CN114909992B - 一种航空非标导管优化测量方法 - Google Patents

一种航空非标导管优化测量方法 Download PDF

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CN114909992B CN202210368625.8A CN202210368625A CN114909992B CN 114909992 B CN114909992 B CN 114909992B CN 202210368625 A CN202210368625 A CN 202210368625A CN 114909992 B CN114909992 B CN 114909992B
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Abstract

本发明涉及对航空非标导管的测量方法领域，具体是一种航空非标导管优化测量方法，其具体步骤如下；S1、采集导管图像；S2、提取折弯点；S3、修正折弯点；S4、优化折弯半径；S5、工艺优化；通过大量实验数据验证，本发明提出的测量方法能够实现对航空导管弯曲段准确测量，为基于多相机测量系统的航空导管测量提供了关键技术支撑，为航空导管快速精确测量提供了技术途径。

Description

一种航空非标导管优化测量方法
技术领域
本发明涉及对航空非标导管的测量方法领域，具体是一种航空非标导管优化测量方法。
背景技术
航空非标导管是指现役传统机型原机导管绝大部分没有原始数字模型，采用手工弯制，标准化程度有限，造成大部分属于非标导管范畴，即管形中包含样条线、空间弯角、小直线段或小角度弯等不适宜数控制造的特征，想要实现数字化制造难度很大。但随着车间导管产品的多样化和订单不断增加的压力,急切的需要在激烈的竞争环境下提高生产效率,降低生产成本。要实现自动化生产导管的前提是可提取确定的导管工艺参数。
现有的导管测量方法主要分为接触式和非接触式两种，其中接触式中当前应用较广泛的是三坐标机测量，此法虽测量精度高，但受设备结构及测量轴的轴程限制，无法兼容更多的管型特征。在不过度依赖人力情况下，通过多目机器视觉的非接触式测量方法，解算导管结构，是目前获取导管信息的有效途径之一。
现有的导管生产存在自动化低、安全性低的技术问题，为实现自动化导管生产，首先需精确获取导管工艺参数。目前应用广泛的多目机器视觉技术，通过导管图像采集，边缘提取，三维重建，可实现管型特征的测量。但由于非标生产的导管往往可提取特征不明显，因此现有技术水平很难完全复原导管结构。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种航空非标导管优化测量方法。
一种航空非标导管优化测量方法，其具体步骤如下：
S1、采集导管图像：利用表面贴有圆形标志点的靶标对整个测量系统标定，标定完成，确定好相机的内外参数后，采集导管图像；
S2、提取折弯点：在导管上构建圆柱模型，通过相邻圆柱间的斜率变化关系，求解斜率极值点，确定折弯点位置；
S3、修正折弯点：根据步骤S2中提取得到的折弯点位置，与现有管型中各折弯点位置进行匹配，将匹配找出新增的折弯点位置坐标对应替换原模型中该点坐标，修正后重新输出导管模型，优化后的导管模型会更符合导管的实际结构特征；
S4、优化折弯半径：
(1)拟合圆弧；
(2)优化半径；
S5、工艺优化：受弯管机的夹具长度影响，为准确复现导管，需对导管的直线段长度进行限制、修正，一般弯管机可加工长度需大于夹模长度。
所述的步骤S1在采集导管图像后，经过测量系统的初步采集、处理会获得导管的三维模型，再针对测量系统获得的导管模型进行优化、修正。
所述的步骤S2的具体步骤如下：
a、圆柱模型轴线来表示管型，图中的两个折弯点中间虽有折弯段，但因为折弯段斜率变化很小，并没有被测量系统检测、识别为折弯点；
b、相邻圆柱间的斜率变化关系可用两圆柱的轴线向量夹角表示：
Figure BDA0003588246860000021
其中θ为两个圆柱的中心轴线向量的夹角，
Figure BDA0003588246860000022
分别为圆柱S1和圆柱S2的中轴线的方向向量；
c、通过比对导管上各个相邻圆柱间的夹角变化，得出导管斜率变化关系；
