CN117213365B - 一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请属于飞机制造技术领域，尤其涉及一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，包括如下步骤：蒙皮检测工装上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点，在超声测厚仪探头设置若干摄影测量反光标志点，探头触及蒙皮待测点后同步触发相机阵列与超声测厚仪采集图像数据、厚度数据。本申请能够快速、准确地测量蒙皮自由状态下的贴模度，真实反映蒙皮制造质量。在飞机蒙皮装配过程中不易引入较大的装配应力，飞机在航行过程中的高速机动也不易促使蒙皮承受交变的疲劳载荷。

Description

一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法

技术领域

本申请属于飞机制造技术领域，尤其涉及一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法。

背景技术

飞机蒙皮制造装配质量是飞机气动性能的关键因素，在制造阶段要严格控制飞机蒙皮与理论外形的偏差。

由于飞机蒙皮外形复杂，尺寸大，厚度小，刚性差，离开成形模胎后变形较大，所以在其外形检测过程中，常规的检测方法给其一定的辅助压紧力将其可靠固定定位在卡板上，比较轮廓边界和刻线的相对位置偏移，同时以塞尺评估边界处蒙皮贴模情况。

传统的检测方法无法真实反映零件自由状态下的贴模情况，施加外力作用后的蒙皮外形非零件真实状态，导致飞机蒙皮装配过程中引入较大的装配应力，飞机在航行过程中的高速机动会促使蒙皮承受交变的疲劳载荷。真实状态下的蒙皮外形对于蒙皮装配过程应力的控制至关重要。专利“一种大尺寸复合材料构件贴模度非接触式检测方案”提出了采用相机获取零件、模具外形的方案，但该方案采集外形的方式操作繁琐，需分步采集厚度、外形等数据，对数据处理人员的要求高，不能实现实时结果输出，无法满足生产现场的效率要求。基于上述分析，急需一种蒙皮检测方法，快速、准确地测量蒙皮自由状态下的贴模度，真实反映蒙皮制造质量。

发明内容

为了克服现有的技术存在的上述问题，现在提出一种步骤简便、结果准确、效率高的飞机蒙皮贴模度在线检测方法。

为实现上述技术效果，本申请的技术方案如下：

一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，包括如下步骤：

蒙皮检测工装上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点，在超声测厚仪探头设置若干摄影测量反光标志点，探头触及蒙皮待测点后同步触发相机阵列与超声测厚仪采集图像数据、厚度数据。

进一步地，具体步骤为：

1)使用三维扫描工具扫描检测蒙皮检测工装外形数据以及包络蒙皮检测工装的摄影测量基准点数据，在工装坐标系o-xyz下，将外形数据、基准点数据记为集合B，基准点集合记为Ω_Base＝{b₁…b_n|n≥5}，其中Ω_Base∈B；

其中b_n为第n个基准点编号；

2)在蒙皮检测工装设置若干相机构建相机阵列，保证蒙皮检测工装上任意点至少两台相机可视；

3)超声测厚仪探头与待测蒙皮接触，在任意待测点p_i处同时触发测厚仪与相机阵列，可获取厚度数据、基准点坐标、探头接触点坐标及该区域近似法线向量，以及基准点实测坐标Ω_i＝{b_i1…b_in|n≥5}，其中b_in为第i次测量中，第n个基准点在当前测量坐标系下的三维坐标，将测量数据恢复至工装坐标系o-xyz下，此时记厚度值δ_i，测量点p_i的坐标为p_i＝[x_j,y_j,z_j]^T，p_i邻域内的近似法线向量为

4)工装坐标系o-xyz下，过点p_i并以为方向向量构建直线方程f(x_i,y_i,z_i)＝0，在点集B中检索距离直线f(x_i,y_i,z_i)＝0最小距离点，记为p_i′；

