CN101424520B - 物件曲面的局部轮廓检测方法 - Google Patents

物件曲面的局部轮廓检测方法 Download PDF

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Abstract

一种物件曲面的局部轮廓检测方法，该方法包括如下步骤：(a)输入物件、物件的点云和物件的切线；(b)将切线拉伸成一个切面，计算切面与物件曲面的交点；(c)计算切线周围点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量；(d)将所述垂直距离点投影到切面上，得到点云在切面上的理论点；(e)根据所述理论点、垂直距离和垂直线的法向量计算出点云在切面上的量测点和上、下公差点；(f)将对应的点连接起来，生成量测线、标准线、理论点和量测点的连线、上公差线和下公差线。利用本发明可以对物件曲面的局部轮廓进行量测，提高了曲面检测的效率和精度。

Description

物件曲面的局部轮廓检测方法
技术领域
本发明涉及一种物件曲面的检测方法，尤其是一种物件曲面的局部轮廓检测方法。
背景技术
三坐标测量机是在工业、科研中被广泛应用于对产品进行测量的一种测量装置，一般的测量方法是将被测物件置于三坐标测量空间，利用三坐标测量机的接触探头沿被测物件的表面经过编程的路径逐点捕捉数据，根据捕捉的数据分析被测物件的曲面品质。然而，随着产品曲面造型越来越复杂，如手机、MP3、MP4，传统的测量方法获得的测量数据很难反映曲面的真实情况，测量速度慢且效率较低。尤其是针对物件曲面的局部轮廓进行检测，传统的测量方法无法进行。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种物件曲面的局部轮廓检测方法，其可对物件曲面的局部轮廓进行检测，提高了曲面检测的效率和精度。
一种物件曲面的局部轮廓检测方法，包括如下步骤：(a)输入物件、物件的点云和物件的切线数据；(b)将所述切线拉伸成一个切面，计算切面与物件曲面的交点；(c)计算所述切线周围点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量；(d)将所述垂直距离点投影到切面上，得到点云在切面上的理论点；(e)根据所述理论点、点云到曲面的垂直距离和垂直线的法向量计算出点云在切面上的量测点和上、下公差点；(f)连接量测点生成量测线，连接切面与曲面的交点生成标准线，连接理论点和对应的量测点，连接上公差点生成上公差线，连接下公差点生成下公差线；(g)根据量测线与标准线的误差范围或理论点和对应量测点的连线是否在上、下公差线范围内判断物件曲面的局部轮廓品质。
相较于现有技术，所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，可对物件曲面的局部轮廓进行检测，提高了曲面检测的效率和精度。
附图说明
图1是本发明物件曲面的局部轮廓检测方法较佳实施例的应用环境图。
图2是本发明物件曲面的局部轮廓检测方法较佳实施例的主流程图。
图3是图2中步骤S200的具体流程图。
图4是图2中步骤S300的具体流程图。
图5是图4中步骤S305的具体流程图。
图6是图2中步骤S400的具体流程图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明物件曲面的局部轮廓检测方法较佳实施例的应用环境图。该应用环境图主要包括数据库1、与数据库1连接的计算机2以及与计算机2连接的显示设备3。
数据库1中储存有物件的标准CAD模型的曲面数据(以下简称曲面数据)、扫描物件所得到的实际点云数据(以下简称点云数据)及曲面局部轮廓检测过程中产生的数据。所述曲面数据包括曲面网格化处理后形成的三角形、每个三角形包含的顶点、每个顶点的坐标等。
计算机2中安装有曲面局部轮廓检测程序20，所述曲面局部轮廓检测程序20用于对物件曲面的局部轮廓品质进行检测。
显示设备3提供一显示界面用于显示物件的曲面、扫描物件得到的点云、利用该方法对物件曲面局部轮廓进行检测得到的检测图形。所述检测图形中包括上公差线、下公差线、标准线和量测线等。用户可以设置不同线条显示的颜色，例如，用户设置上公差线用红色显示、下公差线用蓝色显示、标准线用绿色显示、量测线用白色显示等。
如图2所示，是本发明物件曲面的局部轮廓检测方法较佳实施例的主流程图。首先，步骤S100，输入物件、物件的点云和物件的切线数据，并设置检测图形中不同线条显示的颜色
