天线罩内廓型面的测量方法及装置

摘要

本发明公开了一种天线罩内廓型面的测量方法及装置，该方法包括：在天线罩的理论模型曲面上垂直等距划分若干条初始截面线H

说明书

技术领域

本发明涉及卫星导航技术领域，具体涉及一种天线罩内廓型面的测量方法 及装置，用于复合材料天线罩型面的精密测量及修正。

背景技术

天线罩是一种由脆性材料制成的大深度薄壁结构体，其外形是依据空气动 力学原理设计的高次幂曲面，是典型的三维复杂自由曲面大型薄壁零件。这种 脆硬材料不仅难加工，而且由于材料介电常数的分散性和罩壁几何厚度偏差的 存在，半精加工后的天线罩难以满足天线罩电性能的要求。为了保证天线罩电 性能的要求，需要分析电厚度和几何厚度，材料的介电常数，并对半精加工之 后的天线罩进行精加工，根据电厚度要求进行误差补偿。天线罩内廓型曲面在 半精加工之后是复杂的自由曲面，为了实现良好的电性能，需要对内廓型曲面 进行精密造型。

由于天线罩大深度、薄壁等结构特点，机械加工时缺乏稳定可靠的工艺基 准，需要对天线罩进行找正和对齐才能保证加工精度。天线罩属于复杂型面零 件，没有固定的工艺基准进行找正，一般是通过将天线罩测量点与天线罩曲面 进行匹配来找正。因此，精确的获取实际天线罩曲面模型至关重要。在复杂曲 面的测量中一个关键步骤即对测量路径的规划，测量路径规划的好坏直接影响 着测量的精度。天线罩内廓型面是自由曲面，测量时一般按照“曲面-曲线-点集 -测量”的接触式测量方法进行测量。接触式测量的方法有多种，比较常见的测 量方法有平行等截面测量、放射平面测量、螺旋线测量等方法。对天线罩等自 由曲面零件而言，重构模型一般采用平行等截面测量方法，能保证获取的测量 数据尽量在一个平面内，有利于三维模型的重构。平行等截面测量方法即以一 组垂直于天线罩中心轴的平面截取天线罩内廓型面得到一组封闭的测量曲线， 分别在测量线上获取若干测量点，测量机根据测量点坐标和触测方向进行测 量。天线罩采用平行等截面测量方法进行测量的过程中，由于曲面的变形和加 工误差的影响，直接根据等截面测量线进行测量，测头不能按照等截面进行触 测，很难准确地控制测量点在一个截面内。这样实测点和理论测量点不重合， 导致重构模型与实际加工模型产生较大的误差，影响天线罩进一步精加工。

发明内容

有鉴于此，为克服上述至少一个缺点，并提供下述至少一种优点，本发明 公开了一种天线罩内廓型面的测量方法及装置，以准确地实现天线罩的等截面 测量，减少路径规划带来的误差，实现天线罩内廓型面的精加工。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种天线罩内廓型面的测量方法，包括：

步骤S11、沿所述天线罩的中心轴方向，在所述天线罩的理论模型曲面上 垂直等距划分若干条初始截面线H_i；

步骤S12、对于每一条所述初始截面线H_i，以截面Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ与 所述天线罩的理论内廓型面求交线，得到两条初始测量线H_i1和H_i2，其中， 0<δ≤1mm；

步骤S13、根据各所述初始测量线H_i1的曲率离散所述初始测量线H_i1，并 根据各所述初始测量线H_i2的曲率离散所述初始测量线H_i2，得到对应于所述初 始测量线H_i1和H_i2的若干个第一测量点及各所述第一测量点的法向矢量；

步骤S14、分别以所述第一测量点对所述理论内廓型面进行测量，得到各 所述第一测量点的坐标数据；

步骤S15、基于所述第一测量点的坐标数据构造两条测量截面线H′_i1和H′_i2， 并基于两条所述测量截面线H′_i1和H′_i2在Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ之间的范围内构 造初始内廓型面；

步骤S16、以Z_i＝H_i对所述初始内廓型面进行截取，将所获取到的截面线 作为测量路径线；

步骤S17、根据测量路径线的曲率及长度离散所述测量路径线，确定若干 个第二测量点并计算各所述第二测量点处的法向矢量；

步骤S18、以所述第二测量点及其法向矢量对所述初始内廓型面进行测量， 获得所述第二测量点的坐标数据；以及

步骤S19、对所述第二测量点的坐标数据进行拟合，得到所述天线罩的内 廓型面模型。

如上所述的天线罩内廓型面的测量方法，在一种可能的实现方式中，所述 步骤S13中采用等间距离散方法或等弧长离散方法对所述初始测量线H_i1和H_i2进行离散。

如上所述的天线罩内廓型面的测量方法，在一种可能的实现方式中，所述 步骤S15中采用NURBS曲线拟合方法构造所述测量截面线H′_i1和H′_i2。

如上所述的天线罩内廓型面的测量方法，在一种可能的实现方式中，所述 步骤S15中采用Bezier曲线拟合方法、或B-Spline曲线拟合方法构造所述测量 截面线H′_i1和H′_i2。

