飞机大部件对接装配过程中的干涉检测技术研究

论文摘要

针对飞机大部件装配过程中的两类干涉问题:蒙皮对接干涉问题和互插装配干涉问题,论文提出一套面向实际装配的干涉检测方案。首先采用激光扫描仪扫描零部件获得扫描数据,通过扫描数据处理分析,从中提取关键特征或根据其重构模型计算零部件的干涉情况,进而指导后续的装配处理。阐述了飞机装配过程中干涉检测所用到的模板定制技术,并分析给出相关的基本理论。模板贯穿于论文的始终,根据CAD模型定制而成,主要用于辅助特征提取以及简化干涉检测过程。主要介绍了两类模板:边特征模板和插配特征模板。提出基于统计特征的点云模型匹配技术,即通过调整自由模型与固定模型的一个或多个对应统计特征重合或一致来实现模型的匹配。基于统计特征的模型匹配分为两种情况:完全匹配和部分匹配。完全匹配是指统计特征能够完全约束自由模型的六个自由度,一次匹配成功。部分匹配是指统计特征只能约束自由模型的部分自由度,需要进一步处理才能完成模型匹配:交互调整自由模型未被约束的自由度,使得自由模型与固定模型达到视觉上的匹配,然后采用ICP算法精确匹配。两种匹配方案稳定、可靠,能够获得全局最优解。提出基于模板的点云边特征提取方法。模板根据CAD模型定制而成,包括理论边上的离散点以及边在各点处的切矢。配准模板与点云数据,根据匹配后模板中每一离散点及对应的切矢信息构建平面,利用其对点云数据切片获得二维截面数据。在每一截面数据中,以理论离散点为界将截面数据分为两段,分别拟合这两段数据为两段曲线,其交点或切点即为实际的边特征上的点。通过曲线拟合、截面优化,不仅可以确切定位点云中的边点,而且可以插值求解点云中不存在的边点,保证了边特征的提取精度。深入研究并提出了二维对称边特征的提取技术。提出一种基于模板的大型部件对合插配干涉检测方法。根据插入特征与配合特征(统称插配特征)的CAD模型定制模板,匹配模板与扫描数据,匹配后的模板作为重构模型参与干涉分析。将插入特征离散为一系列垂直于装配方向的平行截面,计算每一截面在运动过程中与配合特征的渗透深度、间隙以及干涉分界线,综合所有截面的干涉情况构成插配特征的干涉情况。该方法将三维求交测试问题简化为二维问题来处理,不仅能够定量计算装配件的渗透深度、间隙,而且能够给出装配件的干涉分布情况,据此定量指导后续的装配处理。针对飞机大部件对接过程中的两类干涉问题:蒙皮对接干涉问题及互插零部件干涉问题,进行飞机大部件对接干涉分析并提出相应的解决方案:修配处理、添加垫片或者重新调姿。通过计算给出建议性的修配量、垫片的厚度以及大部件的姿态偏差,为飞机大部件对接干涉问题提供定量的指导方案。总结飞机装配过程中的干涉检测技术,指出本文工作的主要特点,并对未来的研究工作进行展望。

