一种大尺寸复合材料构件贴模度非接触检测方法与流程

本发明提供一种大尺寸复合材料构件贴模度非接触检测方法，它是采用一种复合材料表面贴膜度的非接触检测方法，属于飞机大尺寸复合材料几何构件设计制造领域。

背景技术：

新一代飞机对稳定性、经济性、安全性提出了更高要求，与传统航空材料相比，复合材料具有高比强度、高比刚度、耐烧蚀等诸多优点。此外，复合材料构件不需要二次加工，构件整体性强，加工效率高，因此复合材料常用于大型结构件的整体加工制造。复合材料制造过程和自身特性导致复材构件内部易出现缺陷，目前复合材料数字化检测技术主要集中在复材构件内部缺陷的无损检测。但是随着整体成型复合材料构件的制造应用推广，构件几何特征对性能影响受到越来越多的关注。特别是大尺寸复合材料构件，外形尺寸大、刚性弱、结构复杂、装配要求高，质量不容易保证。另外，大尺寸复合材料构件多用于飞机机身或机翼蒙皮，表面几何特性(如波纹度、贴膜度等)直接影响飞机产品质量。文献“飞机RVSM系统分析与测试”(周颖.飞机RVSM系统分析与测试[J].中国高新技术企业,2010(13):9-10.)中分析了飞机表面某些特殊区域的表面特征会对飞机的气动特性和飞行性能产生较大影响，比如：空速管及附近区域表面情况会影响传感器压强测量值，进而影响飞机测速；静压口及附近区域表面情况直接影响民用飞机缩小最小垂直间隔(RVSM)运行能力的适航取证。

三维摄影测量技术是通过特制的相机在不同位置和方向拍摄一定数量的数字图片，这些图片涵盖了待测区域上的所有测量点，通过计算机图像匹配等相关后处理技术进行拼接和修正，最终得到所有测量点的点云数据。文献“基于三维测量技术的飞机表面波纹度数字化分析方法”(金鼎,吴剑.基于三维测量技术的飞机表面波纹度数字化分析方法[J].航空工程进展,2013(1):85-89.)介绍了激光扫描法在航空金属材料蒙皮上获取构建表面几何特征，并对波纹度进行分析。然而，文献中对三维数字摄影法对表面几何特征获取的方法没有详细说明。特别是针对复合材料贴膜度的三维数字摄影法，在测量过程中需要考虑复合材料构件及成型模具的厚度特征。国内当前对贴膜度获取及分析尚少，用以上方法获得的表面特征结果不是分析贴膜度的理想结果。

技术实现要素：

本发明的目的是为了克服目前大尺寸复合材料结构件几何外形检测技术的不足，提供了一种基于照相测量技术的大尺寸复合材料构件贴模度的检测方法。

本发明一种大尺寸复合材料构件贴模度非接触检测方法，包括如下步骤：

步骤1)在复合材料成型模具四周布置一些基准检测点，并且能够在每一次成像时被测量相机检测到；

步骤2)利用测量相机测量基准检测点坐标，获得测量坐标系下的坐标值，利用最小二乘关系，求解出测量坐标系与模具理论坐标系之间的转换矩阵；

步骤3)等复合材料结构件成型结束，利用测量相机、投点器测量成型后复合材料构件内表面的数据点值，根据上一步建立的坐标转换矩阵，将数据点从测量坐标系转换到理论坐标系下；

步骤4)取下成型构件，和步骤3)相同，测量模具成型表面数据点值，拟合模具成型面，并将其转换到理论坐标系下；

步骤5)利用测厚仪测量复合材料结构件的成型厚度；

步骤6)根据步骤3)所测的构件内表面数据点值和构件厚度，采用分割球面逼近法计算内表面的偏距点。最后结合步骤4)所测的模具成型表面数据点值计算复合材料成型构件的贴模度。

