CN116182724A - 一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自动化数字测量技术领域，解决了现有技术对于机翼对缝间隙和阶差测量准确性低以及自动化程度低的技术问题，尤其涉及一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法，包括以下步骤：S1、完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作；S2、工控机启动伺服电机并通过同步带驱动移动滑台，激光测量头在移动滑台沿着滑轨运动的同时对待测机翼对缝处进行扫描得到二维线点云数据；S3、工控机中的测量软件采用滑轨式测量方法根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果。本发明提高了飞机机翼蒙皮对缝间隙和阶差测量的自动化程度和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及自动化数字测量技术领域，尤其涉及一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法及装置。
背景技术
机翼上的蒙皮分布有许多对缝，对缝的间隙和阶差对飞机的飞行性能影响重大，因此必须对蒙皮对缝的间隙和阶差有严格要求，来保证飞机的飞行性能。然而，受飞机蒙皮尺寸大，蒙皮材料为易变形的钣金件和复合材料，零件存在制造误差，装配存在积累误差等因素影响，装配后的蒙皮对缝间隙和阶差可能会达不到具体要求，从而对飞机飞行性能造成不利影响。因此，对飞机机翼蒙皮对缝间隙和阶差进行测量是必要的。
塞尺测量是传统的机翼对缝测量方法，此方法对测量人员的技术要求高，测量精度差，效率低。随着数字化测量技术的发展，国内外许多学者研究出了飞机蒙皮对缝的数字化测量方法和装置，所用装置大多数是由扫描仪、控制柜、支撑装置、电源箱、计算机等组成的非整体式装置，设备不便于移动，自动化程度不高，不便于对飞机机翼蒙皮对缝进行长距离的测量。
所用方法为手持或小车类移动装置夹持扫描仪扫描，测量精度难以保证。也有学者研究出便携式的手持测量装置，虽然利于对大尺寸长距离的测量对象进行测量，但是由于测量人员难以保证激光线与被测间隙方向始终保持垂直，测量准确性仍然难以保证。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供了一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法及装置，解决了现有技术对于机翼对缝间隙和阶差测量准确性低以及自动化程度低的技术问题，提高了飞机机翼蒙皮对缝间隙和阶差测量的自动化程度和准确性。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法，包括以下步骤：
S1、完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作；
S2、工控机启动伺服电机并通过同步带驱动移动滑台，激光测量头在移动滑台沿着滑轨运动的同时对待测机翼对缝处进行扫描得到二维线点云数据；
S3、工控机中的测量软件采用滑轨式测量方法根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果。
进一步地，在步骤S1中，完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作，具体过程包括以下步骤：
S11、将测量装置安装于待测机翼对缝处，使滑轨与对缝平行；
S12、将真空吸盘吸附于机翼表面使测量装置固定，通过旋转调节螺栓并观察水平尺状态使测量装置处于水平位置；
S13、打开电源开关接通电源，将激光测量头对准待测机翼对缝，确保对缝在激光扫描范围内；
S14、打开工控机中的上位机软件，设定移动滑台移动速度。
进一步地，在步骤S3中，根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果，具体过程包括以下步骤：
S31、将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云；
S32、对三维面点云数据去噪和滤波处理得到处理后的三维面点云数据；
