一種飛機裝配結(jié)合面數(shù)字化加墊方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種飛機裝配結(jié)合面數(shù)字化加墊方法，該數(shù)字化加墊方法掃描獲取飛機部件的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)對兩個部件之間的結(jié)合面進行對齊從而獲取兩個部件結(jié)合面之間的間隙區(qū)域，并進一步將該間隙區(qū)域劃分若干個小的局部間隙區(qū)域，分別確定每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)，并按照對應(yīng)的最優(yōu)墊片參數(shù)對每個局部間隙區(qū)域添加墊片，完成兩個部件結(jié)合面之間的整個間隙區(qū)域的加墊。該數(shù)字化加墊方法用于在飛機裝配結(jié)合面的間隙中填充補償墊片，減小結(jié)構(gòu)不完整帶來的危害，整個過程通過計算機完成，尤其是通過點云數(shù)據(jù)計算間隙大小，克服了人工操作產(chǎn)生的誤差，保障了測量精度，且提高測量效率。
【專利說明】一種飛機裝配結(jié)合面數(shù)字化加墊方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種飛機制造領(lǐng)域，尤其涉及一種飛機裝配結(jié)合面數(shù)字化加墊方法?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]在飛機制造領(lǐng)域，飛機的裝配過程常常會出現(xiàn)零部件結(jié)合面處產(chǎn)生間隙、無法完全貼合的現(xiàn)象。產(chǎn)生這種現(xiàn)象原因有:一是限于零部件制造設(shè)備精度或制造工藝能力，零部件實際形位尺寸與名義值存在較大偏差，即制造誤差導(dǎo)致零部件形位尺寸不準確；二是即便零部件有足夠的制造精度，即形位尺寸偏差在設(shè)計容差范圍內(nèi)，若實際尺寸往同一個方向發(fā)生偏離，同樣會導(dǎo)致零部件形位尺寸不準確；三是零部件在定位的時候產(chǎn)生誤差，這種定位誤差在零部件一級一級傳遞過程中導(dǎo)致誤差積累和放大，定位誤差的傳遞和積累影響了飛機的裝配準確性和裝配協(xié)調(diào)性，嚴重的甚至在某些零部件的結(jié)合部分無法協(xié)調(diào)裝配；四是復(fù)合材料在飛機制造中占據(jù)越來越大的比重，而復(fù)合材料除了結(jié)構(gòu)強度高等優(yōu)點外其表面粗糙度也較高，厚度方向尺寸難以控制，因此復(fù)合材料構(gòu)件通常更容易在結(jié)合面處產(chǎn)生間隙。
[0003]間隙在飛機制造領(lǐng)域是不容忽視的，如果忽視間隙的存在，采用強制裝配與連接，會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)變形及較大的內(nèi)應(yīng)力，影響飛機的氣動外形和承力性能，復(fù)合材料構(gòu)件甚至?xí)l(fā)生結(jié)構(gòu)分層，導(dǎo)致脫層事故。為了解決飛機零部件結(jié)合面處產(chǎn)生間隙，結(jié)構(gòu)完整性受到破壞，影響飛機氣動外形和結(jié)構(gòu)強度的問題，飛機制造商采用預(yù)裝配-測量-協(xié)調(diào)-再測量-再協(xié)調(diào)的反復(fù)測量工藝。
[0004]這種方法一定程度上處理了裝配間隙問題，但是這種方法依靠人工通過塞尺塞規(guī)測量間隙大小，過度依賴工人操作水平且測量精度低；預(yù)裝配完成后無法了解間隙的全局分布，因此需要反復(fù)的測量與協(xié)調(diào)，耗時耗力；加墊過程憑經(jīng)驗和直覺缺少理論指導(dǎo)無法驗證所加墊片是否為最優(yōu)化方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種飛機裝配結(jié)合面數(shù)字化加墊方法。
[0006]一種飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，所述飛機裝配結(jié)合面為第一部件的第一表面和第二部件的第二表面，所述數(shù)字化加墊方法包括:
[0007](I)按照設(shè)定的掃描路徑分別對第一表面和第二表面進行掃描，獲取相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)；
[0008](2)利用獲得的點云數(shù)據(jù)，確定第一表面中的各點在第二表面中各點的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)所述的對應(yīng)關(guān)系將第一表面與第二表面對齊；
[0009](3)計算對齊后的第一表面與第二表面的之間的間隙大小，并根據(jù)所述的間隙大小將第一表面和第二表面之間的間隙區(qū)域劃分為若干個局部間隙區(qū)域并記錄各個局部間隙區(qū)域的位置；
[0010](4)根據(jù)第一表面的點云數(shù)據(jù)和第二表面的點云數(shù)據(jù)，以及各個局部間隙區(qū)域的位置，分別確定每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)；
[0011](5)根據(jù)每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)選擇相應(yīng)的墊片，并將該墊片墊加至第一表面與第二表面之間。
