一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法技术

本发明专利技术涉及一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法

【技术实现步骤摘要】
一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法


[0001]本专利技术属于飞机蒙皮喷涂路径规划方法
，尤其涉及一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法
。

技术介绍

[0002]飞机蒙皮喷涂中，漆面外观一般要求漆膜均匀
、
平整地覆盖基体材料，无缩孔
、
气泡
、
针孔
、
流挂
、
流淌痕
、
波纹
、
灰尘
、
绒毛
、
干喷雾
、
过喷
、
碎屑
、
划伤等缺陷，无放大目视观察时，涂覆的底漆应连续覆盖
、
无空白，无可见的固体颗粒
、
污染物
、
鱼眼
、
针孔
、
鼓泡
、
过喷等缺陷
。
当距离涂层表面
2m
‑
3m
处无放大目视观察时，应无可见的不均匀
、
流淌
、
纹路
、
流挂和桔皮等现象
。
此外，根据所喷涂漆种类不同，一般要求漆干膜厚度在
10
‑
50
μ
m
不等
。
随着飞机制造行业对飞机外观及性能的追求，对漆干膜的要求也相应提高
。
[0003]飞机蒙皮喷涂时，将蒙皮安装到特定工装上，以人工观察情况或蒙皮数学模型作为参考，结合喷涂的工艺要求，设计规划喷涂路径
。
由于蒙皮厚度小且其形状多呈复杂双曲面，使得其安装到工装上受力不均，极易造成形变
。
当前采用的人工喷涂和按照数学模型生成喷涂路径的方法，对蒙皮实际形变缺乏感知和量化，只能通过工艺调整或针对实时数据的自身形变情况进行计算使得漆干膜质量尽可能达到工艺要求
。
目前，能够考虑形变情况的路径优化方法为，每放置一张蒙皮时进行一次点云数据采集，将点云数据进行切片和拟合等处理，计算出实际喷涂路径
。
但是，对单张蒙皮进行数据采集和基于点云数据的路径计算的数据量大
、
数据处理工作繁琐
、
耗时长
、
对计算机存储空间和运行速度的要求高，路径规划的效率很低
。
因此，为了保证蒙皮喷涂质量
、
提高加工效率，使之达到新一代飞机的设计制造标准，开发蒙皮喷涂路径规划的高效化
、
自动化
、
智能化方法已成为技术人员需要面对的重要课题
。

