CN112179282A - 一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于数字化测量技术领域，涉及一种适用于适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法。首先，根据需要在装配组件上布置定位螺栓；其次，利用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描，获取装配组件的点云数据模型；再次，对点云数据中的定位螺栓数据点进行拟合，获取定位螺栓几何信息；最后利用提取的定位螺栓几何信息实现装配组件点云数据模型的虚拟装配。本发明具有可操作性强、适用性强、快速、准确的特性，有效提升航空构件装配间隙数字化测量精度。

Description

一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配 方法

技术领域

本发明属于数字化测量技术领域，涉及一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法。

背景技术

飞机用复合材料制件成型后存在着一定的几何偏差，连接装配时在本应完全自由贴合的界面处形成装配间隙，为满足适航要求需要先对装配间隙进行测量后再对其进行充填补偿。由于盒段类结构在装配过程中后会自然形成封闭、半封闭区域，造成装配间隙手工测量不可达的实际困难。为解决此问题，数字化测量方法应运而生，其基本工作流程是在对装配组件进行扫描测量后，对装配组件点云模型进行虚拟装配以确定其位置关系，再对配合面处的间隙进行计算，实现对装配间隙的数字化测量。而对装配组件点云模型的虚拟装配操作则是影响装配间隙评估准确与否的关键所在。由于在对装配组件的扫描测量过程中不可避免的会产生噪音点，对于用于虚拟装配的参考点、线、面等特征的准确获取变得十分困难，直接影响装配间隙数字化测量的精度，需要发展新的虚拟装配技术以解决点云数据模型虚拟装配不准确的实际问题。本发明提出一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法，可在装配参考基准准确提取的基础上实现装配组件点云数据模型精准装配，为装配间隙数字化测量精度的提升创造条件。

传统应用于虚拟装配操作中的参考点、线、面等特征在点云数据中由于噪音点的存在而提取困难，且结果与实际偏差较大，造成点云数据模型虚拟装配不准确，继而导致装配间隙数字化测量误差大、实际应用困难。因此，提升点云数据模型虚拟装配准确性显得尤为重要，是解决装配间隙数字化测量方法实际应用困难的关键所在，其意义十分重大。

国内外诸多学者对点云数据处理技术的研究主要集中在点云降噪、平滑处理、拼接等方面，对于装配间隙数字化测量过程中对于点云数据处理的研究则较少，特别是针对点云数据模型虚拟装配效果影响装配间隙测量精度的研究还未见公开报道。

发明内容

本发明的目的：为实现航空结构件装配间隙三维形貌的精准获取，装配间隙数字化测量方法是实现封闭、半封闭区域间隙测量的关键技术手段。然而，受限于装配间隙数字化测量结果受点云数据模型虚拟装配不准确影响大这一实际难题，本发明提出一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法。该方法可用于所有针对点云数据模型的虚拟装配操作，同时能为装配间隙测量精度的提升创造条件。

本发明的技术方案：

一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法，首先在装配组件上布置定位螺栓，用于虚拟装配定位参考的提取；其次，采用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获取装配组件点云数据模型，并对点云数据模型进行精简，保留与配合面相关的数据点及必要的参考特征；然后，采用RANSAC算法对在定位螺栓处采集的数据点进行圆柱拟合，获取定位螺栓几何信息；最后，依据定位螺栓几何信息对装配组件点云数据模型进行虚拟装配操作，实现装配组件的准确定位；具体步骤如下：

(1)布置定位螺栓

在装配组件I和装配组件II上分别选择2个对应的螺栓孔，分别标记为1和2，在螺栓孔内插入定位螺栓，其编号与螺栓孔的编号相同；

(2)获取装配组件点云数据及模型精简

利用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获得装配组件点云数据模型P_I＝{p_i|i＝1,2,…,m}和P_II＝{p_j|j＝1,2,…,n}，p_i和p_j表示利用扫描设备获取的数据点，在装配组件I和螺栓II上分别采集了m和n个数据点；

以P_I的点云数据模型精简过程：在P_I中选择一点p₀∈P_I，利用公式(1)获取p₀的一个邻域N(p₀)，

N(p₀)＝{p_i∈P_I|dis(p₀,p_i)<r}(1)

