CN101464999B - 三维色阶比对系统及方法 - Google Patents

三维色阶比对系统及方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种三维色阶比对方法，该方法包括如下步骤：使镭射扫描机台扫描工件的各个面，获取工件各个面的点云；对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体的工件点云；从数据库中导入与所扫描的工件相应的三维设计图；将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致；将所得到的工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐；及将整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与整体工件点云之间的差异度。本发明还提供一种三维色阶比对系统。利用本发明可标示出工件实际点云与原始三维设计图之间的差异度，以便进一步对该工件进行精密制造。

Description

三维色阶比对系统及方法
技术领域
本发明涉及一种三维色阶比对系统及方法。
背景技术
几十年前，制造模具的手段主要是依赖普通的机械加工设备，对于形状复杂的模具则是依靠钳工的技能来完成，优秀的模具钳工在模具企业内起着决定性的作用。随着近年CAD(Computer Aided Design，计算机辅助设计)/CAM(Computer Aided Manufacture，计算机辅助制造)技术及数控加工技术逐步被广泛应用，制造出形状复杂的模具已经不再是问题。
然而，由于生成工艺的差异，生产出来的工件可能与原始设计的三维设计图并不完全相同，存在差异。这些差异对于制造领域来说可能会导致严重的后果。因此，有必要通过一种方式来精确分析出所生产出来的工件与原始三维设计图之间的这种差异。
发明内容
鉴于以上内容，有必要提供一种三维色阶比对系统，其可标示出工件实际点云与原始三维设计图之间的差异度，以便进一步对该工件进行精密制造。
此外，还有必要提供一种三维色阶比对方法，其可标示出工件实际点云与原始三维设计图之间的差异度，以便进一步对该工件进行精密制造。
一种三维色阶比对系统，该三维色阶比对系统包括计算机及与计算机相连的数据库和镭射扫描机台，所述的镭射扫描机台用于对工件进行点云扫描，所述的数据库中储存有该工件的三维设计图，其中，所述的计算机包括：扫描模块，用于使镭射扫描机台扫描工件的各个面，并获取工件各个面的点云；处理模块，用于对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体的工件点云；导入模块，用于从数据库中导入与所扫描的工件相应的三维设计图；调整模块，用于将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致；对齐模块，用于将所得到的整体工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐；及比对模块，用于将整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与整体工件点云之间的差异度。
一种三维色阶比对方法，可对镭射扫描机台所扫描的工件点云与数据库中所储存的该工件的三维设计图进行色阶比对，该方法包括如下步骤：扫描步骤：使镭射扫描机台扫描工件的各个面，并获取工件各个面的点云；处理步骤：对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体的工件点云；导入步骤：从数据库中导入与所扫描的工件相应的三维设计图；调整步骤：将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致；对齐步骤：将所得到的工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐；及比对步骤：将整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与整体工件点云之间的差异度。
相较于现有技术，所述的三维色阶比对系统及方法可比对制造出的工件实际点云与三维设计图，标示出工件实际点云与三维设计图之间的差异度，以便进一步对该工件进行精密制造。
