所述点云数据进行简化的方法具体为:采用均匀采样法,对获取的三维坐标先均匀的划分,根据三维坐标的存储顺序,每隔相同的距离采集一个三维坐标。
利用简化后的数据计算点云模型的曲率和法向量来提取点云数据特征。
步骤二、对所述复杂曲面的点云模型与理论模型预配准:通过计算曲率提取叶片点云模型和理论模型上的一组对应平面作为特征面,并在此基础上建立匹配点对,求得点云模型相对于理论模型的旋转和平移矩阵,从而实现曲面点云模型与理论模型的预配准;
步骤三、对所述复杂曲面的点云模型与理论模型精配准:以简化后的点云数据作为控制点集求出总的平移和旋转矩阵,然后应用于原始点云数据实现密集点云与理论模型的精确配准,精确配准的实质为:
Figure BDA0002449987300000041
其中,T为平移变换矩阵,R为旋转变换矩阵,Pi和Pi’分别为理论模型和点云模型上的配准点,计算合适的旋转变换矩阵和平移变换矩阵使目标函数D最小,目标函数D为点云模型和理论模型上相对应的控制点集之间的距离平方和。
步骤四、通过相邻边向量积方法来修正步骤一中得到的点云数据的法向量和加工深度进行修正,得到对应的精确法线方向;根据待植入点处的曲面厚度确定植入针的给针长度。
步骤五、将植入头连接于机械手臂端部,再将机械手臂移动到待植入点处,以步骤四确定的精确法线方向和给针长度,通过植入头将植入针以重合于待植入点的法线方向植入所述复杂曲面。
如图2所示,所述植入头,包括设置于外壳、及设置在其内的以下部件:
一滚轮1,为一自转轮盘;
一送pin装置3,设置于所述滚轮1的下方,其为左右并列设置的两个辊轮,所述两个辊轮之间留有间隙,用于供pin穿过;送pin装置为辊轮驱动,通过辊轮之间的挤压产生辊轮与pin之间的摩擦力,辊轮转动的角度决定了pin向下运动的长度;
一Z-pin自动裁剪装置4,设置于所述送pin装置3的下方,用于在合适的长度位置切断pin;
一植入针5,其包括尾端和尖端,其尖端用于向所述复杂曲面植入;
一pin,为金属或碳纤维制成的线,其一自由端从水平方向经所述滚轮1的圆周侧后,向下穿入所述送pin装置3的间隙,再经过所述Z-pin自动裁剪装置4旁,最后连接至所述植入针5的尾端;
所述pin用于与所述植入针5的尾端连接,并在滚轮1和送pin装置3的导向作用下向下移动,同时在合适的长度位置由Z-pin自动裁剪装置4切断,切断后的部分跟随植入针5植入复杂曲面。
所述Pin缠绕在滚轮上,分析出待植入点植入厚度之后由送pin装置控制送pin的长度(送pin长度和待植入点厚度相等),送pin装置下接着z-pin自动裁剪装置,将pin在剪断后利用植入针植入到曲面上。
实施例
S1:得到完整的复杂曲面模型
S1.1:光学扫描点云采集:利用激光三维扫描仪对待植入Z-pin曲面件进行三维扫描,同时采集曲面的点云数据,进而获得待植入Z-pin曲面件三维坐标信息。
S1.2:划分点云空间并建立拓扑关系:S1.1中采集到的点云数据点仅包括三维坐标值,需要根据空间点的邻域关系估算点对应的拓扑关系,从而估算点对应的几何信息。利用八叉树结构算法建立散乱点云的拓扑关系K邻域。
S1.3:曲面点云数据简化:为了提高点云模型数据后续特征提取和配准计算的速度,采用均匀采样对点云数据进行简化。根据数据点的存储顺序,每隔相同的采样间隔采取一个数据点,其它的数据点都被忽略。
S1.4:点云数据特征提取:曲率可以表示出测量点局部邻域内的曲率变化,以曲率为依据识别曲面特征。平均曲率和高斯曲率都分别反映了曲面的凹凸形状,两个曲率的不同组合表现的是不同的几何形状,故可根据高斯曲率和平均曲率提取平面特征。
S1.4.1:法向量计算:计算曲面的法向矢量,便于确定后续植入点的位置信息,曲面法向矢量计算具体包括以下步骤:
S1.4.1.1:计算法向量:基于1.2中点对拓扑关系K邻域的建立,通过最小二乘法的方法来拟合以某一点为中心的邻域小区域,从而得到点云在这一点的法向量。
S1.4.1.2:法向量方向调整:计算得到的的法向量,并非都指向曲面的同一侧,故需要调整矢量方向使所有数据点的矢量方向统一。
根据相邻数据点的方向矢量夹角不会大于90°的基本原则,利用相邻两点向量点积来实现具体操作,若点积值为负,法矢方向取反;若点积为非负,法矢方向不变。通过这一步对法向量方向进行归一化调整。
S1.4.2:点云曲率计算:根据每个点的k邻域来进行局部坐标的构建,并进行局部平面的拟合,在此基础上,通过局部曲面的一阶或二阶导数对曲率进行估算。
