一种板式换热器板片冲压几何尺寸误差检测方法

技术领域

本发明涉及一种板式换热器板片冲压几何尺寸误差检测方法，属于逆向技术与数字化检测技术领域。

背景技术

板片是板式换热器的主要零部件，板式换热器板片的结构形式比较复杂，波纹形式多种多样，热交换的好坏程度主要取决于板式换热器板片结构形式和冲压以后的质量，例如波纹的几何形状是否达到要求；而板式换热器板片经过冲压以后不可避免的会出现一些问题，如材料会发生回弹和起皱，板式换热器板片上波纹出现几何尺寸的偏差或出现加工减薄量。

目前，生产线上的检测方法主要有：（1）在板式换热器板片表面涂抹荧光试剂，通过人工观测来检查对比板式换热器板片冲压后的误差情况；（2）用探针历遍板式换热器板片表面得到反馈信号，从而来获得板式换热器板片表面的偏差，这种方法想要全面的历遍板式换热器板片表面比较费时且接触测量可能会造成二次误差；（3）非接触式测量则是通过稳定光束利用一个线阵相机对板式换热器板片进行拍照，将所拍的照片反馈至工业计算机中，检测人员通过观察图像来判断板式换热器板片表面是否存在缺陷和微观裂纹，这种方法长时间容易造成视觉疲劳，而且无法快速检测出换热器板片在冲压之后是否有回弹和起皱。

可见，对板式换热器板片冲压后质量的快速、经济适用的检测评定方法的进一步研究不但有一定理论意义，更具有重要的工程实际意义。

发明内容

本发明提供的方法是利用手持式激光扫描仪的工作原理，根据固定在被检测物体表面的标记点来确定手持式激光扫描仪在扫描过程中的空间位置；当手持式激光扫描仪移动时，不断获取激光所经过位置的三维信息，从而形成被测板片表面的三维数据。将三维点云数据中奇异点剔除并通过插值法补充，再利用预处理的点云数据，通过平面拟合和圆柱面拟合，然后对拟合后的平面进行分析计算，可得到板片冲压成型后实际几何尺寸检测值，与板片设计几何尺寸对比分析，即可得到的几何尺寸误差，实现对换热器板片冲压后几何尺寸误差的评估。

本发明提供的方案为：

步骤1: 布置标记点，在板式换热器板片（1）待测表面区域粘贴一定数量标记点（5）；

步骤2: 数据采集，利用手持式激光扫描仪（2）对待测表面区域进行历遍扫描采集数据，并将采集到的点云数据通过数据线（3）传输到计算机（4）；

步骤3: 数据预处理，将采集到的点云数据进行滤波，将离点云中心较远的奇异点剔除，再通过插值法对剔除的数据点进行补充；

步骤4：点云拟合，从预处理后的点云数据中分割出需要测量几何误差的区域，将分割后的点云数据利用拟合方程拟合成平面和圆柱面等。

步骤5：误差计算，通过两拟合平面的法向量夹角，可求得平面间的夹角，通过拟合圆柱面直径可求得平面相交处的圆弧半径，通过计算拟合平面与平面之间的距离，可求得板片梯形槽的深度等；总之，通过对拟合平面和拟合圆柱面，可得到板片冲压成型后实际几何尺寸检测值，与板片设计几何尺寸对比分析，即可得到的几何尺寸误差，实现对换热器板片冲压后几何尺寸误差的评估。

本发明提出的一种板式换热器板片冲压几何尺寸误差检测方法，与现有检测方法相比有益之处是：本发明采用非接触式测量，能够直接以数字或图表的形式表达待检测板片的真实情况，操作人员不用一直盯在板式换热器板片上检测；该方法具有成本低，简单快速等特点，适用于表面纹理结构较复杂的板式换热器板片几何尺寸的非接触检测。此外，还可以通过将预处理的点云数据与板片CAD模型进行点云匹配处理后，对板片的回弹和起皱情况进行评估。