附图说明
图1是本发明三维色阶比对系统较佳实施例的应用环境架构图。
图2是本发明三维色阶比对方法较佳实施例的主流程图。
图3是图2中步骤S12的细化流程图。
图4是本发明法线方向自动调整的流程图。
图5是本发明法线方向取点调整的流程图。
图6是图2中步骤S15的细化流程图。
图7是图2中步骤S16的细化流程图。
图8是图2中步骤S17的细化流程图。
图9是曲面法线方向示意图。
具体实施方式
如图1所示，是本发明三维色阶比对系统较佳实施例的应用环境架构图。所述的三维色阶比对系统包括计算机10、数据库20及镭射扫描机台30。所述的镭射扫描机台30用于对工件进行扫描。所述的数据库20用于储存所扫描的工件的三维设计图。
所述的三维色阶比对系统10包括有扫描模块110、处理模块120、导入模块130、调整模块140、对齐模块150、比对模块160及标示模块170。
所述的扫描模块110，用于使镭射扫描机台30扫描工件的各个面，获取工件各个面的点云。其中，所述的扫描模块110使所述的镭射扫描机台30对工件每个面均进行多次扫描，获取每个面的多块点云。
所述的处理模块120，用于对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体工件点云。其中，所述的处理模块120对工件各个面的点云进行的处理包括：将工件各个面的点云组合在一起，形成一个整体工件点云；去除整体工件点云中每个面多块点云重合部分的重合点；去除整体工件点云中与所扫描的工件无关的杂点；对整体工件点云进行过滤，得到一个点距均匀的整体工件点云；将整体工件点云中每个面的多块点云合并成一块点云。其中，所述的过滤的方法包括：均匀过滤及曲率过滤。其中，所述的均匀过滤为均匀的过滤掉整个工件点云中的部分点。所述的曲率过滤是指对整体工件点云中平坦面的点进行大量过滤，对整体工件点云中曲面的点进行少量过滤，使得曲面的点相对于平坦面的点更密集。
所述的导入模块130，用于从数据库20中导入与所扫描的工件相应的三维设计图。其中，所述的三维设计图可以是DWG格式、IGES格式或STEP格式的CAD图档。所述的工件是根据该三维设计图制造出来的。
所述的调整模块140，用于将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致。其中，曲面上某点的法线是指经过该点并且与曲面垂直的直线。对于三维模型而言，所述的法线方向包括向外和向内，通常而言，由模型的内部指向外部即是法线方向向外，而由模型的外部指向内部即是法线方向向内。例如，如图9所示，该三维模型由三个曲面组成，左边是曲面s1，中间是曲面s2，右边是曲面s3，s1的法线方向向外(以向上的箭头表示)，s2、s3的法线方向向内(以向下的箭头表示)。所述的将所有曲面的法线方向调整成一致的方法包括法线方向自动调整和法线方向取点调整。其中，所述的调整模块140对曲面的法线方向进行的自动调整包括：从三维设计图中选定一个曲面作为基准面，并设定最大公差；获取三维设计图上所有曲面以及所选定的基准面的边界线；根据三维设计图中所有曲面的边界线、基准面的边界线及所设定的最大公差得到三维设计图中所有曲面与基准面的相交面；从得到的相交面中选取法线方向与基准面的法线方向相同的相交面；及获取选取的相交面的边界线上的边界点，并将该所选取的边界点的方向取反，以对所选取的相交面的法线方向进行调整。所述的调整模块140对曲面的法线方向进行的取点调整包括：选取法线方向需调整的曲面所在的曲面群；利用三角形对所选取的曲面群进行网格化；点选该曲面群上法线方向需调整部分的任意一点；获取该点所在位置的最上层三角形；计算该最上层三角形的向量与显示屏幕当前的视角之间的夹角；判断该夹角是否大于90度；当大于90度时，则获取该最上层三角形所在的曲面；获取该最上层三角形所在的曲面的边界线上的边界点，并将该所选取的边界点的方向取反，以对最上层三角形所在的曲面的法线方向进行调整。
所述的对齐模块150，用于将所得到的整体工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐。其中，所述的对齐模块150将整体工件工件点云与三维设计图所进行的对齐包括：移动整体工件点云，使整体工件点云和三维设计图的中心点重合；从整体工件点云中选取部分点，利用迭代法根据所选取的部分点粗迭代计算整体工件点云应移动的粗略位置；以整体工件点云应移动的粗略位置为基础，利用迭代法根据整体工件点云中所有点进一步精迭代计算整体工件点云应移动的精确位置；将整体工件点云移动到所计算的精确位置。
