CN113375594B - 飞机蒙皮型面数字化检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供飞机蒙皮型面数字化检测方法，包括如下步骤：步骤1.测量初始准备,使用标定板分别对CCD相机和三维扫描仪进行标定，确定测量误差，在蒙皮零件表面随机张贴标志点，便于后续三维扫描仪图像拼接；移动五轴检测平台至蒙皮零件上方，使蒙皮零件完全置于五轴检测平台扫描范围之内；步骤2.通过调整五轴检测平台末端搭载的CCD相机位姿，采集蒙皮零件图像，根据标定结果对图像矫正，提取蒙皮零件轮廓，对轮廓建立外且四边形实现轮廓标准化，同时，记录CCD相机位姿信息，建立零件‑五轴检测平台坐标系，确定蒙皮零件和五轴检测平台相对位置。本发明通过获取蒙皮零件的三维点云实现型面尺寸的采集，大幅提升检测效率。

Description

飞机蒙皮型面数字化检测方法

技术领域

本发明属于自动化测量技术领域，尤其涉及飞机蒙皮型面数字化检测方法。

背景技术

飞机蒙皮是构建飞机气动外形的重要组成部分，具有尺寸大、种类多、易变形、待测特征复杂等特点。由于直接承受空气动力，蒙皮零件的设计、制造和质量检测在飞机生产制造过程中至关重要。随着我国航空制造领域的发展，依靠胎模固定蒙皮配合人工经验的传统方法已经无法满足飞机检测中高精度、高可靠性要求，相应的数字化检测技术需求愈加迫切。

目前，针对飞机蒙皮零件型面的测量主要使用三坐标测量机和胎模检测方法等，其中三坐标测量机可以获得高精度测量数据，但测量时间过程导致生产周期大幅增加，并且测头与蒙皮接触易产生划痕从而影响工件测量质量。而胎模检测法本质上通过人工检验判断飞机蒙皮型面加工是否满足尺寸，缺乏准确数据。非基础式光学测量目前主要针对特征较明显的零件，面对大体积且曲率变化较小的飞机零件测量往往通过手持式测量设备实现。该方法虽然可以获得零件外尺寸数据，但本质依然是依靠人工完成测量过程。

现有技术一的技术方案

针对蒙皮型面尺寸检测，目前主流检测方法依然是人工检验判断法，将飞机蒙皮固定在模胎上判断是否相互契合，如图1所示，图中1001为蒙皮零件、1002为检测模胎、1003为基准孔、1006为定位销。

现有技术一的缺点

该方法在于检测人员通过经验判断蒙皮型面是否满足型面要求，可靠性不高；

该方法缺少被测对象数据，无法反馈到加工过程；

该方法需要反复搬运蒙皮，容易对零件造成损伤，且导致检测效率降低。

现有技术二的技术方案

南京航空航天大学黄翔团队设计了一种基于激光雷达的蒙皮型面自动化测量设备。其方法首先需要建立测量基准，根据蒙皮零件离散特征点选择激光雷达工作方式，通过外形理论点计算激光束的反射时间和波长完成空间坐标的建立。整体扫描后获取蒙皮零件完整型面数据。

现有技术二的缺点

该技术方案使用的激光雷达价格昂贵，导致生产成本较高；

该技术方案需要首先提取零件表面特征，其过程复杂且因零件变化而增加工作量，导致检测周期较长；

该技术方案的检测基准建立过程较为复杂，依然需要人工引导，容易造成误差。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供飞机蒙皮型面数字化检测方法，通过获取蒙皮零件的三维点云实现型面尺寸的采集，大幅提升检测效率。

本发明采用如下技术方案：

飞机蒙皮型面数字化检测方法，包括如下步骤：

步骤1.测量初始准备

使用标定板分别对CCD相机和三维扫描仪进行标定，确定测量误差，在蒙皮零件表面随机张贴标志点，便于后续三维扫描仪图像拼接；移动五轴检测平台至蒙皮零件上方，使蒙皮零件完全置于五轴检测平台扫描范围之内。