[0012]所述的掃描路徑以減小冗余測量數(shù)據(jù)和規(guī)避空間阻擋物為原則，能夠完整掃描到第一表面和第二表面。確定掃描路徑后，通過計算機將該路徑輸入到數(shù)控機床，由數(shù)控機床帶動激光掃描儀的按照設(shè)定的路徑完成掃描。
[0013]本發(fā)明的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法通過飛機數(shù)字化裝配系統(tǒng)實現(xiàn)，也可以采用其他測試系統(tǒng)實現(xiàn)。
[0014]該方法首先掃描獲取飛機部件的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)點云數(shù)據(jù)對兩個部件之間的結(jié)合面進行對齊從而獲取兩個部件結(jié)合面之間的間隙區(qū)域，并進一步將該間隙區(qū)域劃分若干個小的局部間隙區(qū)域，分別確定每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)，并按照對應(yīng)的最優(yōu)墊片參數(shù)對每個局部間隙區(qū)域加墊片，完成兩個部件結(jié)合面之間的整個間隙區(qū)域的加墊。
[0015]該加墊方法中將兩個部件之間的間隙區(qū)域劃分為若干個小的局部間隙區(qū)域，大大減小了計算的數(shù)據(jù)量，使數(shù)字化加墊方法具有實際應(yīng)用意義。且整個加墊方案均通過計算機完成，通過點云數(shù)據(jù)對兩個部件進行對齊以及計算兩個部件的結(jié)合面之間的間隙大小，無需預(yù)裝配，省略人工塞規(guī)測量環(huán)節(jié)，且不需要反復(fù)進人工行協(xié)調(diào)和測量，且測量精度高精度聞，大大提聞了裝配效率和裝配質(zhì)量。
[0016]所述步驟(2)中對齊方法如下:
[0017](2-1)以第一表面和第二表面中任意一個表面的點云數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)集，以另一個表面的點云數(shù)據(jù)作為移動數(shù)據(jù)集，并根據(jù)所述的參考數(shù)據(jù)集和移動數(shù)據(jù)集計算得到用于將第一表面和第二表面對齊的變換矩陣；
[0018](2-2)將變換矩陣作用于移動數(shù)據(jù)集，得到第一部件與第二部件配合時的外形面的測量數(shù)據(jù)集，完成對齊。
[0019]本發(fā)明中采用的坐標系為飛機坐標系，掃描得到的各個點云數(shù)據(jù)為飛機部件的表面上的點在飛機坐標系中的坐標，即可以認為是一個3維列向量。但在實際應(yīng)用中，為實現(xiàn)部件對齊，通常將點云坐標擴展為一個4維列向量，擴展時直接以第4個分量為I。
[0020]變換矩陣為4X4的矩陣，包含旋轉(zhuǎn)矢量和平移矢量。變換矩陣作用于移動數(shù)據(jù)集即為將變換矩陣分別乘以移動數(shù)據(jù)集中的每個點云數(shù)據(jù)，得到的外形面的測量數(shù)據(jù)集中各個點云數(shù)據(jù)即為變換矩陣乘以移動數(shù)據(jù)集中的相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)。
[0021]所述步驟(2-1)中通過以下方法計算變換矩陣:
[0022](2-11)利用最近點為搜索原則確定移動數(shù)據(jù)集中各點在參考數(shù)據(jù)集中的對應(yīng)點，計算移動數(shù)據(jù)集中的點Xi到參考數(shù)據(jù)集中所有點的距離，選擇最小距離所對應(yīng)的j點作為Xi的對應(yīng)點rj ；
[0023](2-12)根據(jù)移動數(shù)據(jù)集中各點在參考數(shù)據(jù)集中的對應(yīng)點以及與該對應(yīng)點間的距離建立誤差目標函數(shù)為:
[0024]Em = Σni=1ε2 (|rj-T*xi|)，
[0025]其中，η為移動數(shù)據(jù)集中點的總數(shù)，T為變換矩陣；
[0026](2-13)從第一表面與第二表面的點云數(shù)據(jù)中提取凹槽和內(nèi)孔邊緣得到若干條輪廓線，根據(jù)所述的輪廓線建立邊緣輪廓約束誤差，其中第k條輪廓線對應(yīng)的邊緣輪廓約束誤差為:
[0027]
【權(quán)利要求】
1.一種飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述飛機裝配結(jié)合面為第一部件的第一表面和第二部件的第二表面，所述數(shù)字化加墊方法包括: (I)按照設(shè)定的掃描路徑分別對第一表面和第二表面進行掃描，獲取相應(yīng)的點云數(shù)據(jù)； (2 )利用獲得的點云數(shù)據(jù)，確定第一表面中的各點在第二表面中各點的對應(yīng)關(guān)系，并根據(jù)所述的對應(yīng)關(guān)系將第一表面與第二表面對齊； (3)計算對齊后的第一表面與第二表面之間的間隙大小，并根據(jù)所述的間隙大小將第一表面和第二表面之間的間隙區(qū)域劃分為若干個局部間隙區(qū)域并記錄各個局部間隙區(qū)域的位置； (4)根據(jù)第一表面的點云數(shù)據(jù)和第二表面的點云數(shù)據(jù)，以及各個局部間隙區(qū)域的位置，分別確定每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)； (5)根據(jù)每個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)選擇相應(yīng)的墊片，并將該墊片墊加至第一表面與第二表面之間。
