一种大型壁板类零件数字化质量检测方法

摘要

一种大型壁板类零件数字化质量检测方法，它有五大步骤：步骤一：进行测量前的初始化操作，内容为固定待测壁板类零件、布置激光跟踪仪位置和关节臂位置，对待测壁板类零件进行扫描区域划分；步骤二：布置壁板定位点以及点云拼接点，用激光跟踪仪记录这些点的位置；步骤三：用关节臂得到每一区域的点云数据及拼接点坐标；步骤四：获取整张壁板点云；步骤五：模型比对并输出检测结果；通过该方法对大型壁板类零件进行检测，精度高、操作简单，使用效果好。

说明书

技术领域

本发明涉及一种大型壁板类零件数字化质量检测方法，它是一种联合运用多种数字化设备对大型壁板类零件的检测方法，可以用于航空航天、汽车工业的大型壁板类零件质量检测，属于数字化测量和计算机集成制造领域。 

背景技术

大型壁板类零件具有尺寸大、外形复杂和结构刚性差等特点。壁板类零件成形质量检测手段已经由传统几何模拟量检测方式向数字化检测方式转变。目前，其主要质量检测方法有激光跟踪仪检测和关节臂检测。 

1.激光跟踪仪检测方法 

激光跟踪仪检测方法属于接触式检测方法。以激光跟踪仪为主的接触式数字化检测方法具有测量空间大、精度高、便携性好等优点。通过人为手持靶球与壁板接触，而记录表面点的坐标位置。其关键特征为：测量前要在被测件上选取对齐基准或基准坐标系，通过基准实现采集到的点与壁板三维模型对齐，最终得到检测结果。 

该类现有技术的缺陷有： 

1）数据采集受限于靶球半径和壁板曲面外形，容易出现采集不到数据或数据不准确的情况。 

2）激光跟踪仪采集到的数据量过小，细节特征反映不够全面。 

3）激光跟踪仪由于遮挡引起的测量盲区不可避免，检测过程受限于定位基准，最终检测结果受限于基准的制造误差。 

4）激光跟踪仪检测方法属于接触式检测方法，靶球与零件接触过程中容易引入人为误差。 

2.关节臂检测方法 

关节臂检测方法属于非接触式检测方法。其关键特征为：借助逆向工程软件Geomagic  Studio，将关节臂激光扫描测头发出来的激光对准待测零件，这时计算机系统会自动将采集到的数据点读入到软件中。采集到的每一笔扫描数据都会转换在关节臂坐标系下，形成扫描零件的三维形态资料，最终得到零件的完整点云。将扫描得到的点云与零件的三维模型进行比对，得到零件最终成形质量。 

关节臂检测方法解决的问题主要有： 

1）一次即可获得大量的采样结果且不受壁板外形限制； 

2）采用非接触式扫描方式可以摆脱接触式测量过程中人为因素引入的干扰误差。 

该类方法针对1中所述的缺陷，通过对零件外形扫描，便于对零件成形质量进行全面把握。但仍存在如下问题： 

1）关节臂缺点是测量范围小，对于大型壁板类零件，单独采用关节臂难以完成质量检测任务。 

2）通过关节臂扫描得到的点云与壁板零件的三维数据模型比对过程中缺乏对齐特征，对齐误差较大。 

发明内容

（1）目的：本发明的目的在于针对单独使用激光跟踪仪检测飞机大型壁板类零件成形质量过程中存在数据采集不全，检测效率低等问题，提供一种大型壁板类零件数字化质量检测方法，通过激光跟踪仪和关节臂联合测量方式，改善现有技术的上述缺陷。改进有如下几点： 

1.将激光跟踪仪测量场中加入关节臂测量系统，在保证测量精度的前提下，数据采集充分，可对大型壁板类零件成形细节信息进行全面把握。 

2.通过关节臂对壁板进行数据采集，有效避免单独使用激光跟踪仪由于遮挡引起的测量盲区问题。 

3.在被测壁板类零件布置拼接点，利用这些占位点进行拼接得到壁板完整点云数据，拼接误差小。 

4.壁板类零件布置壁板定位点，使整张壁板点云与其三维模型对齐，提高对齐精度。 

5.壁板外形采用关节臂扫描的方式进行，有效避免单独使用激光跟踪仪测量过程中引入的人为误差。 

（2）技术方案： 

本发明为一种大型壁板类零件数字化质量检测方法（方法步骤流程见图1，测量过程见图 2），其具体步骤如下： 

步骤一：进行测量前的初始化操作，内容有：固定待测壁板类零件、对待测壁板类零件进行扫描区域划分、布置激光跟踪仪位置和关节臂位置；测量过程中激光跟踪仪位置固定不变，壁板类零件扫描区域划分时要注意不同区域之间要有公共重叠区域，这一重叠区域将用于布置拼接点； 