步骤2.通过调整五轴检测平台末端搭载的CCD相机位姿，采集蒙皮零件图像，根据标定结果对图像矫正，提取蒙皮零件轮廓，对蒙皮零件轮廓建立外且四边形实现轮廓标准化(蒙皮零件轮廓为不规则图形，通过标准化转换为四边形，在此范围内进行扫描路径规划)。同时，记录CCD相机位姿信息，建立蒙皮零件-五轴检测平台坐标系，确定蒙皮零件和五轴检测平台相对位置。

步骤3.根据三维扫描仪与蒙皮零件表面倾角计算有效扫描宽度，通过标准化蒙皮零件轮廓外形得到四边形扫描范围，检测标准化蒙皮零件轮廓是否被扫描平台覆盖，可行则确定短边方向生成行切扫描路径，不可行则重新生成标准化轮廓。

步骤4.根据三维扫描仪扫描特性，计算三维扫描仪测量倾角、测量景宽、测量景深约束条件，由五轴检测平台携带三维扫描仪完成预定扫描动作，由五轴检测平台的三推杆机构(包括万向节、伺服推杆，三个伺服推杆一端均通过万向节Ⅰ与Y轴安装座连接，三个伺服推杆另一端均通过万向节Ⅱ与数据采集设备基座相连接。其工作方式为，当三推杆机构保持同步位移量时实现Z方向运动，当三推杆保持不同位移量时，以小位移量伺服推杆和两个大位移量伺服推杆的三角形中位线为轴做反转运动，实现A、B轴的旋转功能)执行全角度目标区域扫描，实现蒙皮零件局部型面数据采集，并沿路径完成蒙皮零件整体型面数据采集。

步骤5.根据标志点进行点云拼接，并对整体点云进行后处理，包括漏洞补充、滤波、平滑。

步骤6.根据点云拟合曲面，生成蒙皮零件型面数据。

进一步的技术方案是，步骤3包括如下约束条件：

(1)三维扫描仪测量倾角：曲面点处的法向矢量与入射结构光光线的夹角θ。由于蒙皮零件型面曲率较小且缺少纹理，三维扫描仪倾角较小时会误判为平面，因此初始扫描角因位于极限状态附近但不能超过阈值γ，即θ≤γ。

d_i·N_i≥cos(γ)

式中单位向量d_i：

d_i＝(L-P_i)/|L-P_i|

其中，P_i是曲面点，N_i是曲面点的单位法向矢量，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线，L为三维扫描仪结构光光源位置。

(2)测量景宽(FOV)：曲面测量点应在结构光投影范围以内。曲面上不同位置处的点到CCD相机的距离不同，结构光有效长度也在不断变化，需满足以下条件：

(-d_i)·B_i≥cos(σ/2)

式中：σ为景宽角，三维扫描仪的固定参数，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线。

(3)测量景深(DOF)：曲面测量点应偏移结构光光源一定的距离。即：

l₁≤||L-P_i||≤l₂

式中：l₂＝l₁+l_DOF，l_DOF是测量景深，l₁为最小测量景深，l₂为最大测量景深。

根据以上约束条件，设计扫描姿态，即在约束条件下对目标曲面全角度覆盖扫描，通过五轴检测平台完成动作。

进一步的技术方案是，五轴检测平台包括：检测平台框架、X轴安装座，Y轴安装座，伺服推杆，万向节，数据采集设备基座，三维扫描仪、CCD相机、万向轮。

检测平台框架底部安装有万向轮，X轴安装座，固定在检测平台框架上，Y轴安装座安装在X轴安装座的载物台上，构成了X轴、Y轴的两轴系统。伺服推杆与Y轴载物台通过万向节Ⅰ相连接，同时，伺服推杆还与数据采集设备基座通过万向节Ⅱ相连接，通过控制伺服推杆的长度，可以完成数据采集设备基座的三轴控制，数据采集设备基座上安装有三维扫描仪和CCD相机，再与X轴安装座和Y轴安装座一起，满足CCD相机位置和角度控制的需求。