2.如權(quán)利要求1所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(2)中對齊方法如下: (2-1)以第一表面和第二表面中任意一個表面的點云數(shù)據(jù)作為參考數(shù)據(jù)集，以另一個表面的點云數(shù)據(jù)作為移動數(shù)據(jù)集，并根據(jù)所述的參考數(shù)據(jù)集和移動數(shù)據(jù)集計算得到用于將第一表面和第二表面對齊的變換矩陣； (2-2)將變換矩陣作用于移動數(shù)據(jù)集，得到第一部件與第二部件配合時的外形面的測量數(shù)據(jù)集，完成對齊。
3.如權(quán)利要求2所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(2-1)中通過以下方法計算變換矩陣: (2-11)利用最近點為搜索原則確定移動數(shù)據(jù)集中各點在參考數(shù)據(jù)集中的對應(yīng)點，計算移動數(shù)據(jù)集中的點Xi到參考數(shù)據(jù)集中所有點的距離，選擇最小距離所對應(yīng)的j點作為Xi的對應(yīng)點r」； (2-12)根據(jù)移動數(shù)據(jù)集中各點在參考數(shù)據(jù)集中的對應(yīng)點以及與該對應(yīng)點間的距離建立誤差冃標函數(shù)為:
4.如權(quán)利要求3所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(3)包括步驟: (3-1)將參考數(shù)據(jù)集進行三角化處理，并計算所述外形面的測量數(shù)據(jù)集中各點與三角化處理后的參考數(shù)據(jù)集的距離作為第一表面與第二表面之間的間隙大小； (3-2)根據(jù)第一表面與第二表面之間的間隙大小將第一表面與第二表面的間隙區(qū)域劃分為若干個局部間隙區(qū)域。
5.如權(quán)利要求4所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(4)中采用以下方法確定各個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù): (4-11)根據(jù)當前局部間隙區(qū)域的位置，分別從外形面的測量數(shù)據(jù)集中提取該局部間隙區(qū)域?qū)?yīng)的點云數(shù)據(jù)作為第一局部點云數(shù)據(jù)，從參考數(shù)據(jù)集中提取與當前局部間隙區(qū)域?qū)?yīng)的點云數(shù)據(jù)作為第二局部點云數(shù)據(jù)； (4-12)分別擬合第一局部點云數(shù)據(jù)得到第一擬合面，擬合第二局部點云數(shù)據(jù)得到第二擬合面； (4-13)根據(jù)所述的第一擬合面和第二擬合面確定當前局部間隙區(qū)域的間隙空間，并用該間隙空間減去當前局部間隙區(qū)域中所有墊片的體積得到剩余間隙函數(shù)，所述的剩余間隙函數(shù)是關(guān)于墊片參數(shù)的函數(shù)； (4-14)以獲取剩余間隙函數(shù)的最小值作為優(yōu)化目標，對剩余間隙函數(shù)進行非線性優(yōu)化，求解得到當前局部間隙區(qū)域的若干組墊片參數(shù)。
6.如權(quán)利要求5所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(4-13)中建立的剩余間隙函數(shù)G為:

7.如權(quán)利要求6所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述的約束條件如下: Ca)孔中心距離墊片的邊緣距離大于或等于制孔允許邊距； (b)墊片的長度或?qū)挾却笥趦煽椎闹行木嚯x。
8.如權(quán)利要求7所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(4)中各個局部間隙區(qū)域的最優(yōu)墊片參數(shù)包括該局部間隙區(qū)域的墊片數(shù)量，以及各個墊片的長度、寬度和高度。
9.如權(quán)利要求8所述的飛機裝配結(jié)合面的數(shù)字化加墊方法，其特征在于，所述步驟(4-14)中的非線性優(yōu)化包括若干次迭代，每次迭代完成后輸出一組墊片參數(shù)，并根據(jù)輸出的墊片參數(shù)判斷剩余間隙函數(shù)是否收斂: 若收斂，則停止迭代，并以最后該次迭代輸出墊片參數(shù)作為最優(yōu)墊片參數(shù)； 若不收斂，則繼續(xù)進行迭代，直至到達最大迭代次數(shù)，并進行如下操作: (51)根據(jù)每次迭代輸出的墊片參數(shù)分別建立當前局部間隙區(qū)域的第一部件-墊片-第二部件的有限元模型， (52)在第一部件中與當前局部間隙區(qū)域?qū)?yīng)的區(qū)域中任意選擇若干個觀測點，在孔位處施加壓緊力，根據(jù)所述的 有限元模型計算應(yīng)變能，以應(yīng)變能最小所對應(yīng)的墊片參數(shù)作為最優(yōu)墊片參數(shù)。
【文檔編號】G05B19/418GK103901852SQ201410118011
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2014年3月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月27日
【發(fā)明者】王青, 竇亞冬, 柯映林 申請人:浙江大學(xué)