S33、根据处理后的三维面点云数据提取特征点并拟合平面；
S34、根据拟合平面计算出所测机翼对缝处的间隙和阶差。
该技术方案还提供了一种用于实现上述滑轨式测量方法的装置，该测量装置包括可拆卸安装在机翼测量位置上的连接组件，用于扫描待测机翼对缝处的激光测量头以及工控机，在连接组件上设有同步带滑台主体，所述同步带滑台主体上滑动安装有移动滑台，在同步带滑台主体上安装有用于通过同步带驱动移动滑台均速运动的伺服电机，所述伺服电机由所述工控机控制，所述移动滑台上安装有激光头夹持治具，所述激光头夹持治具用于夹持激光测量头，由激光测量头完成对待测机翼对缝处的扫描，并将扫描结果反馈给工控机进行点云数据处理并输出计算结果，在同步带滑台主体上安装有用于为伺服电机、工控机供电的锂电池A。
进一步地，所述连接组件包括用于吸附固定在机翼表面上的真空吸盘，在同步带滑台主体底部的两侧均安装有用于支撑测量装置的支架，所述支架和真空吸盘之间设有用于调节同步带滑台主体高度并处于水平状态的调节螺栓。
进一步地，所述同步带滑台主体包括做为安装载体的滑台架，所述滑台架上安装有滑轨和水平尺，且伺服电机、工控机和锂电池A均安装在滑台架上，所述水平尺安装于滑轨一侧的中部。
进一步地，所述移动滑台滑动安装在滑轨上，移动滑台的底部与同步带的一侧固定连接，由所述伺服电机驱动，并由其上滚轮沿滑轨滚动导向，在移动滑台的两侧均安装有一行程开关触头。
进一步地，所述激光头夹持治具包括万向座和夹头，万向座固定安装在移动滑台的顶部，夹头用于夹持激光测量头并安装在万向座的活动端上，激光测量头通过万向座调节高度和方向。
进一步地，所述激光测量头包括锂电池B和线激光器。
借由上述技术方案，本发明提供了一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法及装置，至少具备以下有益效果：
1、本发明具有高效高精度、数字化、智能化等特点，能够自动高效地完成长距离的机翼对缝扫描测量，提高了机翼对缝间隙和阶差测量自动化程度和准确性，减少了测量所需设备数量，有效提高了机翼对缝间隙和阶差测量效率。
2、本发明所提出的测量方法对首先将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云，再对面点云数据去噪和滤波，其次提取特征点并拟合平面，最后计算出所测机翼对缝的间隙和阶差，极大地减小了扫描数据误差，提高了测量效率和准确性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明滑轨式测量方法的流程图；
图2为本发明滑轨式测量装置的结构示意图。
图中：1、连接组件；11、真空吸盘；12、调节螺栓；13、支架；2、同步带滑台主体；3、伺服电机；4、移动滑台；5、激光头夹持治具；51、万向座；52、夹头；6、激光测量头；61、锂电池B；62、线激光器；7、工控机；8、锂电池A。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。借此对本申请如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
背景概述
飞机机翼通过其上下表面气流流速差异而产生的压强差为飞机提供升力，是飞机的主要受力部件，而机翼上所受的力直接作用于机翼蒙皮。蒙皮主要通过粘接剂或铆钉固定于机翼骨架外围，在保持机翼气动外形的同时，还必须承受足够的局部气动力。机翼上的蒙皮分布有许多对缝，对缝的间隙和阶差对飞机的飞行性能影响重大，因此必须对蒙皮对缝的间隙和阶差有严格要求，来保证飞机的飞行性能。
然而，受飞机蒙皮尺寸大，蒙皮材料为易变形的钣金件和复合材料，零件存在制造误差，装配存在积累误差等因素影响，装配后的蒙皮对缝间隙和阶差可能会达不到具体要求，从而对飞机飞行性能造成不利影响。因此，对飞机机翼蒙皮对缝间隙和阶差进行测量是必要的。
塞尺测量是传统的机翼对缝测量方法，此方法对测量人员的技术要求高，测量精度差，效率低。随着数字化测量技术的发展，国内外许多学者研究出了飞机蒙皮对缝的数字化测量方法和装置，所用装置大多数是由扫描仪、控制柜、支撑装置、电源箱、计算机等组成的非整体式装置，设备不便于移动，自动化程度不高，不便于对飞机机翼蒙皮对缝进行长距离的测量。