进一步的是，伺服推杆为3个及以上。

本发明的有益效果：

1.本发明设计了一种自动化检测方法，通过CCD传感器、三维扫描仪、可移动五轴测量机构实现了蒙皮零件的型面数据测量。

2.本发明设计了一种可移动的五轴测量设备，针对三维扫描仪扫描特性实现高效测量。

3.使用五轴检测平台，相比于完全串联式的五轴结构，本发明提出的半串联的结构具有较高的刚性，在拍照检测时，具有更好的拍照检测精度。

4.使用五轴检测平台，本发明的半串联半并联的结构相对于完全并联的机械机构，更加容易控制。

附图说明

图1为背景技术一中的检测模胎示意图；

图2为轮廓规划示意图；

图3为扫描动作执行流程图；

图4为三维扫描仪扫描约束示意图；

图5为五轴测量平台结构示意图；

图6为检测流程图；

图7为图5的局部放大图。

图中，1-检测平台框架、2-X轴安装座、3-Y轴安装座、4-万向节Ⅰ、5-伺服推杆、6-万向节Ⅱ、7-数据采集设备基座、8-三维扫描仪、9-CCD相机、10-万向轮。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

如图1所示，飞机蒙皮型面数字化检测系统，包括：

飞机蒙皮型面数字化检测方法通过可移动五轴检测平台、CCD相机9、三维扫描仪8和工业控制计算机实现。

飞机蒙皮零件五轴检测平台，通过结构光扫描蒙皮表面，获得蒙皮零件的点云数据进行处理。为了获得精确的扫描结果，CCD相机9需要具有五轴的运动，以满足扫描时CCD相机9位置以及角度的变化。目前，五轴结构大都采用并联式即X、Y、Z、A、B这五轴一层层搭载起来(当三推杆机构保持同步位移量时实现Z方向运动，当三推杆保持不同位移量时，以小位移量伺服推杆和两个大位移量伺服推杆的三角形中位线为轴做反转运动，实现A、B轴的旋转功能)。

其中五轴检测平台，具体结构见图5所示：

基本轴X、Y轴作为基本载体，这一部分仍然采用串联结构，整体搭载在Y轴载物台上，以满足五轴的运动控制要求。

如图5所示，五轴检测平台包括：检测平台框架1、X轴安装座2，Y轴安装座3，伺服推杆5，万向节，数据采集设备基座7，三维扫描仪8、CCD相机9、万向轮10。

检测平台框架1底部安装有万向轮10，X轴安装座2，固定在检测平台框架1上，Y轴安装座3安装在X轴安装座2的载物台上，构成了X轴、Y轴的两轴系统。伺服推杆5与Y轴载物台通过万向节Ⅰ4相连接，同时，伺服推杆5还与数据采集设备基座7通过万向节Ⅱ6相连接，通过控制伺服推杆5的长度，可以完成数据采集设备基座7的三轴控制，数据采集设备基座7上安装有三维扫描仪8和CCD相机9，再与X轴安装座2和Y轴安装座3一起，满足CCD相机9位置和角度控制的需求。

进一步的是，伺服推杆3为3个及以上。

飞机蒙皮型面数字化检测方法，如图6所示：

移动五轴检测平台置于蒙皮零件上方，通过标定板对采集设备标定，CCD相机9完成蒙皮零件轮廓信息提取并建立零件-五轴检测平台坐标系，由工控计算机生成五轴检测平台的扫描路径，五轴检测平台携带三维扫描仪8执行扫描动作，沿路径完成整体扫描后处理得到蒙皮零件型面数据。

CCD相机9与三维扫描仪8安装在五轴检测平台的数据采集设备基座7上，首先通过移动CCD相机9位置，对蒙皮零件进行整体拍摄，根据标定结果对图像矫正，提取蒙皮零件轮廓。