式中，r为用户输入参数，dis(,)表示欧式距离；

采用目测的方式进行判断，如果N(p₀)中所有点均不在配合面上，则从P_I中删除N(p₀)，即P_I＝P_I-N(p₀)，重复上述操作直至删除全部非必要数据点；

P_II的点云数据模型精简过程与P_I的点云数据模型精简过程相同；

(3)定位螺栓几何信息提取

P_I的定位螺栓几何信息获取过程：第一步，在P_I中的螺栓部位选择任意一个数据点p₀∈P_I，假设p₀的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)；第二步，利用公式(1)获取p₀的邻域N(p₀)；第三步，采用RANSAC算法对点集N(p₀)进行圆柱拟合，继而获得定位螺栓轴线向量A，在定位螺栓轴线向量A上任取一点C(x_c,y_c,z₀)；第四步，计算p₀与C之间的距离λ，λ＝dis(p₀,C)；如果λ<λ₀，λ₀为用户输入参数，则计算终止，此时C为定位螺栓轴线上一点，轴线法向量为A；否则，更新p₀坐标，即令x₀＝x_c、y₀＝y_c，返回第二步；

P_II的定位螺栓几何信息获取过程与P_I的定位螺栓几何信息获取过程相同；

(4)装配组件点云数据虚拟装配

利用步骤(3)的方法获得装配组件I和装配组件II中两处连接孔位置的定位螺栓几何信息，标记为A_I ¹、C_I ¹、A_I ²、C_I ²、A_II ¹、C_II ¹、A_II ²、C_II ²，其中A表示定位螺栓轴线向量，C表示轴线A上的任意一点，下标I和II表示装配组件I和装配组件II，上标1和2表示定位螺栓编号。

利用上述信息实现装配组件点云数据模型虚拟装配操作按如下步骤完成：首先，根据C_II ¹与C_I ¹的对应关系，对装配组件II的点云数据模型P_II进行坐标变换，使得C_II ¹与C_I ¹重合；其次，调整P_II姿态，使得A_II ¹与A_I ¹重合；最后，根据C_II ²与C_I ²的对应关系，对P_II进行坐标变换，使得C_II ²与C_I ²重合或向量C_II ²C_I ²与A_I ¹重合，至此完成装配组件点云数据模型虚拟装配操作。

本发明的有益效果：

(1)目前飞机结构装配过程中对于装配间隙的测量均以手工测量为主，存在着效率低、精度差等不足，特别是对于内部封闭、半封闭区域的装配间隙存在着手工不可测量的实际问题。本发明作为航空构件装配间隙数字化测量的重要环节，其应用有利于测量精度的大幅度提高。

(2)装配间隙测量精度的提升有利于增加填隙垫片制作精度，也就有利于航空构件装配质量的提升。本专利的应用有利于提高航空构件制造水平，为航空构件高质高效连接装配提供必要的技术支撑。

附图说明

图1是点云数据模型虚拟装配操作流程图。

图2是装配组件原始点云模型图，(a)是装配组件1，(b)是装配组件2。

图3是精简后装配组件点云图，(a)是装配组件1，(b)是装配组件2。

图4是定位螺栓几何信息提取示意图，(a)是初选定位点，(b)是邻域N，(c)最终确定的轴线A上一点C及用于圆柱拟合的数据点。

图5是装配组件虚拟装配完成图。

具体实施方式

以下结合技术方式和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法的操作流程如图1所示，方法的具体步骤如下：

第一步：布置定位螺栓

在装配组件上任选三个连接孔作为定位参考，在孔内插入定位螺栓，确保定位螺栓与孔为紧配合，其中两个定位螺栓用于提取点云数据模型虚拟装配参考信息，一个作为备份避免测量中噪音点影响数据提取精度；

第二步：获取装配组件点云数据

选取的扫描设备是EinScan Pro 2X手持式三维扫描仪。本次实施过程是通过手持式扫描仪对装配组件进行扫描测量快速获取包含装配组件配合面和定位螺栓的xyz坐标数据文件，即原始点云数据，结果如图2所示。在对原始点云数据非配合面区域进行数据删除后，得到的精简点云数据模型如图3所示。

第三步：定位信息提取

首先在定位螺栓处所测得的点云数据中初选一点p₀，继而利用公式(1)确定p₀的邻域数据点集N(p₀)，采用对邻域数据点集N(p₀)进行圆柱拟合的方式优化p₀，同时获得拟合圆柱的轴线A用于后续的虚拟装配，操作过程如图4所示。

