CN111781134A - 一种关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统，包括：装配前对获取两零部件待接触表面点云进行预处理形成点云数据；将一零部件的点云数据翻转至与另一零部件坐标平面平行，形成彼此分离且上、下两表面对称的点云数据；装配后获取两零部件结合面之间的实际接触载荷；将其中一个表面的点云数据向另一表面移动进行仿真迭代计算，在两表面点云至少有一个点发生重合时，基于表面微凸体之间的弹性耦合和聚结作用计算结合面的法向接触面积和刚度；在计算接触载荷大于或等于实际接触载荷时，结束迭代并输出接触刚度和面积。用于解决现有技术中计算繁琐、设备复杂、误差大等问题，实现测量过程更简便，测量结果更精确。

Description

一种关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统

技术领域

本发明属于测量技术领域，尤其涉及一种关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统。

背景技术

结合面是零部件联接必不可少的环节，对装配体的整机动力学性能有着非常重要影响。结合面的接触刚度是整机刚度矩阵的重要组成部分，有时甚至成为结构的薄弱环节。结合面实际接触面积远远小于零部件接触面积的尺寸，是计算表面应力分布的重要依据和参考。然而零部件联接后，难以用测量方法直接获得结合面的接触刚度和接触面积，因此，对结合面接触刚度接触面积的测量一直以来都是接触机理研究的重点难点。

目前对结合面的接触刚度和接触面积的测量主要通过间接推导的方法，测量设备复杂，中间计算环节众多，过程复杂。另外，刚度计算过程中通常只单纯考虑弹塑性变形、摩擦、粘接等因素，实际上结合面微凸体之间的弹性耦合和聚结作用发挥了更大的作用，忽略这个作用往往就会带来计算上的偏差。因此，一方面测量过程复杂，一方面刚度计算未考虑重要因素，就会使结合面的接触刚度计算结果产生较大偏差，降低计算的精度和可靠性。

发明内容

本发明提供一种关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统，用于克服现有技术中测量过程繁琐、测量结果误差较大等缺陷，在测量过程中考虑微凸体之间的弹性耦合和聚结作用，实现测量过程更简便，测量结果更精确。

为实现上述目的，本发明提供一种关于结合面法向接触参量的测量方法，包括：

步骤1，装配前获取两零部件待接触的结合面采样数据点，并按照位置分布形成的表面点云进行预处理形成完备的点云数据；

步骤2，将其一零部件的点云数据翻转至与另一零部件的点云数据的坐标平面平行，形成彼此分离且上、下两表面对称的点云数据；

步骤3，装配后获取两零部件结合面之间的实际接触载荷；

步骤4，将其中一个表面的点云数据向另一表面移动进行仿真迭代计算，在两表面点云至少有一个点发生重合时，基于表面微凸体之间的弹性耦合和聚结作用计算此时结合面的接触面积和接触刚度；并根据所述结合面的接触面积计算接触载荷，当所述接触载荷大于或等于所述实际接触载荷时，结束迭代并输出接触刚度和接触面积。

为实现上述目的，本发明还提供一种关于结合面法向接触参量的测量系统，包括处理器和存储器，所述存储器存有关于结合面法向接触参量的测量程序，所述处理器在运行所述测量程序时执行上述方法的步骤。

本发明提供的关于结合面法向接触参量的测量方法及测量系统，只需要在零部件联结装配前测量表面轮廓点云，联结后利用压力传感器测量结合面接触载荷，即可得到结合面的接触刚度和接触面积。系统在计算结合面接触刚度时，考虑了微凸体之间的弹性耦合和聚结作用，更符合实际零部件表面接触状态，得到更精确的接触刚度和接触面积。发明的测量系统过程直接，设备简单，包含完整的数据处理和计算功能，能够高效率的得到零部件结合面之间的接触刚度和接触面积。