根据CCD相机9位置和图像轮廓信息，建立蒙皮零件-五轴检测平台坐标系，确定蒙皮零件和五轴检测平台相对位置。

根据三维扫描仪8与蒙皮零件表面倾角计算有效扫描宽度，通过标准化轮廓外形得到四边形扫描范围(蒙皮零件轮廓为不规则图形，通过标准化转换为四边形，在此范围内进行扫描路径规划)，确定短边方向生成行切扫描路径。根据蒙皮零件形面和三维扫描仪9工作原理确定约束条件，计算扫描姿态，通过三推杆机构(包括万向节、伺服推杆，三个伺服推杆5一端均通过万向节I4与Y轴安装座3连接，三个伺服推杆5另一端均通过万向节II6与数据采集设备基座7相连接。其工作方式为，当三推杆机构保持同步位移量时实现Z方向运动，当三推杆保持不同位移量时，以小位移量伺服推杆和两个大位移量伺服推杆的三角形中位线为轴做反转运动，实现A、B轴的旋转功能)完成扫描动作，蒙皮零件扫描整体流程如图2-3。

测量模型如图4所示，其中，p_i是曲面点，N_i是曲面点的单位法向矢量，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线，L为三维扫描仪结构光光源位置。约束条件如下：

(1)三维扫描仪测量倾角：曲面点处的法向矢量与入射结构光光线的夹角θ。由于蒙皮零件型面曲率较小且缺少纹理，三维扫描仪倾角较小时会误判为平面，因此初始扫描角因位于极限状态附近但不能超过阈值γ，即θ≤γ。

d_i·N_i≥cos(γ)

式中单位向量d_i：

d_i＝(L-p_i)/|L-P_i|

(2)测量景宽(FOV)：曲面测量点应在结构光投影范围以内。曲面上不同位置处的点到CCD相机的距离不同，结构光有效长度也在不断变化，需满足以下条件：

(-d_i).B_i≥cos(σ/2)

式中：σ为景宽角，三维扫描仪的固定参数，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线。

(3)测量景深(DOF)：曲面测量点应偏移结构光光源一定的距离。即：

l₁≤||L-P_i||≤l₂

式中：l₂＝l₁+l_DOF，l_DOF是测量景深，l₁为最小测量景深，l₂为最大测量景深。

根据以上约束条件，设计扫描姿态，即在约束条件下对目标曲面全角度覆盖扫描，通过五轴检测平台完成动作。

获得完整点云后，对点云进行滤波、补洞、平滑、曲面拟合，最终由点云转化为曲面，完成蒙皮零件的型面测量。

实施例

以飞机舱门处蒙皮为例，首先完成检测的准备工作，在蒙皮随机表面张贴标志点以便后期点云拼接，随后移动五轴检测平台至飞机蒙皮表面上方，其中要求蒙皮完全置于五轴检测平台的运动范围之内。

由五轴检测平台的数据采集设备基座，如图7所示，携带CCD相9调整位姿，对舱门蒙皮进行图像采集，采用最大类间差法将图像二值化，其中蒙皮零件转化为黑色(即灰度值为0)，背景为白色即灰度值为255，通过检测黑色像素数目占图像每行、每列像素的比例，判断是否采集图像包括全部蒙皮零件。本实施例所采集图像像素为5488×3672，分别设置行、列首位各5％的行、列数目作为判断部位，即第1至183行和3488至3672行作为行检测部位，若灰度值为0的像素数目占每行像素数目比例超过30％则认为轮廓未被完全采集，列像素同理。任意方向不满足以上判断条件则移动CCD相机9位置进行重新采集。若满足进行轮廓标准化操作，对蒙皮零件外缘的建立外切四边形，使检测范围转换为标准四边形。对转换后的轮廓进行运动机构范围检测，若标准轮廓仍在五轴检测平台移动范围内则保留，超出则重新执行标准化操作，直至满足平台移动范围内。

由于已知CCD相机9和三维扫描仪8相对位置，根据图像轮廓信息，建立零件-五轴检测平台坐标系，确定蒙皮零件和五轴检测平台相对位置。通过计算三维扫描仪8有效扫描宽度和标准轮廓范围，确定短边方向采用行切法生成扫描路径(图3)。

通过计算选用型号三维扫描仪8的扫描约束条件，在已知扫描路径下，由五轴检测平台按照扫描动作执行流程(如图6)沿路径完成数据采集过程。

对扫描过程中获得的点云数据采用标志点拼接方法完成数据拼接，封装为非封闭模型，在上位机中对点云进行标志点漏洞填补、平滑、锐化等操作，获得优化后的舱门蒙皮型面数据。此过程由工业控制计算机完成，数据处理期间五轴检测平台可以移动至下一零件，以提升整体检测效率。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.飞机蒙皮型面数字化检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.测量初始准备

