一种飞机结构加强件自动化加工方法与流程

1.本发明属于航空制造领域，具体涉及一种飞机结构加强件自动化加工方法。


背景技术：

2.无论是大型客机还是运用战机在长时间飞行作业过程中，必然带来结构区域承力构件老化、开裂和变形等问题。实际飞机承力构件区域维修过程中会使用加强件强化待加强区域的强度，但由于待维修的飞机承力构件区域存在随机性和多样性，因此在维修现场会有多种样式的通用加强件，并且在此基础上需要对通用加强件进行针对待加强区域的修配，以实现加强件与待加强区域的精密装配达到加强结构强度效果。但目前绝大多的飞机维修单位使用人工修配的方式进行加强件加工，其加工效率与精度都差强人意。


技术实现要素：

3.本发明目的在于提供一种飞机结构加强件自动化加工方法，通过在加强件cad数模上标记切割线实现切割定位并切割，和加强件与待加强区域点云进行虚拟装配生成余量点云并规划路径打磨，最终实现加强件的自动化加工，为加强件修配提供了一种可行的自动化解决方案。
4.本发明提供的技术方案为：
5.一种飞机结构加强件自动化加工方法，其特征在于，包括以下步骤：
6.步骤s1、通过手持激光扫描仪获取飞机待加强区域数据；
7.步骤s2、控制机械臂自动抓取加强件进行自动化扫描，得到完整加强件的外表面点云数据；
8.步骤s3、在加强件cad数模中设定理论切割路径，并与步骤s2获得的加强件的外表面点云数据进行配准，得到实际切割路径，依据所述实际切割路径进行加强件切割；
9.步骤s4、控制机械臂将切割后的加强件引导至扫描区域，进行再次自动化扫描，获得加强件的外表面点云数据；
10.步骤s5、将加强件与待加强区域数据进行虚拟装配并计算加工余量，判断是否满足精度要求，若满足就结束任务，否则对加强件进行自动化打磨，打磨后回到步骤s4。
11.在上述方案的基础上，进一步改进或优选的方案还包括：
12.进一步的，所述步骤s1具体包括：
13.步骤s101、使用手持激光扫描仪获取飞机待加强区域的内表面点云数据；
14.步骤s102、对所述内表面点云数据进行预处理和点云裁剪，使待加强区域点云形状与将要使用的加强件形状相匹配。
15.进一步的，步骤s102中，所述预处理包括对步骤s101获得的点云数据进行下采样和去噪处理。
16.进一步的，所述步骤s2具体包括：
17.步骤s201、根据待加强区域的尺寸、形状和损伤特性，选取合适的通用加强件；
18.步骤s202、根据所述通用加强件与待加强区域位置的相对关系，确定该加强件的一个基准面，通过机械臂对该面进行自动化夹取；
19.步骤s203、控制机械臂将夹取的加强件移动到三维激光扫描仪扫描区域中心，根据预先设定的通用扫描轨迹对加强件外表面进行自动化扫描，并根据在机械臂上安装的标记点标靶进行扫描数据的自动化拼接，得到完整的加强件外表面点云数据；
20.进一步的，步骤s202中，三维激光扫描仪被固定在预设的特定位置，机械臂被固定在扫描仪附近，其卡爪后方安装了具有多个标记点的标靶，用于加强件多视角数据自动化拼接，拼接过程中，标靶与机械臂卡爪相对位置保持不变。
21.进一步的，步骤s3具体包括：
22.步骤s301、在cad数模库中找到步骤s2使用的通用加强件对应的cad数模；
23.步骤s302、在cad数模中进行理论切割路径的标记；
24.步骤s303、将cad数模以步骤s2扫描的加强件外表面数据为参考进行icp配准，得到实际切割路径，同时将cad数模和理论切割路径的坐标同步至统一坐标系下；
25.步骤s304、控制机械臂夹取加强件，将其移动到切割区域，并根据所述实际切割路径的坐标进行自动化切割。
26.进一步的，步骤s4具体为：
27.将切工后的加强件移动到三维激光扫描仪扫描区域中心，根据预先设定的通用扫描轨迹对加强件外表面进行自动化扫描，并根据在机械臂上安装的标记点标靶进行扫描数据的自动化拼接，得到切割后的加强件外表面点云数据。
28.进一步的，步骤s5具体包括：
29.步骤s501、将加强件与待加强区域使用ransac方法进行平面分割面，得到加强件与待加强区域两部分点云的所有核心平面，同时计算各个平面对应的法向、面积和重心；