所用方法为手持或小车类移动装置夹持扫描仪扫描，测量精度难以保证。也有学者研究出便携式的手持测量装置，虽然利于对大尺寸长距离的测量对象进行测量，但是由于测量人员难以保证激光线与被测间隙方向始终保持垂直，测量准确性仍然难以保证。
基于上述背景概述的内容，本实施例为解决现有技术对于机翼对缝间隙和阶差测量准确性低以及自动化程度低的技术问题，提出一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法及装置，以提高飞机机翼蒙皮对缝间隙和阶差测量的自动化程度和准确性。
请参照图1-图2，示出了本实施例的一种具体实施方式，本实施例所提出的测量方法对首先将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云，再对面点云数据去噪和滤波，其次提取特征点并拟合平面，最后计算出所测机翼对缝的间隙和阶差，极大地减小了扫描数据误差，提高了测量效率和准确性。
请参照图1，本实施例提出了一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法，包括以下步骤：
S1、完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作；
在步骤S1中，完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作，具体过程包括以下步骤：
S11、将测量装置安装于待测机翼对缝处，使滑轨与对缝平行；
S12、将真空吸盘吸附于机翼表面使测量装置固定，通过旋转调节螺栓并观察水平尺状态使测量装置处于水平位置；
S13、打开电源开关接通电源，将激光测量头对准待测机翼对缝，确保对缝在激光扫描范围内；
S14、打开工控机中的上位机软件，设定移动滑台移动速度，移动滑台的移动速度可根据现场测量需求进行设定，在本实施例中，移动滑台4持续匀速运动1m重复定位精度满足0.1mm，满足线激光器62的测量精度能够达到0.03m即可。
S2、工控机启动伺服电机并通过同步带驱动移动滑台，激光测量头在移动滑台沿着滑轨运动的同时对待测机翼对缝处进行扫描得到二维线点云数据；
S3、工控机中的测量软件采用滑轨式测量方法根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果。
在步骤S3中，根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果，具体过程包括以下步骤：
S31、将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云；
具体的，基于线激光采集频率f，结合激光测量头的移动速度v以及运动t时间，即激光测量头采集的原始二维线点云数据配合移动滑台的匀速运动编码拼接为三维点云数据，相邻帧线激光数据沿着运动方向的编码距离
将线二维点云拼接成三维面点云。
S32、对三维面点云数据去噪和滤波处理得到处理后的三维面点云数据；
具体的，对三维面点云数据去噪处理：
设Pi,j、Pi,j-1、Pi,j+1为面点云上选取的三个点，计算Pi,j到Pi,j-1与Pi,j+1连线的距离di，计算公式如下：
对所有点进行同样处理，计算di-di-1的值，将值大于设定阈值δ的点除去并重新排序面点云上的点。
重复上述计算直至处理完所有三维面点云数据。
具体的，对三维面点云数据滤波处理：
计算双边滤波权因子α，计算公式如下：
其中，N(pi)为点pi的邻域，Pi,j为点pi邻域中任意一点，
表示过点pi的法向量，wc、ws分别为与两点间距离和两点间法向量夹角有关的权重因子，可计算滤波后的点
重复计算直至处理完所有三维面点云数据。
S33、根据处理后的三维面点云数据提取特征点并拟合平面；
具体的，提取特征点拟合平面：
假设单条扫描线上单侧共n个点，设li0、li1、li2分别为点Pi、Pi+1、Pi+2到前i-1(i≥10)个点拟合出的方程为
的空间直线距离，设定一个阈值距离d；
利用条件极值的拉格朗日乘数法计算：
上式中，
Pi,j为单侧扫描线上的点(1≤i≤m，1≤j≤n，m为扫描线总数)，Pi,s为临界点；
将单侧扫描线上的点Pi,j(1≤i≤m，1≤j≤s-1)拟合出一个平面方程Ax+By+Cz+D＝0。
S34、根据拟合平面计算出所测机翼对缝处的间隙和阶差；
具体的，计算所测机翼对缝处的阶差：
计算临界点Pi,s的前一个点Pi,s-1到拟合平面的距离
