基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法
【专利摘要】一种基于激光位移传感器检测蒙皮外形的自适应加工方法，其特征是首先根据蒙皮理论模型生成检测路径，用激光位移传感器按照检测路径进行蒙皮轮廓扫描，将采集到的距离数据转换成点坐标数据，对数据进行处理，删除蒙皮成形缺陷带来的波纹位置的点坐标，为了保证构造曲面精度，再合理插入点，确保拟合的是一个完整的去除掉成形缺陷的满足精度要求的曲面，按照新曲面进行数控加工。本发明利用激光位移传感器对蒙皮进行检测，检测速度快，检测精度高，信号稳定。构造检测曲面时，将蒙皮零件成型的缺陷位置的检测点去掉，并合理插入检测点，保证零件曲面的拟合精度，保证刀轨的光顺，并根据拟合的曲面自动更新刀轨，提高了编程效率，降低加工成本。
【专利说明】基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种数控加工技术，尤其是一种飞机蒙皮数控加工技术，具体地说是 一种基于激光位移传感器的自适应加工方法。
【背景技术】
[0002] 飞机蒙皮零件一般具有尺寸比较大、形状比较复杂、多数呈双曲度且厚度不一等 特点，蒙皮镜像铣作为新的蒙皮加工方法，它具有集切边、铣缺口、制孔和厚度加工于一体， 支撑装置跟随铣刀运动形成镜像，超声波测厚，实时控制切削厚度等特点。采用蒙皮镜像铣 技术在加工过程中，由于成型不到位零件实际模型与理论模型会出现偏差，为了避免偏差 较大而发生过切导致零件报废，需要对成型不到位的厚蒙皮毛坯零件进行检测，根据检测 点构造出实际曲面，根据拟合后的曲面更改刀轨，进行数控加工。
[0003] 目前国内采用蒙皮镜像铣技术时，对于蒙皮零件检测采用的是在机接触式检测技 术，其缺点在于当蒙皮成形误差较大时会出现测头无法与零件接触的情况，导致采集不到 检测数据的情况出现。构造检测曲面时，由于蒙皮零件成型技术的影响会在零件表面产生 一定的缺陷，导致生成的刀轨不光顺，影响加工精度，因此需要对采集到的检测点进行处 理。目前查阅现有技术与文献中直接对检测点进行拟合，构建出的曲面可以达到与实际曲 面一致，即将波纹面也拟合到曲面当中，实际生产中不希望拟合的曲面带有波纹度，因此会 出现的刀轨不光顺，加工精度低，加工效率低等问题。拟合曲面以后，蒙皮零件采用手动调 整刀轨，导致编程效率低下，并且检测、拟合及刀轨更改的过程，零件必须占用机床避免重 复定位误差，使得机床占用率高，增加加工成本。
[0004] 针对以上问题本专利提出一种基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法，该方 法利用激光位移传感器对蒙皮进行检测，检测速度快，检测精度高，信号稳定。构造检测曲 面时，将蒙皮零件成型的缺陷位置的检测点去掉，并合理插入检测点，保证零件曲面的拟合 精度，保证刀轨的光顺，并根据拟合的曲面自动更新刀轨，提高编程效率，降低加工成本。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的是针对现有的飞机蒙皮采用镜像铣加工时存在的检测误差大，严重 影响数控加工精度和效率提高的问题，发明一种采用偏光位移传感器进行实时检测并及时 将检测结构转换成数控系统的座标值，对数控程序进行实时调整以获得高精度、高效率飞 机蒙皮加工的方法。
[0006] -种基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法，其特征是包括以下步骤：
[0007] 步骤1、根据零件曲率变化确定检测方向；
[0008] 步骤2、自动生成检测路径；
[0009] 步骤3、将激光位移传感器安装在机床上并进行标定；
[0010] 步骤4、利用激光位移传感器在机检测曲面并获取检测数据；
