一種針對(duì)蜂窩芯外形曲面特征的測(cè)量方法

劉蕾 陳雪梅 易元 宋忠超 黃慶奕 江磊

摘要：針對(duì)蜂窩芯外形曲面特征測(cè)量過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)據(jù)不完整、精度低等問(wèn)題，提出一種基于三維光學(xué)掃描的測(cè)量方法。首先在蜂窩芯外形曲面緊密貼合覆蓋層，以覆蓋層外形特征代替蜂窩芯外形曲面特征，然后采用三維光學(xué)掃描技術(shù)采集覆蓋層外形的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過(guò)計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)的法向矢量，并在矢量方向偏置覆蓋層厚度，從而獲得蜂窩芯曲面特征的輪廓數(shù)據(jù)，完成蜂窩芯外形曲面特征測(cè)量。通過(guò)對(duì)某型號(hào)蜂窩芯材料的測(cè)量，證明該方法的可行性和精確性，具有實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械公差配合與技術(shù)測(cè)量;曲面特征測(cè)量;光學(xué)掃描;蜂窩芯

中圖分類號(hào)：TH124 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-5124（2019）07-0056-05

收稿日期：2017-09-28;收到修改稿日期：2017-11-15

基金項(xiàng)目：四川省科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目（2014GZ0123）

作者簡(jiǎn)介：劉蕾（1985-），女，河北石家莊市人，工程師，主要從事機(jī)械加工及加工質(zhì)量檢測(cè)工作。

0 引言

蜂窩芯材料，指類似蜜蜂巢穴在結(jié)構(gòu)上呈空心六方體，有規(guī)則排列的填充材料。此種材料具有質(zhì)量輕、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高[1-2]等特點(diǎn)，作為填充材料廣泛應(yīng)用在航空航天、現(xiàn)代造船等工業(yè)領(lǐng)域。

由于蜂窩芯外形輪廓為蜂窩孔狀，并非完整表面特征，所以其外形測(cè)量有較大難度，曲面特征尤甚（蜂窩芯曲面特征指曲率較小的曲面外形輪廓）。諸如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等常規(guī)測(cè)量手段會(huì)出現(xiàn)測(cè)頭落人蜂窩孔內(nèi)進(jìn)而產(chǎn)生偏差等問(wèn)題。對(duì)此，李慧娟等[3-4]采用三種光學(xué)測(cè)量方法對(duì)蜂窩結(jié)構(gòu)中模擬脫粘缺陷進(jìn)行檢測(cè)，但其并未涉及到外形輪廓測(cè)量;萬(wàn)谷[5]針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣中蜂窩芯材料，提出了采用基于伸縮式圓柱形測(cè)針的接觸式電感傳感器作為表面幾何公差的測(cè)量手段，但此方法僅針對(duì)環(huán)形蜂窩芯有較好效果;李智[6]針對(duì)蜂窩陶瓷提出一種線陣CCD攝像機(jī)對(duì)蜂窩陶瓷掃描以獲取圖像的方式分析測(cè)量，但只考慮了邊緣檢測(cè)。當(dāng)前在航空制造企業(yè)中，還有采用圓柱形測(cè)頭的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量方法，以避免測(cè)頭在采集數(shù)據(jù)過(guò)程中落人蜂窩孔內(nèi)，但此種方法不適用蜂窩芯曲面矢量未知的情況。

在上述研究的基礎(chǔ)上，針對(duì)蜂窩芯零件曲面特征的測(cè)量難點(diǎn)，本文研究了一種基于光學(xué)掃描的蜂窩芯曲面特征測(cè)量方法。

1 基于光學(xué)掃描的蜂窩芯曲面特征測(cè)量

為了獲得完整的蜂窩芯曲面特征輪廓數(shù)據(jù)，首先在蜂窩芯表面緊密貼合一層覆蓋層，以覆蓋層外形特征代替蜂窩芯曲面特征;然后采用三維光學(xué)測(cè)量?jī)x器掃描蜂窩芯零件外部覆蓋層獲取測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)測(cè)量點(diǎn)在輪廓矢量方向的偏置，消除覆蓋層厚度誤差，間接得到蜂窩芯輪廓坐標(biāo)。蜂窩芯輪廓與覆蓋層的幾何關(guān)系如圖1所示。

覆蓋層可選用熱收縮聚乙烯膜或不干膠軟紙等材料。聚乙烯膜一側(cè)涂布膠層，能緊密貼附在蜂窩芯表面，且不易產(chǎn)生褶皺，但膜厚度會(huì)隨著曲面曲率變化而變化，影響后續(xù)精度判斷;不干膠紙不會(huì)發(fā)生厚度變化，但在曲率較大情況下會(huì)產(chǎn)生褶皺。綜上，在曲面曲率較小情況下采用不干膠紙作為覆蓋層，曲率較大情況下采用聚乙烯膜作為覆蓋層。

本文方法與其他蜂窩芯外形測(cè)量方法對(duì)比如表1所示，可以看出此種針對(duì)蜂窩芯外形曲面特征測(cè)量方法與其他方法相比具有效率高、適應(yīng)好的特點(diǎn)，且測(cè)量高密度點(diǎn)云可用于多種幾何公差分析。

1.1 覆蓋層光學(xué)測(cè)量

隨著光電技術(shù)的迅猛發(fā)展，光學(xué)測(cè)量技術(shù)日益提高，在測(cè)量領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。目前，代表性光學(xué)測(cè)量有激光測(cè)量、結(jié)構(gòu)光測(cè)量、照相測(cè)量等方式[7]，不同光學(xué)測(cè)量方式測(cè)量精度、測(cè)量工件需求也不同。針對(duì)帶覆蓋層蜂窩芯零件，結(jié)構(gòu)光測(cè)量方式較為適應(yīng)。

由于結(jié)構(gòu)光測(cè)量對(duì)覆蓋層外形顏色要求較高[87覆蓋層應(yīng)選擇白色或相近顏色，且需一定密度無(wú)編碼標(biāo)記點(diǎn)集成在覆蓋層表面。然后校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)光學(xué)測(cè)量?jī)x器，對(duì)貼合覆蓋層的蜂窩芯進(jìn)行掃描測(cè)量。利用標(biāo)記點(diǎn)拼合單幅掃描點(diǎn)云，獲取整體測(cè)量數(shù)據(jù)。

光學(xué)測(cè)量數(shù)據(jù)即測(cè)量點(diǎn)的集合，設(shè)測(cè)量點(diǎn)Pi

n_cube=「X/L」「Y/L」「Z/L」（4）其中，「」表示向上方向取整，子塊的長(zhǎng)度L由點(diǎn)云密度與k鄰域中k值大小設(shè)定。分塊完成后得到塊空間結(jié)構(gòu)cube[a][b][c]，a=「X/L」，b=「Y/L」，c=「Z/L」。根據(jù)測(cè)量點(diǎn)P

3）搜索子塊空間內(nèi)每一測(cè)量點(diǎn)Pshort