一种飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法及系统技术方案

本发明专利技术涉及一种飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法

【技术实现步骤摘要】
一种飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法及系统


[0001]本专利技术属于飞机蒙皮铣边
，尤其涉及一种基于传统算法的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法及系统
。

技术介绍

[0002]飞机装配中，蒙皮对缝间隙要求一般小于
0.8
‑
1mm
，随着第五代飞机对隐身性能的追求，对缝间隙要求也相应提高到
0.3
‑
0.5mm
，甚至更高
。
[0003]装配时在架内通过试装，按缝间隙要求人工划线，确定蒙皮修边余量大小，然后切掉加工余量
。
由于是架内修边，普通数控铣床难以应用，只能依靠人工修边
。
目前，人工修边余量的方法是在装配型架上，沿配合基准对复材蒙皮进行划线，然后将复材蒙皮下架粗修，然后再上架去贴合比对基准，再划线，再下架修边，反复多次，才能保证配合间隙在
1mm
左右
。
人工修边工作量大
、
耗时长
、
效率很低，且因修边面多为曲面，上述人工修边方式已无法满足蒙皮的修边精度要求
。
随着碳纤维复合材料蒙皮的大量应用，人工修边还会产生大量的有毒粉尘，可通过呼吸系统或皮肤接触进入人体，对工人身体造成不可逆的重大危害
。
[0004]为了保证蒙皮对缝修边质量
、
提高修边效率，并达到新一代飞机的设计制造标准，开发架内蒙皮的自动化
、
智能化修边方法已成为技术人员需要面对的重要课题
。