[0011] 步骤5、将检测的距离数据转化为点坐标文件；
[0012] 步骤6、根据设置的参数选取满足参数要求的检测点；
[0013] 步骤7、对于检测数据进行处理，去除不合理的检测点；
[0014] 步骤8、根据处理后的检测点，重新构造实际曲面；
[0015] 步骤9、用实际曲面替换理论曲面，在实际曲面上重新生成刀轨；
[0016] 步骤10、数控程序更新，进行数控加工；
[0017] 所述的确定检测方向是指为了防止传感器在测量时摆动角度过大，为测量带来不 便，需要通过选取蒙皮零件的水平和坚直方向的边，计算两条边的平均曲率，选取平均曲率 小的边所对应的方向作为检测方向。
[0018] 所述的自动生成检测路径是指根据确定的检测方向和设定的检测路径的间距，自 动创建与检测方向平行的平面，并与检测的曲面相交，所求的交线即为检测路径。
[0019] 所述的将检测的距离数据转化为点坐标文件是指读取激光位移传感器获取的测 量数据，由于传感器所测数值为传感器到被检测曲面的法向距离，因此需要进行转换得到 检测点的坐标值，转换方法如下：
[0020] 激光传感器的位置点坐标为（X。，yQ, Ztl),法向量为（m, η, P), (X，y, Z)为 与点对应的被测曲面上的点坐标，d为激光位移传感器到被测曲面的 距离根据空间直线的点向式方程：= = 和两点间距离公式： ul fl U d = ^j(X-X0)2 +{y-y0)2 +(z-z0)2，根据这两个公式联立可以解出检测点Q的坐标值。
[0021] 所述的选取满足参数要求的检测点是指由于激光位移传感器采样频率较高，采集 到的检测点数目较多，因此需要根据参数设置中选取检测点的数目和最大弦高误差对检测 点进行筛选。方法如下：首先根据检测数据拟合成样条曲线，根据设置的检测点数目在采集 到的检测点中均匀取点，依次对相邻两点之间计算弦高误差与最大弦高误差进行对比，如 果超过最大弦高误差则在两点之间插入检测点，插入检测点后，再判断两点与插入点之间 的弦高误差是否满足条件，如果满足则继续判断其他检测点，如果不满足则继续插入点直 到满足条件为止，最终保留所有插入点及原有的点。
[0022] 所述的对于检测数据进行处理是指蒙皮零件由于成型缺陷需要对不合理检测点 进行剔除，根据提取后的检测点拟合曲线，在每一个检测点处求该B样条曲线的切线方向， 同时在理论检测路径上找到对应点并求出检测路径的切线方向。将每一个检测点处的切线 方向与检测路径上对应点的切线方位对比，如果同属于曲线的同侧则认为该检测点为合理 检测点，如果不属于曲线同侧则认为该检测点为不合理检测点，需要去除该点并插入新的 点。由于蒙皮零件大多为双曲率零件，大多表面比较光顺且相邻检测点的间距较小，因此可 将不合理检测点P2左右相邻两点Pl和P5之间近似为圆弧。
[0023] 插入点的方法如下：将点Pl所有左侧检测点用B样条曲线拟合，再过这个点作B 样条曲线的切向量V，过点Pl作向量V的垂线L1，连接点Pl和点P5得到直线L2,作直线 L2的垂直平分线并与直线Ll相交于点P6,以点P6为圆心过点Pl和点P5做圆弧C1，过点 P2作直线L2的垂线垂足为点P4,得到垂线与曲线Cl的交点P3即为插入点，用点P3替换 点P2,根据新的点列拟合成B样条曲线C2。
[0024] 所述的构造实际曲面，需要将数据处理后的检测点拟合成B样条曲线，再将B样条 曲线拟合成曲面；
[0025] 本发明的有益效果是：
[0026] 1、本发明利用激光位移传感器对蒙皮进行检测，检测速度快，检测精度高，信号稳 定。
[0027] 2、本发明利用选取的检测点数目与设定的最大弦高误差值对于检测数据进行筛 选并规则取点，避免了检测数据多，处理时间长的问题，提高了效率。
[0028] 3、本发明在对检测数据处理时，将不合理的检测点去除后合理添加检测点，保证 零件曲面的拟合精度，保证刀轨的光顺。