论文目录

• 致谢
• 摘要
• Abstract
• 缩写、符号清单、术语表
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 飞机装配技术的现状
• 1.2.1 国内飞机装配技术的现状
• 1.2.2 国外飞机装配技术的现状
• 1.3 DELMIA软件中的装配干涉检测技术
• 1.3.1 DELMIA简介
• 1.3.2 DELMIA中的装配干涉检查
• 1.3.3 DELMIA中的装配干涉检查的特点
• 1.4 点云边特征
• 1.4.1 实物样件及其对应的CAD模型边特征的分类
• 1.4.2 点云数据中边特征的分类
• 1.4.3 点云数据中边特征的提取技术
• 1.5 ICP匹配技术
• 1.5.1 ICP匹配问题描述
• 1.5.2 对应点的搜索方法
• 1.5.3 刚性变换求解
• 1.5.4 基于特征的ICP算法
• 1.6 干涉检测技术
• 1.6.1 干涉检测模型表达
• 1.6.2 干涉检测目标
• 1.6.3 层次分割方法的应用
• 1.6.4 干涉检测方法
• 1.7 选题背景和研究内容
• 1.7.1 选题背景
• 1.7.2 研究内容
• 2 模板定制与相关基本理论
• 2.1 引言
• 2.2 模板概述
• 2.2.1 模板的含义
• 2.2.2 模板的应用
• 2.2.3 使用模板的优点
• 2.3 边特征模板
• 2.3.1 边特征标识
• 2.3.2 边特征的几何信息
• 2.3.3 边特征的匹配信息
• 2.3.4 边特征的约束信息
• 2.4 插配特征模板
• 2.5 相关基本理论
• 2.5.1 点云切片
• 2.5.2 点云数据区域分割
• 2.5.3 平面点集边界提取
• 2.5.4 点在平面多边形内外的判定方法
• 2.6 结论
• 3 基于统计特征的点云模型匹配技术
• 3.1 引言
• 3.2 统计特征分类及提取
• 3.2.1 点云模型统计特征分类
• 3.2.2 点云模型统计特征提取
• 3.3 基于统计特征的模型匹配
• 3.3.1 完全匹配问题
• 3.3.2 部分匹配问题
• 3.4 实例分析
• 3.4.1 实例一:某零件部分匹配问题应用实例
• 3.4.2 实例二:某零件部分匹配问题应用实例
• 3.4.3 实例三:某零件完全匹配问题应用实例
• 3.5 结论
• 4 基于模板的点云边特征提取技术
• 4.1 引言
• 4.2 相关数学基础
• 4.2.1 边特征以及边特征上的离散点
• 4.2.2 拟合对象参数化
• 4.2.3 距离函数
• 4.2.4 截面曲线间约束表达
• 4.3 边特征提取
• 4.3.1 边特征提取过程
• 4.3.2 模板与点云数据匹配
• 4.3.3 点云切片获取二维截面数据
• 4.3.4 截面数据整体拟合优化获取边点
• 4.3.5 特殊问题分析处理
• 4.4 二维对称边特征提取
• 4.4.1 二维对称边特征提取技术的基本框架
• 4.4.2 参数化理论
• 4.4.3 约束识别及处理
• 4.4.4 全局优化
• 4.4.5 几何模型更新
• 4.5 实例分析
• 4.5.1 实例一:光滑边的抽取实例
• 4.5.2 实例二:尖边的抽取实例
• 4.5.3 实例三:反射对称边的抽取实例
• 4.5.4 实例四:旋转对称边的抽取实例
• 4.6 结论
• 5 基于模板的大部件对合插配干涉检测技术
• 5.1 引言
• 5.2 问题描述与数学建模
• 5.2.1 问题描述
• 5.2.2 数学建模
• 5.2.3 问题分析及简化
• 5.3 几何模型重构
• 5.3.1 插配特征模型重构的假设前提
• 5.3.2 基于理论模型的模型重构方法
• 5.3.3 基于理论模型重构方法的特点
• 5.4 干涉求解
• 5.4.1 装配初始条件分析
• 5.4.2 干涉检测内容
• 5.4.3 径向干涉分析
• 5.4.4 轴向干涉分析
• 5.5 实例分析
• 5.6 结论
• 6 飞机大部件对接干涉分析及解决方案
• 6.1 引言
• 6.2 飞机大部件对接干涉情况
• 6.3 蒙皮对接的干涉分析及解决方案
• 6.4 互插零部件干涉分析及解决方案
• 6.4.1 插配特征间隙问题分析
• 6.4.2 插配特征相互渗透问题分析
• 6.5 结论
• 7 结论与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 参考文献
• 作者简历