步骤二：布置壁板定位点以及点云拼接点，用激光跟踪仪记录这些点的位置；这一步骤包括两方面内容： 

1）布置并记录壁板定位点 

定位点主要用于拼接得到的壁板整体点云与壁板三维模型对齐，通常布置在壁板类零件的四周，将靶球放至定位点，用激光跟踪仪记录这一定位点的位置，直至采集完所有定位点坐标； 

2）布置并记录点云拼接点 

在步骤一中划分的公共重叠区内布置拼接点，同样将靶球放至拼接点，用激光跟踪仪记录整张壁板的所有拼接点坐标； 

步骤三：用关节臂得到每一区域的点云数据及拼接点坐标。包括以下几方面内容： 

1）获取各划分区域的点云 

靶球依次放入步骤一中划分的各扫描区域中的壁板定位点和拼接点，关节臂对壁板每一区域进行扫描，同时扫描相应区域内各定位点和拼接点上的靶球，获取靶球的外形数据； 

2）获取靶球球心坐标 

根据扫描得到的靶球外形点云，在点云数据采集软件Geomagic Studio中进行球特征拟合，得到各定位点和拼接点处靶球的三维球体模型，利用Geomagic Studio计算出各球体模型的球心坐标； 

3）每个扫描区域点云合并 

将步骤三第2）步中得到的靶球球心点和各区域的点云合并，使之成为一个整体点云； 

步骤四：获取整张壁板点云 

将各扫描区域中的定位点及拼接点处靶球球心点拟合至步骤一中激光跟踪仪在相应位置测得的靶球球心点，得到整张壁板类零件的点云； 

步骤五：模型比对并输出检测结果 

将整张壁板点云导入到Spatial Analyzer软件中，找到壁板的三维数据模型中的定位 点；将壁板定位点处球特征拟合得到的球心点与三维数据模型定位点进行最佳拟合，从而完成拼接后的点云与壁板三维模型对齐；利用Spatial Analyzer软件分析功能输出最终分析结果。 

其中，步骤一所述的固定待测壁板类零件，具体实现过程如下：将壁板类零件置于拉形机或专用夹具上，用真空吸盘吸附壁板，使壁板固定。固定壁板期间尽量置于壁板成型模上，避免在夹持过程中引起壁板变形。 

其中，步骤一所述的对待测壁板类零件进行扫描区域划分，具体实现过程如下：在保证壁板类零件每个扫描区域都能被关节臂自身扫描范围覆盖的同时，要求扫描区域尽量少。扫描区域划分要便于布置拼接点，同时利于关节臂采点。 

其中，步骤一所述的布置激光跟踪仪位置和关节臂位置，具体实现过程如下：布置激光跟踪仪位置时要保证壁板类零件在激光跟踪仪测量范围内，以便于激光跟踪仪可以一次记录所有壁板定位点和点云拼接点。关节臂位置要保证在一个位置不动的情况下，每次至少能覆盖一个扫描区域。测量过程中激光跟踪仪位置保持不变，关节臂每扫描完毕一个扫描区域时，要移动位置进行下一区域的扫描。 

