一種針對蜂窩芯外形曲面特征的測量方法

劉蕾 陳雪梅 易元 宋忠超 黃慶奕 江磊

摘要：針對蜂窩芯外形曲面特征測量過程中出現的數據不完整、精度低等問題，提出一種基于三維光學掃描的測量方法。首先在蜂窩芯外形曲面緊密貼合覆蓋層，以覆蓋層外形特征代替蜂窩芯外形曲面特征，然后采用三維光學掃描技術采集覆蓋層外形的點云數據。通過計算點云數據的法向矢量，并在矢量方向偏置覆蓋層厚度，從而獲得蜂窩芯曲面特征的輪廓數據，完成蜂窩芯外形曲面特征測量。通過對某型號蜂窩芯材料的測量，證明該方法的可行性和精確性，具有實際工程應用價值。

關鍵詞：機械公差配合與技術測量;曲面特征測量;光學掃描;蜂窩芯

中圖分類號：TH124 文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0056-05

收稿日期：2017-09-28;收到修改稿日期：2017-11-15

基金項目：四川省科技支撐計劃項目（2014GZ0123）

作者簡介：劉蕾（1985-），女，河北石家莊市人，工程師，主要從事機械加工及加工質量檢測工作。

0 引言

蜂窩芯材料，指類似蜜蜂巢穴在結構上呈空心六方體，有規則排列的填充材料。此種材料具有質量輕、穩定性好、強度高[1-2]等特點，作為填充材料廣泛應用在航空航天、現代造船等工業領域。

由于蜂窩芯外形輪廓為蜂窩孔狀，并非完整表面特征，所以其外形測量有較大難度，曲面特征尤甚（蜂窩芯曲面特征指曲率較小的曲面外形輪廓）。諸如三坐標測量機等常規測量手段會出現測頭落人蜂窩孔內進而產生偏差等問題。對此，李慧娟等[3-4]采用三種光學測量方法對蜂窩結構中模擬脫粘缺陷進行檢測，但其并未涉及到外形輪廓測量;萬谷[5]針對航空發動機機匣中蜂窩芯材料，提出了采用基于伸縮式圓柱形測針的接觸式電感傳感器作為表面幾何公差的測量手段，但此方法僅針對環形蜂窩芯有較好效果;李智[6]針對蜂窩陶瓷提出一種線陣CCD攝像機對蜂窩陶瓷掃描以獲取圖像的方式分析測量，但只考慮了邊緣檢測。當前在航空制造企業中，還有采用圓柱形測頭的三坐標測量機測量方法，以避免測頭在采集數據過程中落人蜂窩孔內，但此種方法不適用蜂窩芯曲面矢量未知的情況。

在上述研究的基礎上，針對蜂窩芯零件曲面特征的測量難點，本文研究了一種基于光學掃描的蜂窩芯曲面特征測量方法。

1 基于光學掃描的蜂窩芯曲面特征測量

為了獲得完整的蜂窩芯曲面特征輪廓數據，首先在蜂窩芯表面緊密貼合一層覆蓋層，以覆蓋層外形特征代替蜂窩芯曲面特征;然后采用三維光學測量儀器掃描蜂窩芯零件外部覆蓋層獲取測量點數據，通過測量點在輪廓矢量方向的偏置，消除覆蓋層厚度誤差，間接得到蜂窩芯輪廓坐標。蜂窩芯輪廓與覆蓋層的幾何關系如圖1所示。

覆蓋層可選用熱收縮聚乙烯膜或不干膠軟紙等材料。聚乙烯膜一側涂布膠層，能緊密貼附在蜂窩芯表面，且不易產生褶皺，但膜厚度會隨著曲面曲率變化而變化，影響后續精度判斷;不干膠紙不會發生厚度變化，但在曲率較大情況下會產生褶皺。綜上，在曲面曲率較小情況下采用不干膠紙作為覆蓋層，曲率較大情況下采用聚乙烯膜作為覆蓋層。

本文方法與其他蜂窩芯外形測量方法對比如表1所示，可以看出此種針對蜂窩芯外形曲面特征測量方法與其他方法相比具有效率高、適應好的特點，且測量高密度點云可用于多種幾何公差分析。

1.1 覆蓋層光學測量

隨著光電技術的迅猛發展，光學測量技術日益提高，在測量領域得到了廣泛應用。目前，代表性光學測量有激光測量、結構光測量、照相測量等方式[7]，不同光學測量方式測量精度、測量工件需求也不同。針對帶覆蓋層蜂窩芯零件，結構光測量方式較為適應。

由于結構光測量對覆蓋層外形顏色要求較高[87覆蓋層應選擇白色或相近顏色，且需一定密度無編碼標記點集成在覆蓋層表面。然后校準結構光學測量儀器，對貼合覆蓋層的蜂窩芯進行掃描測量。利用標記點拼合單幅掃描點云，獲取整體測量數據。

光學測量數據即測量點的集合，設測量點Pi

n_cube=「X/L」「Y/L」「Z/L」（4）其中，「」表示向上方向取整，子塊的長度L由點云密度與k鄰域中k值大小設定。分塊完成后得到塊空間結構cube[a][b][c]，a=「X/L」，b=「Y/L」，c=「Z/L」。根據測量點P

3）搜索子塊空間內每一測量點Pshort