所述的比对模块160，用于将整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与整体工件点云之间的差异度。其中，所述的比对模块160所进行的比对和标示包括：利用三角形对三维设计图上所有曲面进行网格化；计算整体工件点云上所有点到其所对应的曲面三角形的距离；设定不同的差异度范围以及不同差异度范围内需标示的颜色；根据整体工件点云上各点到其所对应的三角形的距离所在的差异度范围，利用所设定的对应颜色标示相应的三角形。
所述的标示模块170，用于在三维设计图上创建指引线来标示三维设计图上相应位置的差异度。
如图2所示，是本发明三维色阶比对方法较佳实施例的主流程图。首先，步骤S11，扫描模块110使镭射扫描机台30扫描工件的各个面，获取工件各个面的点云。其中，所述的扫描模块110使所述的镭射扫描机台30对工件每个面均进行多次扫描，获取每个面的多块点云。
步骤S12，处理模块120对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体工件点云。该步骤的详细流程如图3所示。
步骤S13，导入模块130从数据库20中导入与所扫描的工件相应的三维设计图。其中，所述的三维设计图可以是DWG格式、IGES格式或STEP格式的CAD图档。所述的工件是根据该三维设计图制造出来的。
步骤S14，调整模块140将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致。其中，曲面上某点的法线是指经过该点并且与曲面垂直的直线。对于三维模型而言，所述的法线方向包括向外和向内，一般来说，由模型的内部指向外部即是法线方向向外，而由模型的内部指向外部即是法线方向向外。例如，如图9所示，该三维模型由三个曲面组成，左边是曲面s1，中间是曲面s2，右边是曲面s3，s1的法线方向向外(以向上的箭头表示)，s2、s3的法线方向向内(以向下的箭头表示)。所述的将所有曲面的法线方向调整成一致的方法包括法线方向自动调整和法线方向取点调整。其中，法线方向自动调整步骤的详细流程如图4所示，法线方向取点调整步骤的详细流程如图5所示。
步骤S15，对齐模块150将步骤S12中得到的整体工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐。该步骤的详细流程如图6所示。
步骤S16，比对模块160将整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与整体工件点云之间的差异度。该步骤的详细流程如图7所示。
步骤S17，标示模块170在三维设计图上创建指引线来标示三维设计图上相应位置的差异度，并结束流程。该步骤的详细流程如图8所示。
如图3所示，是图2中步骤S12的细化流程图。首先，步骤S121，将工件各个面的点云组合在一起，形成一个整体工件点云。
步骤S122，去除整体工件点云中每个面多块点云重合部分的重合点。
步骤S123，去除整体工件点云中与所扫描的工件无关的杂点。所述的杂点为所扫描的镭射扫描机台30自身制具的点云。
步骤S124，对整体工件点云进行过滤，得到一个点距均匀的整体工件点云。其中所述的过滤的方法包括：均匀过滤及曲率过滤。其中，所述的均匀过滤为均匀的过滤掉整个工件点云中的部分点。所述的曲率过滤是指对整体工件点云中平坦面的点进行大量过滤，对整体工件点云中曲面的点进行少量过滤，使得曲面的点相对于平坦面的点更密集。
步骤S125，将整体工件点云中每个面的多块点云合并成一块点云，并结束流程。
如图4所示，是本发明法线方向自动调整的流程图。首先，步骤S1411，从三维设计图中选定一个曲面作为基准面，并设定最大公差。所述的基准面是三维设计图中所有曲面法线方向调整的基准，法线方向调整时将三维设计图上所有曲面的法线方向变为与基准面的法线方向一致。如图9所示，s1的法线方向向外，s2、s3的法线方向向内，若从该三维设计图中选定的基准面为s1，则需要将s2、s3的法线方向方向调整为向外。