30.步骤s502、根据加强件与待加强区域分割面的法向、面积和重心特性的对应关系，实现快速粗配准；
31.步骤s503、在粗配准的基础上，基于余量均匀性的约束icp点云配准方法进行虚拟装配，包括：
32.设加强件的点云数据为p＝{p1,p2,..,pn}，待加强区域的点云数据为q＝{q1,q2,..,qm}，q
′i为点pi在q中的最近邻点，di＝p
i-q
′i，则配准最小化距离约束为：
[0033][0034]
配准余量均匀性约束为：
[0035][0036]
最终其优化约束为
[0037][0038]
其中，θ为可调权重，n和m分别为加强件和待加强区域点云的总点数；
[0039]
步骤s504、对虚拟装配后的待加强区域内侧点云和加强件外侧点云进行余量点搜
索，其搜索策略如下：
[0040]
首先计算加强件每一个点在待加强区域点内的最近邻的k个点的距离均值dsti，
[0041][0042]
若所述距离均值大于设定阈值t，则保留加强件的这个点，否则删除加强件的这个点，遍历所有加强件的点，最终剩下的为加强件余量点；
[0043]
接着以加强件的余量点去搜索在待加强区域点内的最近邻的k个点，将所有待加强区域点内被检索到的点保留，其他不是加强件余量点的邻域的点删除，即得到加强件余量点的加工参照点；
[0044]
最后将加强件余量点的加工参照点和加强件余量点进行合并，得到最终的余量点；
[0045]
步骤s505、判断余量是否满足精度要求，若是则结束此加工任务，进行下一个加强件加工任务，若否，则进行下一步；
[0046]
步骤s506、根据生成的余量点进行打磨路径规划，并控制机械臂夹取加强件进行自动化打磨；
[0047]
步骤s507、返回步骤s4，重新进行自动化扫描。
[0048]
有益效果：
[0049]
本发明提出的一种飞机结构加强件自动化加工方法，通过获取加强件和待加强区域的三维点云数据，在加强件cad数模上标记切割线实现切割定位并切割，和加强件与待加强区域点云进行虚拟装配生成余量点云并规划路径打磨，最终实现加强件的自动化修配，可有效解决结构修理中加强件人工修配的低效率和精度差等问题，实现了加强件自动化队列式自动化加工，极大地提高了飞机结构承力构件的维修效率和自动化程度。
附图说明
[0050]
图1为本发明的飞机结构加强件自动化加工方法流程图；
[0051]
图2机械臂与标靶连接示意图；
[0052]
图3加强件与待加强区域虚拟装配可视化结果图；
[0053]
图4余量点云可视化结果图；
[0054]
图5飞机结构加强件自动化设备布局示意图。
[0055]
上图中，1-机械臂，2-编码贴点板，3-夹爪，4-扫描仪，5-支架。
具体实施方式
[0056]
下面结合附图和具体的实施例对本发明的飞机结构加强件自动化加工方法作进一步地详细说明。
[0057]
如图1所示的一种飞机结构加强件自动化加工方法，其实施流程包括如下步骤：
[0058]
步骤s1、通过手持激光扫描仪获取飞机待加强区域数据，具体包括：
[0059]
步骤s101、使用手持激光扫描仪获取飞机待加强区域的内表面点云数据；
[0060]
步骤s102、对所述内表面点云数据进行预处理和点云裁剪，使待加强区域点云形状与将要使用的加强件形状相匹配；
[0061]
步骤s2、控制机械臂自动抓取加强件进行自动化扫描，得到完整加强件的外表面点云数据，具体包括：
[0062]
步骤s201、根据待加强区域的尺寸、形状和损伤特性，选取合适的通用加强件；
[0063]
步骤s202、根据所述通用加强件与待加强区域位置的相对关系，确定该加强件的一个基准面，通过机械臂对该面进行自动化夹取；
[0064]
进一步地，步骤s202中，在硬件布局方面，其三维激光扫描仪被固定在预设的特定位置，机械臂被固定在扫描仪附近，其卡爪后方安装了具有大量标记点的标靶，如图2所示，用于加强件多视角数据自动化拼接，拼接过程中，标靶与机械臂卡爪相对位置保持不变。
[0065]
步骤s203、控制机械臂将夹取的加强件移动到三维激光扫描仪扫描区域中心，根据预先设定的通用扫描轨迹对加强件外表面进行自动化扫描，并根据在机械臂上安装的标记点标靶进行扫描数据的自动化拼接，得到完整的加强件外表面点云数据；
