本发明专利技术公开了一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，包括线激光轮廓仪触发模块，用于如果自动铺丝机的末端速度变化值达到速度变化阈值，则线激光轮廓仪扫描铺放表面，得到铺放表面的第一轮廓点云数据集；点云数据融合模块，用于基于第一轮廓点云数据集，将自动铺丝机各轴的第一位移量数据集进行增加或删减得到第二位移量数据集，将第一轮廓点云数据集扩充为第二轮廓点云数据集，将第二位移量数据集输入至机床运动学模型得到第一采样位置数据集，将第二轮廓点云数据集与第一采样位置数据集进行融合得到自动铺放表面的三维点云数据集。该装置能够完整，快速扫描自动铺放表面并获得三维点云数据集。动铺放表面并获得三维点云数据集。动铺放表面并获得三维点云数据集。
【技术实现步骤摘要】
一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置
[0001]本专利技术涉及复合材料自动铺放领域，具体为一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置。
技术介绍
[0002]碳纤维树脂基复合材料由于具有高比强度、比刚度，且在减重、抗疲劳、耐腐蚀、阻止裂纹扩展、隔音降噪、吸波透波等方面的诸多优势，目前已成为一种重要的航空结构材料，在航天领域得到了广泛的应用。据报道，波音787和空客A350XWB的复合材料用量已经超过了50％。自动铺放技术是一种新型复合材料成型技术，能实现S进气道等大曲率复杂结构构件的快速成型制造。受自动铺放过程中工艺参数和环境的影响，容易产生各种铺放缺陷。铺放缺陷会影响最终成型的复合材料构件的强度以及加速构件的失效。因此在自动铺放过程中，十分有必要实时了解铺放缺陷的分布，类型以及尺寸，并及时修复存在缺陷的铺层。针对自动铺放中产生的铺放缺陷种类多、分布广、尺寸小、难检测的特点，基于三维激光扫描的自动铺放在线检测系统能够减少人工检测时间，提升生产效率。该系统通过在自动铺丝机的铺丝头上加装线激光轮廓仪，并跟随铺丝头的运动扫描铺放表面，通过融合轮廓仪采集轮廓时的位置数据得到铺放表面的三维点云数据。相比于采用二维可见光工业相机或者红外相机，线激光轮廓仪能够提供更高的铺放表面测量精度(亚毫米级)以及反馈更全面的铺放表面三维形貌，并且受外界环境光光干扰影响较小，且不需要加装光源，便于集成，在铺放大曲率模具时不容易干涉铺放过程，对于自动铺放黑色铺层缺陷检测以及关键尺寸的测量具有明显的优势。此外激光轮廓仪测量得到的轮廓点数据可以更加灵活的与采样位置数据进行融合并获得三维点云数据，基于三维点云数据可实现铺层三维几何模型重建以及预测和评价铺放层板的整体质量和性能。然而在实际铺放过程中，由于自动铺丝机在铺放过程中会频繁加减速，在数据高速传输过程中难免出现丢帧造成数据采集数据不完整，以及由于各类软硬件性能问题造成线激光轮廓仪与PLC触发脉冲的采样频率不匹配。因此在跟随铺放路径进行三维扫描的过程中，会出现点云数据采集不完整、采集不均匀、数据融合不准确的问题，较低的数据采集质量会影响最终的缺陷识别结果，缺陷定位结果以及其他感兴趣尺寸的测量结果。此外由于线激光轮廓仪采集频率较高，每秒可能采集数万至数十万点云数据，将如此大规模点云数据进行实时数据融合给计算设备带来一定压力，数据融合效率提升对于整体检测效率提升具有关键意义。综上所述，十分有必要提出一套软硬件装置以实现高质量的点云数据采集。
技术实现思路
[0003]本专利技术提供一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，该装置能够完整、准确、实时采集自动铺放铺层的三维点云数据。
[0004]一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，包括：
[0005]线激光轮廓仪触发模块，用于通过PLC触发脉冲触发所述的线激光轮廓仪扫描铺
放表面，并且所述的线激光轮廓仪能够依据自动铺丝机的末端速度调控采样频率，以得到铺放表面的第一轮廓点云数据集；
[0006]点云数据融合模块，用于基于第一轮廓点云数据集，将输入的自动铺丝机各轴的第一位移量数据集进行增加或删减得到第二位移量数据集，第二位移量数据集与所述的第一轮廓点云数据集的数据量相同，将第一轮廓点云数据集扩充为第二轮廓点云数据集，将第二位移量数据集输入至机床运动学模型得到第一采样位置数据集，将第二轮廓点云数据集与第一采样位置数据集进行融合得到自动铺放表面的三维点云数据集。
[0007]本专利技术通过自动铺丝机的末端速度调控线激光轮廓仪采样频率，保证不至于部分区域采集得到的轮廓点数据过于稀疏以至于不满足检测精度要求，部分区域采集得到的轮廓点数据过于稠密加重点云数据处理负担。
[0008]本专利技术通过增加或删减第二位移量数据集，以及扩充第一轮廓点云数据集，使得第二轮廓点云数据集与第一采样位置数据集的维度和数据量相同，保证融合得到自动铺放表面的三维点云数据集的准确性。
[0009]所述的线激光轮廓仪采用激光三角测量原理获取被测表面轮廓点数据，所述的线激光轮廓仪的参数的关系式如下：
[0010][0011]其中，f
Lmax
为所述的线激光轮廓仪的最大采样频率，x
r