步骤S1412，获取三维设计图上所有曲面以及所选定的基准面的边界线。
步骤S1413，根据三维设计图中所有曲面的边界线、基准面的边界线及所设定的最大公差得到三维设计图中所有曲面与基准面的相交面。其中，若三维设计图中某个面的边界线与基准面的边界线的最近距离小于等于最大公差，则该面为相交面。
步骤S1414，从得到的相交面中选取法线方向与基准面的法线方向相同的相交面。
步骤S1415，获取步骤S1414中选取的相交面的边界线上的边界点，并将该所选取的边界点的方向取反，以对所选取的相交面的法线方向进行调整，并结束流程。
如图5所示，是本发明法线方向取点调整的流程图。首先，步骤S1421，选取法线方向需调整的曲面所在的曲面群。
步骤S1422，利用三角形对所选取的曲面群进行网格化。
步骤S1423，点选该曲面群上法线方向需调整部分的任意一点。
步骤S1424，获取该点所在位置的最上层三角形。
步骤S1425，计算该最上层三角形的向量与显示屏幕当前的视角之间的夹角。
步骤S1426，判断该夹角是否大于90度。
步骤S1427，当大于90度时，则获取该最上层三角形所在的曲面。
步骤S1428，获取该最上层三角形所在的曲面的边界线上的边界点，并将该所选取的边界点的方向取反，以对最上层三角形所在的曲面的法线方向进行调整，并结束流程。
在步骤S1426中，若该夹角是否不大于90度，则直接结束本流程。
如图6所示，是图2中步骤S15的细化流程图。首先，步骤S151，移动整体工件点云，使整体工件点云和三维设计图的中心点重合。
步骤S152，从整体工件点云中选取部分点，利用迭代法根据所选取的部分点粗迭代计算整体工件点云应移动的粗略位置。其中，当该所选取的所有部分点到三维设计图中相应面的距离平方和为最小时，该所有部分点所处的位置即为所述的粗略位置。在本较佳实施例中，所述的迭代法是拟牛顿迭代法，在其他实施例中，也可采用其他类型的迭代法。
步骤S153，以整体工件点云应移动的粗略位置为基础，利用迭代法根据整体工件点云中所有点进一步精迭代计算整体工件点云应移动的精确位置。其中，计算精确位置坐标的方法与计算粗略位置坐标的方法相同。
步骤S154，将整体工件点云移动到所计算的精确位置，并结束流程。
如图7所示，是图2中步骤S16的细化流程图。首先，步骤S161，利用三角形对三维设计图上所有曲面进行网格化。
步骤S162，计算整体工件点云上所有点到其所对应的曲面三角形的距离。
步骤S163，设定不同的差异度范围以及不同差异度范围内需标示的颜色。例如，可以设定差异度范围为-0.15至-0.1需标示橙色，-0.1至-0.05需标示橙黄色，-0.05至+0.05需标示浅黄色，+0.05至+0.1需标示黄色，+0.1至+0.15需标示黄绿色。
步骤S164，根据整体工件点云上各点到其所对应的三角形的距离所在的差异度范围，利用步骤S163中设定的对应颜色标示相应的三角形，并结束流程。例如，某点云到三维设计图中相应的三角形的距离为0.025，则将该相应的三角形标示为浅黄色。
如图8所示，是图2中步骤S17的细化流程图。首先，步骤S171，点选三维设计图上的任意一点。
步骤S172，获取该点的偏差值及颜色信息。其中，所述的偏差值即该点到其所对应的曲面三角形的距离。所述的颜色信息，即为该点所对应的曲面三角形的颜色。
步骤S173，创建指引线标示出该点的偏差值及颜色信息，并结束流程。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种三维色阶比对系统，该三维色阶比对系统包括计算机及与计算机相连的数据库和镭射扫描机台，其特征在于，所述的镭射扫描机台用于对工件进行点云扫描，所述的数据库中储存有该工件的三维设计图，其中，所述的计算机包括：
扫描模块，用于使镭射扫描机台扫描工件的各个面，并获取工件各个面的点云；
处理模块，用于对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体工件点云；
导入模块，用于从数据库中导入与所扫描的工件相应的三维设计图；
调整模块，用于将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致；
对齐模块，用于将所得到的整体工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐；及