其中Fi＝|(Axi,s-1+Byi,s-1+Czi,s-1+D)|,(xi,s-1,yi,s-1,zi,s-1)为Pi,s-1的空间坐标，可计算出阶差为
具体的，计算所测机翼对缝处的间隙：
计算临界点的距离
其中/>
(xi,s,yi,s,zi,s)为Pi,s的空间坐标，可计算出间隙/>
具体的，上位机软件发送指令到控制卡，控制卡与伺服电机相连接将指令传达到伺服电机，实现对伺服电机相关运动状态的控制，同时实时获取伺服电机相关属性参数，并传输给测量软件。
测量软件通过执行步骤S3的计算方法根据运动参数将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云，再对面点云数据去噪和滤波，其次提取特征点并拟合平面，最后计算出所测机翼对缝的间隙和阶差，并显示计算结果。
请参照图2，基于上述所提出的滑轨式测量方法，本实施例还提供了一种用于实现上述滑轨式测量方法的装置，该测量装置包括可拆卸安装在机翼测量位置上的连接组件1，用于扫描待测机翼对缝处的激光测量头6以及工控机7，在连接组件1上设有同步带滑台主体2，同步带滑台主体2上滑动安装有移动滑台4，在同步带滑台主体2上安装有用于通过同步带驱动移动滑台4均速运动的伺服电机3，伺服电机3由工控机7控制，移动滑台4上安装有激光头夹持治具5，激光头夹持治具5用于夹持激光测量头6，由激光测量头6完成对待测机翼对缝处的扫描，并将扫描结果反馈给工控机7进行点云数据处理并输出计算结果，在同步带滑台主体2上安装有用于为伺服电机3、工控机7供电的锂电池A8。
连接组件1包括用于吸附固定在机翼表面上的真空吸盘11，在同步带滑台主体2底部的两侧均安装有用于支撑测量装置的支架13，支架13和真空吸盘11之间设有用于调节同步带滑台主体2高度并处于水平状态的调节螺栓12。
具体的，真空吸盘11可吸附于机翼表面固定位置，并通过调节螺栓12与支架连接；支架13与同步带滑台主体2相连接起支撑整个装置作用；调节螺栓12有一定的长度，可调节整个测量装置的高度并使真空吸盘11与支架13的相对位置，使整个测量装置处于水平位置，利于保证激光测量头6发出的激光线完全覆盖到测量区域。
同步带滑台主体2包括做为安装载体的滑台架，滑台架上安装有滑轨和水平尺，且伺服电机3、工控机7和锂电池A8均安装在滑台架上，水平尺安装于滑轨一侧的中部，用于判断测量装置是否处于水平位置。
移动滑台4滑动安装在滑轨上，移动滑台4的底部与同步带的一侧固定连接，由伺服电机3驱动，并由其上滚轮沿滑轨滚动导向，移动滑台4持续匀速运动1m重复定位精度满足0.1mm，在移动滑台4的两侧均安装有一行程开关触头，当其运动至行程开关触头与同步带滑台主体2相接触时，位于其底部的行程开关触头动作关闭电源，使移动滑台4停止运动，避免与同步带滑台主体2产生碰撞。
激光头夹持治具5包括万向座51和夹头52，万向座51固定安装在移动滑台4的顶部，夹头52用于夹持激光测量头6并安装在万向座51的活动端上，激光测量头6通过万向座51调节高度和方向。
万向座51使得其通过夹头52所夹持的激光测量头6的高度和方向均可调节，便于保证激光线与被测对缝间隙保持垂直，同时也扩大了装置的适用范围。
激光测量头6包括锂电池B61和线激光器62，线激光器62采用主动式的结构光原理，测量精度能够达到0.03m。
工控机7根据设定的移动滑台移动速度控制伺服电机3驱动移动滑台4，并对线激光器62采集待测面对缝区域的点云数据进行分析，结合滑轨装置运动精度高的特点将二维线点云拼接成三维面点云，对拼接的点云数据去噪和滤波，其次提取特征点并拟合平面，最后计算出所测机翼对缝的间隙和阶差。
本实施例所提供的测量装置结合了线性滑轨直线运动精度高、运动状态易于控制的特点，创新性的构建了一套高性能的运动执行机构；通过非接触式的线激光完成飞机机翼实际物理信息的获取，线激光由光编码器触发保证得到高质量的数据点云，其次将线点云拼接为面点云，去除面点云数据噪声并滤波，识别并提取出临界点，最后计算出所测机翼对缝的间隙阶差，实现机翼对缝间隙阶差的全自动化测量。
本实施例具有高效高精度、数字化、智能化等特点，能够自动高效地完成长距离的机翼对缝扫描测量，提高了机翼对缝间隙阶差测量自动化程度，减少了测量所需设备数量，有效提高了机翼对缝间隙阶差测量效率。