S1.5:根据曲率特征提取特征平面,为接下来的预配准做准备。
S1.5.1:利用邻域内拟合最小二乘曲面的方法(S1.4.1),计算简化后的点云模型和理论模型各点的曲率和法矢。
S1.5.2:根据曲率特征,当高斯曲率K和平均曲率H均为0时,几何形状为平面,以此为条件提取点云模型和理论模型上的平面特征,数据分别存入ARRAY1和ARRAY2中。
S1.5.3:根据同一平面各点法向量相同的原则,分别对ARRAY1和ARRAY2中的数据进行划分,分出点云模型上的各平面和理论模型上各平面;提取点云模型中点数最多的平面MS。
S1.5.4以MS为基准,分别与理论模型上各平面作为对应特征面,当点云模型与理论模型上对应点间的平均距离最小时,与MS对应的理论模型上的平面即为所要提取的对应特征面。
S2:点云模型与理论模型的预配准
基于特征的预配准主要是利用模型上的某些几何特征信息实现模型的预配准,通过计算曲率提取叶片点云模型和理论模型上的一组对应平面作为特征面,并在此基础上建立匹配点对,求得点云模型相对于理论模型的旋转和平移矩阵,从而实现曲面点云模型与理论模型的预配准,该方法的具体实现步骤如下:
S2.1:在S1中对采集到的原始点云数据进行简化得到{Q’};
S2.2:分别求出简化后点云模型和理论模型的重心,记为O1,O2,经过平移变换使得两个重心同坐标原点O重合;
S2.3:求出理论模型与所得简化后的点云模型的高斯曲率与平均曲率,再根据求得的高斯曲率、平均曲率提取两模型中相对应的特征面,分别记为L1,L2,并求取两特征面的形心P1,Q1
S2.5:把P1,Q1沿所在特征面的法线方向移动一定距离d,得点P2,Q2
S2.6:把点O1、O2和P1、P2和Q1、Q2分别作为点云模型与理论模型的三组对应点对,通过对应点对求出旋转和平移矩阵R,T;
S2.7:将旋转表变换和平移变换应用到测量点云模型,就实现了点云模型与理论模型的预配准;
S3:理论模型和点云模型进行精配准
以简化后的点云数据作为控制点集求出总的平移和旋转矩阵,然后应用于原始点云数据实现密集点云与理论模型的精确配准,精确配准的实质为:
Figure BDA0002449987300000081
其中T为平移变换矩阵,R为旋转变换矩阵,Pi和Pi’分别为理论模型和点云模型上的配准点,计算合适的旋转变换矩阵和平移变换矩阵使目标函数D最小。
该方法的具体实现步骤如下:
S3.1先估算出合适的旋转变换矩阵R和平移变换矩阵T,进行曲面点云模型与理论模型预配准;
S3.2再进行S1.3的方法对测量密集点云模型进行简化;
S3.3以简化后的点云数据和与其对应的理论模型上的对应点作为控制点集,运用ICP算法进行迭代计算;
S3.4求解满足迭代条件后的总的旋转矩阵和平移矩阵;
S3.5把求得的总的变换矩阵应用于原始点云数据,实现密集点云的配准。
S4:Z-pin待植入点位置修正
S4.1:Z-pin待植入点法向量修正:
待植入点的法向量随加工变形也有一定程度的偏移,如图3所示,利用向量积法求解待植入点法向量。P1、P2、P3、P4为待植入点附近四个表面点,M1、M2、M3、M4为每个边中点,且在同一平面内,通过相邻边向量积可得到:
Figure BDA0002449987300000091
S4.2:Z-pin待植入点加工深度分析:
z-pin加工深度普遍都以曲面的设计厚度为参考,但是在复合材料人工铺层、真空袋加压等加工制造过程不可控因素使得植入点的实际厚度与理论有误差。将三维点云数据沿着垂直于曲面的高度的方向逐层分解,通过最小二乘法拟合截面上离散的点云确保截面轮廓的光滑性。
S5:完成Z-pin植入。
完成理论模型与实际点云模型的理论配准与精确配准之后,两个模型的坐标系重合,计算机捕获到完整的三维曲面模型。
将三维扫面平台与六自由度机械手臂集成到一起来实现机械植入z-pin。其中,机械手臂的端部与机械植入头相连,植入头包括植入针、送pin装置、z-pin自动裁剪装置。通过分析待入点的坐标位置,控制机械手臂的转动或平动使其移动到待植入z-pin的点,同时根据S4中待植入点法向量修正结果,求出待植入点的法矢,并且对于曲面件不同点铺层厚度不同,同时分析求出待植入点的厚度,调整植入头的角度和方向和植入针的给针长度,实现Z-pin以重合于待植入点法线方向植入曲面。
