一种复材壁板微小阵列孔通孔率无损检测系统及方法与流程

本发明属于复材壁板质量检测，具体涉及一种复材壁板微小阵列孔通孔率无损检测系统及方法。

背景技术：

1、由于具有高强度、耐高温、耐腐蚀、重量轻等优良的性能，先进复合材料在航空器结构上的应用已经与铝合金并驾齐驱，成为当今材料技术发展最为迅速的领域。航空复合材料性能水平及其在结构中的应用水平，已经成为飞机结构先进性的一个重要标志。其中复合材料壁板(复材壁板)的加工精度是飞机制造过程中的重要指标之一。复合材料壁板的微小阵列孔通孔率检测是质量检测的一步，传统方法一般是采用探针进行接触式测量，优点是能够测量较深的孔深，而缺点是由于阵列孔拥有相对较多的小孔，使用传统方法进行检测效率低下，不仅耗时也耗费人力，间接降低了飞机制造的整体速度，另外，接触式测量也可能对制孔质量产生未知的影响。故而，采用一种高效、无损、自动化的方式来实现复材壁板微小阵列孔的通孔率检测，对于提高生产效率就显得尤为重要。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种复材壁板微小阵列孔通孔率无损检测系统及方法，旨在解决上述方法。

2、本发明主要通过以下技术方案实现：

3、一种复材壁板微小阵列孔通孔率无损检测系统，包括数据采集与处理子系统和测量机器人子系统，所述数据采集与处理子系统包括数据预处理模块、数据分析模块、输出报表模块；所述数据预处理模块用于生成三维点云数据并进行过滤去噪预处理，所述数据分析模块用于精细提取检测平面上的微细孔三维点云数据并分析判断是否为堵塞孔，所述输出报表模块用于定制检测数据分析报告模板并输出数据分析报告。

4、为了更好地实现本发明，进一步地，所述数据采集与处理子系统还包括数据可视化模块、数据导入导出模块、数据管理模块；所述数据可视化模块用于数据的管理、数据的加载与可视化、渲染后点云数据的显示及对导入数据的显示；所述数据导入导出模块用于读取、处理、输出数据，并根据传输协议实时读取检测与分析系统的各项参数；所述数据管理模块用于进行坐标系管理、数据文件管理、数据输出管理，并对存储于数据库中的原始数据及计算结果进行历史数据分析、查看与编辑。

5、为了更好地实现本发明，进一步地，所述测量机器人子系统包括测量机器人，所述测量机器人上设置有两台对置放置的激光扫描仪，且两台激光扫描仪出光方向彼此平行，出光位置齐平，所述激光扫描仪用于获取待测孔的点云数据并传输给数据采集与处理子系统。

6、本发明主要通过以下技术方案实现：

7、一种复材壁板微小阵列孔通孔率无损检测方法，采用上述的无损检测系统进行，采用数据采集与处理子系统进行检测分析，包括以下步骤：

8、步骤s100：按照测量机器人规划的扫描路径，利用激光扫描仪采集数据时序，拼接二维点云轮廓，生成三维点云数据；

9、步骤s200：对获得的三维点云数据进行过滤去噪预处理；

10、步骤s300：针对预处理后的三维点云数据，依次进行边界提取与聚类分割来提取点云数据中的孔特征；

11、步骤s400：对孔质量进行检测，判断是否为堵塞孔。

12、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s100包括以下步骤：

13、步骤s110：读取测量机器人的运动参数、运动路径与激光扫描仪的扫描频率，计算从检测开始每组二维坐标值的采集时刻，计算每组二维坐标值采集时的测量机器人末端执行器所处在轨迹中的位置；

14、步骤s120：根据固定工装的安装位置，计算两台扫描仪数据坐标系之间的位置关系，并将扫描仪b的数据转换至扫描仪a的坐标系下，将两组坐标值合为一组；

15、步骤s130：以步骤s110中计算获得的位置相邻关系为基准，以一定的时间周期对数据进行划分，将所有的二维坐标值组分为多个小组；

16、步骤s140：按照匀速运动关系，测量间隔相同的情况下，每组二维坐标值之间的距离恒定，由此将每小组的多组二维测量值沿y方向进行排列，形成局部三维数据；

17、步骤s150：将所有小组中的多组二维测量值均以步骤s140的方法形成局部三维数据，每小组中的第一组二维坐标值采集时刻对应的轨迹位置为定位标准，完成三维点云数据的生成。

18、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s200中，采用权重角准则检测噪声点，当边界属性大于设定阈值时判定该点为噪声点；或采用邻近点准则检测噪声点，当固定邻域半径内的点小于设定阈值时，判定该点为噪声点；利用fcm算法对含有噪声点与离群点的点云数据进行处理，在去除噪声点的同时保留点云中孔的边缘特征。