如上所述的天线罩内廓型面的测量方法，在一种可能的实现方式中，所述 步骤S19中采用NURBS曲线拟合方法对所述第二测量点的坐标数据进行拟 合。

一种天线罩内廓型面的测量装置，包括：

初始截面线划分模块，用于沿所述天线罩的中心轴方向，在所述天线罩的 理论模型曲面上垂直等距划分若干条初始截面线H_i；

初始测量线确定模块，用于对于每一条所述初始截面线H_i，以截面 Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ与所述天线罩的理论内廓型面求交线，得到两条初始测 量线H_i1和H_i2，其中，0<δ≤1mm；

第一离散模块，用于根据各所述初始测量线H_i1的曲率离散所述初始测量 线H_i1，并根据各所述初始测量线H_i2的曲率离散所述初始测量线H_i2，得到对应 于所述初始测量线H_i1和H_i2的若干个第一测量点及各所述第一测量点的法向矢 量；

第一测量模块，用于分别以所述第一测量点对所述理论内廓型面进行测 量，得到各所述第一测量点的坐标数据；

内廓型面构造模块，用于基于所述第一测量点的坐标数据构造两条测量截 面线H′_i1和H′_i2，并基于两条所述测量截面线H′_i1和H′_i2在Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ之 间的范围内构造初始内廓型面；

测量路径线确定模块，用于以Z_i＝H_i对所述初始内廓型面进行截取，将所 获取到的截面线作为测量路径线；

第二离散模块，用于根据所述测量路径线的曲率及长度离散所述测量路径 线，确定若干个第二测量点并计算所述第二测量点处的法向矢量；

第二测量模块，用于以所述第二测量点及其法向矢量对所述初始内廓型面 进行测量，获得所述第二测量点的坐标数据；以及

内廓型面模型确定模块，用于对所述第二测量点的坐标数据进行拟合，得 到所述天线罩的内廓型面模型。

如上所述的天线罩内廓型面的测量装置，在一种可能的实现方式中，所述 第一离散模块采用等间距离散方法或等弧长离散方法对所述初始测量线H_i1和 H_i2进行离散。

如上所述的天线罩内廓型面的测量装置，在一种可能的实现方式中，所述 内廓型面构造模块采用NURBS曲线拟合方法构造所述测量截面线H′_i1和H′_i2。

如上所述的天线罩内廓型面的测量装置，在一种可能的实现方式中，所述 内廓型面构造模块采用Bezier曲线拟合方法、或B-Spline曲线拟合方法构造所 述测量截面线H′_i1和H′_i2。

如上所述的天线罩内廓型面的测量装置，在一种可能的实现方式中，所述 内廓型面模型确定模块采用NURBS曲线拟合方法对各所述第二测量点的坐标 数据进行拟合。

通过采用上述技术方案，本发明的所达到的有益效果为：通过初始测量反 求天线罩变形状态下的实际内廓型面，然后求取实际内廓型面截面线为测量路 径线，最后将测量路径线离散为测量点和法矢，最终测量机根据测量点和法矢 对天线罩进行测量。该测量方法保证了测量数据在同一个截平面上的要求，易 于在逆向工程中进行实体造型；而且通过初始测量反求变形状态下的复杂曲 面，然后对实际内廓型面进行等截面规划，有效避免了初次测量中由于曲面变 形导致的测量不准的问题，大大降低了测量误差，提高了造型精度。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描 述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的 前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一个实施例提供的天线罩内廓型面的测量方法的流程图；

图2为本发明一个实施例提供的天线罩内廓型面的模型图；以及

图3为本发明一个实施例提供的天线罩内廓型面的测量装置的结构示意 图。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清 楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步的详细描述，显然， 所描述的实施例仅仅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。

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

由上述背景技术的描述可知，天线罩曲面为复杂曲面，在采用平行等截面 测量方法进行测量的过程中，由于实际加工误差，直接按照截平面测量线进行 测量，很难准确地控制测量点在一个截面内。而曲面的变形和加工误差，直接 导致测头不能按照等截面进行触测，因此导致重构模型与实际加工模型产生较 大的误差，影响天线罩进一步精加工。如何准确的测量变形状态下的天线罩内 廓型面成为了天线罩精密加工的关键因素。