[0029] 4、本发明用实际曲面替换理论曲面，提高加工效率和加工精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0030] 图1为本发明的基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法流程图。
[0031] 图2为本发明的平均曲率示意图；图中C是光滑的曲线，曲线C上从点M到点M' 的弧为Δ s,切线的转角为Δ α，曲线上从点Mtl到点M的弧为S, Δ α + α为曲线C上M'点 处的切线与坐标轴的夹角、α为曲线C上M点处的切线与坐标轴的夹角。
[0032] 图3为本发明的检测轨迹自动生成示意图；图中L为检测路径的间距。
[0033] 图4为本发明的检测点采集示意图；图中C表示曲率圆，L表示曲线，Qp Qi+1表示 曲率圆上的两点，Pi表不当如点的曲率半径；σ表不为弦
[0034] 图5为本发明的选取检测点示意图。
[0035] 图6为本发明的数据处理示意图。
[0036] 图7为本发明的判断曲线凹凸性示意图；图中Cl为检测点拟合的曲线，C2为对应 的检测路径，P1、P2表示曲线Cl上的两个检测点，P3、P4表示曲线C2上与P1、P2相对应的 点，VI、V2分别表示曲线Cl在点Pl和P2处的切向量，V3、V4分别表示曲线C2在点P3和 P4处的切向量；
[0037] 图8为本发明的插入检测点原理图；其中P2为不合理的检测点，P1、P5为与P2左 右相邻的检测点，L2为Pl和P5的连线，P4表示线L2的中垂线的交点，V为点Pl的切矢， Ll为垂直切矢的直线，P6为线L2的中垂线与Ll的交点，P3为插入点，Cl为以P6为圆心 过Pl和P5的圆弧，Cl为检测点经过处理后拟合的曲线。
[0038] 图9为本发明的检测点拟合B样条曲线示意图。
[0039] 图10为本发明的重构检测曲面示意图。
【具体实施方式】
[0040] 下面结构附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0041] 如图1-10所示。
[0042] 一种基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法，它包括以下步骤：
[0043] 步骤1、根据零件曲率变化确定检测方向；为了防止传感器在测量时摆动角度过 大，为测量带来不便，需要通过选取蒙皮零件的水平和坚直方向的边，计算两条边的平均曲 率，选取平均曲率小的边所对应的方向作为检测方向。
[0044] 步骤2、自动生成检测路径；根据确定的检测方向和设定的检测路径的间距，自动 创建与检测方向平行的平面，并与检测的曲面相交，所求的交线即为检测路径。
[0045] 步骤3、将激光位移传感器安装在机床上并进行标定；先读取激光位移传感器获 取的测量数据，由于传感器所测数值为传感器到被检测曲面的法向距离，因此需要对测量 数据进行如下转换得到检测点的坐标值，转换方法如下：
[0046] 激光传感器的位置点坐标为（X。，yQ, zQ),法向量为（m, n, p), (X，y, z)为 与点对应的被测曲面上的点坐标，d为激光位移传感器到被测曲面的 X - X0 V-V0 Z-Z0 距离根据空间直线的点向式方程：5^=^-和两点间距离公式： d = viv-T0):+〇；-r(!):+(Z-Z 0)2 ,根据这两个公式联立可以解出检测点Q的坐标值。
[0047] 步骤4、利用激光位移传感器在机检测曲面并获取检测数据；
[0048] 步骤5、将检测的距离数据转化为点坐标文件；
