基于测地距离场的五轴连续扫描方法用于多入口内壁表面检测

2025-02-10 Mon
基于测地距离场的五轴连续扫描方法用于多入口内壁表面检测背景介绍在工业应用中，多入口内壁（MEI, Multi-Entrance Inwall）表面因其复杂的拓扑结构和潜在的碰撞风险，精确检测这些表面一直是一个挑战。传统的点对点检测方法效率较低，而近年来开发的五轴连续扫描技术则显著提高了检测效率，为大面积、复杂表面的检测提供了新的可能性。然而，目前五轴连续扫描的路径规划仍然高度依赖人工干预，尤其是针对MEI表面时，由于复杂的碰撞场景和多入口结构，自动化路径生成尤为困难。为此，本文提出了一种基于测地距离场（GDF, Geodesic Distance Field）的新方法，旨在自动、高效地生成五轴连续扫描路径，解决MEI表面检测中的路径规划和碰撞规避问题。
论文来源本论文由 Yuzhu Ding, Zhaoyu Li, Dong He, Kai Tang, 和 Pengcheng Hu 共同撰写，作者分别来自香港科技大学机械与航空航天工程系和香港科技大学（广州）智能制造学部。论文发表于 2020年9月的 IEEE Transactions on Automation Science and Engineering 期刊上。
研究流程与主要内容1. 研究背景与问题五轴坐标测量机（CMM, Coordinate Measuring Machine）是目前用于表面几何检测的主要工具之一。传统的三轴CMM检测效率较低，而五轴连续扫描技术通过同步移动五个轴，显著提高了检测效率和精度。然而，MEI表面的复杂多入口结构和潜在的碰撞风险使得自动化路径规划成为一大挑战。本文旨在通过引入GDF，生成五轴连续扫描路径，以自动、高效地检测MEI表面。
2. 五轴扫描路径生成的基本原理五轴CMM由三轴平移臂和两轴旋转探头组成，五个轴的协同工作使得探头能够在表面进行连续扫描。扫描路径的生成主要包括三步：
1. 名义扫描路径（Nominal SP）生成：根据引导曲线和探头方向，生名义扫描路径。
2. 名义扫描路径扩展：通过迭代生成更多的名义扫描路径，覆盖整个表面。
3. 最终扫描路径生成：通过连接相邻的名义扫描路径，生成最终的连续扫描路径。
3. 基于GDF的引导曲线生成为了生成适合MEI表面的扫描路径，本文提出了一种基于GDF的引导曲线生成方法：
1. GDF生成：通过将MEI表面的入口作为热源，利用热传导方程计算测地距离场。GDF的梯度场用于引导曲线的生成。
2. 引导曲线生成：从种子点出发，沿GDF的梯度场方向追踪引导曲线。生成的引导曲线与MEI表面的拓扑结构一致，确保了扫描路径的连续性和高效性。
4. 探头方向规划与表面分割在生成引导曲线后，本文进一步提出了一种优化的探头方向规划方法，确保扫描过程中无碰撞且高效。同时，基于GDF，MEI表面被分割为多个可访问区域，每个区域对应一个引导曲线和一组扫描路径。通过这种分割方法，能够最大限度地减少扫描路径的重叠，提高检测效率。
5. 实验结果与讨论本文通过物理检测实验和计算机模拟验证了所提出方法的有效性。实验结果表明，基于GDF的扫描路径生成方法在检测效率和表面覆盖率方面均优于现有的两种基准方法。具体来说：
- 检测效率：本文方法的总检测时间为253秒，相较于其他方法减少了14.81%至52.97%。
- 表面覆盖率：本文方法覆盖了84.66%的可访问区域，较基准方法提高了0.37%至21.56%。
研究结论与意义本文提出了一种基于GDF的五轴连续扫描路径生成方法，成功解决了MEI表面检测中的路径规划和碰撞规避问题。通过引入GDF，生成的长而平滑的引导曲线显著提高了检测效率。同时，基于GDF的表面分割方法考虑了检测点的可访问性，进一步提高了表面覆盖率。该方法不仅实现了自动化路径生成，减少了对人工干预的依赖，还为复杂表面的高效检测提供了新的技术手段。
研究亮点引入GDF生成引导曲线：通过测地距离场生成的引导曲线与MEI表面的拓扑结构一致，显著提高了扫描路径的连续性和高效性。
优化的探头方向规划：通过考虑碰撞规避和探头接触角，生成的扫描路径确保了检测过程的无碰撞和高效率。
表面分割方法：基于GDF的表面分割方法最大限度地减少了路径重叠，提高了检测效率。
未来研究方向未来研究将重点关注MEI表面不可访问区域的检测优化，以及扫描路径特性与检测精度之间的关系。此外，还将开发更精确的扫描路径生成方法，进一步提高五轴CMM的自动化水平。