附图说明

图1为本发明实施例二提供的关于结合面法向接触参量的测量方法的流程图；

图2为实施例一中对步骤S1的细化流程图一；

图3为实施例一中对步骤S1的细化流程图二；

图4为实施例一中CP_i和邻近点的位置示意图；

图5为实施例一中A_Vori区域示意图；

图6为实施例一中微接触区域的实际微接触面积示意图；

图7为实施例一中表面点云数据迭代过程示意图；

图8为本发明实施例二提供关于结合面法向接触参量的测量系统的示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。本发明中所提及的接触参量，如接触载荷、接触面积、接触刚度等都指的是法向的接触载荷、法向的接触面积和法向的接触刚度。

实施例一

如图1所示，本发明提供一种关于结合面法向接触参量的测量方法，包括：

步骤S1，装配前获取两零部件待接触的结合面采样数据点，并按照位置分布形成的表面点云进行预处理形成完备的点云数据；

这里的预处理包括数据补全、数据去噪和数据插补。

所述数据补全的步骤包括：

取缺漏点的邻近点的均值对数据进行补全；

进一步地，测量得到的数据必然存在缺漏、系统误差、随机误差和噪声，需要进行数据补全、数据去噪和数据插补。数据补全可取缺漏点的邻近点的均值，如图2所示为点云数据的测量和误差处理流程。两接触表面之间的平面度和平行度，为了使数值分析时表面均匀受力，需要使两表面平均轮廓平面平行并对齐，即高度z坐标进行平均。随机误差通过对结合面同一采样区域内用相同的测量参数进行多组测量，取其平均值以减少随机误差。

所述数据去噪的步骤包括：

结合面的噪声点，采用基于小波的方法进行点云降噪处理，对表面轮廓进行离散小波级数分解，通过对不同分解级数设置低通阈值后，进行离散小波重构，生成去噪后的表面点云。

所述数据插补的步骤包括：

通过三次样条插补算法对表面点云任意临近三点拟合三次多项式进行数据插补。如图3所示为点云数据的离散小波去噪和三次样条插补流程。

步骤S2，将其一零部件的点云数据翻转至与另一零部件的点云数据的坐标平面平行，形成彼此分离且上、下两表面对称的点云数据；将一零部件的点云数据翻转，与另一零部件的点云数据按照实际接触区域上下对齐，形成分离的上下两表面点云；具体参见图7，以通过向下移动上表面对下表面挤压来仿真两零部件载荷作用下结合面的接触。

步骤S3，装配后获取两零部件结合面之间的实际接触载荷；在本发明一实施例中，在零部件结合面之间放置压力传感器测量接触载荷，读取单位面积实际接触载荷，计算结合面实际接触载荷。在本发明另一实施例中，可直接获取已知施加载荷，通过计算获得结合面实际接触载荷。

步骤S4，将其中一个表面的点云数据向另一表面移动进行仿真迭代计算，在两表面点云至少有一个点发生重合时，基于表面微凸体之间的弹性耦合和聚结作用计算此时结合面的接触面积和接触刚度；并根据所述结合面的接触面积计算接触载荷，当所述接触载荷大于或等于实际接触载荷时，结束迭代并输出接触刚度和接触面积。

所述步骤S4包括：

步骤S41，判断重合点的邻近点是否已接触：重合点周围的邻近点未接触时，该重合点为微接触区域内的首次重合点，称为微接触区域的接触点CP_i，计算接触点CP_i的综合曲率半径R_i；

重合点周围的邻近点接触时，根据重合点和已接触的邻近点的坐标位置，组成所在的微接触区域，计算微接触区域的实际微接触面积a_i；

步骤S42，统计结合面上已有的微接触区域及接触点，考虑微凸体之间的弹性耦合和聚结作用，根据上下零部件材料的综合弹性模量E′、当前微接触区域的接触点CP_i的综合曲率半径R_i、当前微接触区域的实际微接触面积a_i，计算当前微接触区域的接触刚度和接触载荷，累加所有微接触区域的接触刚度和接触载荷分布得到结合面的总接触刚度和总接触载荷；