[0049] 步骤6、根据设置的参数选取满足参数要求的检测点；由于激光位移传感器采样 频率较高，采集到的检测点数目较多，因此需要根据参数设置中选取检测点的数目和最大 弦高误差对检测点进行筛选。方法如下：首先根据检测数据拟合成样条曲线，根据设置的检 测点数目在采集到的检测点中均匀取点，依次对相邻两点之间计算弦高误差与最大弦高误 差进行对比，如果超过最大弦高误差则在两点之间插入检测点，插入检测点后，再判断两点 与插入点之间的弦高误差是否满足条件，如果满足则继续判断其他检测点，如果不满足则 继续插入点直到满足条件为止，最终保留所有插入点及原有的点。
[0050] 步骤7、对于检测数据进行处理，去除不合理的检测点；蒙皮零件由于成型缺陷需 要对不合理检测点进行剔除，根据提取后的检测点拟合曲线，在每一个检测点处求该B样 条曲线的切线方向，同时在理论检测路径上找到对应点并求出检测路径的切线方向。将每 一个检测点处的切线方向与检测路径上对应点的切线方位对比，如果同属于曲线的同侧则 认为该检测点为合理检测点，如果不属于曲线同侧则认为该检测点为不合理检测点，需要 去除该点并插入新的点。由于蒙皮零件大多为双曲率零件，大多表面比较光顺且相邻检测 点的间距较小，因此可将不合理检测点P2左右相邻两点Pl和P5之间近似为圆弧。
[0051] 插入点的方法如下：将点Pl所有左侧检测点用B样条曲线拟合，再过这个点作B 样条曲线的切向量V，过点Pl作向量V的垂线L1，连接点Pl和点P5得到直线L2,作直线 L2的垂直平分线并与直线Ll相交于点P6,以点P6为圆心过点Pl和点P5做圆弧C1，过点 P2作直线L2的垂线垂足为点P4,得到垂线与曲线Cl的交点P3即为插入点，用点P3替换 点P2,根据新的点列拟合成B样条曲线C2。
[0052] 步骤8、根据处理后的检测点，重新构造实际曲面；需要将数据处理后的检测点拟 合成B样条曲线，再将B样条曲线拟合成曲面；
[0053] 步骤9、用实际曲面替换理论曲面，在实际曲面上重新生成刀轨；
[0054] 步骤10、数控程序更新，进行数控加工。
[0055] 下面以蒙皮零件的下陷面作为例子，下面结合附图作进一步的详细说明。
[0056] 图1是本发明的基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法流程图。如图所示， 它包括以下各步骤：
[0057] 1、为了防止传感器在测量时摆动角度过大，为测量带来不便，需要选取平均曲率 最小方向作为检测方向，曲率计算如下：
[0058] 设蒙皮零件水平和坚直方向的曲线C是光滑的，曲线C上从点M到点M'的弧为 As，切线的转角为Λ α，因此平均曲率的计算公式无=#为弧段丽'的平均曲率，如图 As 2所示。
[0059] 2、根据确定的检测方向和设定的检测路径的间距L，这里设置为50mm，自动创建 以检测方向作为法向量的平面，并与检测的曲面相交，平面间距为L，即为截平面，截平面与 检测平面的交线即为检测路径，如图3所示。
[0060] 3、将激光位移传感器安装在机床主轴上，标定激光位移传感器，获取传感器的位 置坐标并记录下来，对传感器进行标定并设置其相关参数，然后对传感器进行误差补偿保 证后续测量的精度。
[0061] 4、利用激光位移传感器按照规划的检测路径进行扫描，为了保证检测精度，通过 机床后置处理程序控制机床主轴，保证激光束实时以被检测曲面法向方向入射，采样频率 和测量区域根据具体的零件大小和形状特征确定，传感器在扫描的同时所测数据进行存 储。
[0062] 5、读取激光位移传感器获取的测量数据，由于传感器所测数值为传感器到被检测 曲面的法向距离，因此需要进行转换得到检测点的坐标值，转换方法如下：
[0063] 激光传感器的位置点坐标为（X。，yQ, zQ),法向量为（m, η, P), (X，y, z)为 与点对应的被测曲面上的点坐标，d为激光位移传感器到被测曲面的 X-X0 V-Vn Z-Z0 距离根据空间直线的点向式方程：= = 和两点间距离公式： ft I /1. j/ d = ^(x-x0)2 +(y-y〇)2 +(z-z0)2，根据这两个公式联立可以解出Q点的坐标值。