目前存在机械植入装置,但是主要用于平板件z-pin的植入,没有专门针对曲面件植入z-pin,并且没有和三维扫面、机械手臂结合起来,植入效率和植入精度相对低。目前关于z-pin在曲面上生成路径的方法,应用背景为超声植入,超声植入有效率高的优势,但是它靠冲击将pin植入,对材料的面内损伤较大。
机械植入效果比超声植入效果好,但由于其植入效率低,目前主要靠人力植入,效率很低,人工植入的误差不可控,并且针对曲面植入方法的说明很少,大多都是用于平面件的,所以很大程度上限制了这种植入方法的大范围应用。本发明将机械植入方法同六自由度机械手臂连接到一起,通过分析植入点的位置坐标及法线方向得到准确的数值,由机械手臂控制植入头沿法向量方向植入z-pin。这样避免了人工植入误差不可控的弊端,避免了超声植入对面内损伤大的问题,同时也大大提高了植入效率。

Claims (6)

1.一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,包括以下内容:
步骤一、获取复杂曲面的点云数据;
对由所述点云数据构成的点云模型进行划分,并建立点云数据拓扑关系;
简化点云数据,并提取点云数据的曲率、法向量特征,再根据曲率特征提取特征平面;
步骤二、对所述复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行预配准;
步骤三、对所述复杂曲面的原始理论模型和点云模型进行精配准;
步骤四、修正所述步骤一中提取的点云数据的曲率和法向量,得到对应的精确法线方向;确定待植入点处的曲面厚度,所述厚度即为植入针的给针长度;
步骤五、将植入头连接于机械手臂端部,再将机械手臂移动到待植入点处,以步骤四确定的精确法线方向和给针长度,通过植入头将植入针以重合于待植入点的法线方向植入所述复杂曲面。
2.如权利要求1所述的一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,所述步骤一中,所述点云数据即为所述复杂曲面的曲面三维坐标,对所述点云数据进行简化的方法具体为:采用均匀采样法,对获取的三维坐标先均匀的划分,根据三维坐标的存储顺序,每隔相同的距离采集一个三维坐标。
3.如权利要求1或2所述的一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,所述步骤二中预配准的方法具体为:在步骤一提取的特征平面的基础上,建立匹配点对,求得所述点云模型相对于所述理论模型的旋转和平移矩阵。
4.如权利要求1或2所述的一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,所述步骤三中精确配准的方法具体为:以简化后的点云数据作为控制点集,求出点云模型相对于理论模型的总的平移和旋转矩阵,使点云模型和理论模型上相对应的控制点集之间的距离平方和最小。
5.如权利要求1或2所述的一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,所述步骤四中,通过相邻边向量积方法来修正步骤一中得到的点云数据的曲率和法向量。
6.如权利要求1或2所述的一种复杂曲面上实现Z-pin植入的方法,其特征在于,所述步骤五中的机械手臂端部连接有机械植入头;
所述植入头,包括设置于外壳、及设置在其内的以下部件:
一滚轮(1),为一自转轮盘;
一送pin装置(3),设置于所述滚轮(1)的下方,其为左右并列设置的两个辊轮,所述两个辊轮之间留有间隙,用于供pin穿过;
一Z-pin自动裁剪装置(4),设置于所述送pin装置(3)的下方,用于在合适的长度位置切断pin;
一植入针(5),其包括尾端和尖端,其尖端用于向所述复杂曲面植入;
一pin(2),为金属或碳纤维制成的线,其一自由端从水平方向经所述滚轮(1)的圆周侧后,向下穿入所述送pin装置(3)的间隙,再经过所述Z-pin自动裁剪装置(4)旁,最后连接至所述植入针(5)的尾端;
所述pin(2)用于与所述植入针(5)的尾端连接,并在滚轮(1)和送pin装置(3)的导向作用下向下移动,同时在合适的长度位置由Z-pin自动裁剪装置(4)切断,切断后的部分跟随植入针(5)植入复杂曲面。
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