步骤S200，将切线拉伸成一个切面，计算切面与物件曲面(以下简称曲面)的交点。
步骤S300，计算切线周围点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量。
步骤S400，将所述垂直距离点投影到切面上，得到点云在切面上的理论点。
步骤S500，根据所述理论点、点云到曲面的垂直距离和垂直线的法向量计算出点云在切面上的量测点和上、下公差点。假设理论点存储于数组m_ptStds中，点云到曲面的垂直距离存储于数组triDis中，垂直线的法向量存储于数组triVecs中，量测点存储于存储于数组m_MeasurePts中，上公差点存储于数组m_MeasureUpTols中，下公差点存储于数组m_MeasureDownTols中，则量测点的计算公式为：
m_MeasurePts[i].x＝m_ptStds[i].x+triDis[i]*triVecs[i].x
m_MeasurePts[i].y＝m_ptStds[i].y+triDis[i]*triVecs[i].y
m_MeasurePts[i].z＝m_ptStds[i].z+triDis[i]*triVecs[i].z
其中，符号“*”代表相乘，m_MeasurePts[i].x代表量测点的X轴坐标，m_ptStds[i].x代表理论点的X轴坐标，triVecs[i].x代表垂直线的X轴法向量；m_MeasurePts[i].y代表量测点的Y轴坐标，m_ptStds[i].y代表理论点的Y轴坐标，triVecs[i].y代表垂直线的Y轴法向量；m_MeasurePts[i].z代表量测点的Z轴坐标，m_ptStds[i].z代表理论点的Z轴坐标，triVecs[i].z代表垂直线的Z轴法向量。
上公差点的计算公式为：
m_MeasureUpTols[i].x＝m_ptStds[i].x+MaxTol*triVecs[i].x
m_MeasureUpTols[i].y＝m_ptStds[i].y+MaxTol*triVecs[i].y
m_MeasureUpTols[i].z＝m_ptStds[i].z+MaxTol*triVecs[i].z
其中，MaxTol代表最大上公差值，m-MeasureUpTols[i].x代表上公差点的X轴坐标，m_MeasureUpTols[i].y代表上公差点的Y轴坐标，m_MeasureUpTols[i].z代表上公差点的Z轴坐标。
下公差点的计算公式为：
m_MeasureDownTols[i].x＝m_ptStds[i].x+MinTol*triVecs[i].x
m_MeasureDownTols[i].y＝m_ptStds[i].y+MinTol*triVecs[i].y
m_MeasureDownTols[i].z＝m_ptStds[i].z+MinTol*triVecs[i].z
其中，MinTol代表最小下公差值，m_MeasureDownTols[i].x代表下公差点的X轴坐标，m_MeasureDownTols[i].y代表下公差点的Y轴坐标，m_MeasureDownTols[i].z代表下公差点的Z轴坐标。
步骤S600，连接量测点生成量测线，连接切面与曲面的交点生成标准线，连接理论点和对应的量测点，连接上公差点生成上公差线，连接下公差点生成下公差线，同时在显示设备3上用不同颜色显示所述生成的线。
步骤S700，根据量测线与标准线的误差范围或理论点和对应量测点的连线是否在上、下公差线范围内判断物件曲面的局部轮廓品质。具体而言，如果量测线偏离标准线超过了误差范围(即量测线偏离标准线超过了上公差线或下公差线)或理论点和对应量测点的连线超过了上、下公差线，则可以判断所述物件曲面的局部轮廓品质不合格。否则，则可以判断所述物件曲面的局部轮廓品质合格。
另外，用户还可以通过设置不同公差分段区间内所述理论点和对应量测点连线显示的颜色，即用不同的颜色显示落在不同公差分段区间的理论点和对应量测点的连线。假如公差范围为[-0.350，0.350]，其中，最大上公差值为0.350，最小下公差值为-0.350，如将所述公差范围分成若干个公差分段区间[-0.350，-0.300]，[-0.300，-0.250]，…，[0.250，0.300]，[0.300，0.350]。则可以设定落在公差分段区间[-0.350，-0.300]的理论点和对应量测点的连线用深蓝显示，落在公差分段区间[-0.300，-0.250]的理论点和对应量测点的连线用天蓝显示，落在公差分段区间[0.250，0.300]的理论点和对应量测点的连线用粉红显示，落在公差分段区间[0.300，0.350]的理论点和对应量测点的连线用深红显示，大于最大上公差值的区间[0.350，+∞]的理论点和对应量测点的连线用紫色显示，小于最小下公差值的区间[-∞，-0.350]的理论点和对应量测点的连线用咖啡色显示。