以上实施方式对本发明进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种面向飞机机翼的滑轨式测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作；
S2、工控机启动伺服电机并通过同步带驱动移动滑台，激光测量头在移动滑台沿着滑轨运动的同时对待测机翼对缝处进行扫描得到二维线点云数据；
S3、工控机中的测量软件采用滑轨式测量方法根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果。
2.根据权利要求1所述的滑轨式测量方法，其特征在于：在步骤S1中，完成测量装置对机翼对缝处扫描的前期处理操作，具体过程包括以下步骤：
S11、将测量装置安装于待测机翼对缝处，使滑轨与对缝平行；
S12、将真空吸盘吸附于机翼表面使测量装置固定，通过旋转调节螺栓并观察水平尺状态使测量装置处于水平位置；
S13、打开电源开关接通电源，将激光测量头对准待测机翼对缝，确保对缝在激光扫描范围内；
S14、打开工控机中的上位机软件，设定移动滑台移动速度。
3.根据权利要求1所述的滑轨式测量方法，其特征在于：在步骤S3中，根据二维线点云数据计算所测机翼对缝处的间隙和阶差并输出测量结果，具体过程包括以下步骤：
S31、将传入的二维线点云数据拼接为三维面点云；
S32、对三维面点云数据去噪和滤波处理得到处理后的三维面点云数据；
S33、根据处理后的三维面点云数据提取特征点并拟合平面；
S34、根据拟合平面计算出所测机翼对缝处的间隙和阶差。
4.一种用于实现上述权利要求1-3任一项所述的滑轨式测量方法的装置，其特征在于，该测量装置包括可拆卸安装在机翼测量位置上的连接组件(1)，用于扫描待测机翼对缝处的激光测量头(6)以及工控机(7)，
在连接组件(1)上设有同步带滑台主体(2)，所述同步带滑台主体(2)上滑动安装有移动滑台(4)，在同步带滑台主体(2)上安装有用于通过同步带驱动移动滑台(4)均速运动的伺服电机(3)，所述伺服电机(3)由所述工控机(7)控制，
所述移动滑台(4)上安装有激光头夹持治具(5)，所述激光头夹持治具(5)用于夹持激光测量头(6)，由激光测量头(6)完成对待测机翼对缝处的扫描，并将扫描结果反馈给工控机(7)进行点云数据处理并输出计算结果，在同步带滑台主体(2)上安装有用于为伺服电机(3)、工控机(7)供电的锂电池A(8)。
5.根据权利要求4所述的滑轨式测量装置，其特征在于：所述连接组件(1)包括用于吸附固定在机翼表面上的真空吸盘(11)，在同步带滑台主体(2)底部的两侧均安装有用于支撑测量装置的支架(13)，所述支架(13)和真空吸盘(11)之间设有用于调节同步带滑台主体(2)高度并处于水平状态的调节螺栓(12)。
6.根据权利要求4所述的滑轨式测量装置，其特征在于：所述同步带滑台主体(2)包括做为安装载体的滑台架，所述滑台架上安装有滑轨和水平尺，且伺服电机(3)、工控机(7)和锂电池A(8)均安装在滑台架上，所述水平尺安装于滑轨一侧的中部。
7.根据权利要求4所述的滑轨式测量装置，其特征在于：所述移动滑台(4)滑动安装在滑轨上，移动滑台(4)的底部与同步带的一侧固定连接，由所述伺服电机(3)驱动，并由其上滚轮沿滑轨滚动导向，在移动滑台(4)的两侧均安装有一行程开关触头。
8.根据权利要求4所述的滑轨式测量装置，其特征在于：所述激光头夹持治具(5)包括万向座(51)和夹头(52)，万向座(51)固定安装在移动滑台(4)的顶部，夹头(52)用于夹持激光测量头(6)并安装在万向座(51)的活动端上，激光测量头(6)通过万向座(51)调节高度和方向。
9.根据权利要求4或8所述的滑轨式测量装置，其特征在于：所述激光测量头(6)包括锂电池B(61)和线激光器(62)。
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| CN105841631A (zh) * | 2016-03-22 | 2016-08-10 | 中国神华能源股份有限公司 | 三维激光扫描设备以及方法 |
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| 王文辉: "自主移动式对缝测量平台设计与开发", 《中国优秀硕士学位论文全文数据库 工程科技II辑》 * |
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