d、对斜率曲线进行一阶微分处理，求解极值点，即为折弯点，手工校正工艺后的非标管，对斜率曲线设置阈值范围：θ∈(θmin，θmax)∪(θmax，∞)，在两个阈值范围段分别求解斜率极值点，完成折弯点提取工作。
所述的步骤S3中发现原管型位置a1’为直线段上一点，a1为提取折弯点后该点位置，能够看出a1点应为折弯点。
所述的步骤S4的(1)拟合圆弧中，通过前面步骤确定管型折弯点特征，为非标管模型更好地匹配现有规格的弯管机工艺要求，需拟合、优化导管上各段的折弯半径，假定所有离散点可组成点集P，点集中所有点拟合圆，求解得到圆心O(A,B)，半径为R，点集P中任一离散点p(xi,yi)，其到拟合圆心o(A,B)的距离d，点p(xi,yi)到拟合圆弧距离为PD；
利用最小二乘法原理，以点集P中所有点到圆弧距离最短为约束条件，定义距离函数为PD长度的平方，具体如下：
Figure BDA0003588246860000031
令Q(a，b，c)为δi的平方和：
Figure BDA0003588246860000032
求解参数a,b,c，使得Q(a，b，c)的值最小；
为各离散点拟合的圆弧，圆心o，圆弧半径为R，圆的方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2
则：
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2
令：
a＝-2A
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
可得另一形式圆方程
x2+y2+ax+by+c＝0
即求解参数a,b,c，可知半径R参数：
Figure BDA0003588246860000033
Figure BDA0003588246860000034
Figure BDA0003588246860000035
结合Q(a，b，c)最小的约束条件，求解上述a,b两个参数后，得到圆弧半径R。
所述的步骤S4的(2)优化半径中，拟合圆得到的各个折弯段圆弧R值并不相同，目前用于生产的折弯机折弯半径仅有部分固定规格，具体为：
a、实际折弯半径Rx≤工艺折弯半径R；
b、实际折弯半径Rx>工艺折弯半径R。
所述的步骤S4的(2)的a中，为保证生产，要求该折弯半径对应的折弯点坐标沿导管方向后迁移，所有实际折弯半径Rx强制统一为与其数值最接近的工艺折弯半径R值。
所述的步骤S4的(2)的b中，如各实际折弯半径Rx与工艺折弯半径R值基本一致或者相差不大，便直接将各个圆弧半径R统一记做折弯半径R；如两者差值较大，则需要根据两者数值间的偏移量，将拆分一个圆弧半径为多个小圆弧半径，增加折弯段，将圆弧段拆分成为两个对称的小圆弧段和一个直线段部分，两个小圆弧段的圆弧直径与折弯半径R相同。
所述的步骤S5中需要选定检索方向，自选定一侧挨个检测两两折弯点间直线段的长度，如直线段长度≥夹模长度，则忽略跳过；如直线段长度<夹模长度，为满足加工要求，沿折弯点A、B的连线方向，寻找另外一点B’，即延长该段导管的直线段长度，使其能满足直线段长度≥夹模长度。
本发明的有益效果是：通过大量实验数据验证，本发明提出的测量方法能够实现对航空导管弯曲段准确测量，为基于多相机测量系统的航空导管测量提供了关键技术支撑，为航空导管快速精确测量提供了技术途径。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1为本发明的航空非标导管优化测量流程图；
图2为本发明的导管图像采集装置结构示意图；
图3为本发明的重建获得的导管图像示意图；
图4为本发明的相邻圆柱斜率变化关系示意图；
图5为本发明的折弯点提取示意图示意图；
图6为本发明的修正折弯点示意图；
图7为本发明的导管轴线任一点与拟合圆关系示意图；
图8为本发明的折弯段拟合圆弧示意图；
图9为本发明的拟合半径示意图；
图10为本发明的折弯半径与圆弧半径对应关系示意图；
图11为本发明的导管直线段检索、修正示意图；
图12为本发明的导管斜率变化关系示意图；
图13为本发明的折弯点修正后的管型示意图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面对本发明进一步阐述。