5)检测点p_i处的贴模度记为λ_i＝||p_i-p_i′||-δ_i，检测点位置可依据检测点测量坐标定位、追溯；

其中δ_i为检测点p_i处的蒙皮厚度测量值；

6)更换待测蒙皮，重复步骤3)至步骤6)，实现批量蒙皮的快速测量。

进一步地，步骤3)中的超声测厚仪上p_i点及其法线向量在o_c-x_cy_cz_c坐标系下经过事先标定，p_i点坐标可通过测厚仪空间位姿解算。

再进一步地，超声测厚仪周围设置环形支架，使探头与蒙皮接触时测厚仪轴线与接触区域法线近似重合。

进一步地，步骤3)中，为实现测量坐标系到工装坐标系o-xyz的变换，通过求迭代最近点算法求解基准点集Ω_i与Ω_Base之间的匹配关系，

其中：b_j为第j个基准点在工装坐标系下的坐标，b_j＝[x_j,y_j,z_j]^T，存放于点集Ω_Base中；R为旋转矩阵，t为平移向量；

b_ij为第j个基准点在当前测量坐标系下的坐标，b_ij＝[x_ij,y_ij,z_ij]^T，存放于点集Ω_i中；

再进一步地，构建最小二乘问题，求解误差平方和达到最小时的R，t：

其次定义两组点的质心坐标：

将两组质心带入方程，处理误差函数得到如下误方程：

计算两组点的质心坐标b,b_i，然后计算每个点的去质心坐标：

c_j＝b_j-b,d_j＝b_ij-b_i。

更进一步地，根据以下优化问题求解旋转矩阵:

定义一个3×3的矩阵对W进行SVD分解得到：

W＝U∑V^T

其中，∑为奇异值组成的对角矩阵，对角元素从大到小排列，而U,V为对角矩阵，当W为满秩时有：

R＝UV^T

t＝b-Rb_i

即可得到旋转矩阵R和平移向量t。

本申请的优点为：

本申请能够快速、准确地测量蒙皮自由状态下的贴模度，真实反映蒙皮制造质量。在飞机蒙皮装配过程中不易引入较大的装配应力，飞机在航行过程中的高速机动也不易促使蒙皮承受交变的疲劳载荷。

附图说明

图1是系统布局图，1-蒙皮检测工装，2-摄影测量基准点，3-相机阵列，4-超声测厚仪探头，5-环形支架，6-摄影测量反光标志点，7-待测蒙皮。

图2是贴模度计算示意图。

图3是交点搜索示意图。32-测厚仪轴线，33-测量点云。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例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申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请中的实施例，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，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“竖直”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本申请的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

实施例1

一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，包括如下步骤：蒙皮检测工装1上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点2，在超声测厚仪探头4设置若干摄影测量反光标志点6，探头触及蒙皮待测点后同步触发相机阵列3与超声测厚仪采集图像数据、厚度数据。本申请能够快速、准确地测量蒙皮自由状态下的贴模度，真实反映蒙皮制造质量。在飞机蒙皮装配过程中不易引入较大的装配应力，飞机在航行过程中的高速机动也不易促使蒙皮承受交变的疲劳载荷。

实施例2

一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，包括如下步骤：

蒙皮检测工装1上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点2，在超声测厚仪探头4设置若干摄影测量反光标志点6，探头触及蒙皮待测点后同步触发相机阵列3与超声测厚仪采集图像数据、厚度数据。

具体步骤为：

1)使用三维扫描工具扫描检测蒙皮检测工装1外形数据以及包络蒙皮检测工装1的摄影测量基准点2数据，在工装坐标系o-xyz下，将外形数据、基准点数据记为集合B，基准点集合记为Ω_Base＝{b₁…b_n|n≥5}，其中Ω_Base∈B；

其中b_n为第n个基准点编号；

2)在蒙皮检测工装1设置若干相机构建相机阵列3，保证蒙皮检测工装1上任意点至少两台相机可视；

3)如图2所示，超声测厚仪探头4与待测蒙皮7表面接触，在任意待测点p_i处同时触发测厚仪与相机阵列3，可获取厚度数据、基准点坐标、探头接触点坐标及该区域近似法线向量，以及基准点实测坐标Ω_i＝{b_i1…b_in|n≥5}，其中b_in为第i次测量中，第n个基准点在当前测量坐标系下的三维坐标，将测量数据恢复至工装坐标系o-xyz下，此时记厚度值δ_i，测量点p_i的坐标为p_i＝[x_j,y_j,z_j]^T，p_i邻域内的近似法线向量为

4)如图3所示，过点p_i并以为方向向量构建直线方程f(x_i,y_i,z_i)＝0，此直线则为测厚仪轴线32，工装坐标系o-xyz下，在工装型面在轴线邻域内的测量点云33中检索距离直线f(x_i,y_i,z_i)＝0的最小距离点，记为p_i′；

