[发明专利]一种大型薄壁构件壁厚在位测量系统和方法

说明书

本发明公布一种大型薄壁构件壁厚在位测量系统和方法，所述系统包括：数控机床、靠模夹具、测头支架、双目结构光测量设备、工业计算机及高速通信单元；所述方法基于双目结构光测量技术，根据薄壁构件加工工艺过程中对构件整体三维形貌及壁厚分布在位检测的需求，基于结构光精密测量技术获取点云信息，通过选定测量基准面，之后逐步作差的方法获取对应位置的壁厚，最后将多部位测得的点云数据与构件的CAD模型进行模型比对和数据拼合，实现大型薄壁构件在位检测获取各部位准确的壁厚数据。本发明在非接触条件下实现对大型薄壁构件的精密测量，不仅可以为加工质量评价提供形貌数据，也可以用于指导加工工艺过程。

技术领域

本发明涉及一种大型薄壁构件壁厚的在位光学测量系统和方法，特别是一种将双目光栅投影测量和数控机床集成的大型薄壁构件壁厚的在位测量系统和方法，属于机械工程和光学工程技术领域。

背景技术

在汽车、航空、航天和船舶制造等国民经济重点工业领域中，存在大量的大型薄壁构件，如运载火箭推进剂贮箱、空间站舱体、大型飞机机翼蒙皮、船舶螺旋桨叶片以及汽车车身主模型检具等。作为各系统的重要组成部分，大型薄壁构件的加工精度直接关系到系统的整体力学性能，其加工效率也与产品的研制过程息息相关。如汽车车身主模型检具的成形质量影响装配精度，飞机蒙皮和船舶曲板的成形质量对其流体力学性能影响显著，火箭燃料贮箱壁板和瓜瓣的成形质量则最终会影响火箭飞行的安全性。这些大型薄壁构件的加工过程中，需要及时获取零件的准确几何描述，调整加工策略，从而保证加工质量。

传统方法采用接触式测量，如三坐标测量机等，这种方式可以获得较为精确的面型数据，但缺点是测量速度慢，且因其接触式测量原理会因被测对象受力而改变其形貌，故不适用于薄壁结构测量。另外，这种测量设备也很难设计为在位测量的工作方式。在现实的薄壁结构测量中，有利用手持式的超声波测量方法等，测量过程需要辅助材料，并且测量的点的数量不足，存在数据集不完备的数据丢失问题，不能在位自动高效高精度的测量，大大降低了生产效率和加工精度。

近年来，随着机器视觉和计算机技术的发展，出现了以光学测量为代表的非接触式测量。其中：

近景摄影测量在大尺寸面型测量中应用广泛，其具有便携性好、在位测量和点批量测量的优点，但测量前需要在被测对象表面粘贴大量的标识点，且准确度一般；

手持式三维激光扫描仪扫描快速、重量轻、效率高、成本低，在大尺度面型测量中应用广泛，但是其测量精度较低，一般需要在被测对象表面粘贴标识点，且对被测对象表面反光性要求高；

激光雷达扫描测量功能强，便携性好，测量效率高，测量范围大，但是其测量精度受环境影响很明显，准确度很难保证；

光栅投影测量因为一次可以获取一个面域的三维点云数据，所以较为适用于大型薄壁测量，利用光栅投影测量，形成数控装备上加工与测量有序交替集成的在位测量技术,在加工过程工序间保持零件工位不变的情况下，对其加工质量进行检测及反馈控制的技术.与离线检测相比，在位检测避免了零件搬运、重复装夹等过程，保证了工序集中与基准重合，大大提高检测效率和准确性。

发明内容

为克服现有技术的不足，本发明提供一种将双目光栅投影测量、测量规划、数控机床等技术集成的大型薄壁构件壁厚在位光学测量系统和方法。

根据薄壁构件加工工艺过程中对薄壁构件整体三维形貌及壁厚分布在位检测的需求，基于结构光精密测量技术获取点云信息，通过选定测量基准面逐步作差的方法获取对应位置的壁厚，最后将多部位的测得的点云数据与薄壁构件的CAD模型进行模型比对和数据拼合，实现大型薄壁构件在位检测获取各部位准确的壁厚数据，从而实现全局数据的拼合，得到被测量对象的完整壁厚特征数据，进而指导薄壁构件的铣削工艺加工，同时也可以完成对大型薄壁构件的质量评估。

本发明是通过下述技术方案实现的：