技术实现思路

[0005]为了解决人工修边方法工作量大
、
耗时长
、
效率低
、
操作危害大，无法满足新一代飞机蒙皮修边精度要求的问题，本专利技术提出了一种新的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法
。
[0006]本方法针对飞机的蒙皮框架结构，以
KUKA
工业机器人为载体，利用线激光扫描仪获取蒙皮修边基准信息，提供在线与离线两种数据处理模式并依照工艺形成合理且顺滑的加工路径，指导机器人完成随形运动任务，提升加工过程的适应性
。
[0007]本方法的实施系统以软件系统为主，搭建硬件平台对其进行验证
。
其中，软件系统主要是位于上位机的数据分析和处理系统；硬件平台主要由
3D
线激光扫描仪
、KUKA
机器人
、
铣削加工模块
、
视觉标定板以及系统组装与功能实现所必须的结构件构成
。
通过硬件平台与软件系统的相互结合，本系统能够实现在线与离线模式下精确的加工基准提取与加工路径实时规划等功能
。
[0008]总体而言，本飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法包括以下处理过程：
[0009]1)
点云图像预处理
[0010]由于线激光扫描获取的表面特征点云图像具有分辨率高
、
数据量小
、
抗干扰性较低的特点，同时，考虑到待测对象的目标特征尺度较小
、
结构较为复杂
、
加工过程实时性要求高等因素，本方法
(
系统
)
需要对原始点云图像进行预处理，降低后续特征提取与路径规划过程的误差
。
通过对模拟加工过程实验所获点云的结果分析，本方法采用包括阈值滤波与高斯滤波的方式对所采点云进行处理，在硬件端利用扫描仪所具备的基于时序的均值滤
波功能，共同实现对所采点云的优化
。
[0011]2)
点云图像特征提取
[0012]依照加工工艺，修边
(
铣边
)
加工的轨迹路径主要以基准框架的部分特征结构为依据，例如基准框架中的倒角边沿等
。
因此，在采集获取的点云图像中，系统需要率先对加工对象进行提取与分割，以区分蒙皮与基准框架，确定特征所处位置
。
然后对基准框架点云图像进行求导，并利用基准框架表面变化规律实现特征点的粗提取，在此基础上进一步对基准框架的特征结构进行分割
。
由于粗提取的特征点易受到包括点云滤波
、
振荡等因素的影响，因此为准确获取特征点位置，系统采用特征结构点云拟合的方式进行特征点精提取
。
[0013]3)
基于时序的点云姿态计算
[0014]修边过程中，铣削加工模块需要根据框架的基准加工面进行姿态调整，依照工艺信息可知，基准面存在俯仰角变化的情况，因此建立于加工刀具主轴的工具坐标系需要在系统的控制下随着俯仰角的变化进行旋转
。
在调整基坐标系
、
工具坐标系至合理位姿后，系统将以铣削加工过程的主运动方向为轴，进行姿态调整
。
在线修边模式中，由于加工过程对实时性有着较高的要求，因此系统将直接利用线激光扫描获得的原始图像，进行基于时序的相对姿态计算
。
[0015]4)
基于特征点的路径规划
[0016]在获取特征点后，系统将在该系列特征点的基础上进行路径规划
。
系统在特征点的基础上重新进行路径点分割，采用插补的方法，充分利用插补段内各特征点的变化趋势，计算获得加工路径
。
[0017]5)
加工轨迹拟合与再分割
[0018]上述基于特征点的路径规划功能主要为满足高实时性的系统处理需求，大多使用于在线加工的模式
。
而在此基础上，离线加工的模式为进一步提升路径规划的准确性与合理性，增加了加工轨迹拟合与再分割的功能
。
通过路径规划功能，系统得到基于特征点计算所得的一系列路径点，并将该路径点进行高阶曲线拟合，形成空间的高阶曲线表达式，实现对路径点的统一
。
然后根据该高阶曲线表达式，系统将依照所需的速度进行路径再分割，计算对应速度下的各路径点坐标，引导机械臂末端铣削加工模块运动
。
[0019]具体地，本专利技术提供了一种飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，本方法包括：
[0020]S1.
对原始点云图像进行预处理；
[0021]S2.
点云图像特征提取；
[0022]S3.
基于时序的点云姿态计算；
[0023]S4.
基于特征点的路径规划；
[0024]S5.
加工轨迹拟合与再分割
。
[0025]进一步地，本专利技术飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法步骤
S1
中所述的对原始点云图像进行预处理，包括：
[0026]S11.
对模拟加工过程实验获得的点云结果进行分析；
[0027]S12.
根据上步分析结果采用阈值滤波与高斯滤波的方式对原始点云图像进行预处理；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，其特征在于，所述方法包括：
S1.
对原始点云图像进行预处理；
S2.
点云图像特征提取；
S3.
基于时序的点云姿态计算；
S4.
基于特征点的路径规划；
S5.
加工轨迹拟合与再分割
。2.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，其特征在于，步骤
S1
中所述的对原始点云图像进行预处理，包括：
S11.
对模拟加工过程实验获得的点云结果进行分析；
S12.
根据上步分析结果采用阈值滤波与高斯滤波的方式对原始点云图像进行预处理；
S13.
利用线激光扫描仪基于时序的临近区间均值滤波方法对原始点云图像进行优化
。3.
根据权利要求1所述的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，其特征在于，步骤
S2
中所述的点云图像特征提取，包括：
S21.
在经过预处理的点云图像中，对加工对象进行提取与分割，以区分蒙皮与基准框架，并确定特征所处位置；
S22.
对基准框架点云图像进行求导，利用基准框架表面变化规律进行特征点粗提取，在此基础上对基准框架的特征结构进行分割；
S23.
采用特征结构点云拟合的方式进行特征点精提取，获取准确的特征点位置
。4.
根据权利要求3所述的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，其特征在于，步骤
S2
中所述的点云图像特征提取，包括：先对经过预处理的点云图像进行一阶离散导数计算，得到点云对应特征点的一阶离散导数点云图形，通过极值点筛选，进行加工区域的分割；在此基础上，对一阶离散导数点云图形再次进行离散导数计算，获得二阶离散导数点云图形，通过极值点筛选，进行特征结构的分割，完成对特征的拾取与分割
。5.
根据权利要求4所述的飞机蒙皮特征识别与铣边路径规划方法，其特征在于，步骤
S23
中所述的采用特征结构点云拟合的方式进行特征点精提取，获取准确的特征点位置，包括：利用不同的特征区域和线点云成像特点，重新计算特征点所在位置；采用
RANSAC
拟合算法进行直线拟合，并通过相交性计算实际特征点，利用点云数据进行随机采样形成样本集，通过迭代计算获取置信度在目标范围内的对应直线参数结果：其中，
M
为采样次数，
N
为求解模型所需要的最少采样点个数，
P
为对应点是内点的概率；...

【专利技术属性】
技术研发人员：王偲佳，吴楠，曲星宇，张海宁，刘宁，叶玉玲，
申请(专利权)人：北京神工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：