附图说明

图1为板片点云数据采集系统示意图。

图2为板式换热器板片待测区域放置标记点示意图。

图3为一般板片设计尺寸要求。

其中：1、板式换热器板片；2、手持式激光扫描仪；3、数据线；4、计算机；5、标记点。

具体实施方案

下面结合附图1、图2和图3，对本发明做进一步的详细说明，仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，以便本领域的技术人员参照说明书文字能够据以实施：

本发明提供了一种板式换热器板片冲压几何尺寸误差检测方法，其检测系统包括（如图1所示）：被检测的板式换热器板片（1）、粘贴在换热器待测表面区域上的标记点（5）、手持式激光扫描仪（2）和计算机（4）；手持式激光扫描仪（2）和计算机（4）由数据线（3）相连。

具体实施方案为：

准备工作，为了确保良好的数据质量，在手持式激光扫描仪（2）开始使用前，利用快速标定板对手持式激光扫描仪（2）进行校准，将手持式激光扫描仪（2）正对标定板，根据需要在一定距离内开始标定。

步骤1: 贴标记点（5），在板式换热器板片表面（1）待测区域贴上标记点（5），为了数据处理和最后的评价能够顺利进行，贴标记点（5）时，要根据精度需要和扫描仪说明书规定，两点相距一定的距离，无规则的将标记点均匀布满板式换热器板片（1）的待测区域表面，粘贴以后的效果，如图2所示。

步骤2：数据采集，在手持式激光扫描仪（2）与被测表面规定的距离范围内，根据精度需要，缓慢的移动手持式激光扫描仪（2），让激光历遍板式换热器板片（1）待测区域表面每一处后结束扫描，获得板式换热器板片（1）待测区域表面的三维点云数据。通过数据线（3）传输到计算机（4）。

步骤3：数据预处理，通过滤波函数对立体匹配得到的点云数据预处理，剔除点云数据中的奇异点(离点云中心特别远的点)，得到与预处理后的点云数据C：对于点云C中的某一点a

m

求离某个点附近的K个点可以使用空间二叉树(KD-tree)进行搜索，KD-tree是一种对空间中实例点快速检索的树形数据结构；然后计算这K个点与a

对于整个点云C，求所有L

其中，N表示点云C中点的数量；求出均值和方差以后，所有的

步骤4：点云拟合，从已经剔除奇异点的点云数据C中分割出待测区域的

步骤4.1：平面拟合，由平面方程：

可知平面拟合属于线性最小二乘法，平面方程的系数

其中，

，

采用特征向量估计法进行求解求得矩阵

步骤4.2：圆柱面拟合，从已经剔除奇异点的点云数据C中分割出待测区域的

根据圆柱面的几何模型，若能确定中心轴线以及半径，就能确定圆柱面，中心轴线可通过其方向矢量以及轴线上某个点坐标决定，所以圆柱面主要参数可认为是中心轴线方向（

其中，

为了约束中心轴线的正方向，设定约束条件方程：

由于误差方程是非线性的，参数间相关性较强，对初值选择较为敏感，故对误差方程稍作修改，减少其相关性，降低初值的选择要求。对误差方程修改为:

故选取初值为：

且

对

式中，

其中，

一般来说，非线性拟合需要多次迭代拟合后才能收敛到最优值，将初始参数值加上

步骤5：误差计算，对平面拟合和圆柱面拟合后的点云数据分析计算，评估板式换热器板片的几何尺寸的误差。

步骤5.1：对板式换热器板片深度评估时，将待测部分的点云从整体分割出来，取待测深度数值的上下两个表面所拟合的平面S

步骤5.2：对板片的圆角半径评估时，将圆柱拟合后的半径

步骤5.3：对于图3板片设计尺寸要求中的其他尺寸，如

和圆柱面总之大部分几何尺寸的误差评估均可通过对拟合平面的计算分析来进行评估。

此外，还可以通过将预处理的点云数据与板片CAD模型进行点云匹配处理后，对板片的回弹和起皱情况进行评估。