其中，本方法环境要求为室内常温情况下进行，测量环境不得有噪音。数据处理软件为商用软件，即：Spatial Analyzer和Geomagic Studio。 

（3）优点及有益效果 

本发明的优点及有益效果是： 

1.提高了数据采集量。将非接触扫描方式引入大型壁板类零件测量过程中可以快速获取壁板类零件海量数据点云，全面掌握零件的制造信息。 

2.提供了一种大型壁板类零件的数据获取方法。激光跟踪仪测量定位点和拼接点保证整体拼接精度，用分片扫描得到的点云与定位点和拼接点拟合得到整体壁板点云。 

3.提高了对齐精度。利用靶球外形点云拟合球特征，得到的靶球球心坐标正是激光跟踪仪测量到的坐标。靶球球心坐标与激光跟踪仪测得的坐标拟合，对齐精度高。 

4.有效避免单独使用激光跟踪仪测量盲区的问题。激光跟踪仪采测量场中加入关节臂，具体成形信息由关节臂采集。关节臂具有多自由度，避免了测量盲区问题。 

5.方法简单，通过布置定位点和拼接点处靶球球心点将分片得到的点云与三维模型对齐分析，操作性强。 

附图说明

图1：本发明方法步骤流程框图。 

图2：测量过程示意图。 

图3：待测壁板区域划分图。 

图4：靶球球心点和各区域的点云合并图。 

图5：合并点云拟合为整张点云图。 

图6：对齐输出检测结果图。 

具体实施方式

本发明为一种大型壁板类零件数字化质量检测方法，该方法步骤流程见图1，测量过程见图2，其具体步骤如下： 

步骤一：进行测量前的初始化操作，内容有：固定待测壁板类零件、对待测壁板类零件进行扫描区域划分、布置激光跟踪仪位置和关节臂位置。 

测量过程中激光跟踪仪位置固定不变。壁板类零件扫描区域划分时要注意不同区域之间要有公共重叠区域，这一重叠区域用于将用于布置拼接点。选取一张长2.8m，宽0.8m的壁板件作为检测对象。关节臂的扫描范围为半径2.5m的球形测量空间，所以只需要将壁板件分为两个区域进行扫描，即可得到整张壁板的点云数据。在公共重叠区域布置拼接点，如图3。 

步骤二：布置壁板定位点以及点云拼接点，用激光跟踪仪记录这些点的位置。这一步骤包括两方面内容： 

1）布置并记录壁板定位点 

定位点主要用于拼接得到的壁板整体点云与壁板三维模型对齐，通常布置在壁板类零件的四周。将靶球放至定位点，用激光跟踪仪记录这一定位点的位置，直至采集完所有定位点坐标； 

2）布置并记录点云拼接点 

在步骤一中划分的公共重叠区内布置拼接点，同样将靶球放至拼接点，用激光跟踪仪记录整张壁板的所有拼接点坐标； 

步骤三：用关节臂得到每一区域的点云数据及拼接点坐标。包括以下几方面内容： 

1）获取各划分区域的点云 

靶球依次放入步骤一中划分的各扫描区域中的壁板定位点和拼接点。关节臂对壁板每一区域进行之中扫描，同时扫描相应区域内各定位点和拼接点上的靶球，获取靶球的外形数 据。 

2）获取靶球球心坐标 

在点云数据采集软件Geomagic Studio中对每一区域的圆形靶球点云创建球特征进行球特征拟合，得到各定位点和拼接点处靶球的三维球体模型，利用Geomagic Studio计算出各球体模型的球心坐标。 

3）每个扫描区域点云合并 

将步骤三第2）步中得到的靶球球心点和各区域的点云合并，使之成为一个整体点云，如图4。 

步骤四：获取整张壁板点云。 

每个扫描区域合并点云拼接，将中间3个拼接点和周围4个定位点处的靶球球心点拟合至步骤一激光跟踪仪在相应位置测得的靶球球心，得到整张壁板类零件的点云，如图5。 

步骤五：模型比对并输出检测结果 

将整张壁板点云导入到Spatial Analyzer软件中，找到壁板的三维数据模型中的定位点。将壁板定位点处球特征拟合得到的球心点与定位点进行最佳拟合，从而完成拼接后的点云与壁板三维模型对齐。利用Spatial Analyzer软件分析功能输出最终分析结果，如图6。 

其中，步骤一所述的固定待测壁板类零件，具体实现过程如下：将壁板类零件置于拉形机或专用夹具上，用真空吸盘吸附壁板，使壁板固定。固定壁板期间尽量置于壁板成型模上，避免在夹持过程中引起壁板变形。 

其中，步骤一所述的对待测壁板类零件进行扫描区域划分，具体实现过程如下：在保证壁板类零件每个扫描区域都能被关节臂自身扫描范围覆盖的同时，要求扫描区域尽量少。扫描区域划分要便于布置拼接点，同时利于关节臂采点。 

其中，步骤一所述的布置激光跟踪仪位置和关节臂位置，具体实现过程如下：布置激光跟踪仪位置时要保证壁板类零件在激光跟踪仪测量范围内，以便于激光跟踪仪可以一次记录所有壁板定位点和点云拼接点。关节臂位置要保证在一个位置不动的情况下，每次至少能覆盖一个扫描区域。测量过程中激光跟踪仪位置保持不变，关节臂每扫描完毕一个扫描区域时，要移动位置进行下一区域的扫描。 

其中，本方法环境要求为室内常温情况下进行，测量环境不得有噪音。数据处理软件为商用软件，即：Spatial Analyzer和Geomagic Studio。