步骤S43，当计算的总接触载荷大于或等于实际总接触刚度时，结束迭代并输出接触刚度和接触面积。

参见图4、图5，所述步骤S41中计算CP_i的综合曲率半径R_i的步骤包括：

步骤S411，根据接触点CP_i和邻近点的坐标位置，计算上、下表面点云在接触点CP_i位置的平均曲率半径R_1i和R_2i，两者的计算公式为：

其中v_i为CP_i点的向量坐标，v_j(0＜j≤k)为CP_i邻近点的向量坐标，k为邻近点总数，θ_i,j为三角形Δv_iv_jv_j+1中边v_jv_i的对角，λ_i,j为三角形Δv_iv_jv_j-1中边v_jv_i对应的角，N_vi为相邻两邻近点与CP_i点两两连线组成三角形的单位法向量。根据计算公式

可计算CP_i的综合曲率半径R_i。A_Vori为CP_i点与所有邻近点中任意相邻两点两两连线组成三角形的外接圆心向以CP_i点为顶点的两条三角形边做垂线形成的四边形面积和，如图5所示，CP_i点与所有邻近点中任意相邻两点两两连线组成三角形，如Δv_iv_jv_j+1，过Δv_iv_jv_j+1外接圆心向以CP_i点为顶点的两个三角形边作垂线，形成以CP_i点、外接圆心和两个垂点组成的四边形，如Δv_iv_jv_j+1中阴影部分，那么A_Vori指CP_i点与所有邻近点用此方法组成四边形区域面积和，即图5中所有阴影部分，v_i为CP_i点的向量坐标，v_j、v_j+1为相邻点CP_j、CP_j+1的向量坐标。

参见图6，其中阴影部分为A_Vori区域，所述步骤S41中计算当前微接触区域的实际微接触面积a_i的步骤包括：

步骤S412，当前微接触区域的实际微接触面积a_i为：

S_d＝M_g×Δx

M_g＝(y_max-y_min+x_max-x_min+4)×2

其中N_g为当前微接触区域已发生重叠的点总数，Δx为数据点采样间隔，S_d为微接触区域所覆盖的网格边界周长，M_g为沿着微接触区域所覆盖的边界沿水平和垂直方向边界网格点的数量，x_max、x_min、y_max和y_min分别为当前微接触区域内所有已发生重叠的数据点横坐标x、纵坐标y的最大值和最小值。

参见图7，一次迭代仿真开始，统计当前迭代仿真下结合面上所有的接触点CP_j(0＜j≤n_I)，n_I为接触点总数，所述步骤S42中计算当前微接触区域的接触刚度的步骤包括：

步骤S421，计算结合面上每个接触点CP_j与当前微接触区域接触点CP_i的距离d_ij，公式为：

其中，x_i、x_j、y_i和y_j分别为CP_i和CP_j的横坐标、纵坐标；0＜j≤n_I，n_I为接触点总数；

步骤S422，根据n_I的大小、i与j的关系、CP_j与CP_i的关系及每个d_ij的大小、计算CP_i的实际变形深度δ_ni；

步骤S423，根据公式

即可获得当前微接触区域接触刚度k_n；根据公式

可获得当前微接触区域法向载荷p，完成本轮迭代。

所述步骤S422中计算CP_i的实际变形深度δ_ni的步骤包括：

(a)若n_I＝1，或者i＝j，此时δ_ni＝r_i ²/R_i；当前微接触区域半径r_i为：

(b)若n_I＞1，i≠j，且CP_j和CP_i微接触区域没有发生重合，则CP_j对CP_i的弹性耦合对δ_ni的影响Δδ_ni为：

其中R_j为CP_j的综合曲率半径，此时：

(c)若n_I＞1，i≠j，且CP_j和CP_i微接触区域发生重合，则表明发生聚结作用，CP_i的坐标从(x_i,y_i)改为(x_eqv,y_eqv)，计算公式为：

其中r_j为CP_j微接触区域半径，CP_i的综合曲率半径R_i改为

CP_j对CP_i的弹性耦合对δ_ni的影响Δδ_ni为：

此时：δ_ni＝r_i ²/R_i+Δδ_ni，统计完所有CP_j，得到δ_ni。

实施例二

基于上述实施一，本发明还提供一种关于结合面法向接触参量的测量系统，包括处理器和存储器，所述存储器存有关于结合面法向接触参量的测量程序，所述处理器在运行所述测量程序时执行上述方法的步骤。具体参见图8中数据处理模块和参数计算模块。为执行实施例一方法步骤的硬件模块。