第四步：虚拟装配

利用第三步在装配组件上提取的定位螺栓轴线A及轴线上一点C的对应关系，调整装配组件II的点云数据模型P_II，使得C_II ¹与C_I ¹重合；此后，继续调整P_II姿态，使得A_II ¹与A_I ¹重合；最后，根据C_II ²与C_I ²对应关系，再次对P_II进行坐标变换，使得C_II ²与C_I ²重合或向量C_II ²C_I ²与A_I ¹重合，虚拟装配后的点云数据模型相对位置如图5所示。

Claims (1)

1.一种适用于装配间隙数字化测量的点云数据模型虚拟装配方法，其特征在于，首先在装配组件上布置定位螺栓，用于虚拟装配定位参考的提取；其次，采用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获取装配组件点云数据模型，并对点云数据模型进行精简，保留与配合面相关的数据点及必要的参考特征；然后，采用RANSAC算法对在定位螺栓处采集的数据点进行圆柱拟合，获取定位螺栓几何信息；最后，依据定位螺栓几何信息对装配组件点云数据模型进行虚拟装配操作，实现装配组件的准确定位；具体步骤如下：

(1)布置定位螺栓

在装配组件I和装配组件II上分别选择2个对应的螺栓孔，分别标记为1和2，在螺栓孔内插入定位螺栓，其编号与螺栓孔的编号相同；

(2)获取装配组件点云数据及模型精简

利用三维激光扫描仪对装配组件进行扫描测量，获得装配组件点云数据模型P_I＝{p_i|i＝1,2,…,m}和P_II＝{p_j|j＝1,2,…,n}，p_i和p_j表示利用扫描设备获取的数据点，在装配组件I和螺栓II上分别采集了m和n个数据点；

以P_I的点云数据模型精简过程：在P_I中选择一点p₀∈P_I，利用公式(1)获取p₀的一个邻域N(p₀)，

N(p₀)＝{p_i∈P_I|dis(p₀,p_i)<r} (1)

式中，r为用户输入参数，dis(,)表示欧式距离；

采用目测的方式进行判断，如果N(p₀)中所有点均不在配合面上，则从P_I中删除N(p₀)，即P_I＝P_I-N(p₀)，重复上述操作直至删除全部非必要数据点；

P_II的点云数据模型精简过程与P_I的点云数据模型精简过程相同；

(3)定位螺栓几何信息提取

P_I的定位螺栓几何信息获取过程：第一步，在P_I中的螺栓部位选择任意一个数据点p₀∈P_I，假设p₀的空间坐标为(x₀,y₀,z₀)；第二步，利用公式(1)获取p₀的邻域N(p₀)；第三步，采用RANSAC算法对点集N(p₀)进行圆柱拟合，继而获得定位螺栓轴线向量A，在定位螺栓轴线向量A上任取一点C(x_c,y_c,z₀)；第四步，计算p₀与C之间的距离λ，λ＝dis(p₀,C)；如果λ<λ₀，λ₀为用户输入参数，则计算终止，此时C为定位螺栓轴线上一点，轴线法向量为A；否则，更新p₀坐标，即令x₀＝x_c、y₀＝y_c，返回第二步；

P_II的定位螺栓几何信息获取过程与P_I的定位螺栓几何信息获取过程相同；

(4)装配组件点云数据虚拟装配

利用步骤(3)的方法获得装配组件I和装配组件II中两处连接孔位置的定位螺栓几何信息，标记为A_I ¹、C_I ¹、A_I ²、C_I ²、A_II ¹、C_II ¹、A_II ²、C_II ²，其中A表示定位螺栓轴线向量，C表示轴线A上的任意一点，下标I和II表示装配组件I和装配组件II，上标1和2表示定位螺栓编号；

利用上述信息实现装配组件点云数据模型虚拟装配操作按如下步骤完成：首先，根据C_II ¹与C_I ¹的对应关系，对装配组件II的点云数据模型P_II进行坐标变换，使得C_II ¹与C_I ¹重合；其次，调整P_II姿态，使得A_II ¹与A_I ¹重合；最后，根据C_II ²与C_I ²的对应关系，对P_II进行坐标变换，使得C_II ²与C_I ²重合或向量C_II ²C_I ²与A_I ¹重合，至此完成装配组件点云数据模型虚拟装配操作。

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