其中，在步骤1)中所述的“在复合材料成型模具四周布置一些基准检测点”，即“布置基准检测孔”，是指在模具设计时，在模具的四周加设孔，具体说是在模具的四周以“孔”加设布置一些基准检测点，要求能够被测量相机测量到且不影响模具成型构件；这些孔随模具一起制造，并具有一定的精度。

其中，在步骤2)中所述的“求解出测量坐标系与模具理论坐标系之间的转换矩阵”，其求解的过程如下：

设基准检测孔的设计坐标为P_i[x_Pi y_Pi z_Pi]，利用测量相机测量的坐标为J_i[x_Jiy_Ji z_Ji]。假设测量坐标系分别绕X、Y、Z轴旋转α、β、γ角度，沿X、Y、Z轴分别平移Δx、Δy、Δz后与模具理论坐标系重合，那么基准检测点在理论坐标系和测量坐标系下的坐标存在如下的坐标转化关系：

P_i^T＝RJ_i^T+T(i＝1,2,…,6) (1)

其中R是3×3的坐标旋转矩阵，可以写成如下形式：

T是位移向量[Δx Δy Δz]^T。

利用最小二乘法建立的目标函数：

(2)式中X＝[α β γ Δx Δy Δz]。将基准点的坐标值代入(2)式，将(2)式简写为：

式(3)中的含义如下：

利用牛顿迭代法，求目标函数F(X)的最小值，迭代公式为：

最后求得理论坐标系和测量坐标系之间的转换矩阵R和T。

其中，在步骤3)中所述的“测量成型后复合材料构件内表面的数据点值”，是指利用测量相机采集复合材料结构件内表面点，过程如下：

①利用投点器在复合材料构件内表面上投射光点，作为测量标识点；

②在测量范围内合理布置编码点和标准尺；

③使用测量相机，对复合材料构件从不同角度拍照；

④将照片传输到计算机，通过分析处理软件提取复合材料构件内表面数据点坐标。

其中，在步骤3)中所述的“将数据点从测量坐标系转换到理论坐标系下”，是指利用步骤2)所求的变换矩阵R和T，将复合材料构件内表面数据点坐标从测量坐标系转换到模具理论坐标系下，公式如下：

D′_i^T＝RD_i^T+T(i＝1,2,…) (5)

(5)式中，D_i是复合材料构件内表面第i个数据点，D′_i是转换到理论坐标系下相对应的点坐标。

其中，在步骤6)中所述的“采用分割球面逼近法计算内表面的偏距点”，其计算方法如下：

①将复合材料结构件内表面(已知理论模型)分别沿u向和v向进行N等分，得到(N+1)×(N+1)个网格点p分割次数初始记为s＝1。之后每分割一次曲面片，则分割次数s加1；

②计算测点P到所有网格点距离，得到与P点距离最近的网格点点u和v方向的参数值为则测点P在曲面的上的垂足必定落于点周围的四块曲面片构成的曲面片上，该曲面片对应的节点域值变为

③继续对曲面片沿着u向和v向N等分，分割次数加1。然后计算测点到新生成的各个网格点的距离，求出距测点P最短距离的点和与同u向的前后两个网格点和选取点左侧或右侧的同v向的网格点利用这四个节点拟合球面该球面的半径为球心为求出测点P到球心距离h，则测点P到曲面的距离为若则停止分割，测点P到曲面的偏距点为否则重复此步，继续分割。

通过以上步骤，能够快速测量计算复材成型构件的贴模度，避免了因复合材料弱刚性产生的误差，测量精度较高。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)采用了先进的非接触式的数字化测量技术，提供了一种新的贴模度测量计算方法；

