一种针对蜂窝芯外形曲面特征的测量方法

刘蕾 陈雪梅 易元 宋忠超 黄庆奕 江磊

摘要：针对蜂窝芯外形曲面特征测量过程中出现的数据不完整、精度低等问题，提出一种基于三维光学扫描的测量方法。首先在蜂窝芯外形曲面紧密贴合覆盖层，以覆盖层外形特征代替蜂窝芯外形曲面特征，然后采用三维光学扫描技术采集覆盖层外形的点云数据。通过计算点云数据的法向矢量，并在矢量方向偏置覆盖层厚度，从而获得蜂窝芯曲面特征的轮廓数据，完成蜂窝芯外形曲面特征测量。通过对某型号蜂窝芯材料的测量，证明该方法的可行性和精确性，具有实际工程应用价值。

关键词：机械公差配合与技术测量;曲面特征测量;光学扫描;蜂窝芯

中图分类号：TH124 文献标志码：A 文章编号：1674-5124（2019）07-0056-05

收稿日期：2017-09-28;收到修改稿日期：2017-11-15

基金项目：四川省科技支撑计划项目（2014GZ0123）

作者简介：刘蕾（1985-），女，河北石家庄市人，工程师，主要从事机械加工及加工质量检测工作。

0 引言

蜂窝芯材料，指类似蜜蜂巢穴在结构上呈空心六方体，有规则排列的填充材料。此种材料具有质量轻、稳定性好、强度高[1-2]等特点，作为填充材料广泛应用在航空航天、现代造船等工业领域。

由于蜂窝芯外形轮廓为蜂窝孔状，并非完整表面特征，所以其外形测量有较大难度，曲面特征尤甚（蜂窝芯曲面特征指曲率较小的曲面外形轮廓）。诸如三坐标测量机等常规测量手段会出现测头落人蜂窝孔内进而产生偏差等问题。对此，李慧娟等[3-4]采用三种光学测量方法对蜂窝结构中模拟脱粘缺陷进行检测，但其并未涉及到外形轮廓测量;万谷[5]针对航空发动机机匣中蜂窝芯材料，提出了采用基于伸缩式圆柱形测针的接触式电感传感器作为表面几何公差的测量手段，但此方法仅针对环形蜂窝芯有较好效果;李智[6]针对蜂窝陶瓷提出一种线阵CCD摄像机对蜂窝陶瓷扫描以获取图像的方式分析测量，但只考虑了边缘检测。当前在航空制造企业中，还有采用圆柱形测头的三坐标测量机测量方法，以避免测头在采集数据过程中落人蜂窝孔内，但此种方法不适用蜂窝芯曲面矢量未知的情况。

在上述研究的基础上，针对蜂窝芯零件曲面特征的测量难点，本文研究了一种基于光学扫描的蜂窝芯曲面特征测量方法。

1 基于光学扫描的蜂窝芯曲面特征测量

为了获得完整的蜂窝芯曲面特征轮廓数据，首先在蜂窝芯表面紧密贴合一层覆盖层，以覆盖层外形特征代替蜂窝芯曲面特征;然后采用三维光学测量仪器扫描蜂窝芯零件外部覆盖层获取测量点数据，通过测量点在轮廓矢量方向的偏置，消除覆盖层厚度误差，间接得到蜂窝芯轮廓坐标。蜂窝芯轮廓与覆盖层的几何关系如图1所示。

覆盖层可选用热收缩聚乙烯膜或不干胶软纸等材料。聚乙烯膜一侧涂布胶层，能紧密贴附在蜂窝芯表面，且不易产生褶皱，但膜厚度会随着曲面曲率变化而变化，影响后续精度判断;不干胶纸不会发生厚度变化，但在曲率较大情况下会产生褶皱。综上，在曲面曲率较小情况下采用不干胶纸作为覆盖层，曲率较大情况下采用聚乙烯膜作为覆盖层。

本文方法与其他蜂窝芯外形测量方法对比如表1所示，可以看出此种针对蜂窝芯外形曲面特征测量方法与其他方法相比具有效率高、适应好的特点，且测量高密度点云可用于多种几何公差分析。

1.1 覆盖层光學测量

随着光电技术的迅猛发展，光学测量技术日益提高，在测量领域得到了广泛应用。目前，代表性光学测量有激光测量、结构光测量、照相测量等方式[7]，不同光学测量方式测量精度、测量工件需求也不同。针对带覆盖层蜂窝芯零件，结构光测量方式较为适应。

由于结构光测量对覆盖层外形颜色要求较高[87覆盖层应选择白色或相近颜色，且需一定密度无编码标记点集成在覆盖层表面。然后校准结构光学测量仪器，对贴合覆盖层的蜂窝芯进行扫描测量。利用标记点拼合单幅扫描点云，获取整体测量数据。

光学测量数据即测量点的集合，设测量点Pi

n_cube=「X/L」「Y/L」「Z/L」（4）其中，「」表示向上方向取整，子块的长度L由点云密度与k邻域中k值大小设定。分块完成后得到块空间结构cube[a][b][c]，a=「X/L」，b=「Y/L」，c=「Z/L」。根据测量点P

3）搜索子块空间内每一测量点Pshort