[0066]
步骤s3、在加强件cad数模中设定理论切割路径，并与步骤s2获得的加强件的外表面点云数据进行配准，得到实际切割路径，依据所述实际切割路径进行加强件切割，具体包括：
[0067]
步骤s301、在cad数模库中找到步骤s2使用的通用加强件对应的cad数模；
[0068]
步骤s302、在cad数模中进行理论切割路径的标记；
[0069]
步骤s303、将cad数模以步骤s2扫描的加强件外表面数据为参考进行icp配准，得到实际切割路径，同时将cad数模和理论切割路径的坐标同步至统一坐标系下；
[0070]
步骤s304、控制机械臂夹取加强件，将其移动到切割区域，并根据所述实际切割路径的坐标进行自动化切割；
[0071]
步骤s4、机械臂将切割后的加强件引导至扫描区域进行再次自动化扫描，具体包括：
[0072]
将切工后的加强件移动到三维激光扫描仪扫描区域中心，根据预先设定的通用扫描轨迹对加强件外表面进行自动化扫描，并根据在机械臂上安装的标记点标靶进行扫描数据的自动化拼接，得到切割后的加强件外表面点云数据；
[0073]
步骤s5、将加强件与待加强区域数据进行虚拟装配并计算加工余量，判断是否满足精度要求，若满足就结束任务，否则对加强件进行自动化打磨，打磨后回到步骤s4，具体包括：
[0074]
步骤s501、将加强件与待加强区域使用ransac方法进行平面分割面，得到加强件与待加强区域两部分点云的所有核心平面，同时计算各个平面对应的法向、面积和重心；
[0075]
步骤s502、根据加强件与待加强区域的分割面的法向、面积和重心等特性的对应关系，实现快速粗配准；
[0076]
步骤s503、在粗配准的基础上，基于余量均匀性的约束icp精配准方法进行虚拟装配，使得装配后的两片点云尽可能的余量分布均匀，如图3所示，具体包括：
[0077]
设加强件的点云数据为p＝{p1,p2,..,pn}，待加强区域的点云数据为q＝{q1,q2,..,qm}，q'i为点pi在q中的最近邻点，di＝p
i-q'i，则配准最小化距离约束为：
[0078]
[0079]
配准余量均匀性约束为：
[0080][0081]
最终其优化约束为
[0082][0083]
其中，θ为可调权重，n和m分别为加强件和待加强区域点云的总点数；
[0084]
步骤s504、对虚拟装配后的待加强区域内侧点云和加强件外侧点云进行余量点搜索，其搜索策略如下：
[0085]
首先计算加强件每一个点在待加强区域点内的最近邻的k个点的距离均值dsti，
[0086][0087]
其中,k是根据数据点云密度可调的一个参数，一般可默认为20，若所述距离均值大于设定阈值t，则保留加强件的这个点，否则删除加强件的这个点，遍历所有加强件的点，最终剩下的为加强件余量点；
[0088]
接着以加强件的余量点去搜索在待加强区域点内的最近邻的k个点，将所有待加强区域点内被检索到的点保留，其他不是加强件余量点的邻域的点删除，即得到加强件余量点的加工参照点；
[0089]
最后将加强件余量点的加工参照点和加强件余量点进行合并，得到最终的余量点，如图4所示，即只要根据此点云描述的余量模型规划的打磨路径去打磨，即可实现真实余量的去除；
[0090]
步骤s505、判断余量是否满足精度要求，若是则结束此加工任务，进行下一个加强件加工任务，若否，则进行下一步；
[0091]
步骤s506、根据生成的余量点进行打磨路径规划，并控制机械臂夹取加强件进行自动化打磨；
[0092]
步骤s507、返回步骤s4，重新进行自动化扫描。
[0093]
本发明使用三维扫描仪获取加强件和待加强区域的三维点云数据，通过在加强件cad数模上标记切割线实现切割定位并切割，和加强件与待加强区域点云进行虚拟装配生成余量点云并规划路径打磨，最终实现加强件的自动化修配，有效解决加强件修配的自动化程度低和人工作业等问题，实现加强件的自动化修配，可有效提高飞机结构加强件的修配效率和质量。
[0094]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。