CN112344863A - 一种自由曲面回转体工件壁厚检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种自由曲面回转体壁厚的检测方法，通过扫描仪扫描零件外表、通过测量仪测量零件内表面的点，通过对内表面点进行补偿后，近似获取内表面测量仪测头与零件接触点，通过接触点及其法线获取理论厚度，获取零件外表面壁厚对应点，通过计算，完成产品壁厚的检测。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及工件壁厚的检测，尤其是涉及一种自由曲面回转体工件的壁厚检测方法。
背景技术
工件厚度的测量是精密制造和加工过程中非常重要的一环。特别是对于天线罩类零件的加工，工件的厚度测量尤为重要，天线罩的厚度与其透波性能是一对矛盾的关系。天线罩厚度越大，强度越高，但透波性能会降低；天线罩厚度越小，其透波性能越优异，但其强度会相应的下降。天线罩零件在加工时，需要将厚度控制住一个很小的范围内，兼顾天线罩的透波性能与强度。
当前，天线罩已由传统的标准圆锥形气动外形转变为自由曲面外形，由等壁厚转变为变壁厚，内腔深度已由500毫米以内的小尺寸升级至米级的大尺寸。现有手段对于内腔深度大于500mm无法精确测量。
近期，有人提出一种回转体壁厚检测方法的技术方案。该方案采用扫描仪获取工件表面点云，并与三维理想模型对齐对比后，获取待测零件各处与三维理想模型的壁厚差，完成零件壁厚是否合格的定性判断。该方法对于产品对齐要求很高，需要将产品内型面或外型面与三维理想模型贴合，才能准确比较工件三维曲面模型与三维理想模型的厚度差，这在实际应用中较为困难；该方案获取的是产品厚度与模型的相对值，获取实测壁厚还需要获取当前点的理论壁厚，获取较为繁琐，特别是内外型面为自由曲面的回转体，壁厚实测值获取困难；而且该方案应用存在局限性，在盲孔壁厚测试时应用不便。
目前，自由曲面回转体天线罩壁厚检测方法是：首先在天线罩外表面画线做标记，然后通过UG等三维制图软件测量标记点位置处理论厚度，最后通过自制U形的百分表夹持工装，通过百分表在标记点处测厚并与理论值对比，获取壁厚的符合性。该方法劳动强度大，检测效率低，理论值获取不精确，测量精度不高。
发明内容
针对背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种方便、快捷、高精度的自由曲面回转体工件壁厚检测方法。
为了达到上述目的，本发明设计的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1，构建被测零件的三维理想模型；
S2，获取被测零件外型面及端面点云，获取完整的三维曲面模型；
S3，将待测零件的三维曲面模型与三维理想模型进行对齐，将二者统一到一个坐标系下；
S4，通过测头用接触式测量探测工件内表面点，经补偿后，近似获取测头与工件接触点以及其法线；
S5，通过测头球心及接触点法线做直线与外型面三维曲面模型相交，取得交点；
S6，计算外型面壁厚对应点与测头球心两点的距离，并用上述距离减去测头半径得到壁厚测量值。
优选的，在S1的基础上，S2中获取完整的三维曲面模型的方法为：
1)获取三维理想模型中每个点的坐标，以及获取内型面点的法线；
2)在零件周边根据需要布置靶标点，用测量仪获取靶标点的坐标，建立测量仪坐标系；
3)用扫描仪测量靶标点，获取靶标点的坐标，建立扫描仪坐标系；
4)根据步骤1)和步骤2)获取的坐标点进行坐标系转换，统一二者坐标系；
5)扫描仪获取零件外表面点云集，并网格化生成三维曲面模型；
进一步优选的，步骤2)中，根据测量的需要，布置多个靶标点，扫描仪在多个位置进行产品的扫描。
进一步优选的，步骤4)中，坐标系统一采用Bestfit算法，测量仪和扫描仪所测数据的三维坐标之间满足空间相似的变换公式：
式中，λ为比例因子；Δx、Δy、Δz为三个轴线上的偏移；R(φ)、R(ω)、 R(K)分别为绕x轴、y轴、z轴的旋转矩阵。式中的7个参数，就是测量仪坐标系在扫描仪坐标系的位置关系的参量，当有足够多的测量数据，Bestfit解算就确定了扫描仪的坐标系。
进一步优选的，步骤5)中，用方向搜索代替常用的网格索引方法，通过对点的预排序，保证在方向搜索过程中搜索路径较短，进一步提高效率；用影响区域的方法代替常规的LOP算法，简化计算。
优选的，S3中，将零件点云与三维理想模型对齐时，采用迭代最近算法，对齐后应关注端面的对齐情况。
