CN101804541B - 一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，首先采用激光测量系统得到待测零件的表面三维数据点，将获得的待测零件的所有表面三维坐标数据信息进行拼合，再对拼合后的三维坐标数据信息通过特征识别及提取方法与三维数字化设计方法结合，修补出待测零件的破损部分，得到待测零件的三维实体模型、二维工程图和误差分析图，最后还原成技术文档，复制制造出破损的零件。本发明修复精度高，数字化建模易于编辑修改，测量成本较低，可操作性强，便于推广应用。

Description

一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法

技术领域

本发明是一种基于三维数字化技术的破损机械零件的修复方法，属于机械设计及制造领域，旨在解决复杂零件表面破损部分的三维数字化修补问题，为破损零件表面原始数据的恢复提供切实可行的数字化设计方案。

背景技术

在机械制造行业，经常会出现因磨损、腐蚀、甚至断裂等造成零件的报废。需要重新制造一新的零件来更换报废的零件，如果企业有一系列与该零件相关的原始数据信息，则按原始的图纸上所需求的形状、结构、尺寸及有关的技术要求就可重新制造出该零件。但当出现原始图纸丢失、或购买产品时供应商没有提供相关零件的原始设计图纸等现象时，如果零件的形状比较规则，则可采用传统的机械零件测量的手段或方法得到原始的设计数据，经过重新设计得到该零件的有关数据信息。但这种传统的方法仅限于形状比较规则、精度要求不高的零件，对于较精密而且形状复杂的零件，这种方法无法解决此问题。

目前，在没有原始设计数据资料的情况下，为了较精确测量出零件的数据信息，在零件测量中利用超声波、电磁、光学等现代测量方法来获取零件的有关数据信息，现代的测量方法主要有三种：一是接触式测量法，如触发式、连续扫描式；二是非接触测量法，如超声波法、电磁、光学测量方法；三是逐层扫描测量法，如工业法、核磁共振法、自动断层扫描法等。

目前，在机械零件的测量中常用的测量方法是接触式测量方法和非接触式光学测量法，利用这些先进的测量技术，对一完好无损的零件，在没有原始设计图纸的情况下，利用激光测量技术得到零件表面的三维数据点后，对相邻的点进行三角网格化处理，用若干逼近的三角面片构成物体的表面，通过数字化建模方法得到原始的设计数据。但利用这种方法得到的只是产品的表面模型，其数据信息不能用于下游的CAE/CAM中，也无法利用所建模型通过投影的方法得到产品的一系列二维工程图样信息。而对于破损的零件，无法利用以上方法得到破损部分的数据，而未破损部分测量所得的数据也都是相互之间没有约束关系的离散的三维数据点。

发明内容

本发明的目的是在破损零件没有原始设计图纸的情况下，提供一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，可得到破损零件各表面的三维数据信息，并重构出能为下游CAE/CAM所用的零件三维实体模型和二维工程图。

本发明采用的方法是：首先采用激光测量系统得到待测零件的表面三维数据点，将获得的待测零件的所有表面三维坐标数据信息进行拼合，再对拼合后的三维坐标数据信息通过特征识别及提取方法与三维数字化设计方法结合，修补出待测零件的破损部分，得到待测零件的三维实体模型、二维工程图和误差分析图，最后还原成技术文档，复制制造出破损的零件。

本发明的有益效果是：

1、利用现有的激光测量技术得到零件的表面数据点后，利用特征的识别和提取方法，并与现有的机械设计中的三维设计软件相结合，完成破损机械零件的数字化修复，修复精度高。

2、数字化建模是以目前机械设计行业广泛应用的三维参数化设计软件为平台，便于推广应用，数字化模型易于编辑修改，

3、本发明将激光测量技术与三维数字化技术相结合，测量成本较低，可操作性强。

附图说明

图1是破损机械零件的测量原理图，

图1中：1、2.摄像头；3.光栅投影装置；4.待测零件。

图2是本发明的工作流程图。

具体实施方式

本发明的硬件部分由完成数据测量的激光测量系统和完成后期数据处理的计算机系统所组成。如图1，完成数据测量的激光测量系统由两个摄像头1、2、一个光栅投影装置3组成，两个摄像头1、2形成一定夹角α。将待测零件4放置在激光测量系统的下部，测量待测零件4的表面三维坐标点数据。

如图2所示，本发明采用激光扫描的方法得到破损零件的表面三维数据点，根据零件表面的不同属性，以测量的零件表面三维坐标点为依据，利用特征识别及提取方法，并与三维数字化设计技术相结合，修补出零件的破损部分。并由此得到零件的三维实体模型、二维工程图和误差分析图，根据这些技术文档，复制制造出破损的零件，其具体步骤如下：

测量待测零件4的表面三维坐标点数据方法如下：

1、根据待测零件4不同的破损情况，制定不同的扫描测量策略，完全断裂的部分应测量出断裂部分断面的数据。在扫描时的场景空间中放置三个以上的圆球作为参照物，或在待测零件4的表面贴放若干个圆形参考点，进行三角网格化剖分。

2、测量时，光栅投影装置3投影数幅特定编码的结构光到待测零件4上，成一定夹角α的两个摄像头1、2同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用常规的匹配技术和三角形测量原理解算出两个摄像头1、2公共视区内各像素点的三维坐标。

