[发明专利]一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法

说明书

本发明属于逆向有限元分析领域，涉及一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法。首先采用三维激光扫描仪对待测低刚度制件进行扫描，获取被测低刚度制件表面信息的点云数据并进行点云简化滤波处理；其次，在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，并利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到低刚度制件的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到低刚度制件装配后的形状变化。本发明具有快速、准确的特性，有效节省连接装配时间和成本。

技术领域

本发明属于逆向有限元分析领域，涉及一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法。

背景技术

航空航天零件在进行装配的过程中，由于构件加工变形等误差，会在装配连接界面处产生间隙。因此，飞机零件连接装配的环节中会存在一个间隙测量的步骤，并且传统的装配间隙测量方法效率低，测量结果不稳定，人工影响大。当装配间隙较小，内部不可达时，这些传统的测量方法就不再适用。如果能够在构件装配之前预测装配间隙，省去间隙测量这一环节，这能够节约很多的连接装配时间和成本。本发明提出了一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法，实现对构件装配变形之后的形状进行预测，从而达到装配构件间贴合间隙的快速准确预测的目的。

应用在航空航天的碳纤维复合材料结构的连接装配一般需要经过预装配、间隙测量、间隙补偿、连接装配等多个环节才能完成，周期长、效率低，而且连接质量直接关系结构的使用性能，是承力结构寿命能否长久的关键所在，而贴合间隙的快速、精准预测是实现高质量连接装配基础。因此，实现贴合间隙数字化预测是十分有必要的。

国内外诸多学者对数字化测量技术的研究主要集中在构件的几何测量和成型精度的检测等方面，对将数字化检测方法应用于低刚度构件装配环节，以实现高效、高质量的连接装配的研究较少，尤其是针对重力及多约束边界影响低刚度碳纤维复合材料构件面变形变化进而影响贴合间隙测量精度的研究还不多见。

发明内容

本发明的目的：一个低刚度制件由于柔性的特点，它的测量形状通常不同于其组装形状，为解决两者之间的差异而导致的贴合间隙影响大型航空构件连接装配质量问题，提供了一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法。该方法具有快速、准确的特性，能够有效节省连接装配时间和成本。

本发明的技术方案：

一种基于点云数据的低刚度制件装配变形预测方法，首先采用三维激光扫描仪对待测低刚度制件进行扫描，获取被测低刚度制件表面信息的点云数据并进行点云简化滤波处理；其次，在三维坐标系统中，完成点云坐标的三维变换，旋转点云的法向量与xy平面垂直，并且选取点云任意边界的任意两个点连成直线，使直线与x轴平行且点云一边界与x轴平行，再利用xy平面坐标完成二维网格划分；然后采用半径搜索法和最小二乘法，得到低刚度制件的点云有序代表点；最后以每四个代表点为一组构成四边形网格，输出需要的网格格式，并输入到有限元分析软件中进行约束和位移加载，得到低刚度制件装配之后的形状变化；具体步骤如下：

(1)获取点云数据以及滤波简化

打开关节臂测量机，对待测低刚度制件进行扫描，获得三维点云数据；点云的滤波简化采用体素网格法实现下采样，具体过程为：首先对输入的点云数据创建一个包含所有点最小的三维体素栅格，然后分解成多个边长为L的立方栅格，采用每个立方栅格中所有点的重心来表示立方栅格所有点；当一个立方栅格中没有任何点时，舍弃立方栅格；

三维体素栅格边长计算公式如下：