如图3所示，是图2中步骤S200的具体流程图。首先，步骤S201，对所述曲面进行三角网格化处理，将所述曲面拆分成三角形表示。
步骤S202，将每个三角形的顶点坐标转换成DCS(Display Coordinate System，显示坐标系统)坐标。具体而言，是将每个三角形顶点的WCS(World Coordinate System，世界坐标系统)坐标转换成DCS坐标。
步骤S203，将切线的端点坐标转换成DCS坐标，即将切线端点的WCS坐标转换成DCS坐标
步骤S204，根据切线端点的DCS坐标和公差范围计算出一个矩形，所述矩形的长度为切线端点的X轴坐标值之差的绝对值，所述矩形的宽度为所述公差范围的最大上公差值与最小下公差值之差。假如所述公差范围为[-0.350，0.350]，其中，最大上公差值为0.350，最小下公差值为-0.350，则矩形的宽度＝0.350-(-0.350)＝0.7。
步骤S205，找出位于所述矩形中的三角形顶点。
步骤S206，计算顶点位于所述矩形中的三角形与切面的交点，作为曲面与切面的交点。
如图4所示，是图2中步骤S300的具体流程图。步骤S301，获取物件的点云(以下简称点云)。
步骤S302，将点云坐标转换成DCS坐标，即将点云的WCS坐标转换成DCS坐标。所述点云的WCS坐标和DCS坐标存储于两个数组中，且点云在每个数组中的存储位置相同。比如，点云的WCS坐标存储于数组pt3ds，转换后的DCS坐标存储于数组pt2ds，如果一个点云a的WCS坐标存储于pt3ds[4]，则点云a转换后的DCS坐标存储于pt2ds[4]。
步骤S303，将切线的端点坐标转换成DCS坐标，即将切线端点的WCS坐标转换成DCS坐标。
步骤S304，根据切线端点的DCS坐标和公差范围计算出一个矩形，所述矩形的长度为切线端点的X轴坐标值之差的绝对值，所述矩形的宽度为所述公差范围的最大上公差值与最小下公差值之差。
步骤S305，计算出位于所述矩形中的点云。
步骤S306，计算所述矩形中的点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量。
如图5所示，是图4中步骤S305的具体流程图。步骤S3051，获取所有DCS坐标下的点云。假设点云的DCS坐标存储于数组pt2ds中，pt2ds[i]存储数组中第i+1个点云的DCS坐标，其中，0≤i＜pt2ds.length()，pt2ds.length()代表点云数量。pt2ds[i].x代表第i+1个点云的X轴坐标(DCS坐标)，pt2ds[i].y代表第i+1个点云的Y轴坐标(DCS坐标)。
步骤S3052，从i＝0开始循环查找位于所述矩形中的点云。假设所述矩形的最小点为pt2dMin，最大点为pt2dMax，pt2dMin.x代表所述矩形最小点的X轴坐标，pt2dMin.y代表所述矩形最小点的Y轴坐标，pt2dMax.x代表所述矩形最大点的X轴坐标，pt2dMax.y代表所述矩形最大点的Y轴坐标。
步骤S3053，判断i是否小于点云数量(即i＜pt2ds.length())，如果i大于或等于点云数量，则循环结束。
如果i小于点云数量，步骤S3054，判断该点云是否在所述矩形中，判断该点云在所述矩形中的公式为：pt2dMin.x＜pt2ds[i].x＜pt2dMax.x且pt2dMin.y＜pt2ds[i].y＜pt2dMax.y。如果判断该点云不在所述矩形中，则流程转到步骤S3053。
如果该点云在所述矩形中，步骤S3055，获取该点云DCS坐标对应的WCS坐标，同时i加1，流程转到步骤S3053。
如图6所示，是图2中步骤S400的具体流程图。步骤S401，获取步骤S306中所述矩形中的点云到曲面的垂直距离点。
步骤S402，获取当前视角的Z轴向量。
步骤S403，根据所述Z轴向量将所述切线拉伸成一个切面。
步骤S404，从i＝0开始循环。
步骤S405，判断i是否小于垂直距离点数量，如果i大于或等于垂直距离点数量，则循环结束。
如果i小于垂直距离点数量，步骤S406，将所述垂直距离点投影到所述拉伸的切面上，得到理论点，同时i加1，流程转到步骤S405。

