基于骨架模板特征匹配的点阵结构尺寸测量

苏仕祥，戴 宁，程筱胜，丁龙伟

(南京航空航天大学机电学院，江苏 南京 210016)

基金项目：(十三五国防装备预研项目(61409230305)；装备预研航天科工联合基金资助项目（6141B07090119）；国家商用飞机制造工程技术研究中心创新基金项目(COMAC-SFGS-2018-37)；南京航空航天大学直升机传动技术重点实验室自主课题资助项目（HTL-A-19G012）

作者简介：苏仕祥（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为增材制造无损检测，ss_xiang@nuaa.edu.cn.

通讯作者：戴宁，男，教授，dai_ning@nuaa.edu.cn.

摘要：点阵结构在航空航天领域有着巨大的应用潜力，其尺寸精度与功能特性密切相关。工业CT是对三维点阵结构进行尺寸特征检测的最佳选择之一。针对点阵结构的CT扫描数据提出了基于骨架特征的点阵周期性间距测量方法。通过网格收缩算法构建点阵结构的骨架模型。在此基础上，采用模板特征匹配法分离点阵单元并提取点阵单元中心点，实现点阵单元间距的测量。实验结果表明，骨架模板特征匹配法能够实现三维点阵结构内外尺寸特征的测量，具有效率高、稳定性好等优点。

关键词：工业CT；尺寸测量；点阵结构；增材制造；骨架模型

中图分类号：TF921   文献标识码：A   文章编号：2095-509X(2021)02-0005-06

点阵结构具有轻质高强的特性，可以在降低模型自身质量、减少材料消耗的同时，提供满足使用需求的支撑能力，在航空航天和生物医学等领域具有巨大的发展潜力^［1］。近几年增材制造技术的不断发展为点阵结构的制备提供了极大的便利，但通过增材制造技术制备的点阵结构往往存在许多微观和宏观尺度上的缺陷，容易对制件的尺寸精度和表面完整性产生影响，而点阵结构的功能特性与其相关尺寸精度和表面完整性密切相关^［2］，因此对点阵结构进行尺寸精度检测和评价具有重要意义。当前，国内外学者对点阵结构的研究主要集中在点阵单元的结构设计、制作工艺、力学性能以及稳定性等方面^［3］，而对于点阵结构的质量检测则侧重于表面粗糙度的评价^［4］，仅有部分文献研究其尺寸制造精度的评价方法。如Azmi等^［5］采用光学投影仪评价体心立方点阵单元杆件的尺寸制造精度，但该方法只能测量二维尺寸特征，无法实现三维点阵结构内部点阵单元的测量；Abele等^［6］基于Micro-CT（computed tomography）扫描图像分析了不同工艺参数对体心立方点阵单元尺寸制造精度的影响，但该方法稳定性较差。

工业CT技术作为一种极具前景的无损检测技术，是应用于点阵结构件质量检测的有效手段之一^［7］。然而，点阵结构件内部的点阵单元数量较多，其三维重建模型数据规模庞大，使得实际处理过程中的运算负载过重，占用资源较多，难以实现整体三维模型下的计算，这对基于CT扫描数据的点阵结构尺寸测量提出了挑战。因此，在尽可能完整表示三维模型特征信息的基础上，需要对数据进行简化处理。本文以周期性分布的点阵结构件为研究对象，结合最近邻匹配算法，提出了一种基于骨架模板特征的点阵周期性间距测量方法。将原始的三维模型“降维”成一维的骨架模型，利用骨架模型来表示点阵结构件的拓扑形状，这不仅能够最大程度地保留特征信息，还能够降低算法运行的难度^［8］。首先分别抽取点阵单元和点阵结构件的骨架模型，然后采用模板特征识别法实现点阵结构周期性间距的测量，最后通过一系列实验验证了方法的有效性和实用性。