比对模块，用于将所述的整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与所述的整体工件点云之间的差异度。
2.如权利要求1所述的三维色阶比对系统，其特征在于，所述的计算机还包括：标示模块，用于在三维设计图上创建指引线来标示三维设计图上相应位置的差异度。
3.一种三维色阶比对方法，对镭射扫描机台所扫描的工件点云与数据库中所储存的该工件的三维设计图进行色阶比对，其特征在于，该方法包括如下步骤：
扫描步骤：使镭射扫描机台扫描工件的各个面，并获取工件各个面的点云；
处理步骤：对所扫描的工件各个面的点云进行处理，得到一个整体工件点云； 
导入步骤：从数据库中导入与所扫描的工件相应的三维设计图；
调整步骤：将所导入的三维设计图中所有曲面的法线方向调整成一致；
对齐步骤：将所得到的整体工件点云与经调整后的三维设计图进行对齐；及
比对步骤：将所述的整体工件点云与三维设计图进行比对，并用不同颜色在三维设计图上标示三维设计图与所述的整体工件点云之间的差异度。
4.如权利要求3所述的三维色阶比对方法，其特征在于，在比对步骤之后还包括步骤：在三维设计图上创建指引线来标示三维设计图上相应位置的差异度。
5.如权利要求3所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的处理步骤包括：
将工件各个面的点云组合在一起，形成一个整体工件点云；
去除整体工件点云中每个面多块点云重合部分的重合点；
去除整体工件点云中与所扫描的工件无关的杂点；
对整体工件点云进行过滤，得到一个点距均匀的整体工件点云；及
将整体工件点云中每个面的多块点云合并成一块点云。
6.如权利要求3所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的调整步骤包括法线方向自动调整步骤和法线方向取点调整步骤。
7.如权利要求6所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的法线方向自动调整的步骤包括：
从三维设计图中选定一个曲面作为基准面，并设定最大公差；
获取三维设计图上所有曲面以及所选定的基准面的边界线；
根据三维设计图中所有曲面的边界线、基准面的边界线及所设定的最大公差得到三维设计图中所有曲面与基准面的相交面；
从得到的相交面中选取法线方向与基准面的法线方向相同的相交面；及 
获取选取的相交面的边界线上的边界点，并将该所选取的边界点的方向取反，以对所选取的相交面的法线方向进行调整。
8.如权利要求6所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的法线方向取点调整的步骤包括：
选取法线方向需调整的曲面所在的曲面群；
利用三角形对所选取的曲面群进行网格化；
点选该曲面群上法线方向需调整部分的任意一点；
获取该点所在位置的最上层三角形；
计算该最上层三角形的向量与显示屏幕当前的视角之间的夹角；
判断该夹角是否大于90度；
当大于90度时，则获取该最上层三角形所在的曲面；及
获取该最上层三角形所在的曲面的边界线上的边界点，并将所选取的边界点的方向取反，以对最上层三角形所在的曲面的法线方向进行调整。
9.如权利要求3所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的对齐步骤包括：
移动整体工件点云，使整体工件点云和三维设计图的中心点重合；
从整体工件点云中选取部分点，利用迭代法根据所选取的部分点粗迭代计算整体工件点云应移动的粗略位置；
以整体工件点云应移动的粗略位置为基础，利用迭代法根据整体工件点云中所有点进一步精迭代计算整体工件点云应移动的精确位置；及
将整体工件点云移动到所计算的精确位置。
10.如权利要求3所述的三维色阶比对方法，其特征在于，所述的比对步骤包括：
利用三角形对三维设计图上所有曲面进行网格化；
计算整体工件点云上所有点到其所对应的曲面三角形的距离；
设定不同的差异度范围以及不同差异度范围内需标示的颜色；及 
根据整体工件点云上各点到其所对应的三角形的距离所在的差异度范围，利用所设定的对应颜色标示相应的三角形。 
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