大型航空曲面零构件面形激光辅助视觉测量关键技术
发布时间：2020-08-23 16:54
【摘要】：大型航空零构件是大型飞机的核心承载结构件,具有尺寸大、薄壁弱刚性等特点。特别是对于大型复合材料曲面零构件,在装配过程中需精确测量零构件三维面形信息,进而通过与数模比较,分析面形偏差,以避免面形超差致使复合材料零构件强迫装配。这种强迫装配极易引起材料的内部损伤,严重影响飞机的装配质量、威胁服役安全性。因此,大型航空曲面零构件面形测量对于大型航空件的高质装配至关重要。由于大型航空曲面零构件薄壁弱刚性的特点,零构件面形易发生变形,需在现场环境下对其进行非接触测量,以保证面形测量的有效性。视觉测量法具有非接触、测量速度快、设备便于移动等优势,在大型航空曲面零构件面形测量中极具潜力。但由于视觉测量方法测量范围较小,测量精度和鲁棒性极易受干扰光场、人员扰动等现场复杂环境影响,难以满足大型航空曲面零构件面形测量对测量范围和精度的要求,因此,常规的视觉测量法无法直接应用于大型航空曲面零构件面形的现场测量。为实现大型航空曲面零构件面形的现场测量,本文提出了激光辅助视觉测量方法,并针对影响大型航空曲面零构件面形测量精度的关键性技术难题,开展了面向三维大尺寸空间的测量系统标定技术、现场复杂环境中非均匀图像特征的高精度提取技术、曲面零构件边界准确提取技术等研究工作。具体研究内容如下:(1)传统双目视觉模型在三维景深方向上标定精度低,无法满足大型航空构件曲面面形在三维大尺寸空间内的测量精度。针对该问题,本文提出了基于三维图像畸变校正的双目视觉测方法根据视觉成像系统在三维空间范围内的图像畸变规律,结合双目视觉测量原理,建立基于三维图像畸变校正的双目视觉测量模型;并提出了畸变参量和相机固有参量等模型相关参数的标定方法。实验表明所提出的基于三维图像畸变校正的双目视觉测量方法较传统方法有效地改善了大景深情况下测量精度较低的问题,显著提高了三维测量空间内的测量精确度。(2)为解决在大型航空零构件现场测量中由于辅助扫描激光亮度分布不均、结构不清晰等因素造成序列图像中零件曲面几何特征难以准确快速提取的问题,提出大视场零件曲面非均匀光条特征的高精度快速提取方法。结合所建立的双目序列激光光条灰度模型,研究在成像过程中投射角度、距离、零件曲面特征、相机采集角度等多源因素对辅助扫描激光亮度分布的影响规律,从理论上确定辅助扫描激光图像亮度分布特性;建立激光光条序列图像质量的信度结构相似性评价方法,实现了图像质量评价;提出基于光强模板的非均匀激光光条区域提取方法,并结合提取结果,提出基于分层处理的激光光条中心快速提取方法。所提出的大视场零件曲面非均匀光条特征高精度快速提取方法可有效避免亮度过曝区域的错误特征提取,同时完整地保留了激光光条亮度较暗区域,且相对于传统光条中心提取方法,激光光条中心的提取精度大大提高。(3)针对大型构件曲面边界特征的图像噪声干扰大难以准确提取的问题,提出了一种基于非固定特征点的激光边界提取方法。通过被测零件的非固定特征点,构建被测零件整体边界轮廓约束,基于该约束采用弧长法实现激光光条边界有效判别,大幅提高了零件边界特征的提取准确度。为克服视觉测量方法的测量范围的局限性,开展激光与视觉复合式测量系统的全局数据拼接研究。结合全局拼接的思想,利用全局转接标志实现大范围全局测量系统对局部扫描测量系统的高精度定位,保证大尺寸全局范围内的曲面零构件面形测量精度,全局测量精度可达0.042%。(4)综合应用所提出的大型航空曲面零构件面形激光辅助视觉测量关键技术,研发出大型航空曲面零构件面形测量系统,系统可实现3米以上全尺寸大型航空曲面零构件面形测量。依据国际三维视觉检测标准对所搭建的测量系统进行精度验证,测量精度可达0.2mm,满足大型航空曲面零构件面形测量要求。并采用所搭建的测量系统,基于本文所提出的测量关键技术,开展了大型航空曲面零构件面形的现场测量。实验结果表明:应用本论文所提出的大型航空曲面零构件面形激光辅助视觉测量关键技术,能良好地测量大型航空曲面零构件的三维面形特征,为构件装配分析提供有效的测量数据。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261
【图文】：
