一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法技术

本发明专利技术公开了一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法：1）对零件毛坯表面进行数据点采样，并对采样点进行去噪、排序等预处理操作；2）以采样点集作为匹配目标，对零件的理论CAD模型与预处理后的采样点进行刚性配准；3）采用等截面法和相交操作获取配准后理论CAD模型不同位置的截面线，并采用等参数法将截面线离散为点集。以采样点集作为变形目标，对理论截面线的离散点集做非刚性配准变形，并对变形后的离散点集采用NURBS曲线插值生成截面线；4）通过放样截面线的方法生成适应当前零件的加工工艺CAD模型。解决了薄壁零件因热成形变形引起的实际毛坯几何外形无法包络理论CAD模型而造成的加工余量不足的问题。CAD模型而造成的加工余量不足的问题。CAD模型而造成的加工余量不足的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法


[0001]本专利技术属于机械制造及逆向工程领域，特别涉及一种基于非刚性配准变形的模型重构方法，属于一种提升逆向建模准确性和加工精度的辅助方法。

技术介绍

[0002]薄壁零件具有质量轻、耗材少的优点，被广泛应用于航空领域结构件的制造中。但该类材料的刚度较低，易变形，加工精度难以保证。为了实现航空零部件的高效高质量制造，热成形制造结合数控铣削的复合加工是目前薄壁零件的主要制造方式。传统薄壁零件从整体坯料到最终的零件成型，需要多次对毛坯进行数控减材加工，零件的生产周期长且材料去除率较高。航空领域结构件中，材料往往选择以钛合金为代表的难加工材料，价格昂贵，导致了航空领域结构件成本高。
[0003]目前，薄壁零件往往采用近净成型，零件成形后仅留有少量加工余量，通过数控铣削、磨削等加工方法去除余量，以大幅减少薄壁零件的制造周期，减少材料成本。然而，在近净成型过程中由于温度的波动、模具的磨损和热形变等因素影响，热成形后的薄壁零件外形与理论形状存在偏差，使得加工余量分布不均甚至不足，导致铣削加工过程中出现部分区域欠切或轮廓度、厚度超差，直接影响航空零部件的制造精度甚至产生报废。
[0004]目前主要是通过手工矫形、打磨等操作提高零件的加工精度，严重依赖工人的操作技能与经验，造成零件生产周期较长且质量一致性差。