为了准确地实现天线罩内廓面的等截面测量，减少路径规划带来的误差， 本发明人创新地提出了一种天线罩内廓型面的测量方法，通过对天线罩内轮廓 实际曲面进行初始测量，然后求取反求的截面线为测量路径线，最后将测量路 径线离散为测量点和法矢，最后根据测量点和法矢进行测量，能够避免因为加 工误差和变形所带来的测量误差，获得反应实际变形状态下的测量点，重构天 线罩高精度模型。

实施例1

如图1所示，为本发明一个实施例提供的天线罩内廓型面的测量方法的流 程图，该方法包括以下步骤：

步骤S11、在天线罩理论模型的直角坐标系下，沿天线罩中心轴方向，即 图2中的Z轴方向，在天线罩理论模型的内廓型面上垂直等距划分若干条初始 截面线H_i(图2中仅示出了一条H_i)；

步骤S12、确定初始测量线：在保证初始截面线H_i与Z轴垂直的前提下， 以截面Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ(δ>0)与要测量的天线罩理论内廓型面求交线，得 到两条初始测量线H_i1和H_i2，如图2所示；

其中，δ为大于0的容差值，考虑到计算精度和测量效率，一般不大于1mm。

步骤S13、根据初始测量线H_i1的曲率离散初始测量线H_i1，从而确定对应 于初始测量线H_i1的测量点及该测量点的法向矢量，并根据初始测量线H_i2的曲 率离散初始测量线H_i2，从而确定对应于初始测量线H_i2的测量点及该测量点的 法向矢量；

本步骤中，可以采用等间距离散方法或等弧长离散方法等方法对初始测量 线H_i1和H_i2进行离散；由于后续步骤中还会确定测量点，因此为了便于区分将 本步骤中确定的测量点称为第一测量点。

对自由曲面进行测量时，采用等间距测量是最简单易行的测量方法，但 为了保证测量准确度，就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低，并增 加了后续误差评定等工作的难度。本实施例提出了使测量点分布的疏密随曲面 曲率而变化，曲率越大，测量点越密；反之，曲率越大，测量点就越疏，从而 较好地反映待测内廓型面的几何形状信息。

其中，相对天线罩内廓型面而言，曲面曲率大的区域即变化剧烈的区域， 为保证测量精度，测量时应该使测量点尽量密集。

根据自由曲面的特点和测量点分布疏密随曲面曲率变化的要求，结合实际 测量情况，天线罩内廓型面采用截面线测量时，首先将天线罩截面线上划分为 m小段的截面线，使得其中每一小段截面线近似为一段圆弧曲线；然后在每一 小段近似圆弧曲线上采用等间距方法获得采样测量点。则截面线总的测量点数 N与曲率ρ的关系可以用式(1)来表示：

$N=K·L\underset{i=1}{\overset{m}{\Sigma }}{\rho }_i·D_i---\left(1\right)$

其中，K和m为大于0的常数，K与具体的测量设备和实际曲面加工精度 有关，m根据曲线曲率而变化，曲线曲率变化越大m越大，反之m越小。L为 测量截面线长度，ρ为近似圆弧曲线的曲率，D为每段圆弧曲线采用等间距方 法获得的采样测量点数。

步骤S14、分别以上一步骤中离散得到的第一测量点对天线罩理论内廓型 面进行测量，得到第一测量点的测量数据，即坐标数据；

步骤S15、基于第一测量点采用NURBS曲线拟合方法构造两条测量截面 线H′_i1和H′_i2，并基于两条测量截面线H′_i1和H′_i2在Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ(δ>0)之间 的范围内构造初始内廓型面S_i；

这里的初始内廓型面表示测量天线罩后得到的型面，反应的是测量天线找 内廓型面后得到的变形曲面，与理论模型曲面有偏差。

本步骤中，还可以采用Bezier曲线拟合方法、B—Spline曲线拟合方法来 构造测量截面线。但是优选地，采用NURBS曲线拟合方法，NURBS曲线除 保有它们的优点外，由于控制顶点与权因子的加入，对曲线有更好的控制性。 因而，对其形状的调整与修改也主要通过操纵控制顶点及修改权因子来实现。

步骤S16、以Z_i＝H_i对构造的天线罩初始内廓型面S_i进行截取，所获取到 的截面线即为测量路径线；

步骤S17、根据测量路径线的曲率及长度离散测量路径线，确定第二测量 点并计算该第二测量点处的法向矢量；

步骤S18、以上一步骤中确定的第二测量点和法向矢量对天线罩初始内廓 型面S_i进行测量，获取第二测量点的坐标数据；

步骤S19、采用NURBS曲线拟合方法拟合第二测量点的坐标数据得到内 廓型面截面线，从而得到天线罩内廓型面CAD模型。

本发明实施例提供的天线罩内廓型面的测量方法，通过初始测量反求天线 罩实际内廓型面，然后求取天线罩实际内廓型面的截面线为测量路径线，最后 将测量路径线离散为测量点和法矢，最终测量机根据测量点和法矢对天线罩进 行测量。该测量方法保证了测量数据在同一个截平面上的要求，易于在逆向工 程中进行实体造型；而且通过初始测量反求变形状态下的复杂曲面，然后对实 际曲面进行等截面规划，有效避免了初次测量中由于曲面变形导致的测量不准 的问题，大大降低了测量误差，提高了造型精度。