如图1至图13所示，一种航空非标导管优化测量方法，其具体步骤如下：
S1、采集导管图像：利用表面贴有圆形标志点的靶标对整个测量系统标定，标定完成，确定好相机的内外参数后，采集导管图像；
S2、提取折弯点：在导管上构建圆柱模型，通过相邻圆柱间的斜率变化关系，求解斜率极值点，确定折弯点位置；
S3、修正折弯点：根据步骤S2中提取得到的折弯点位置，与现有管型中各折弯点位置进行匹配，将匹配找出新增的折弯点位置坐标对应替换原模型中该点坐标，修正后重新输出导管模型，优化后的导管模型会更符合导管的实际结构特征；
S4、优化折弯半径：
(1)拟合圆弧；
(2)优化半径；
S5、工艺优化：受弯管机的夹具长度影响，为准确复现导管，需对导管的直线段长度进行限制、修正，一般弯管机可加工长度需大于夹模长度。
通过大量实验数据验证，本发明提出的测量方法能够实现对航空导管弯曲段准确测量，为基于多相机测量系统的航空导管测量提供了关键技术支撑，为航空导管快速精确测量提供了技术途径。
所述的步骤S1在采集导管图像后，经过测量系统的初步采集、处理会获得导管的三维模型，再针对测量系统获得的导管模型进行优化、修正。
所述的步骤S1基于多目相机采集系统进行，其导管图像采集装置如图2所示，利用表面贴有圆形标志点的靶标对整个测量系统标定。
所述的步骤S2实际非标导管受加工工艺影响，导管的部分折弯段斜率变化较小，测量系统在导管初次重建过程中无法保证提取到所有折弯点，因此解算得到的折弯点会相比实际位置产生偏移或缺漏，为准确提取折弯点位置，在导管上构建圆柱模型。
所述的步骤S2的具体步骤如下：
a、圆柱模型轴线来表示管型，图3为经过重建后获得的导管示意图，图3中附图标记1、附图标记2的两个折弯点中间虽有折弯段，但因为折弯段斜率变化很小，并没有被测量系统检测、识别为折弯点；
b、如图4所示，相邻圆柱间的斜率变化关系可用两圆柱的轴线向量夹角表示：
Figure BDA0003588246860000061
其中θ为两个圆柱的中心轴线向量的夹角，
Figure BDA0003588246860000062
分别为圆柱S1和圆柱S2的中轴线的方向向量；
c、通过比对导管上各个相邻圆柱间的夹角变化，得出图4的导管斜率变化关系；
d、对斜率曲线进行一阶微分处理，求解极值点，即为折弯点，手工校正工艺后的非标管，对斜率曲线设置阈值范围：θ∈(θmin，θmax)∪(θmax，∞)，在两个阈值范围段分别求解斜率极值点，完成折弯点提取工作。
由图5可知，A点为导管上一折弯点位置，是相邻两圆柱的轴线向量交点，也是相邻区域内斜率变化最快的一点，通过图12斜率变化可知，图中A、B、C三点是斜率曲线的波峰位置，即在该位置的相邻区域内，该点的斜率变化最大，即该斜率点对应导管的折弯点。
如图2所示，示意了相机安装位置与测量方式。
所述的步骤S3中发现图6中原管型位置a1’为直线段上一点，a1为提取折弯点后该点位置，能够看出a1点应为折弯点。
图13为折弯点修复后的管型轴线，图6为修复折弯点示意图，图3管型对应的标准管型，弯管机生产该管所使用的管路模型图，折弯点1.2间应存在一折弯点，将图3管型与标准管型匹配，找出折弯点a1及其在图3管型中对应点a1’，将图3管型中a1’点坐标替换为a1点坐标，管型其他位置关系不变，再次输出导管模型图13。
因此为保证整体管型不受折弯点影响，会将匹配找出新增的折弯点位置坐标对应替换原模型中该点坐标，修正后重新输出导管模型，优化后的导管模型会更符合导管的实际结构特征，具体如图13所示。
所述的步骤S4的(1)拟合圆弧中，通过前面步骤确定管型折弯点特征，为非标管模型更好地匹配现有规格的弯管机工艺要求，需拟合、优化导管上各段的折弯半径，根据三维重建原理可知，折弯段靠近导管中轴线位置分布着很多离散点；为优化折弯半径，如图7所示，假定所有离散点可组成点集P，点集中所有点拟合圆，求解得到圆心O(A,B)，半径为R，点集P中任一离散点p(xi,yi)，其到拟合圆心o(A,B)的距离d，点p(xi,yi)到拟合圆弧距离为PD；
利用最小二乘法原理，以点集P中所有点到圆弧距离最短为约束条件，定义距离函数为PD长度的平方，具体如下：
Figure BDA0003588246860000071
令Q(a，b，c)为δi的平方和：
Figure BDA0003588246860000072