优选的，S4的具体过程为：
a)将零件按轴线分成多个待测截面，用测量仪获取截面的坐标点，实质是获取测量仪测头球心的坐标；
b)将步骤a)中获取的坐标点进行补偿，补偿方法为求测头球心到三维理想模型内表面的最小距离，近似获取测量仪测头与零件内表面接触点坐标；
进一步优选的，在步骤b)中，将步骤a)中获取的坐标，通过向三维理想模型内型面正交投影的方法，求得垂足坐标，垂足坐标近似为接触点坐标。
进一步优选的，求取步骤a)中测量仪侧头球心坐标点与S5中所述交点的坐标点之间的距离，用上述距离减去侧头半径得到壁厚测量值。
本发明的有益效果是：首先构建被测零件的三维理想模型；然后获取被测零件外型面及端面点云，对采样点采用逐点插入法生成Delaunay三角网，获取完整的三维曲面模型，使得获取的模型与工件实体更为接近。接着将获取的模型与三维理论模型对齐后，通过测头用接触式测量探测工件内表面点，经补偿后，近似获取测头与工件接触点以及其法线，通过测头球心及接触点法线做直线并与外型面相交得到外型面壁厚对应点；最后通过计算外型面壁厚对应点与测头球心两点的距离与测头半径相减获得壁厚测量值。
本发明通过扫描仪扫描零件外表、通过测量仪测量零件内表面的点，通过对内表面点进行补偿后，近似获取内表面测量仪测头与零件接触点，通过接触点及其法线获取理论厚度，获取零件外表面壁厚对应点，通过计算，完成产品壁厚的检测。
本发明通用性好，能满足通孔、盲孔壁厚的检测，能满足规则型面、自由曲面回转体的检测；可实现产品的定量检测，输出壁厚的实测值；对于变壁厚产品的检测，本方案可方便的获取理论厚度，方便进行符合性判定。
附图说明
图1为本发明壁厚测量方法流程图；
图2为本发明设备布局示意图，图中圆圈代表靶标；
具体实施方式
下面通过图1～图2以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。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。
如图1和图2所示，用本发明检测了壁厚理论值为2.5的天线罩零件的壁厚，检测用到测量仪与扫描仪。测量仪测头直径为6mm。
用测量仪首先测量了靶标点的位置后，换扫描仪测量，扫描仪与测量仪坐标系统一，偏差值0.03。
用扫描仪完成零件外表面的扫描，并与三维理想模型对比。
换测量仪测量内表面点，共测量两个截面共14点。获取的坐标见表1。
表1测头球心坐标
| 截面1点坐标 | 截面2点坐标 | |
| 点1 | (279.999，55.670，34.409) | (180.000，-10.317，46.170) |
| 点2 | (279.999，5.149，-6.145) | (180.000，-41.429，22.881) |
| 点3 | (279.999，52.670，-38.867) | (180.000，-38.334，27.666) |
| 点4 | (280.000，-62.671，19.088) | (180.000，-7.296，-46.720) |
| 点5 | (280.000，-64.895，-8.905) | (180.000，32.272，-34.507) |
| 点6 | (280.000，-32.316，-56.927) | (180.000，-46.492，8.837) |
| 点7 | (-279.999，15.079，-63.720) | (180.000，-47.023，-5.303) |
根据对表1的坐标进行转换，使用正交投影法，将表1中的点坐标向三维理想模型投影，获取接触点坐标及各点的法线向量，数据见表2。
根据表1坐标以及表2法线做直线与三维曲面模型相交，获取交点坐标见表3。
表2接触点坐标统计表
表3外型面壁厚对应点坐标
| 截面1点坐标 | 截面2点坐标 | |
| 点1 | (279.105，60.331，37.318) | (178.907，-11.566，51.423) |
| 点2 | (279.099，70.630，-6.638) | (178.911，-46.122，25.512) |
| 点3 | (279.103，57.095，-42.101) | (178.896，-42.717，-30.869) |
| 点4 | (279.116，-67.867，20.660) | (178.903，-8.054，-52.088) |
| 点5 | (279.110，-70.280，-9.675) | (178.890，36.023，-38.468) |