为所述的线激光轮廓仪的轮廓点的横向测量分辨率，z
r
所述的线激光轮廓仪的高度测量分辨率，v
max
为自动铺放机的最大末端速度，k为测量点因子，l0，w0，h0分别为能够检出最小的缺陷的长，宽，高，h
p0
为铺放的层厚。
[0012]所述的线激光轮廓仪的采样频率f
p
为：
[0013]f
p
＝λv
t
，且f
p
≤max(f
PLCmax
,f
Lmax
)
[0014]其中，λ为末端速度采样频率因子，v
t
为自动铺丝机的末端速度，f
PLCmax
为PLC触发脉冲的最大触发频率。
[0015]所述的将输入的自动铺丝机各轴的第一位移量数据集进行增加或删减得到第二位移量数据集，包括：
[0016]如果采集到第一位移量数据集的数据数目大于第一轮廓点云数据集的数目，则删除第一位移量数据集中多余的数据得到第二位移量数据集；
[0017]如果采集到第一位移量数据集的数据数目小于第一轮廓点云数据集的数目，则依据插入位置前后相邻数据线性插值增加数据，以得到第二位移量数据集。
[0018]所述的将第一轮廓点云数据集扩充为第二轮廓点云数据集，包括：
[0019]将所述的第一轮廓点云数据集填0和1补充为第二轮廓点云数据集，第二轮廓点云数据集的维度高于第一轮廓点云数据集的维度，且，第二轮廓点云数据集与第一采样位置数据集的维度相同，其中，填0的具体位置为：在所述的第一轮廓点云数据集的上面、下面或中间填0扩充矩阵行，或在所述的第一轮廓点云数据集的左面、右面或中间填0扩充矩阵列；
[0020]填1的具体位置为：在第一轮廓点云数据集的上面、下面或中间填1扩充矩阵行，或
在第一轮廓点云数据集的左面、右面或中间填1扩充矩阵列。
[0021]所述的将第二位移量数据集输入至机床运动学模型得到第一采样位置数据集，包括：
[0022]所述的第二位移量数据集包括移动轴的移动量数据集和旋转轴的旋转量数据集，分别将移动量数据集和旋转量数据集进行机床运动学模型计算得到第一采样位置数据集。
[0023]对第一轮廓点云数据集与对应的位移量数据集分别进行张量扩充，基于扩充结果进行张量运算得到自动铺放表面的三维点云数据集。
[0024]所述的对第一轮廓点云数据集与对应的位移量数据集分别进行张量扩充，包括：
[0025]将激光轮廓仪扫描时间划分为多个时间片段，每个时间片段内扫描得到的由第一轮廓点云数据集组成的多个轮廓线作为第一轮廓线数据集，第一轮廓线数据集对应的移动轴本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，其特征在于，包括：线激光轮廓仪触发模块，用于通过PLC触发脉冲触发线激光轮廓仪扫描铺放表面，并且线激光轮廓仪能够依据自动铺丝机的末端速度调控实际采样频率，以得到铺放表面的第一轮廓点云数据集；点云数据融合模块，用于基于第一轮廓点云数据集，将输入的自动铺丝机各轴的第一位移量数据集进行增加或删减得到第二位移量数据集，第二位移量数据集与第一轮廓点云数据集的数据量相同，将第一轮廓点云数据集扩充为第二轮廓点云数据集，将第二位移量数据集输入至机床运动学模型得到第一采样位置数据集，将第二轮廓点云数据集与第一采样位置数据集进行融合得到自动铺放表面的三维点云数据集。2.根据权利要求1所述的三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，其特征在于，所述的线激光轮廓仪采用激光三角测量原理获取被测表面轮廓点数据，所述的线激光轮廓仪的参数的关系式如下：其中，f
Lmax
为线激光轮廓仪的最大采样频率，x
r
为线激光轮廓仪的轮廓点的横向测量分辨率，z
r
为线激光轮廓仪的高度测量分辨率，v
max
为自动铺放机的最大末端速度，k为测量点因子，l0，w0，h0分别为能够检出缺陷的长，宽，高，h
p0
为铺放的层厚。3.根据权利要求1所述的三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，其特征在于，所述的线激光轮廓仪的采样频率f
p
为：f
p
＝λv
t
，且f
p
≤max(f
PLCmax
,f
Lmax
)其中，λ为末端速度采样频率因子，v
t
为自动铺丝机的末端速度，f
PLCmax
为PLC触发脉冲的最大触发频率。4.根据权利要求1所述的三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，其特征在于，所述的将输入的自动铺丝机各轴的第一位移量数据集进行增加或删减得到第二位移量数据集，包括：如果采集到第一位移量数据集的数据数目大于第一轮廓点云数据集的数目，则删除第一位移量数据集中多余的数据得到第二位移量数据集；如果采集到第一位移量数据集的数据数目小于第一轮廓点云数据集的数目，则依据插入位置前后相邻数据线性插值增加数据，以得到第二位移量数据集。5.根据权利要求1所述的三维激光扫描自动铺放在线检测点云数据采集装置，其特征在于，所述的将第一...
【专利技术属性】
技术研发人员：王青，唐艺鹏，程亮，王晗，李江雄，柯映林，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：
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