Claims (8)

1.一种物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
(a)输入物件的曲面、物件的点云和物件的切线数据；
(b)将所述切线拉伸成一个切面，计算切面与物件曲面的交点；
(c)计算所述切线周围点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量；
(d)将所述垂直距离点投影到切面上，得到点云在切面上的理论点；
(e)根据所述理论点、点云到曲面的垂直距离和垂直线的法向量计算出点云在切面上的量测点和上、下公差点；
(f)连接量测点生成量测线，连接切面与曲面的交点生成标准线，连接理论点和对应的量测点，连接上公差点生成上公差线，连接下公差点生成下公差线；及
(g)根据量测线与标准线的误差范围或理论点和对应量测点的连线是否在上、下公差线范围内判断物件曲面的局部轮廓品质。
2.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，还包括设置标准线、量测线、理论点和对应量测点的连线、上公差线和下公差线显示的颜色的步骤。
3.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(b)包括以下步骤：
(b1)对所述曲面进行三角网格化处理，将所述曲面拆分成三角形表示；
(b2)将每个三角形顶点的世界坐标系统坐标转换成显示坐标系统坐标；
(b3)将切线端点的世界坐标系统坐标转换成显示坐标系统坐标；
(b4)根据切线端点的显示坐标系统坐标和公差范围计算出一个矩形，所述矩形的长度为切线端点的X轴坐标值之差的绝对值，所述矩形的宽度为所述公差范围的最大上公差值与最小下公差值之差；
(b5)找出位于所述矩形中的三角形顶点；
(b6)计算顶点位于所述矩形中的三角形与切面的交点，作为切面与物件曲面的交点。
4.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(c)包括以下步骤：
(c1)获取物件的点云；
(c2)将点云的世界坐标系统坐标转换成显示坐标系统坐标；
(c3)将切线端点的世界坐标系统坐标转换成显示坐标系统坐标；
(c4)根据切线端点的显示坐标系统坐标和公差范围计算出一个矩形，所述矩形的长度为切线端点的X轴坐标值之差的绝对值，所述矩形的宽度为所述公差范围的最大上公差值与最小下公差值之差；
(c5)找出位于所述矩形中的点云；
(c6)计算所述矩形中的点云到曲面的垂直距离点、垂直距离及垂直线的法向量。
5.如权利要求4所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(c5)中寻找所述矩形中点云的依据为：所述点云的X轴坐标值和Y轴坐标值大于所述矩形最小点的X轴坐标值和Y轴坐标值，并且所述点云的X轴坐标值和Y轴坐标值小于所述矩形最大点的X轴坐标值和Y轴坐标值。
6.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(e)中量测点的计算公式为：
量测点的X轴坐标＝理论点的X轴坐标+垂直距离*垂直线的X轴法向量；量测点的Y轴坐标＝理论点的Y轴坐标+垂直距离*垂直线的Y轴法向量；量测点的Z轴坐标＝理论点的Z轴坐标+垂直距离*垂直线的Z轴法向量。
7.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(e)中上公差点的计算公式为：
上公差点的X轴坐标＝理论点的X轴坐标+最大上公差值*垂直线的X轴法向量；上公差点的Y轴坐标＝理论点的Y轴坐标+最大上公差值*垂直线的Y轴法向量；上公差点的Z轴坐标＝理论点的Z轴坐标+最大上公差值*垂直线的Z轴法向量。
8.如权利要求1所述的物件曲面的局部轮廓检测方法，其特征在于，其中步骤(e)中下公差点的计算公式为：
下公差点的X轴坐标＝理论点的X轴坐标+最小下公差值*垂直线的X轴法向量；下公差点的Y轴坐标＝理论点的Y轴坐标+最小下公差值*垂直线的Y轴法向量；下公差点的Z轴坐标＝理论点的Z轴坐标+最小下公差值*垂直线的Z轴法向量。
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