| 点6 | (279.107，-34.967，-61.727) | (201.136，55.925，-11.586) |
| 点7 | (279.106，16.301，-69.045) | (178.904，-52.378，-5.877) |
计算交点坐标与测头球心坐标的距离，并减去测头半径，获取壁厚测量值。结果见表4。
表4各点壁厚值
| 截面1 | 截面2 | |
| 点1 | 2.566 | 2.509 |
| 点2 | 2.576 | 2.490 |
| 点3 | 2.553 | 2.539 |
| 点4 | 2.501 | 2.531 |
| 点5 | 2.512 | 2.566 |
| 点6 | 2.556 | 2.494 |
| 点7 | 2.537 | 2.496 |
本领域技术人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，构建被测零件的三维理想模型；
S2，获取被测零件外型面及端面点云，获取完整的三维曲面模型；
S3，将待测零件的三维曲面模型与三维理想模型进行对齐，将二者统一到一个坐标系下；
S4，通过测头用接触式测量探测工件内表面点，经补偿后，近似获取测头与工件接触点以及其法线；
S5，通过测头球心及接触点法线做直线与外型面三维曲面模型相交，取得交点；
S6，计算外型面壁厚对应点与测头球心两点的距离，并用上述距离减去测头半径得到壁厚测量值。
2.根据权利要求1所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：在S1的基础上，S2中获取完整的三维曲面模型的方法为：
1)获取三维理想模型中每个点的坐标，以及获取内型面点的法线；
2)在零件周边根据需要布置靶标点，用测量仪获取靶标点的坐标，建立测量仪坐标系；
3)用扫描仪测量靶标点，获取靶标点的坐标，建立扫描仪坐标系；
4)根据步骤1)和步骤2)获取的坐标点进行坐标系转换，统一二者坐标系；
5)扫描仪获取零件外表面点云集，并网格化生成三维曲面模型；
3.根据权利要求2所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：步骤2)中，根据测量的需要，布置多个靶标点，扫描仪在多个位置进行产品的扫描。
4.根据权利要求2所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：步骤4)中，坐标系统一采用Bestfit算法，测量仪和扫描仪所测数据的三维坐标之间满足空间相似的变换公式：
式中，λ为比例因子；Δx、Δy、Δz为三个轴线上的偏移；R(φ)、R(ω)、R(K)分别为绕x轴、y轴、z轴的旋转矩阵。
5.根据权利要求2所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：步骤5)中，用方向搜索代替常用的网格索引方法，通过对点的预排序，保证在方向搜索过程中搜索路径较短，进一步提高效率；用影响区域的方法代替常规的LOP算法，简化计算。
6.根据权利要求1所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：S3中，将零件点云与三维理想模型对齐时，采用迭代最近算法，对齐后应关注端面的对齐情况。
7.根据权利要求1所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：S4的具体过程为：
a)将零件按轴线分成多个待测截面，用测量仪获取截面的坐标点，实质是获取测量仪测头球心的坐标；
b)对步骤a)中获取的坐标点进行补偿，补偿方法为求测头球心到三维理想模型内表面的最小距离，近似获取测量仪测头与零件内表面接触点坐标；
8.根据权利要求7所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：在步骤b)中，将步骤a)中获取的坐标，通过向三维理想模型内型面正交投影的方法，求得垂足坐标，垂足坐标近似为接触点坐标。
9.根据权利要求7或8所述的自由曲面回转体工件壁厚检测方法，其特征在于：求取步骤a中测量仪侧头球心坐标点与S5中所述交点的坐标点之间的距离，用上述距离减去侧头半径得到壁厚测量值。
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