技术实现思路

[0004]为了解决现有飞机蒙皮喷涂路径优化方法需对单张蒙皮进行数据采集和基于点云数据进行路径计算，数据量大
、
数据处理工作繁琐
、
耗时长
、
对计算机存储空间和运行速度要求高
、
路径规划效率很低等问题，本专利技术提出了一种新的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法
。
[0005]本方法针对飞机的蒙皮框架结构，以
KUKA
工业机器人为载体，利用
3D
面激光传感器获取蒙皮形状信息，提供符合实际蒙皮形状的点云数据，然后通过对点云数据与理论数学模型的对应区块形变分析，优化理论喷涂路径，指导机器人完成随形喷涂运动任务，提升加工过程适应性
。
[0006]本方法的实施系统以软件系统为主，搭建硬件平台对其进行验证
。
其中，软件系统主要包括位于上位机的数据分析和处理系统；硬件平台主要包括
3D
面激光传感器
、KUKA
机器人
、
喷涂模块
、
激光跟踪仪以及系统组装与功能实现所必须的结构件
。
通过硬件平台与软件系统的相互结合，本方法的实施系统能够实现在线与离线模式下精确的加工基准提取与
喷涂路径实时规划等功能
。
[0007]具体地，本专利技术提供了一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，本方法包括：
[0008]S1.
对实际点云数据与数学模型进行精确配准；
[0009]S2.
对实际点云数据与数学模型进行区域划分与对应区域匹配；
[0010]S3.
对实际点云数据与数学模型对应区域和整体形变参数进行计算与分析；
[0011]S4.
将上步计算获得的实际点云形变参数进行局部区域匹配和整体归纳整合，分别附加到基于数学模型预先生成的理论喷涂路径上，对路径进行随形优化修正，得到符合实际点云形状的实际喷涂路径；
[0012]S5.
对随形优化后获得的实际喷涂路径进行整体处理
。
[0013]进一步地，本专利技术飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法步骤
S1
中所述的对实际点云数据与数学模型进行精确配准，是通过求两个点云之间的旋转平移矩阵，将源点云或数学模型变换到目标点云或数学模型相同的坐标系下，可以表示为以下方程：
[0014]p
t
＝
R
·
p
s
+T
[0015]其中，
p
t
和
p
s
就是一对对应点，
R
是点云和数学模型的旋转矩阵，
T
是平移向量
。
[0016]进一步地，本专利技术飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法步骤
S1
中所述的对实际点云数据与数学模型进行精确配准，包括：
[0017]S11.
首先进行粗配准，使实际点云数据与数学模型在主方向上重合；点云数据的主方向通过计算所有点的特征向量得到或通过计算包围盒的方式实现；数学模型的主方向通过计算三角面片顶点特征向量得到；除主方向外，进一步获取到与主方向垂直的两个次方向，由此建立一个以重心为原点，主方向和次方向为坐标轴的参考坐标系；将实际点云数据与数学模型的参考坐标系调整到一致，即可实现实际点云数据与数学模型的粗配准；
[0018]S12.
完成实际点云数据与数学模型的粗配准后，进一步进行精配准；
[0019]目标点集
A
对应参考点集
S
，对应点集应满足以下条件：
[0020](1)A
中点的个数和
S
中点的个数相等；
[0021](2)
对于
A
中每一个点
a
i
都应该对应于
S
中具有相同下标的点
s
i
；
[0022]设旋转变换向量为单位四元数
q
R
＝
[q0q1q2q3]t
，其中，
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.
对实际点云数据与数学模型进行精确配准；
S2.
对实际点云数据与数学模型进行区域划分与对应区域匹配；
S3.
对实际点云数据与数学模型对应区域和整体形变参数进行计算与分析；
S4.
将上步计算获得的实际点云形变参数进行局部区域匹配和整体归纳整合，分别附加到基于数学模型预先生成的理论喷涂路径上，对路径进行随形优化修正，得到符合实际点云形状的实际喷涂路径；
S5.
对随形优化后获得的实际喷涂路径进行整体处理
。2.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，步骤
S1
中所述的对实际点云数据与数学模型进行精确配准，是通过求两个点云之间的旋转平移矩阵，将源点云或数学模型变换到目标点云或数学模型相同的坐标系下，可以表示为以下方程：
p
t
＝
R
·
p
s
+T
其中，
p
t
和
p
s
就是一对对应点，
R
是点云和数学模型的旋转矩阵，
T
是平移向量
。3.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，步骤
S1
中所述的对实际点云数据与数学模型进行精确配准，包括：
S11.
首先进行粗配准，使实际点云数据与数学模型在主方向上重合；点云数据的主方向通过计算所有点的特征向量得到或通过计算包围盒的方式实现；数学模型的主方向通过计算三角面片顶点特征向量得到；除主方向外，进一步获取到与主方向垂直的两个次方向，由此建立一个以重心为原点，主方向和次方向为坐标轴的参考坐标系；将实际点云数据与数学模型的参考坐标系调整到一致，即可实现实际点云数据与数学模型的粗配准；
S12.
完成实际点云数据与数学模型的粗配准后，进一步进行精配准；目标点集
A
对应参考点集
S
，对应点集应满足以下条件：
(1)A
中点的个数和
S
中点的个数相等；
(2)
对于
A
中每一个点
a
i
都应该对应于
S
中具有相同下标的点
s
i
；设旋转变换向量为单位四元数
q
R
＝
[q0q1q2q3]
t
，其中，
q0≥0
，且
q
02
+q
12
+q
22
+q
32
＝1，可得3×3旋转矩阵
R(q
R
)
；设平移变换向量为
q
T
＝
[q4q5q6]
t
，可得完全坐标变换向量
q
＝
[q
R
|q
T
]
t
；求对应点集间的最佳坐标变换向量问题转化为求
q
使得函数最小化问题，算法如下：
(1)
得到对应点集实际点云数据集
A
和数学模型集
S
；
(2)
分别计算
A
和
S
的重心：
(3)
由两点集构造3×3协方差矩阵：
(4)
由协方差矩阵构造4×4对称矩阵：其中，
tr(∑
as
)
是矩阵
∑
as
的迹，
Δ
＝
[P
23 p
31 P
12
]
T
，
I3是3×3单位矩阵；
(5)
计算
Q(∑
as
)
特征值和特征向量，其最大特征值对应的特征向量就是最佳旋转向量
q
R
＝
[q0q1q2q3]
t
；
(6)
计算最佳平移向量：
q
T
＝
μ
s
‑
R(q
R
)
μ
a
其中，
(7)
根据旋转
、
平移向量对
A
进行坐标变换；
(8)
计算误差判断是否仍需迭代，若误差小于设定值则停止迭代，否则继续迭代；
(9)
完成精配准
。4.
根据权利要求3所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，步骤
S11
中所述的进行粗配准，包括：设
V
p
为点云数据的包围盒体积，
V
s
为数学模型的包围盒体积，
V
i
为点云数据包围盒与数学模型包围盒相交得到的包围盒的体积，则包围盒重合系数
λ
为：
ε
为设定值，如果
λ
＞
ε
，则点云数据与数学模型接近重合，否则不接近重合，仍需优化处理
。5.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，步骤
S2
中所述的对实际点云数据与数学模型进行区域划分与对应区域匹配，包括：基于数学模型预先生成符合数学模型形状特征和工艺要求的理论喷涂路径，按照理论喷涂路径和工艺参数反推计算数学模型的区域划分方式，生成区域边界线或划分线，将配准后的实际点云切分成多个区域，使划分后的区域可以准确表达实际点云的形状信息，并使各区域的实际点云与数学模型准确对应
。6.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，步骤
S3
中所述的对实际点云数据与数学模型对应区域和整体形变参数进行计算与分析，包括根据步骤
S2
中划分后的对应区域，对每个区域内的实际点云数据进行曲面拟合，计算其中心点坐标
、
区域点云曲率和曲面法向量参数，以此分析实际点云相对于数学模型发生的局部形变和整体形变
。7.
根据权利要求6所述的飞机蒙皮形变分析与喷涂路径随形优化方法，其特征在于，所
述区域点云曲率和曲面法向量通过下述两种方法中的任一种计算获得：
(
一
)
使用二次曲面拟合求点云曲率在散乱点云中取一个数据点
P
i
，然后以
P
i
为中心在点云中均匀地取
n
个点，这
n
个点尽可能覆盖整个点云；利用最小二乘法拟合二次曲面
z(x
，
y)
...

【专利技术属性】
技术研发人员：王偲佳，李豹，张海宁，叶玉玲，王鹏，李现华，
申请(专利权)人：北京神工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：