[0064] 6、由于激光位移传感器采样频率较高，因此采集到的检测点数目较多，因此需要 根据参数设置中设置的选取检测点的数目和最大弦高误差对检测点进行筛选。方法如下： 根据设置的检测点数目在采集到的检测点中均匀取点，并拟合成B样条曲线，再依次对相 邻两点之间计算弦高误差与最大弦高误差进行对比，如果超过最大弦高误差则在两点之间 插入检测点，插入检测点后，再判断两点与插入点之间的弦高误差是否满足条件，如果满足 则继续判断其他检测点，如果不满足则继续插入点直到满足条件为止，最终保留所有插入 点及原有的点，如图5所示。弦高计算方法如下：
[0065] 相邻检测点之间的距离为S，由于蒙皮零件大多数为光滑曲面，所以蒙皮零件的检 测点之间的距离随曲率半径和弦高的变化而发生变化，如图4所示，取曲线在第i个检测点 Qi处的曲率圆代替曲线，由于离散距离微小，所以这样的处理造成的误差可以忽略不计。根 据简单的几何关系可知，参数曲线的弦高误差σ如式所示：
[0066] σ = Pi-^pl2-(\αβΜ\Ι2)2
[0067] 式中：IQiQwI为第i个离散点与第i+1个离散点点间的弦长，P i为曲线在Qi处 的曲率半径，IQiQwI为离散步长，即为S。
[0068] 7、如图6所示，激光位移传感器检测到的点并不是都满足要求，如I区域的点属于 多余的点，将此处的点去掉并不影响构造检测曲面的精度，但是在II区域的检测点与规划 的点出现偏差较大，如果按此点构造检测曲面可能会出现凸起而且会影响刀轨的光顺度， 因此需要对II区域进行处理，先将所有的检测点拟合成B样条曲线，在每一个检测点处做 该B样条曲线的切线，在检测路径上对应点也作出检测路径的切线，将每一个检测点处的 切线方向与检测路径上对应点的切线方位对比，如果同属于曲线的同侧则认为该检测点为 合理检测点，如果不属于曲线同侧则认为该检测点为不合理检测点，需要去除该点并插入 新的点。如图7所示，Cl为检测点拟合成的B样条曲线，C2为与检测点对应的检测路径，在 点Pl处的切线Vl在曲线的上侧，与点Pl对应的点P3处的切线V3同在曲线上侧，因此点 Pl为合理检测点。点P2处的切线V2在曲线下侧，与之对应的点P4的切线V4在曲线上侧， 因此点P2为不合理的检测点。由于蒙皮零件大多为双曲率零件，大多表面比较光顺且点Pl 和点P5的间距较小，因此可将点Pl和点P5之间可近似为圆弧。插入点的方法如下：如图 8所示，点Pl左侧的检测点用B样条曲线拟合，再过这个点作B样条曲线的切向量V，过Pl 作V的垂线L1，连接点Pl和点P5得到直线L2,作直线L2的垂直平分线并与直线Ll相交 于点P6,以点P6为圆心过点Pl和点P5做圆弧C1，过点P2作直线L2的垂线垂足为点P4， 得到垂线与曲线Cl的交点P3即为插入点，用点P3替换点P2,根据新的点列拟合成B样条 曲线C2。
[0069] 8、利用上述方法将每一行的检测点拟合成B样条曲线，如图9所示，将拟合的B样 条曲线拟合成曲面，如图10所示，蒙面法对曲线有如下要求：1)每条控制曲线的次数要统 一；2)所有截面线都要求具有相同的定义域；3)所有截面线都具有统一的节点矢量；4)出 于曲面光顺性的考虑，应使所有截面线的端点与分段点沿曲线弧长分布比较接近。由于统 一使用3次B样条曲线作为控制曲线插值，并采用规范化定义域，即所有B样条曲线的定义 域都为[0，1]，故上一节拟合得到的B样条曲线对前两个要求都能满足。对于第3个要求， 本发明采用平均节点矢量算法确定共同的节点矢量，该算法的规则是将共同的节点矢量取 为各个截面节点矢量的平均值，如公式所示。
【权利要求】