实施例2

下面以一具体的实施例对本发明提供的天线罩内廓型面的测量方法进行 说明。该方法包括以下步骤：

步骤S21、将天线罩中心轴方向确立为Z轴方向，在天线罩理论CAD模 型上沿Z轴方向垂直等距划分10条截面线H_i(i＝0,1,2,...9)；

步骤S22、分别以截面Z_i＝H_i+0.5mm和Z_i＝H_i-0.5mm(i＝0,1,2,...,9)与要测量 的天线罩理论内廓型面求交线，对于每一条截面线H_i，都对应得到两条初始测 量线H_i1和H_i2；

步骤S23、根据初始测量线H_i1的曲率离散初始测量线H_i1，从而确定对应 于初始测量线H_i1的第一测量点及第一测量点的法向矢量，并根据初始测量线 H_i2的曲率离散初始测量线H_i2，从而确定对应于初始测量线H_i2的第一测量点及 第一测量点的法向矢量；

步骤S24、分别以上一步骤中离散得到的第一测量点对天线罩理论内廓型 面进行测量，得到第一测量点的测量数据，即坐标数据；

步骤S25、基于第一测量点，采用NURBS曲线拟合方法构造两条测量截 面线H′_i1和H′_i2，并基于该两条测量截面线H′_i1和H′_i2在Z_i＝H_i+0.5mm和 Z_i＝H_i-0.5mm(i＝0,1,2,...,9)之间的范围内构造初始内轮廓型面S_i(i＝0,1,2,...,9)；

步骤S26、以Z_i＝H_i(i＝0,1,2...9)截取构造的初始内廓型面S_i(i＝0,1,2,...,9)获取 截面线，即为测量路径线H_i″；

步骤S27、根据测量路径线H_i″的曲率及长度离散该测量路径线H_i″，得到第 二测量点以及第二测量点处的法向矢量；

步骤S28、以第二测量点和法向矢量对天线罩初始内廓型面S_i进行测量， 获取第二测量点的坐标数据；

步骤S29、采用NURBS曲线拟合第二测量点的坐标数据得到内廓型面截 面线，从而得到天线罩内廓型面CAD模型。

实施例3

如图3所示，为本发明另一个实施例提供的天线罩内廓型面的测量装置的 结构示意图，该装置100包括：初始截面线划分模块10、初始测量线确定模块 20、第一离散模块30、第一测量模块40、内廓型面构造模块50、测量路径线 确定模块60、第二离散模块70、第二测量模块80以及内廓型面模型确定模块 90。

结合实施例1和实施例2的描述，具体而言，初始截面线划分模块10用 于沿天线罩的中心轴方向，在天线罩的理论模型曲面上垂直等距划分若干条初 始截面线H_i；初始测量线确定模块20，用于对于每一条初始截面线H_i，以截 面Z_i＝H_i+δ和Z_i＝H_i-δ与天线罩的理论内廓型面求交线，得到两条初始测量 线H_i1和H_i2，其中，δ>0；第一离散模块30用于根据各初始测量线H_i1的曲率 离散初始测量线H_i1，并根据各初始测量线H_i2的曲率离散初始测量线H_i2，得到 对应于初始测量线H_i1和H_i2的第一测量点及第一测量点的法向矢量；第一测量 模块40用于分别以第一测量点对理论内廓型面进行测量，得到第一测量点的 坐标数据；内廓型面构造模块50用于基于第一测量点的坐标数据构造两条测 量截面线H′_i1和H′_i2，并基于两条测量截面线H′_i1和H′_i2在Z_i＝H_i+δ和 Z_i＝H_i-δ(δ>0)之间的范围内构造初始内廓型面S_i；测量路径线确定模块60用 于以Z_i＝H_i对初始内廓型面S_i进行截取，将所获取到的截面线作为测量路径线； 第二离散模块70用于根据测量路径线的曲率及长度离散测量路径线，确定第 二测量点并计算第二测量点处的法向矢量；第二测量模块80用于以第二测量 点及其法向矢量对初始内廓型面S_i进行测量，获得第二测量点的坐标数据；内 廓型面模型确定模块90用于对第二测量点的坐标数据进行拟合，得到天线罩 的内廓型面模型。

以上实施例提供的技术方案中的全部或部分内容可以通过软件编程实现， 其软件程序存储在可读取的存储介质中，存储介质例如：计算机中的硬盘、光 盘或软盘。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员 会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进 行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽 然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以 上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例， 而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。