１．１研究背景与意义逡逑大型航空构件多由大型整体复合材料、夹芯材料以及其他金属零件加工装配连接而逡逑成，如图１．１所示。构件的高可靠低损伤连接装配是确保飞机结构安全的前提和基础。逡逑大型复合材料零构件成型和加工过程中不可避免的会产生尺寸误差和变形，造成连接配逡逑合面难以自然贴合，产生连接千涉或装配间隙，造成零构件的强迫装配［１］。而强迫装配逡逑极易造成复合材料的内部损伤，引发飞机在服役期间无征兆破损，严重影响服役性能的逡逑可靠性［２＿５］。因此，在装配过程中，必需对大型航空曲面零构件面形的现场状态进行三逡逑维面形高精度测量，进而通过三维面形测量数据与标准数模的对比分析获得大型航空曲逡逑面零构件的三维面形偏差和变形情况，为大型航空零构件装配提供数据支撑。逡逑图ｉ．ｉ大型复合材料零构件逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｐａｒｔｓ邋ｏｆ邋ｌａｒｇｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑以某型号飞机平尾试验件为例，如图１．２所示，几何尺寸可达长６．５ｍ、宽】．３ｎｉ、逡逑高０．１ｍ
Ｐ邋尾壁邋６：ｉｍ逡逑（：型梁邋６．５ｍ邋Ｘ邋0？邋１邋ｍ逡逑图１．２某型号飞机平尾试验件逡逑Ｆｉｇ．邋１．２邋Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ邋ｔａｉｌ邋ｏｆ邋ａ邋ｃｅｒｔａｉｎ邋ｔｙｐｅ邋ｏｆ邋ａｉｒｃｒａｆｔ逡逑在数字化测量过程中主要是通过有限点集来表征实际产品的几何信息。目前，由于逡逑缺乏对大型航空曲面零构件面形的有效表征，测量过程中仅对零构件的局部关键点进行逡逑测量，点集数量较少，点的拓扑结构易产生歧义难以明确表征结构特征。特别是对于大逡逑型航空曲面零构件，由于其形面的薄壁弱刚性，面形无特定的结构特征，无法通过少量逡逑点对零构件曲面面形进行有效描述。因此，面向大型航空曲面零构件面形测量需通过扫逡逑描的方式增加测量点密度，以实现零构件曲面三维面形的有效表征。逡逑在大型航空曲面零构件面形测量中，需综合考虑全场测量精度和局部特征测量精逡逑度
Ｑ邋}卞义希″义贤迹保醇す飧僖羌捌洳饬吭硗煎义希疲椋纾澹保村澹樱悖瑁澹恚幔簦椋沐澹洌椋幔纾颍幔礤澹铮驽澹欤幔螅澹蝈澹簦颍幔悖耄澹蝈澹恚澹幔螅酰颍澹恚澹睿翦义下蹇讼５拢柯矶」驹诜苫蟛考越又胁捎茫蹋澹椋悖徨澹蹋裕腻澹担埃凹す飧僖怯胍貉剐ｅ义掀较低诚嗯浜希迪至嘶沓性睾杏肭盎淼亩越印Ｍüす飧僖嵌曰沓性睾屑扒板义匣砩瞎丶憬胁饬浚瓿闪礁霾考亩云搿＝诩す飧僖堑牟饬渴荩挂哄义涎剐Ｆ较低扯粤慵芏ㄎ皇迪肿远印２捎眉す飧僖窍低呈迪至隋澹罚埃碇本读慵腻义细呔炔饬浚笮姆治鎏峁┝瞬饬渴荩郏常福荨？湛凸驹冢粒常福啊ⅲ粒矗埃埃痛蠓苫牟垮义霞芭洹⒍越又芯捎昧思す飧俨饬考际酰缤迹保担ǎ幔郏常梗荩徊ㄒ艄驹冢兀常卜苫芭溴义瞎讨校茫刺ǎ冢澹椋螅蠹す飧僖嵌圆考锌占涠ㄎ唬瓿闪舜蟛考越幼芭涔ぷ麇义希郏矗ǎ荨４送猓す飧僖且沧魑ㄖ饬可璞冈谥骰迪至俗芭湫图艿募觳猓缤迹保担ǎ猓╁义纤荆郏矗保荨ｅ义希撸咤义希ǎ幔粒常福笆只芭溴危ǎ猓┳芭湫图芗觳忮义贤迹保导す飧僖怯τ糜诜苫芭洳饬垮义希疲椋纾澹保靛澹蹋幔螅澹蝈澹簦颍幔悖耄澹颍箦澹幔穑穑欤椋澹溴澹簦镥澹簦瑁邋澹恚澹幔螅酰颍澹恚澹睿翦澹铮驽澹幔椋颍悖颍幔妫翦澹幔螅螅澹恚猓欤义显诠诘闹骰е校す飧僖怯捎诓僮骷虻ァ⒖墒迪值サ愦蠓段Ц呔炔饬康奶劐义系
本文编号：2801777
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：V261
【图文】：
１．１研究背景与意义逡逑大型航空构件多由大型整体复合材料、夹芯材料以及其他金属零件加工装配连接而逡逑成，如图１．１所示。构件的高可靠低损伤连接装配是确保飞机结构安全的前提和基础。逡逑大型复合材料零构件成型和加工过程中不可避免的会产生尺寸误差和变形，造成连接配逡逑合面难以自然贴合，产生连接千涉或装配间隙，造成零构件的强迫装配［１］。而强迫装配逡逑极易造成复合材料的内部损伤，引发飞机在服役期间无征兆破损，严重影响服役性能的逡逑可靠性［２＿５］。因此，在装配过程中，必需对大型航空曲面零构件面形的现场状态进行三逡逑维面形高精度测量，进而通过三维面形测量数据与标准数模的对比分析获得大型航空曲逡逑面零构件的三维面形偏差和变形情况，为大型航空零构件装配提供数据支撑。逡逑图ｉ．ｉ大型复合材料零构件逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｐａｒｔｓ邋ｏｆ邋ｌａｒｇｅ邋ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋ｍａｔｅｒｉａｌｓ逡逑以某型号飞机平尾试验件为例，如图１．２所示，几何尺寸可达长６．５ｍ、宽】．３ｎｉ、逡逑高０．１ｍ
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