1. 一种基于激光位移传感器的蒙皮自适应加工方法，其特征在于它包括以下步骤： 步骤1、根据零件曲率变化确定检测方向； 步骤2、自动生成检测路径； 步骤3、将激光位移传感器安装在机床上并进行标定； 步骤4、利用激光位移传感器在机检测曲面并获取检测数据； 步骤5、将检测的距离数据转化为点坐标文件； 步骤6、根据设置的参数选取满足参数要求的检测点； 步骤7、对于检测数据进行处理，去除不合理的检测点； 步骤8、根据处理后的检测点，重新构造实际曲面； 步骤9、用实际曲面替换理论曲面，在实际曲面上重新生成刀轨； 步骤10、数控程序更新，进行数控加工。
2. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的确定检测方向是指为了防止传感器在 测量时摆动角度过大，为测量带来不便，需要通过选取蒙皮零件的水平和坚直方向的边，计 算两条边的平均曲率，选取平均曲率小的边所对应的方向作为检测方向。
3. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的自动生成检测路径是指根据确定的检 测方向和设定的检测路径的间距，自动创建与检测方向平行的平面，并与检测的曲面相交， 所求的交线即为检测路径。
4. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的将检测的距离数据转化为点坐标文件 时，先读取激光位移传感器获取的测量数据，由于传感器所测数值为传感器到被检测曲面 的法向距离，因此需要进行转换得到检测点的坐标值，转换方法如下： 激光传感器的位置点坐标为（X。，yQ，zQ),法向量为（m, n, p), (X，y, z)为与点（X。，yQ, zQ) 对应的被测曲面上的点坐标，d为激光位移传感器到被测曲面的距离根据空间直线的点向 式方程：
-和两点间距离公式
根据这两个公式联立可以解出检测点Q的坐标值。
5. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的选取满足参数要求的检测点是指由于 激光位移传感器采样频率较高，采集到的检测点数目较多，因此需要根据参数设置中选取 检测点的数目和最大弦高误差对检测点进行筛选；方法如下：首先根据检测数据拟合成样 条曲线，根据设置的检测点数目在采集到的检测点中均匀取点，依次对相邻两点之间计算 弦高误差与最大弦高误差进行对比，如果超过最大弦高误差则在两点之间插入检测点，插 入检测点后，再判断两点与插入点之间的弦高误差是否满足条件，如果满足则继续判断其 他检测点，如果不满足则继续插入点直到满足条件为止，最终保留所有插入点及原有的点。
6. 如权利要求1所述的工方法，其特征在于所述的对于检测数据进行处理是指蒙皮零 件由于成型缺陷需要对不合理检测点进行剔除，根据提取后的检测点拟合曲线，在每一个 检测点处求该B样条曲线的切线方向，同时在理论检测路径上找到对应点并求出检测路径 的切线方向；将每一个检测点处的切线方向与检测路径上对应点的切线方位对比，如果同 属于曲线的同侧则认为该检测点为合理检测点，如果不属于曲线同侧则认为该检测点为不 合理检测点，需要去除该点并插入新的点。
7. 如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的构造实际曲面是指需要将数据处理后 的检测点拟合成B样条曲线，再将B样条曲线拟合成曲面。
【文档编号】B23Q15/12GK104385052SQ201410573327
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年10月23日 优先权日:2014年10月23日
【发明者】李迎光, 郝小忠, 周冠妍, 周鑫, 牟文平, 汤立民 申请人:南京航空航天大学