技术实现思路

[0005]本专利技术针对现有技术方法的不足，提供一种基于非刚性配准变形的模型重构方法。针对易变形的薄壁零件，通过对理论数模采用非刚性配准的变形手段，解决了薄壁零件因热成形变形引起的实际毛坯几何外形无法包络理论模型CAD模型的问题，使得变形后的理论数模可被实际毛坯外形包围，实现对薄壁零件加工工艺数模的个性化定制。
[0006]一种基于非刚性配准变形的模型重构方法，包括以下步骤：
[0007]步骤一、通过接触式的探针或非接触式的点激光位移传感器对薄壁零件毛坯表面进行数据点采样，以及对采样点进行去噪、排序操作；所述的零件是易变形的薄壁零件，具体来说是薄壁蒙皮零件。
[0008]步骤二、将零件理论CAD模型与预处理后的采样点进行刚性配准；
[0009]步骤三、采用等高截面法获取配准后零件理论CAD模型不同高度的截面线，并采用等参数法将截面线离散为点集；之后以采样点集作为变形目标对理论截面线的离散点集与采样点集进行非刚性配准变形，并对变形后的离散点集采用NURBS曲线插值生成截面线；
[0010]步骤四、通过放样截面线的方法生成适应当前零件的加工工艺CAD模型。
[0011]为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0012]步骤一中所述“对零件表面进行数据点采样”，是采用弦高差法对零件CAD模型表面进行数据点采样规划，将所规划采样区域的点集拟合成曲线，并将其与零件CAD模型做偏
差比较，选取零件线轮廓度加工要求精度为弦公差，作为采样点数优化约束条件，采样点在零件曲率突变处分布较多，平滑处较少，反应零件外形特征变化。
[0013]步骤一中“对采样点进行去噪、排序”，是由于金属表面的反光特性，以及零件表面清洁度均会对点激光位移传感器产生影响，使得采样的数据点中有时会掺杂噪点，即不合理的离群点。所以需要通过对采样点进行去噪操作，去除多余、异常点，从而精简采样点数据，提升运算速率；之后对采样数据点进行排序，防止在后续数据点拟合时出现曲线的自相交。
[0014]步骤二中，所述的“刚性配准”，是以采样点集作为匹配目标，采用最近点迭代算法，通过对优化后的采样点和零件理论CAD模型进行旋转、平移操作从而缩短点对间的距离，进而使得两模型的基准尽可能重合，实现优化后的采样点和零件理论CAD模型间的刚性配准。
[0015]步骤三所述的“采用等高截面法获取配准后零件理论CAD模型不同高度的截面线”是以刚性配准后的理论CAD模型为依据，根据采样点的分布设置等高参考平面，通过不同截面分别与理论CAD模型求交获得相应的截面线。
[0016]在理论CAD模型中所取交线集为NURBS线段，其中NURBS线段的数学表述见式(1)：
[0017][0018]其中，p
i
为控制顶点，ω
i
为权重因子，N
i,k
(u)为k次B样条基函数。参数u的取值范围为[0,1]，等参数法即根据所需取截面点个数将参数u均分为n份，依据每点所对应的坐标值依据公式(1)获得对应点的坐标值。
[0019]步骤三中所述的“以采样点集作为变形目标对理论截面线的离散点集与采样点集进行非刚性配准变形”，是以采样点集作为变形目标，建立点对间的对应关系，依据公式(2)得到截面点集和采样点集间的相对距离接下来通过优化迭代，求解的最小值所对应的变换矩阵P，以及变换后的截面点集，从而实现对截面点集与采样点集间的非刚性配准变形，其公式如下：
[0020][0021]其中，SD(L(s
i
),τ)项代表截面点集到采样点集沿切向和法向的投影距离的平方和；T(P)为截面点集向采样点集进行自由变形的形变量；λ为变形系数，λ值越大则代表变形越剧烈。
[0022]步骤四中所述“通过放样截面线的方法”，是将所获得的变形后的截面点集导入三维建模软件CATIA。通过CATIA中的数据点拟合方法，将点集拟合为光滑曲线，再通过放样方法，拟合出三维片体，从而实现模型的重构。
[0023]本专利技术的有益效果在于：
[0024]本专利技术为薄壁零件的精加工提供了模型逆向造型方法，解决了薄壁零件因近净成型热工艺引起的实际几何外形无法包围理论CAD模型的加工余量不足的问题，降低了薄壁零件因欠切和过切导致的高废品率，有效地提高了薄壁零件的加工精度与效率。
附图说明
[0025]图1为本专利技术的基于非刚性配准变形的模型重构方法的流程图；
[0026]图2为本专利技术的弦高差法示意图；
[0027]图3为本专利技术的刚性配准示意图；
[0028]图4为本专利技术的等参数法示意图；
[0029]图5为本专利技术的非刚性变形效果示意图；
[0030]图6为本专利技术的“点
‑
线
‑
面”造型示意图。
具体实施方式
[0031]以下结合具体实施例，对本专利技术进行详细说明。
[0032]实施例1
[0033]如图1所示的一种基于非刚性配准变形的模型重构方法的流程图，涉及了三维建模技术、数字化测量技术、计算机图形学技术等。
[0034]一种基于非刚性配准变形的模型重构方法，该实施例中所针对的“易变形的薄壁零件”是指蒙皮零件。
[0035]主要包括五个步骤：数据准备、模型刚性配准、截面点集获取、非刚性配准变形、模型重构。
[0036]步骤(1)数据准备具体过程如下：
[0037](1)采用弦高差法(见图2)对蒙皮的理论CAD模型表面进行数据点采样规划，将所规划采样区域的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过接触式探针或非接触式的点激光位移传感器对零件毛坯表面进行数据点采样以及对采样点进行预处理，所述的预处理是去噪、排序操作；步骤二、将零件理论CAD模型与预处理后的采样点进行刚性配准；步骤三、采用等高截面法和相交操作获取配准后零件理论CAD模型不同位置的截面线，并采用等参数法将截面线离散为点集；以采样点集作为变形目标，对离散点集与采样点集进行非刚性配准变形，并对变形后的离散点集采用NURBS曲线插值生成截面线；步骤四、通过截面线放样的方法生成适应当前零件毛坯的加工工艺CAD模型。2.根据权利要求1所述的一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法，其特征在于：步骤一中，是采用弦高差法对零件理论CAD模型表面进行数据点采样规划；所要呈现出的效果为：采样点分布在同一截面内，采样点在零件曲率突变处分布较多，平滑处较少，可反应零件外形特征变化。3.根据权利要求1所述的一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法，其特征在于：所述步骤一中，通过对采样点进行去噪处理，去除测量异常点，从而精简数据点，提升运算速率和算法的鲁棒性；通过对采样点进行排序，防止在后续数据点拟合时出现曲线的自相交现象。4.根据权利要求1所述的一种基于非刚性配准变形的薄壁零件模型重构方法，其特征在于：步骤二，所述的“刚性配准”，是以采样点集作为匹配目标，对零件理论CAD模型进行旋转...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵正彩，杨伸，林圣涛，傅玉灿，苏宏华，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：