一种飞机装配结合面数字化加垫方法
【专利摘要】本发明公开了一种飞机装配结合面数字化加垫方法，该数字化加垫方法扫描获取飞机部件的点云数据，根据点云数据对两个部件之间的结合面进行对齐从而获取两个部件结合面之间的间隙区域，并进一步将该间隙区域划分若干个小的局部间隙区域，分别确定每个局部间隙区域的最优垫片参数，并按照对应的最优垫片参数对每个局部间隙区域添加垫片，完成两个部件结合面之间的整个间隙区域的加垫。该数字化加垫方法用于在飞机装配结合面的间隙中填充补偿垫片，减小结构不完整带来的危害，整个过程通过计算机完成，尤其是通过点云数据计算间隙大小，克服了人工操作产生的误差，保障了测量精度，且提高测量效率。
【专利说明】一种飞机装配结合面数字化加垫方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种飞机制造领域，尤其涉及一种飞机装配结合面数字化加垫方法。【背景技术】
[0002]在飞机制造领域，飞机的装配过程常常会出现零部件结合面处产生间隙、无法完全贴合的现象。产生这种现象原因有:一是限于零部件制造设备精度或制造工艺能力，零部件实际形位尺寸与名义值存在较大偏差，即制造误差导致零部件形位尺寸不准确；二是即便零部件有足够的制造精度，即形位尺寸偏差在设计容差范围内，若实际尺寸往同一个方向发生偏离，同样会导致零部件形位尺寸不准确；三是零部件在定位的时候产生误差，这种定位误差在零部件一级一级传递过程中导致误差积累和放大，定位误差的传递和积累影响了飞机的装配准确性和装配协调性，严重的甚至在某些零部件的结合部分无法协调装配；四是复合材料在飞机制造中占据越来越大的比重，而复合材料除了结构强度高等优点外其表面粗糙度也较高，厚度方向尺寸难以控制，因此复合材料构件通常更容易在结合面处产生间隙。
[0003]间隙在飞机制造领域是不容忽视的，如果忽视间隙的存在，采用强制装配与连接，会产生结构变形及较大的内应力，影响飞机的气动外形和承力性能，复合材料构件甚至会发生结构分层，导致脱层事故。为了解决飞机零部件结合面处产生间隙，结构完整性受到破坏，影响飞机气动外形和结构强度的问题，飞机制造商采用预装配-测量-协调-再测量-再协调的反复测量工艺。
[0004]这种方法一定程度上处理了装配间隙问题，但是这种方法依靠人工通过塞尺塞规测量间隙大小，过度依赖工人操作水平且测量精度低；预装配完成后无法了解间隙的全局分布，因此需要反复的测量与协调，耗时耗力；加垫过程凭经验和直觉缺少理论指导无法验证所加垫片是否为最优化方案。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的不足，本发明提供了一种飞机装配结合面数字化加垫方法。
[0006]一种飞机装配结合面的数字化加垫方法，所述飞机装配结合面为第一部件的第一表面和第二部件的第二表面，所述数字化加垫方法包括:
[0007](I)按照设定的扫描路径分别对第一表面和第二表面进行扫描，获取相应的点云数据；
[0008](2)利用获得的点云数据，确定第一表面中的各点在第二表面中各点的对应关系，并根据所述的对应关系将第一表面与第二表面对齐；
[0009](3)计算对齐后的第一表面与第二表面的之间的间隙大小，并根据所述的间隙大小将第一表面和第二表面之间的间隙区域划分为若干个局部间隙区域并记录各个局部间隙区域的位置；
[0010](4)根据第一表面的点云数据和第二表面的点云数据，以及各个局部间隙区域的位置，分别确定每个局部间隙区域的最优垫片参数；
[0011](5)根据每个局部间隙区域的最优垫片参数选择相应的垫片，并将该垫片垫加至第一表面与第二表面之间。
[0012]所述的扫描路径以减小冗余测量数据和规避空间阻挡物为原则，能够完整扫描到第一表面和第二表面。确定扫描路径后，通过计算机将该路径输入到数控机床，由数控机床带动激光扫描仪的按照设定的路径完成扫描。
[0013]本发明的飞机装配结合面的数字化加垫方法通过飞机数字化装配系统实现，也可以采用其他测试系统实现。
[0014]该方法首先扫描获取飞机部件的点云数据，根据点云数据对两个部件之间的结合面进行对齐从而获取两个部件结合面之间的间隙区域，并进一步将该间隙区域划分若干个小的局部间隙区域，分别确定每个局部间隙区域的最优垫片参数，并按照对应的最优垫片参数对每个局部间隙区域加垫片，完成两个部件结合面之间的整个间隙区域的加垫。
[0015]该加垫方法中将两个部件之间的间隙区域划分为若干个小的局部间隙区域，大大减小了计算的数据量，使数字化加垫方法具有实际应用意义。且整个加垫方案均通过计算机完成，通过点云数据对两个部件进行对齐以及计算两个部件的结合面之间的间隙大小，无需预装配，省略人工塞规测量环节，且不需要反复进人工行协调和测量，且测量精度高精度闻，大大提闻了装配效率和装配质量。
[0016]所述步骤(2)中对齐方法如下:
[0017](2-1)以第一表面和第二表面中任意一个表面的点云数据作为参考数据集，以另一个表面的点云数据作为移动数据集，并根据所述的参考数据集和移动数据集计算得到用于将第一表面和第二表面对齐的变换矩阵；
[0018](2-2)将变换矩阵作用于移动数据集，得到第一部件与第二部件配合时的外形面的测量数据集，完成对齐。
[0019]本发明中采用的坐标系为飞机坐标系，扫描得到的各个点云数据为飞机部件的表面上的点在飞机坐标系中的坐标，即可以认为是一个3维列向量。但在实际应用中，为实现部件对齐，通常将点云坐标扩展为一个4维列向量，扩展时直接以第4个分量为I。
[0020]变换矩阵为4X4的矩阵，包含旋转矢量和平移矢量。变换矩阵作用于移动数据集即为将变换矩阵分别乘以移动数据集中的每个点云数据，得到的外形面的测量数据集中各个点云数据即为变换矩阵乘以移动数据集中的相应的点云数据。
[0021]所述步骤(2-1)中通过以下方法计算变换矩阵:
[0022](2-11)利用最近点为搜索原则确定移动数据集中各点在参考数据集中的对应点，计算移动数据集中的点Xi到参考数据集中所有点的距离，选择最小距离所对应的j点作为Xi的对应点rj ；
[0023](2-12)根据移动数据集中各点在参考数据集中的对应点以及与该对应点间的距离建立误差目标函数为:
[0024]Em = Σni=1ε2 (|rj-T*xi|)，
[0025]其中，η为移动数据集中点的总数，T为变换矩阵；
[0026](2-13)从第一表面与第二表面的点云数据中提取凹槽和内孔边缘得到若干条轮廓线，根据所述的轮廓线建立边缘轮廓约束误差，其中第k条轮廓线对应的边缘轮廓约束误差为:
[0027]
【权利要求】
1.一种飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述飞机装配结合面为第一部件的第一表面和第二部件的第二表面，所述数字化加垫方法包括: (I)按照设定的扫描路径分别对第一表面和第二表面进行扫描，获取相应的点云数据； (2 )利用获得的点云数据，确定第一表面中的各点在第二表面中各点的对应关系，并根据所述的对应关系将第一表面与第二表面对齐； (3)计算对齐后的第一表面与第二表面之间的间隙大小，并根据所述的间隙大小将第一表面和第二表面之间的间隙区域划分为若干个局部间隙区域并记录各个局部间隙区域的位置； (4)根据第一表面的点云数据和第二表面的点云数据，以及各个局部间隙区域的位置，分别确定每个局部间隙区域的最优垫片参数； (5)根据每个局部间隙区域的最优垫片参数选择相应的垫片，并将该垫片垫加至第一表面与第二表面之间。
2.如权利要求1所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(2)中对齐方法如下: (2-1)以第一表面和第二表面中任意一个表面的点云数据作为参考数据集，以另一个表面的点云数据作为移动数据集，并根据所述的参考数据集和移动数据集计算得到用于将第一表面和第二表面对齐的变换矩阵； (2-2)将变换矩阵作用于移动数据集，得到第一部件与第二部件配合时的外形面的测量数据集，完成对齐。
3.如权利要求2所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(2-1)中通过以下方法计算变换矩阵: (2-11)利用最近点为搜索原则确定移动数据集中各点在参考数据集中的对应点，计算移动数据集中的点Xi到参考数据集中所有点的距离，选择最小距离所对应的j点作为Xi的对应点r」； (2-12)根据移动数据集中各点在参考数据集中的对应点以及与该对应点间的距离建立误差冃标函数为:
4.如权利要求3所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(3)包括步骤: (3-1)将参考数据集进行三角化处理，并计算所述外形面的测量数据集中各点与三角化处理后的参考数据集的距离作为第一表面与第二表面之间的间隙大小； (3-2)根据第一表面与第二表面之间的间隙大小将第一表面与第二表面的间隙区域划分为若干个局部间隙区域。
5.如权利要求4所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(4)中采用以下方法确定各个局部间隙区域的最优垫片参数: (4-11)根据当前局部间隙区域的位置，分别从外形面的测量数据集中提取该局部间隙区域对应的点云数据作为第一局部点云数据，从参考数据集中提取与当前局部间隙区域对应的点云数据作为第二局部点云数据； (4-12)分别拟合第一局部点云数据得到第一拟合面，拟合第二局部点云数据得到第二拟合面； (4-13)根据所述的第一拟合面和第二拟合面确定当前局部间隙区域的间隙空间，并用该间隙空间减去当前局部间隙区域中所有垫片的体积得到剩余间隙函数，所述的剩余间隙函数是关于垫片参数的函数； (4-14)以获取剩余间隙函数的最小值作为优化目标，对剩余间隙函数进行非线性优化，求解得到当前局部间隙区域的若干组垫片参数。
6.如权利要求5所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(4-13)中建立的剩余间隙函数G为:
7.如权利要求6所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述的约束条件如下: Ca)孔中心距离垫片的边缘距离大于或等于制孔允许边距； (b)垫片的长度或宽度大于两孔的中心距离。
8.如权利要求7所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(4)中各个局部间隙区域的最优垫片参数包括该局部间隙区域的垫片数量，以及各个垫片的长度、宽度和高度。
9.如权利要求8所述的飞机装配结合面的数字化加垫方法，其特征在于，所述步骤(4-14)中的非线性优化包括若干次迭代，每次迭代完成后输出一组垫片参数，并根据输出的垫片参数判断剩余间隙函数是否收敛: 若收敛，则停止迭代，并以最后该次迭代输出垫片参数作为最优垫片参数； 若不收敛，则继续进行迭代，直至到达最大迭代次数，并进行如下操作: (51)根据每次迭代输出的垫片参数分别建立当前局部间隙区域的第一部件-垫片-第二部件的有限元模型， (52)在第一部件中与当前局部间隙区域对应的区域中任意选择若干个观测点，在孔位处施加压紧力，根据所述的 有限元模型计算应变能，以应变能最小所对应的垫片参数作为最优垫片参数。
【文档编号】G05B19/418GK103901852SQ201410118011
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2014年3月27日 优先权日:2014年3月27日
【发明者】王青, 窦亚冬, 柯映林 申请人:浙江大学