优选地，测量系统还包括：

三坐标测量测量机为一种具体的表面轮廓高度测量设备，用于在装配前对待测零部件上待接触结合面表面的数据点进行采样；

压力传感器，用于在装配后对两零部件结合面之间的实际接触载荷进行测量。

系统分为硬件和软件两部分，硬件为表面轮廓高度测量设备和压力传感器。利用表面轮廓测量设备测量两零部件接触面的轮廓高度，按照指定的采样间隔和采样区间均匀采集数据点，数据点按照位置分布形成表面点云导入系统软件；软件完成的工作具体参见上述实施例一：软件首先对点云数据进行预处理，包括数据补全、数据去噪和数据插补过程，形成完备数据。将一零部件的点云数据翻转，与另一零部件的点云数据按照实际接触区域对齐，形成分离的上下两表面点云；在零部件结合面之间放置压力传感器测量接触载荷，读取单位面积实际接触载荷，计算结合面实际接触载荷。将上表面点云进行迭代仿真，每一步迭代仿真过程中，上表面向下移动，使上下表面点云有一个点发生重合，计算此时结合面的接触面积和接触刚度，当计算的接触载荷大于等于实际接触载荷时，迭代仿真过程结束，输出接触刚度和接触载荷。本发明的测量系统过程直接，设备简单，软件包含完整得数据处理和计算功能，能够高效率的得到零部件结合面之间的接触刚度和接触面积。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种关于结合面法向接触参量的测量方法，其特征在于，包括：

步骤1，装配前获取两零部件待接触的结合面采样数据点，并按照位置分布形成的表面点云进行预处理形成完备的点云数据；

步骤2，将其一零部件的点云数据翻转至与另一零部件的点云数据的坐标平面平行，形成彼此分离且上、下两表面对称的点云数据；

步骤3，装配后获取两零部件结合面之间的实际接触载荷；

步骤4，将其中一个表面的点云数据向另一表面移动进行仿真迭代计算，在两表面点云至少有一个点发生重合时，基于表面微凸体之间的弹性耦合和聚结作用计算此时结合面的接触面积和接触刚度；并根据所述结合面的接触面积计算接触载荷，当所述接触载荷大于或等于所述实际接触载荷时，结束迭代并输出接触刚度和接触面积。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述步骤4包括：

步骤41，重合点周围的邻近点未接触时，该重合点为微接触区域内的首次重合点，称为微接触区域的接触点CP_i，计算接触点CP_i的综合曲率半径R_i；

重合点周围的邻近点接触时，根据重合点和已接触的邻近点的坐标位置，组成所在的微接触区域，计算所述微接触区域的实际微接触面积a_i；

步骤42，统计结合面上已有的微接触区域及接触点，考虑微凸体之间的弹性耦合和聚结作用，根据上下零部件材料的综合弹性模量E′、当前微接触区域的接触点CP_i的综合曲率半径R_i、当前微接触区域的实际微接触面积a_i，计算当前微接触区域的接触刚度和接触载荷，累加所有微接触区域的接触刚度和接触载荷分布得到结合面的总接触刚度和总接触载荷；

步骤43，在计算的总接触载荷大于或等于实际接触载荷时，结束迭代并输出接触刚度和接触面积。

3.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤41中计算接触点CP_i的综合曲率半径R_i的步骤包括：

步骤411，根据接触点CP_i和邻近点的坐标位置，计算上、下表面点云在接触点CP_i位置的平均曲率半径R_1i和R_2i，两者的计算公式为：

其中v_i为CP_i点的向量坐标，v_j(0＜j≤k)为CP_i邻近点的向量坐标，k为邻近点总数，A_Vori为CP_i点与所有邻近点中任意相邻两点两两连线组成三角形的外接圆心向以CP_i点为顶点的两条三角形边做垂线形成的四边形面积和，θ_i,j为三角形Δv_iv_jv_j+1中边v_jv_i的对角，λ_i,j为三角形Δv_iv_jv_j-1中边v_jv_i对应的角，N_vi为相邻两邻近点与CP_i点两两连线组成三角形的单位法向量；