2)克服了大尺寸复合材料结构件弱刚性特点，能够精确地测量复材模具成型面及复合材料构件的几何形状，对模具和复材结构件设计有很好的指导作用。

附图说明

图1本发明所述方法流程图。

图2模具基准监测点布置示意图。

图3模具成型面测点及拟合示意图。

图中序号、符号、代号说明如下：

图2中P₁至P₆表示基准检测点所在位置。

具体实施方式

本发明提供了一种采用数字化测量大尺寸复合材料结构件成型过程贴模度得非接触检测方法。通过在模具上设置基准点，测量相机拍照获取模具成型面和复合材料成型构件内表面三维信息，与模具实现坐标转换。测量复合材料成型构件的厚度，然后利用分割球面逼近法求取成型构件内表面测点的偏距点，最后计算得出成型构件的贴模度。该方法不仅能避免因复合材料成型构件弱刚性而导致的变形误差，而其测量点多，能够较完整的反映模具和成型构件表面的真实情况，满足工程中大尺寸复合材料成型构件的贴模度检测。

本发明一种大尺寸复合材料构件贴模度非接触检测方法，图1所示，其具体实施步骤如下：

1)在模具设计时，在模具四周加设布置4～6个基准检测点，并能够被测量相机测量到；

所述的这些基准检测点是指加工在模具四周上，要求不影响模具成型构件且具有一定精度的孔；这些孔随模具一起制造，并具有一定的位置精度；

2)复合材料结构件成型完成之后，不移动成型构件，在6个基准检测点上测量相机专用测量靶球，将编码点贴纸粘贴至成型构件表面上，编码点个数为30-50个，铺满整个测量型面区域。使用殷钢棒作为测量基准尺，放在相应的测量型面表面。利用测量相机和投点器对产品表面进行测量，获得基准检测点的测量值成型构件内表面在测量坐标系下的测量数据点；

3)采用最小二乘法，获得测量坐标系和模具理论坐标系的转换关系，并将成型构件内表面测量数据点从测量坐标系转换到模具理论坐标系下；

4)取下成型构件，重复1)步骤和2)步骤，测量模具成型面的数据点；

5)利用测厚仪测量成型构件厚度，利用分割球面逼近法求取成型构件内表面测量点的偏距点，即其外表面的真实值；

6)比较模具成型面的测量值和成型构件外表面真实值，得出整个成型构件外表面和模具成型面之间的贴合程度。

下面为实施例：

以复合材料飞机机翼翼盒成型贴模度检测为例，简要说明本发明的实施方式。

1)在成型模具四周设计加工有6个基准检测点P1～P6，6个基准检测点尽可能的包络模具表面，其孔径为Φ6.35mm，如图2所示。

2)机翼翼盒成型完成后，在基准点上放置测量相机靶球，贴上编码点贴纸，编码点贴纸铺满这个测量区域。

3)使用1100mm殷钢棒作为测量基准尺，放在成型构件旁边。利用测量相机和投点器对产品表面进行测量，获得基准检测点的测量值J_i(x,y,z)(见表1)以及成型构件内表面在测量坐标系下的测量数据点。

4)利用最小二乘法求出测量坐标系和模具理论坐标系之间的转换关系，转换参数求解结果为T＝{-0.3495°,3.5914°,1.4282°,9295.5623,-2677.9613,10771.4523}，并将成型构件内表面测量数据点转换到模具理论坐标系下，转换结果见表2。

表1基准测量点在理论坐标系和测量坐标系的坐标值(单位mm)

表2构件内表面测量点在理论坐标系和测量坐标系的坐标值(单位mm)

5)移开成型构件，重复2)～4)，测量6个基准检测点和模具成型面的测量数据，并将其转换到模具理论坐标系，测量数据见表3和表4，拟合结果见图3。

表3基准测量点在理论坐标系和测量坐标系的坐标值(单位mm)

表4模具成型面测量点在理论坐标系和测量坐标系的坐标值(单位mm)

6)测量成型构件厚度，并对构件厚度进行划分，利用分割球面逼近法求取构件内表面测量点的偏距点，即构件外表面点。和拟合的模具面进行计算，即求出该成型构件的贴模度。

本发明未详细阐述部分属于本领域的公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。