5)检测点p_i处的贴模度记为λ_i＝||p_i-p_i′||-δ_i，检测点位置可依据检测点测量坐标定位、追溯；

其中δ_i为检测点p_i处的蒙皮厚度测量值；

6)更换待测蒙皮7，重复步骤3)至步骤6)，实现批量蒙皮的快速测量。

进一步地，步骤3)中的超声测厚仪上p_i点及其法线向量在o_c-x_cy_cz_c坐标系下经过事先标定，p_i点坐标可通过测厚仪空间位姿解算。

超声测厚仪周围设置环形支架5，使探头与蒙皮接触时测厚仪轴线32与接触区域法线近似重合。

步骤3)中，为实现测量坐标系到工装坐标系o-xyz的变换，通过求迭代最近点算法求解基准点集Ω_i与Ω_Base之间的匹配关系，

其中：b_j为第j个基准点在工装坐标系下的坐标，b_j＝[x_j,y_j,z_j]^T，存放于点集Ω_Base中；R为旋转矩阵，t为平移向量；

b_ij为第j个基准点在当前测量坐标系下的坐标，b_ij＝[x_ij,y_ij,z_ij]^T，存放于点集Ω_i中；

构建最小二乘问题，求解误差平方和达到最小时的R，t：

其次定义两组点的质心坐标：

将两组质心带入方程，处理误差函数得到如下误方程：

计算两组点的质心坐标b,b_i，然后计算每个点的去质心坐标：

c_j＝b_j-b,d_j＝b_ij-b_i。

根据以下优化问题求解旋转矩阵:

定义一个3×3的矩阵对W进行SVD分解得到：

W＝U∑V^T

其中，∑为奇异值组成的对角矩阵，对角元素从大到小排列，而U,V为对角矩阵，当W为满秩时有：

R＝UV^T

t＝b-Rb_i

即可得到旋转矩阵R和平移向量t。

实施例3

如图1所示，蒙皮检测工装1周围布置规定安装相机系统，基于多台相机组网构建可以覆盖检测工装的测量场，对可视空间内的反光标志点进行坐标测量。同时，在蒙皮检测工装1上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点2，在超声测厚仪探头4设置若干摄影测量反光标志点6，探头周围设置环形支架5，保证探头与蒙皮接触时测厚仪轴线32与该区域蒙皮法线近似重合。

1)首先，使用三维扫描工具扫描检测工装外形数据以及包络蒙皮工装的摄影测量基准点2数据，在工装坐标系o-xyz下，将外形数据、基准点数据记为集合B，基准点集合记为Ω_Base＝{b₁…b_n|n≥5}，其中Ω_Base∈B，Ω_Base数据作为工装坐标系恢复的基准；

2)将蒙皮置于工装上后，对于其中任意待测点p_i，将超声探头与蒙皮上的p_i点接触，同时调整超声测厚仪姿态使环形支架5与p_i点周围蒙皮接触；

3)触发相机阵列3拍摄检测区域图像，获取视野范围内所有摄影测量反光标志点6坐标数据并记为集合C，在同一时刻读取测厚仪厚度测量数据。在当前测量坐标系下，基准点实测坐标Ω_i＝{b_i1…b_in|n≥5,Ω_i∈C}(b_in为第i次测量中，第n个基准点在当前测量坐标系下的三维坐标)。为实现测量坐标系到工装坐标系o-xyz的变换，可通过求迭代最近点算法求解基准点集Ω_i与Ω_Base之间的匹配关系，因此需寻找一个旋转矩阵R和一个平移向量t使得，第j个基准点在测量坐标系和工装坐标系下存在以下关系，以下求解过程以业内公开、常识性的SVD方法为例，仅于解释求解过程：

其中：b_j为第j个基准点在工装坐标系下的坐标，b_j＝[x_j,y_j,z_j]^T，存放于点集Ω_Base中；

b_ij为第j个基准点在当前测量坐标系下的坐标，b_ij＝[x_ij,y_ij,z_ij]^T，存放于点集Ω_i中；

然后构建最小二乘问题，求解误差平方和达到最小时的R，t

其次定义两组点的质心坐标：

将两组质心带入方程，处理误差函数得到如下误方程：

计算两组点的质心坐标b,b_i，然后计算每个点的去质心坐标：

c_j＝b_j-b,d_j＝b_ij-b_i

根据以下优化问题求解旋转矩阵:

定义一个3×3的矩阵对W进行SVD分解得到：

W＝U∑V^T

其中，∑为奇异值组成的对角矩阵，对角元素从大到小排列，而U,V为对角矩阵，当W为满秩时有：

R＝UV^T

t＝b-Rb_i

即可得到旋转矩阵R和平移向量t。

4)集合C中的数据点通过步骤3)得到的转矩阵R和平移向量t转换到工装坐标系o-xyz下，此时，探头与蒙皮的接触点(测量点)p_i＝[x_j,y_j,z_j]^T，p_i邻域内近似法线向量为构建直线方程f(x_i,y_i,z_i)＝0；

