CN112762856B - 一种用于扫描影响因素的评价方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用于扫描影响因素的评价方法，以不同条件下的被测件为研究对象，开展曲面扫描影响因素的技术研究。通过精密的测量系统来获取被测件表面离散的几何坐标数据，获取样件的表面三维信息，对扫描的数据进行预处理，实现复杂曲面的构建。同时，分析点云测量误差的来源和点云测量误差对曲面轮廓评定的影响，为研制高精度大型空间曲面标准装置，搭建扫描测量系统误差分析和校准方法验证系统，实现技术验证。
Description
技术领域
本发明属于测量领域，涉及对大尺寸空间几何参量扫描方法的评价。
背景技术
在飞机的研制过程中，曲面部件扫描测量系统的校准技术中，突破扫描测量系统点云测量评价与数据处理方法，分析不同的测量条件和手段对测量结果的影响，以及点云测量误差的来源。
目前的评价方法主要采用激光跟踪仪、激光雷达等设备对被测件进行扫描分析，对误差来源的评价方法更多的倾向于仪器自身的测量精度，分析的因素单一，无法正确衡量扫描影响因素分析结果。同时，基于该方面的研究可借鉴的很少，基于不同曲率变化的被测样件采用不同仪器进行扫描测量，其仪器的不同引入的测量误差尚无可以遵循的经验。因此在实施的过程中，需考虑不同的测量仪器在相同的测量条件下，及相同的测量仪器在不同的测量条件等多角度变化的情况下，各因素的之间的相关性对扫描结果的影响。
发明内容
发明目的：提供一种用于扫描影响因素的评价方法，以不同条件下的被测件为研究对象，开展曲面扫描影响因素的技术研究。通过精密的测量系统来获取被测件表面离散的几何坐标数据，获取样件的表面三维信息，对扫描的数据进行预处理，实现复杂曲面的构建。同时，分析点云测量误差的来源和点云测量误差对曲面轮廓评定的影响，为研制高精度大型空间曲面标准装置，搭建扫描测量系统误差分析和校准方法验证系统，实现技术验证。
技术方案：提供一种用于扫描影响因素的评价方法，所述评价方法包括：
不同材料模型的扫描测量：选用不同的材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对所述材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同材料对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同材料模型的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同入射角度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描，选择不同的扫描角度，获取被测模型的表面三维信息，对扫描的数据进行预处理，得到不同入射角度下的扫描模型，将得到的扫描模型与基准模型进行比对分析，得到不同入射角度的扫描结果对材料模型曲面轮廓度的影响，给出最佳入射角度的测量范围；
不同光照强度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第二测量条件，对选用的材料模型采用不同的光照强度进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同光照强度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同光照强度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同颜色的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第三测量条件，对选用的材料模型表面涂覆不同的颜色，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同颜色对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同颜色的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同表面粗糙度的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第一测量条件，对选用的材料模型表面设置不同的表面粗糙度，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同粗糙度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同粗糙度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同温度条件的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的光照强度，对选用的材料模型在不同的温度条件下进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同温度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同温度下材料模型的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同曲率的扫描测量：选用同一材料不同曲率的模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对选用的材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同曲率对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同曲率的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
基于得到的上述平面度误差、轮廓度误差和最佳入射角度的测量范围，构建误差模型，分析误差的来源，得到不同的材料模型、测量手段、测量条件之间的相关性。
进一步地，不同材料模型的扫描测量、不同表面粗糙度的扫描测量、不同曲率的扫描测量时，基于相同的第一测量条件是指采用相同的温度、湿度和光照强度。
进一步地，不同材料模型的扫描测量、不同光照强度的扫描测量、不同颜色的扫描测量、不同表面粗糙度的扫描测量、不同温度条件的扫描测量、不同曲率的扫描测量时，对数据进行预处理均包括：对扫描数据依次进行数据拼合、噪声去除、数据简化、简化过滤、数据补缺和三角网格化。
进一步地，不同光照强度的扫描测量时，基于相同的第二测量条件是指采用相同的温度、湿度。
进一步地，不同颜色的扫描测量时，基于相同的第三测量条件是指采用相同的温度、湿度、光照强度。
进一步地，不同的材料模型包括45#钢、30CrMnSiA、航空铝材、复合材料、有机玻璃及钛合金材料模型。
进一步地，不同表面粗糙度的扫描测量时，材料模型的表面粗糙度Ra范围在0.4-3.2。
进一步地，不同入射角度的扫描测量时，入射角的范围在5-75°。
本发明的技术效果：本发明所具有的优点和积极效果，例如性能的提高、成本的降低等。测量条件的改变对测量结果的最终影响，需要采取不同的测量手段或是条件对其进行扫描，通过不同条件下的点云数据偏差比较分析测量条件对扫描测量结果的影响，给出扫描误差的来源及影响扫描结果的主要因素。
具体实施方式：
开展大型复杂曲面部件扫描测量系统的校准技术研究，突破扫描测量系统点云测量评价与数据处理方法，研制高精度的大型空间曲面标准装置，分析不同的测量条件和手段对测量结果的影响，以及点云测量误差的来源和点云测量误差对曲面轮廓评价方法的整理，其具体的研究内容分为以下几个方面测量条件的改变对测量结果的最终影响，需要采取不同的测量手段或是条件对其进行扫描，通过不同条件下的点云数据偏差比较分析测量条件对扫描测量结果的影响，给出扫描误差的来源及影响扫描结果的主要因素。
针对被测件的表面状况，通常采用的测量方式有：接触式测量、高精度激光扫描或CCD摄像测量。对于吸光表面一般采取接触式测量方法，粗糙表面一般采取非接触测量的方法。按实体表面状况选择测量设备并无绝对法则，需要结合试验条件等因素确定最佳方案。按被测件的表面状况的区别，采用如下的研究方法和技术途径按以下几个方面进行。
(1)选择不同的材料，通过控制变量法(以下方式相同)，研究不同材料对扫描结果的影响；
(2)针对同一被测对象，选择不同的扫描角度，研究扫描的入射角对测量结果的影响，给出最佳角度的测量结果或范围；
(3)相同材质，改变被测物体的光照强度，研究光源强度对扫描结果的影响；
(4)相同的材质条件下，探索被测件的不同颜色，色泽对扫描结果的影响；
(5)选用不同的测量手段，相同的被测件，如：扫描法、摄影法，接触式测量法等，不同的测量手段对测量结果的影响；
(6)研究温度对测量结果的影响。
具体地，本实施例，实施步骤如下所述：
步骤1：不同材料模型的扫描测量：选用不同的材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对所述材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同材料对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同材料模型的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤2：不同入射角度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描，选择不同的扫描角度，获取被测模型的表面三维信息，对扫描的数据进行预处理，得到不同入射角度下的扫描模型，将得到的扫描模型与基准模型进行比对分析，得到不同入射角度的扫描结果对材料模型曲面轮廓度的影响，给出最佳入射角度的测量范围；