求解参数a,b,c，使得Q(a，b，c)的值最小；
如图8所示，为各离散点拟合的圆弧，圆心o，圆弧半径为R，圆的方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2
则：
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2
令：
a＝-2A
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
可得另一形式圆方程
x2+y2+ax+by+c＝0
即求解参数a,b,c，可知半径R参数：
Figure BDA0003588246860000081
Figure BDA0003588246860000082
Figure BDA0003588246860000083
结合Q(a，b，c)最小的约束条件，求解上述a,b两个参数后，得到圆弧半径R。
所述的步骤S4的(2)优化半径中，如图9所示，拟合圆得到的各个折弯段圆弧R值并不相同，目前用于生产的折弯机折弯半径仅有部分固定规格，具体如表1所示。因此为适应生产环境，需对前一步得到的拟合半径进一步优化，具体为：
表1常规工艺要求管径匹配关系
导管直径D/mm 折弯半径R/mm
8 1D/2D/3D
10 2.5D
16 3D
20 4.5D/6D
a、实际折弯半径Rx≤工艺折弯半径R；
b、实际折弯半径Rx>工艺折弯半径R。
所述的步骤S4的(2)的a中，为保证生产，要求该折弯半径对应的折弯点坐标沿导管方向后迁移，所有实际折弯半径Rx强制统一为与其数值最接近的工艺折弯半径R值。
所述的步骤S4的(2)的b中，如各实际折弯半径Rx与工艺折弯半径R值基本一致或者相差不大，便直接将各个圆弧半径R统一记做折弯半径R；如两者差值较大，则需要根据两者数值间的偏移量，将拆分一个圆弧半径为多个小圆弧半径，增加折弯段，如图10所示，将圆弧段拆分成为两个对称的小圆弧段和一个直线段部分，两个小圆弧段的圆弧直径与折弯半径R相同。
θ＝π-∠FAE
Figure BDA0003588246860000091
结合现有弯管机折弯工艺可知，保证拆分后的最小直线段长度满足夹模长度要求，可实现拆分后的折弯段加工，即：
如果L最小直线段≥L夹模长度＝1.5D，可对现有圆弧段进行拆分，具体如上(2)所示；
如果L最小直线段＜L夹模长度＝1.5D，则保证图10中C、L两点位置不变的情况下，强制将拟合圆弧段的实际折弯半径R修正为与其数值最接近的工艺折弯半径R，具体对应关系可参考表1。
所述的步骤S5中需要选定检索方向，自选定一侧挨个检测两两折弯点间直线段的长度，如直线段长度≥夹模长度，则忽略跳过；如直线段长度<夹模长度，为满足加工要求，沿折弯点A、B的连线方向，寻找另外一点B’，即延长该段导管的直线段长度，使其能满足直线段长度≥夹模长度。
受弯管机的夹具长度影响，为准确复现导管，需对导管的直线段长度进行限制、修正，一般弯管机可加工长度需大于夹模长度；具体如图11所示。连接B’C，继续判断该段直线段长度是否满足夹模生产要求，具体检测、修正原理同上。
至此，便完成了管型特征的全部校正工作；需注意的是，沿检索方向的末尾直线段不受夹模长度影响，因此不做工艺优化，经过以上过程后，输出的导管模型最大程度保证了原有管型的结构特点，又保证了可在现有弯管机上批量加工的生产需求。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：其具体步骤如下：
S1、采集导管图像：利用表面贴有圆形标志点的靶标对整个测量系统标定，标定完成，确定好相机的内外参数后，采集导管图像；
S2、提取折弯点：在导管上构建圆柱模型，通过相邻圆柱间的斜率变化关系，求解斜率极值点，确定折弯点位置；
S3、修正折弯点：根据步骤S2中提取得到的折弯点位置，与现有管型中各折弯点位置进行匹配，将匹配找出新增的折弯点位置坐标对应替换原模型中与新增的折弯点位置坐标最接近或一致的空间点坐标，修正后重新输出导管模型；
S4、优化折弯半径：
(1)拟合圆弧；
(2)优化半径；
S5、工艺优化：为准确复现导管，对导管的直线段长度进行限制、修正，弯管机可加工长度需大于夹模长度；
所述的步骤S4的(2)优化半径中，拟合圆得到的各个折弯段圆弧R值并不相同，目前用于生产的折弯机折弯半径仅有部分固定规格，具体为：
