[发明专利]一种确定自由曲面上任意点处法向矢量的方法

说明书

技术领域

本发明涉及测量检测技术领域，具体为一种确定自由曲面上任意点处法向矢量的方法。

背景技术

在机械加工领域中，柔性制孔是对薄壁结构柔性钻铆的重要环节，铆接点孔位的垂直度直接影响到壁板铆接质量，在飞机、高速列车等蒙皮、壁板曲度高度复杂的应用领域，对柔性制孔的法向找正提出了很高的要求。由于蒙皮多采用铆接结构，钻孔法向精度超差导致的孔质量缺陷将直接影响蒙皮的气动外形乃至部件结构的安全性能。飞机蒙皮一般很薄，并具有复杂的曲度，孔的法线方向随曲面外形变化而变化，钻孔时，法线偏差对孔的质量有明显的影响。如果铆钉孔与蒙皮曲面法矢方向夹角过大，将会导致铆钉不能垂直打入蒙皮，破坏蒙皮表面光滑度，并造成部分铆接为强行连接，使被连接件在连接处受力不均匀，极大地影响连接质量和气动外形。此外，飞机、高速列车等蒙皮部件钻孔数量巨大，手工钻孔存在着质量一致性差、效率低等突出问题，采用机器人柔性制孔可以较大的提高制孔效率和质量。随着生产需求的提高，采用自动化钻孔是必然趋势。因此，钻孔法向精度的在线测量和调整越来越显现出巨大的应用需求。

目前，国内外常用的确定曲面上任意一点处的法向矢量的方法是三角面片法和曲线拟合法，三角面片法即采用微小三角平面近似模拟变形曲面，法线由三点组成的平面三角形确定，这种方法扩大了垂直定位误差，对测量精度会产生一定影响，当待测曲面的曲率较大时，测量精度难以保证。曲面拟合法即通过采集待测曲面上的数据点进行曲面拟合，获得一个与待测曲面近似的曲面片，再根据该曲面片求出过待测点的法向矢量，该方法计算复杂，工作量较大，往往需要获取曲面上几十个数据点的坐标，才可以获得较高的计算精度。

发明内容

要解决的技术问题

为解决现有技术中存在问题，本发明提出了一种确定自由曲面上任意点处法向矢量的方法。

技术方案

本发明的技术方案为：

所述一种确定自由曲面上任意点处法向矢量的方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤1：建立一组垂直相交的正交平面A和B，使正交平面A和B分别与自由曲面相交，并且正交平面A和B的交线过自由曲面上的待测点；

步骤2：计算平面A与自由曲面的交线l_A的曲线方程以及平面B与自由曲面的交线l_B的曲线方程，然后在平面B内确定曲线l_B在待测点处的法向矢量n_B；

步骤3：建立与平面B垂直相交的平面A’，且法向矢量n_B在平面A’上，然后计算平面A’与自由曲面的交线l_A′的曲线方程；

步骤4：在平面A’内确定曲线l_A′在待测点处的法向矢量n_A′，得到的法向矢量n_A′即为自由曲面上待测点处的法向矢量。

有益效果

将本发明提出的方法应用到数控加工系统中，只需要拟合得到正交平面与自由曲面的交线，相比于曲面拟合法，省略了复杂的曲面拟合过程，所需的测量数据点较少，而且在测量大曲率曲面时精度也能满足实际要求，便于应用。

附图说明

图1：本方法步骤1的示意图；

图2：本方法步骤2的示意图；

图3：本方法步骤3的示意图；

图4：本方法步骤4的示意图；

图5：实施例中采用的装置的主视图；

图6：实施例中采用的装置的仰视图；

图7：实施例中采用的装置的O-O剖视图；

图8：偏角测量机构结构示意图；

图9：偏角测量机构的侧视图；

图10：上盒体的结构示意图；

图11：下盒体的结构示意图；

图12：实施例中测量法向矢量的数学模型示意图；

其中：1、偏角测量机构；2、连接底座；3、触杆限位板；4、近距触碰报警器；5、下盒体；6、上盒体；7、复位拉簧；8、触杆；9、连杆；10、球形触头；11、角度传感器。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明。

实施例：

本实施例为测量飞机蒙皮上待钻铆点P的法向矢量，由于现代飞机蒙皮多为自由复杂曲面，为了既迅速快捷又精确地测量待钻铆点的法向矢量，本实施例中采用本发明提出的方法来确定蒙皮曲面S上待钻铆点的法向矢量。