根据计算公式

计算CP_i的综合曲率半径R_i。

4.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤41中计算当前微接触区域的实际微接触面积a_i的步骤包括：

步骤412，当前微接触区域的实际微接触面积a_i为：

S_d＝M_g×Δx

M_g＝(y_max-y_min+x_max-x_min+4)×2

其中N_g为当前微接触区域已发生重叠的接触点总数，Δx为数据点采样间隔，S_d为微接触区域所覆盖的网格边界周长，M_g为沿着微接触区域所覆盖的边界沿水平和垂直方向边界网格点的数量，x_max、x_min、y_max和y_min分别为当前微接触区域内所有已发生重叠的数据点横坐标x、纵坐标y的最大值和最小值。

5.如权利要求2所述的测量方法，其特征在于，所述步骤42中计算当前微接触区域的接触刚度和接触载荷的步骤包括：

步骤421，计算结合面上每个接触点CP_j与当前微接触区域接触点CP_i的距离d_ij，公式为：

其中，x_i、x_j、y_i和y_j分别为CP_i和CP_j的横坐标、纵坐标；0＜j≤n_I，n_I为接触点总数；

步骤422，根据n_I的大小、i与j的关系、CP_j与CP_i的关系及每个d_ij的大小、计算当前微接触区域接触点CP_i的实际变形深度δ_ni；

步骤423，根据公式

得到当前微接触区域接触刚度k_n；根据公式

得到当前微接触区域接触载荷p。

6.如权利要求5所述的测量方法，其特征在于，所述步骤422中计算接触点CP_i的实际变形深度δ_ni的步骤包括：

(a)若n_I＝1，或者i＝j，则δ_ni＝r_i ²/R_i；r_i为当前微接触区域半径，

R_i为CP_i的综合曲率半径；

(b)若n_I＞1，i≠j，且和CP_i微接触区域没有发生重合，则CP_j对CP_i的弹性耦合对δ_ni的影响Δδ_ni为：

则δ_ni＝r_i ²/R_i+Δδ_ni

其中R_j为CP_j的综合曲率半径，r_j为接触点CP_j所在的微接触区域半径；

(c)若n_I＞1，i≠j，且CP_j和CP_i微接触区域发生重合，则表明发生聚结作用，CP_i的坐标从(x_i,y_i)改为(x_eqv,y_eqv)，计算公式为：

其中CP_i的综合曲率半径R_i改为

CP_j对CP_i的弹性耦合对δ_ni的影响Δδ_ni为：

则δ_ni＝r_i ²/R_i+Δδ_ni，

统计完所有CP_j，得到δ_ni。

7.如权利要求1～6任一项所述的测量方法，其特征在于，所述步骤1中的预处理包括数据补全、数据去噪和数据插补。

8.如权利要求7所述的测量方法，其特征在于，所述数据补全的步骤包括：取缺漏点的邻近点的均值对数据进行补全；

所述数据去噪的步骤包括：

采用基于小波的方法进行点云降噪处理，对表面轮廓进行离散小波级数分解，通过对不同分解级数设置低通阈值后，进行离散小波重构，生成去噪后的表面点云；

所述数据插补的步骤包括：

通过三次样条插补算法对表面点云任意临近三点拟合三次多项式进行数据插补。

9.一种关于结合面法向接触参量的测量系统，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器存有关于结合面法向接触参量的测量程序，所述处理器在运行所述测量程序时执行所述权利要求1～8任一项所述方法的步骤。

10.如权利要求9所述的测量系统，其特征在于，还包括：

三坐标测量测量机，用于在装配前对待测零部件上待接触结合面表面的数据点进行采样；

压力传感器，用于在装配后对两零部件结合面之间的实际接触载荷进行测量。

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