使用标定板分别对CCD相机和三维扫描仪进行标定，确定测量误差，在蒙皮零件表面随机张贴标志点，移动五轴检测平台至蒙皮零件上方，使蒙皮零件完全置于五轴检测平台扫描范围之内；

步骤2.通过调整五轴检测平台末端搭载的CCD相机位姿，采集蒙皮零件图像，根据标定结果对图像矫正，提取蒙皮零件轮廓，对蒙皮零件轮廓建立外切四边形实现蒙皮零件轮廓标准化，同时，记录CCD相机位姿信息，建立蒙皮零件-五轴检测平台坐标系，确定蒙皮零件和五轴检测平台相对位置；

步骤3.根据三维扫描仪与蒙皮零件表面倾角计算有效扫描宽度，通过标准化蒙皮零件轮廓外形得到四边形扫描范围，检测标准化蒙皮零件轮廓是否被扫描平台覆盖，行则确定短边方向生成行切扫描路径，不行则重新生成标准化蒙皮零件轮廓；

步骤4.根据三维扫描仪扫描特性，计算三维扫描仪测量倾角、测量景宽、测量景深约束条件，由五轴检测平台携带三维扫描仪完成预定扫描动作，由三推杆机构执行全角度目标区域扫描，实现蒙皮零件局部型面数据采集，并沿路径完成蒙皮零件整体型面数据采集；

步骤5.根据标志点进行点云拼接，并对整体点云进行后处理，包括漏洞补充、滤波、平滑；

步骤6.根据点云拟合曲面，生成蒙皮零件型面数据。

2.根据权利要求1所述的飞机蒙皮型面数字化检测方法，其特征在于，步骤3包括如下约束条件：

(1)三维扫描仪测量倾角：曲面点处的法向矢量与入射激光扫描线的夹角θ，由于蒙皮零件型面曲率较小且缺少纹理，三维扫描仪倾角较小时会误判为平面，因此初始扫描角应位于极限状态附近但不能超过阈值γ，即θ≤γ；

d_i·N_i≥cos(γ)

d_i＝(L-P_i)/|L-P_i|

其中，P_i是曲面点，N_i是曲面点的单位法向矢量，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线；

(2)测量景宽：曲面测量点应在激光条纹线以内，曲面上不同位置处的点到CCD相机的距离不同，结构光有效长度也在不断变化，需满足以下条件：

(-d_i)·B_i≥cos(σ/2)

式中：σ为景宽角，三维扫描仪的固定参数，B_i表示三维扫描仪投射结构光的角平分线；

(3)测量景深：曲面测量点应偏移结构光光源一定的距离，即：

l₁≤||L-P_i||≤l₂

式中：l₂＝l₁+l_DOF，l_DOF是测量景深，l₁为最小测量景深，l₂为最大测量景深；

根据以上约束条件，设计扫描姿态，即在约束条件下对目标曲面全角度覆盖扫描，通过五轴检测平台完成动作。

3.根据权利要求1所述的飞机蒙皮型面数字化检测方法，其特征在于，

五轴检测平台包括：检测平台框架、X轴安装座，Y轴安装座，伺服推杆，万向节，数据采集设备基座，三维扫描仪、CCD相机、万向轮，检测平台框架底部安装有万向轮，X轴安装座固定在检测平台框架上，Y轴安装座安装在X轴安装座的载物台上，伺服推杆与Y轴安装座的载物台通过万向节Ⅰ相连接，伺服推杆还与数据采集设备基座通过万向节Ⅱ相连接，数据采集设备基座上安装有三维扫描仪和CCD相机。

4.根据权利要求1所述的飞机蒙皮型面数字化检测方法，其特征在于，三推杆机构包括万向节、伺服推杆，三个伺服推杆一端均通过万向节Ⅰ与Y轴安装座连接，三个伺服推杆另一端均通过万向节Ⅱ与数据采集设备基座相连接。

Images