关键词：
三维激光扫描
固发零部件
点云配准
自动化系统
摘要：
随着中国航天事业的飞速发展,发射升空的航天器的结构健康情况和安全性能有了越来越高的要求。由于发动机的尺寸制造精度会对发动机装配和工作过程产生十分重大的影响,因此,对固体火箭发动机而言,研究其制造过程中尺寸精度是否符合制造要求则是重中之重,只有保证了零部件的几何尺寸以及形位公差符合制造要求,才能保证火箭执行任务时发动机的正常工作。目前的工业几何测量中,小尺寸工件测量精度要求高、测量难度高、复杂程度高,所以保证工件的几何尺寸和形位公差的准确性是保证产品使用稳定性和安全性的关键。综上,在工业测量中使用高精度、高效率同时易于操作的测量技术便成为了当前工业测量领域的研究热点。三维激光扫描技术又被称作“实景复刻技术”,是目前最先进的测绘技术之一,该技术作为目前非接触式测量的重要手段,具备了速度快,精确度高,同时兼具数字化,实时性,多点同时测量的特殊优势,使得其在航天,航空,汽车,造船等精密工业测量领域都得到了广泛应用。
基于以上背景,本文主要针对三维激光扫描技术在固体火箭发动机零部件(后文简称固发零部件)尺寸测量领域上的应用展开了研究,将三维激光扫描获取的两帧低重叠的点云数据进行配准,成功提升了其配准精度;然后利用获取的点云数据进行分析测量,进而得到了上支耳、能源支座,驱动器支架的尺寸测量数据;最后搭建了自动化扫描系统进一步提升了测量结果的重复性和稳定性,分析了以上实验数据,得到了如下研究成果:
(1)三维激光扫描测量固发产品得到的两帧点云数据存在重叠率低的特点,而对低重叠率的点云而言,存在部分点在另一帧点云中无匹配点的情况,因此传统算法效果较差。对此,本文提出了基于特征提取、特征解码和重叠区域估计的网络,从而获取全局特征强化配准效果,剔除了非重叠区域对点云配准的影响,同时加入了重建约束和三维变换约束来优化过程。实验结果表明,相对于现有先进的配准算法,本算法在处理后的Model Net40数据集上的表现提升了约18%的配准精度;消融实验表明所选阈值平均优于其他项约6%;对各项约束函数的作用进行了验证,结果表明同时使用两类约束的配准精度比单独使用重建约束或者三维刚体变换参数回归约束的配准精度平均提高了10%。
(2)对上支耳、能源支座、驱动器支架三类固发零部件进行尺寸覆盖率实验、精密性实验和准确性实验,实验结果表明平均尺寸覆盖率达97%;重复性实验表明极差均在0.1 mm以内,标准偏差在0.05 mm以内,相对标准偏差在2%范围内;准确性实验表明三维激光扫描测得数据相较于三坐标测量机测得的真值,其误差保持在0.1mm以内。上述实验证实了三维激光扫描技术在固发产品测量领域的可行性。
(3)由于人工扫描存在测量数据不稳定的问题,所以为了提高测量的稳定性,本研究搭建了自动化扫描系统,设备最优的扫描距离和角度安排扫描路径,将该路径导入自动化系统进行扫描测量。测量结果表明,测量极差缩小至0.04 mm内,相对标准偏差保持在2%范围内,测量时间平均缩短29.7%,重复性相对于人工测量结果得到了提高。上述实验验证了该系统的有效性。
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