19、为了更好地实现本发明，进一步地，所述步骤s400包括以下步骤：

20、步骤s410：输入待检测的孔边缘点云数据，并在原始点云中搜索一定半径范围内的邻域数据；

21、步骤s420：根据此邻域数据拟合平面，计算平面的法线方向；

22、步骤s430：以孔特征点云进行拟合以获得拟合圆心，计算此圆心的三维坐标；

23、步骤s440：将此圆心坐标作为搜索起点，将平面法向作为搜索方向，搜索距离设定为某一定值，将搜索得到的点云设为孔底数据；

24、步骤s450：如果不存在孔底点云数据或者计算距离大于设定阈值，即认为此孔为通孔；如果计算距离小于设定阈值，则进行二次判定；

25、步骤s460：对孔底点云进行投影简化，计算堵塞物在孔心邻近拟合平面投影面积，若堵塞物投影面积大于设定阈值，则判定为堵塞孔，否则为通孔；

26、步骤s470：统计检测到的所有孔数量与其中的堵塞孔数量，计算通孔率，并记录每一个堵塞孔在数模中对应的行数与列数，使检测人员能够快速定位堵塞孔。

27、为了更好地实现本发明，进一步地，还包括对数据进行可视化：

28、步骤a1：构建obb外包围盒的八叉树点云空间索引结构，读取点云数据；

29、步骤a2：基于八叉树点云空间索引结构，构建lod模型；

30、步骤a3：基于视锥体视点远近，选择需要可视化的lod层级，并根据视锥体遮挡剔除的可见性判断来选择节点；

31、步骤a4：在视角变化时，根据当前帧的视角信息，提前预加载下一帧可能用到的节点；

32、步骤a5：读取s3选择的节点，并进行可视化渲染；

33、步骤a6：在视角不变时，进行点云自适应填充，提高点云可视化效果。

34、为了更好地实现本发明，进一步地，还包括对数据导入导出：

35、步骤b1：当检测流程开始后，调用相关数据接口以实时读取激光扫描仪的扫描数据与测量机器人末端执行器的运动轨迹；

36、步骤b2：输入相应的三维点云数据生成模块；

37、步骤b3：针对三维点云数据类型，调用相关点云数据格式模板；

38、步骤b4：编写相应的数据导入与导出代码。

39、为了更好地实现本发明，进一步地，采用测量机器人子系统进行检测，包括以下步骤：

40、步骤s1：将被测工件安装在检测平台上并通过工装定位夹紧，同时将被测工件分为多个等宽待测区域；

41、步骤s2：调节测量机器人位姿至初始检测位置；

42、步骤s3：测量机器人携激光扫描仪匀速运动，且激光线出光位置与待测表面距离相等，激光扫描仪对工件上第一待测区域进行扫描和检测，实时采集和保存点云数据，完成对该待测区域孔的通孔情况检测；

43、步骤s4：测量机器人携激光扫描仪至下一工位，重复步骤s2和步骤s3，直至所有待测区域检测完毕；

44、步骤s5：数据采集与处理子系统对点云数据进行处理和分析，得出通孔率，并对堵塞孔进行标记；

45、步骤s6：输出检测结果。

46、本发明的有益效果如下：

47、(1)本发明通过数据预处理模块实现了将激光扫描仪的单次测量数据，根据测量硬件系统规划的测量机器人末端执行器运动轨迹，拼接二维轮廓数据并生成三维点云数据，另外，测量得到的三维点云数据往往带有许多小振幅噪声和离群点，而噪声会对后继相关的数字几何处理产生极大影响，本发明能够对导入的点云数据进行去噪预处理，使得数据光顺，方便后续精确分析；

48、(2)本发明通过数据分析模块能够实现对扫描数据进行微小孔精细提取、孔质量检测等操作，另外，测量得到的三维点云数据规模与孔尺寸相比很大，因此需要通过分析微细孔的模式，形成统一的数学表达模型，才能获得准确的质量检测结果。通过实际应用证实本发明能够显著提高点云数据处理的准确性、完整性，加快点云数据的处理速度、提升自动化程度和人性化程度，保证通孔率检测工作正常进行。

49、(3)本发明支持海量点云数据的可视化管理，彩色与强度信息点云的显示以及多项工程的管理组织功能，方便用户交互。

50、(4)本发明的数据输入为二维与三维点云数据，系统支持读写/处理的数据包括但不限于pcd、stl、txt等常见的三维点云存储格式。

51、(5)本发明具有完善的坐标系管理、测量数据文件管理、测量数据输出管理功能，并能够实现历史数据分析、查看与编辑。