3、重复上述步骤2，测量出待测零件4的所有表面三维坐标数据信息。

将获得的待测零件4的所有表面三维坐标数据信息进行拼合，拼合时分两种情况，一是将不同方位测量所得数据进行拼合，二是将断裂部分的断面数据进行拼合。具体是：

根据已制定的扫描策略中预设的参考点测量，参考点即圆球的球心或圆形参考点的中心，球心和中心是通过拟合的方法得到。测量时相邻两次光栅投影装置3中至少有三个参考点被同时测量到，将所有测量的来自待测零件4的不同方位的数据进行对齐处理，对齐处理的基本方法是利用空间点的坐标变换，同一参考点从不同方位进行测量后，将处于不同的测量坐标系统中，通过空间坐标变换将前后两次测量得到的三个参考点统一至同一坐标系下，亦即将前后两次测量得到的三个参考点重合在一起，利用这样的对齐处理方法，得到待测零件4的整体三维数据信息。

对于断裂的零件，利用相同的测量及对齐处理方法，分别完成断裂部分的数据测量和对齐处理，之后将断裂的部分拼放在一起，在断裂部分的裂口处贴放若干圆形参考点，该圆形参考点裁剪成两部分，分别位于两断裂的零件表面。然后分别对断裂的两部分的裂口附近及断面数据进行扫描及对齐处理，对齐方法步骤上述相同，对齐时将来自两断裂部分的数据中三个圆形参考点的两圆心进行对齐，从而将断面数据拼接在一起。

对拼合后的三维坐标数据信息，通过以下几种特征识别和提取，再用三维数字化方法修补破损的部分。一种方法是提取出待测零件4表面的特征点，特征点是指位于待测零件4轮廓边界上的点，各剖截面上的点，由这些特征点拟合得到构成待测零件4表面的各特征线，通过对各条特征线构成的曲线的曲率连续性分析，修正或补全零件破损部分的特征线。另一种是对组成待测零件4的表面通过曲率计算的方法，按不同的表面性质进行自动或半自动的数据分割，如按圆柱面、圆锥面、圆球面、圆环面、平面、自由曲面进行分割，这样将破损的部分划分到某一数据集中，再根据该数据集的表面特征和已有的未破损的表面数据拟合补全破损的部分。若待测零件4是对称形状，对于对称的待测零件4，利用其对称性，首先提取其对称平面作为特征面，然后利用对称性以及提取的表面特征点和特征线修补出零件的破损部分。

将经过上述修补处理后得到的特征点、特征线、特征面输入至三维参数化设计软件中，利用这些软件提供的各种建模方法，如拉伸、旋转、扫描、蒙皮等方法完成后期的三维建模，构成三维数字化模型。对于一完好无损的待测零件4，将建模所得的表面模型通过现有参数化三维软件的标准交换接口，如IGES、STEP接口导入三维软件中，通过对导入表面进行复制，并进行实体化处理，得到产品的实体模型，再利用投影的方法可得到一系列二维工程图样。而对于破损的零件待测零件4，对于缺损部分因无法测量得到缺损部分的表面数据，本发明采用基于特征(特征点、特征线、特征面)的方法，根据产品所固有的表面特性来修补出产品缺损的部分，并重建出产品的实体模型。

最后，本发明将测量所得的零件表面的三维坐标点与三维数字化模型进行比对分析，以各测量点到零件表面的最短距离的平方和最小为目标函数，进行误差分析，得到误差分析图，从而将误差控制在设计要求的范围内，得到修复的零件三维数字化模型，然后还原成技术文档，根据该技术文档进行工厂化生产，复制制造出破损的零件。

Claims (5)

1.一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，其特征是：首先采用激光测量系统得到待测零件的表面三维数据点，将获得的待测零件的所有表面三维坐标数据信息进行拼合，再对拼合后的三维坐标数据信息通过特征识别及提取方法与三维数字化设计方法结合，修补出待测零件的破损部分，得到待测零件的三维实体模型、二维工程图和误差分析图，最后还原成技术文档，复制制造出破损的零件。

2.根据权利要求1所述的一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，其特征是：所述采用激光测量系统得到待测零件的表面三维数据点的步骤为：

1)在激光测量系统的扫描空间放置三个以上的圆球作为参照物，或在待测零件表面贴放若干个圆形参考点进行三角网格化剖分，对完全断裂的待测零件测量出断裂部分断面的数据；

2)激光测量系统的光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测零件上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，对图象进行解码和相位计算，解算出两个摄像头公共视区内各像素点的三维坐标；

3)重复上述步骤2)，直至测量出待测零件的所有表面三维坐标数据信息。

3.根据权利要求1所述的一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，其特征是：所述对表面三维坐标数据信息进行拼合的方法是：同时测量至少三个参考点，将不同方位测量所得数据进行对齐处理；对于断裂的零件，在对齐处理后再将断裂部分拼放在一起，在断裂的两部分分别贴放若干个裁剪成两部分的圆形参考点，然后分别对断裂的两部分的裂口附近及断面数据进行扫描及对齐处理。

4.根据权利要求1所述的一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，其特征是：所述特征识别及提取方法是：

1)提取位于待测零件轮廓边界上的点和各剖截面上的点，由这些点拟合得到构成待测零件表面的各特征线，通过对各特征线构成的曲线的曲率连续性分析，修正或补全零件破损部分的特征线；

2)对组成待测零件的表面通过曲率计算，按不同的表面进行数据分割，将破损的部分划分到数据集中，再根据该数据集的表面特征拟合补全破损的部分。

5.根据权利要求3所述的一种基于三维数字化的破损机械零件的修复方法，其特征是：所述对齐处理的方法是：同一参考点从不同方位进行测量后处于不同的测量坐标系统中，通过空间坐标变换将不同测量坐标系统中的三个参考点统一至同一坐标系下。

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