5)如图3所示，在点集B中检索距离直线f(x_i,y_i,z_i)＝0最小距离点，记为p_i′＝[x_i′,y_i′,z_i′]，检测点p_i处的贴模度记为λ_i＝||p_i-p_i′||-δ_i，即：

6)将测量点的结果在工装坐标系下以点位坐标索引进行记录，如p_i((x_i,y_i,z_i)|λ_i|δ_i)。

Claims (6)

1.一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：包括如下步骤，

蒙皮检测工装(1)上设置可包络蒙皮边界的摄影测量基准点(2)，在超声测厚仪探头(4)设置若干摄影测量反光标志点(6)，探头触及蒙皮待测点后同步触发相机阵列(3)与超声测厚仪采集图像数据、厚度数据，完成蒙皮的快速测量；

具体步骤为：

1)使用三维扫描工具扫描检测蒙皮检测工装(1)外形数据以及包络蒙皮检测工装(1)的摄影测量基准点(2)数据，在工装坐标系o-xyz下，将外形数据、基准点数据记为集合B，基准点集合记为Ω_Base＝{b₁...b_n|n≥5}，其中Ω_Base∈B；

其中b_n为第n个基准点编号；

2)在蒙皮检测工装(1)设置若干相机构建相机阵列(3)，保证蒙皮检测工装(1)上任意点至少两台相机可视；

3)超声测厚仪探头(4)与待测蒙皮(7)接触，在任意待测点p_i处同时触发测厚仪与相机阵列(3)，获取厚度数据、基准点坐标、探头接触点坐标及该探头接触点处的蒙皮近似法线向量，以及基准点实测坐标Ω_i＝{b_i1...b_in|n≥5}，其中b_in为第i次测量中，第n个基准点在当前测量坐标系下的三维坐标，将测量数据恢复至工装坐标系o-xyz下，此时记厚度值δ_i，测量点p_i的坐标为p_i＝[x_j,y_j,z_j]^T，p_i邻域内的近似法线向量为

4)工装坐标系o-xyz下，过点p_i并以为方向向量构建直线方程f(x_i,y_i,z_i)＝0，在点集B中检索距离直线f(x_i,y_i,z_i)＝0最小距离点，记为p_i′；

5)检测点p_i处的贴模度记为λ_i＝||p_i-p_i′||-δ_i，检测点位置可依据检测点测量坐标定位、追溯；

其中δ_i为检测点p_i处的蒙皮厚度测量值；

6)更换待测蒙皮(7)，重复步骤3)至步骤6)，实现批量蒙皮的快速测量。

2.根据权利要求1所述的一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：步骤3)中的超声测厚仪上p_i点及其法线向量在o_c-x_cy_cz_c坐标系下经过事先标定，p_i点坐标可通过测厚仪空间位姿解算。

3.根据权利要求1所述的一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：超声测厚仪周围设置环形支架(5)，使探头与蒙皮接触时测厚仪轴线(32)与接触区域法线近似重合。

4.根据权利要求1所述的一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：步骤3)中，为实现测量坐标系到工装坐标系o-xyz的变换，通过求迭代最近点算法求解基准点集Ω_i与Ω_Base之间的匹配关系，

其中：b_j为第j个基准点在工装坐标系下的坐标，b_j＝[x_j,y_j,z_j]^T，存放于点集Ω_Base中；R为旋转矩阵，t为平移向量；

b_ij为第j个基准点在当前测量坐标系下的坐标，b_ij＝[x_ij,y_ij,z_ij]^T，存放于点集Ω_i中。

5.根据权利要求4所述的一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：构建最小二乘问题，求解误差平方和达到最小时的R，t：

其次定义两组点的质心坐标：

将两组质心带入方程，处理误差函数得到如下误方程：

计算两组点的质心坐标b,b_i，然后计算每个点的去质心坐标：

c_j＝b_j-b,d_j＝b_ij-b_i。

6.根据权利要求5所述的一种飞机蒙皮贴模度在线检测方法，其特征在于：根据以下优化问题求解旋转矩阵:

定义一个3×3的矩阵对W进行SVD分解得到：

W＝U∑V^T

其中，∑为奇异值组成的对角矩阵，对角元素从大到小排列，而U,V为对角矩阵，当W为满秩时有：

R＝UV^T

t＝b-Rb_i

即可得到旋转矩阵R和平移向量t。