a、实际折弯半径Rx≤工艺折弯半径R；
b、实际折弯半径Rx>工艺折弯半径R；
所述的步骤S5中需要选定检索方向，自选定一侧挨个检测两两折弯点间直线段的长度；
如直线段长度≥夹模长度，则忽略跳过；如直线段长度<夹模长度，沿折弯点A、B的连线方向，寻找另外一点B’，即延长直线段长度小于夹模长度的导管直线段长度，使其能满足直线段长度≥夹模长度。
2.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S1在采集导管图像后，经过测量系统的初步采集、处理会获得导管的三维模型，再针对测量系统获得的导管模型进行优化、修正。
3.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S2的具体步骤如下：
a、圆柱模型轴线来表示管型，两个折弯点中间虽有折弯段，但因为折弯段斜率变化很小，并没有被测量系统检测、识别为折弯点；
b、相邻圆柱间的斜率变化关系用两圆柱的轴线向量夹角表示：
Figure FDA0004165675060000021
其中θ为两个圆柱的中心轴线向量的夹角，
Figure FDA0004165675060000022
分别为圆柱S1和圆柱S2的中轴线的方向向量；
c、通过比对导管上各个相邻圆柱间的夹角变化，得出导管斜率变化关系；
d、对斜率曲线进行一阶微分处理，求解极值点，即为折弯点，手工校正工艺后的非标管，对斜率曲线设置阈值范围：θ∈(θmin，θmax)∪(θmax，∞)，在两个阈值范围段分别求解斜率极值点，完成折弯点提取工作。
4.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S3中发现原管型位置a1’为直线段上一点，a1为提取折弯点后a1’点坐标位置，a1点为折弯点。
5.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S4的(1)拟合圆弧中，通过前面步骤确定管型折弯点特征，为非标管模型更好地匹配现有规格的弯管机工艺要求，需拟合、优化导管上各段的折弯半径，假定所有离散点可组成点集P，点集中所有点拟合圆，求解得到圆心O(A,B)，半径为R，点集P中任一离散点p(xi,yi)，其到拟合圆心o(A,B)的距离d，点p(xi,yi)到拟合圆弧距离为PD；
利用最小二乘法原理，以点集P中所有点到圆弧距离最短为约束条件，定义距离函数为PD长度的平方，具体如下：
Figure FDA0004165675060000023
令Q(a，b，c)为δi的平方和：
Figure FDA0004165675060000024
求解参数a,b,c，使得Q(a，b，c)的值最小；
为各离散点拟合的圆弧，圆心o，圆弧半径为R，圆的方程为：
(x-A)2+(y-B)2＝R2
则：
R2＝x2-2Ax+A2+y2-2By+B2
令：
a＝-2A
b＝-2B
c＝A2+B2-R2
可得另一形式圆方程
x2+y2+ax+by+c＝0
即求解参数a,b,c，可知半径R参数：
Figure FDA0004165675060000031
Figure FDA0004165675060000032
Figure FDA0004165675060000033
结合Q(a，b，c)最小的约束条件，求解上述a,b两个参数后，得到圆弧半径R。
6.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S4的(2)的a中，该折弯半径对应的折弯点坐标沿导管方向后迁移，所有实际折弯半径Rx强制统一为与其数值最接近的工艺折弯半径R值。
7.根据权利要求1所述的一种航空非标导管优化测量方法，其特征在于：所述的步骤S4的(2)的b中，如各实际折弯半径Rx与工艺折弯半径R值基本一致或者相差不大，便直接将各个圆弧半径R统一记做折弯半径R；如两者差值较大，则需要根据两者数值间的偏移量，将拆分一个圆弧半径为多个小圆弧半径，增加折弯段，将圆弧段拆分成为两个对称的小圆弧段和一个直线段部分，两个小圆弧段的圆弧直径与折弯半径R相同。
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