步骤3：不同光照强度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第二测量条件，对选用的材料模型采用不同的光照强度进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同光照强度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同光照强度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤4：不同颜色的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第三测量条件，对选用的材料模型表面涂覆不同的颜色，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同颜色对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同颜色的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤5：不同表面粗糙度的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第一测量条件，对选用的材料模型表面设置不同的表面粗糙度，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同粗糙度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同粗糙度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤6：不同温度条件的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的光照强度，对选用的材料模型在不同的温度条件下进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同温度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同温度下材料模型的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤7：不同曲率的扫描测量：选用同一材料不同曲率的模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对选用的材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同曲率对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同曲率的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
步骤8：基于得到的上述平面度误差、轮廓度误差和最佳入射角度的测量范围，构建误差模型，分析误差的来源，得到不同的材料模型、测量手段、测量条件之间的相关性。
本实施例，在测量精度要求不高的场合，可首选非接触测量。在测量精确度高的场合，一般采取接触式测量。对于反光表面，可采取实体表面喷粉的方法解决反光问题。对于吸光表面，一般采取接触式测量。对于粗糙的表面，一般采取非接触式测量。对于曲率变化大的部件，一般采取非接触式测量方法，直接得到真实物体表面的采点数据。在曲率变化平缓的区域，可以相应减少采样数据点的密度；在曲率急剧变化的区域，应尽可能采集较多的数据，以保证被测件的外形特征，防止数据不完整带来的缺陷。
Claims (8)
1.一种用于扫描影响因素的评价方法，其特征在于，所述评价方法包括：
不同材料模型的扫描测量：选用不同的材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对所述材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同材料对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同材料模型的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同入射角度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描，选择不同的扫描角度，获取被测模型的表面三维信息，对扫描的数据进行预处理，得到不同入射角度下的扫描模型，将得到的扫描模型与基准模型进行比对分析，得到不同入射角度的扫描结果对材料模型曲面轮廓度的影响，给出最佳入射角度的测量范围；
不同光照强度的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第二测量条件，对选用的材料模型采用不同的光照强度进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同光照强度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同光照强度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同颜色的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第三测量条件，对选用的材料模型表面涂覆不同的颜色，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同颜色对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同颜色的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同表面粗糙度的扫描测量：选用任意一种材料模型，基于相同的第一测量条件，对选用的材料模型表面设置不同的表面粗糙度，分别采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同粗糙度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同粗糙度的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同温度条件的扫描测量：选用任意一种材料模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的光照强度，对选用的材料模型在不同的温度条件下进行测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同温度对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同温度下材料模型的扫描结果相对材料模型对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
不同曲率的扫描测量：选用同一材料不同曲率的模型，采用激光扫描、接触测量、摄影测量三种测量手段，基于相同的第一测量条件、相同的入射角度对选用的材料模型进行扫描测量，得到扫描测量的数据点云，并对数据进行预处理得到不同曲率对应的被测模型；将被测模型与基准模型进行比对分析，得到不同曲率的扫描结果相对于对应的基准模型扫描结果的平面度误差、轮廓度误差；
基于得到的上述平面度误差、轮廓度误差和最佳入射角度的测量范围，构建误差模型，分析误差的来源，得到不同的材料模型、测量手段、测量条件之间的相关性。
2.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，不同材料模型的扫描测量、不同表面粗糙度的扫描测量、不同曲率的扫描测量时，基于相同的第一测量条件是指采用相同的温度、湿度和光照强度。
3.根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于，不同材料模型的扫描测量、不同光照强度的扫描测量、不同颜色的扫描测量、不同表面粗糙度的扫描测量、不同温度条件的扫描测量、不同曲率的扫描测量时，对数据进行预处理均包括：对扫描数据依次进行数据拼合、噪声去除、数据简化、简化过滤、数据补缺和三角网格化。
4.根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于，不同光照强度的扫描测量时，基于相同的第二测量条件是指采用相同的温度、湿度。
5.根据权利要求2所述的评价方法，其特征在于，不同颜色的扫描测量时，基于相同的第三测量条件是指采用相同的温度、湿度、光照强度。
6.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，不同的材料模型包括45#钢、30CrMnSiA、航空铝材、复合材料、有机玻璃及钛合金材料模型。
7.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，不同表面粗糙度的扫描测量时，材料模型的表面粗糙度Ra范围在0.4-3.2。
8.根据权利要求1所述的评价方法，其特征在于，不同入射角度的扫描测量时，入射角的范围在5-75°。
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