CN101876536B - 三维色阶比对动态分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种三维色阶比对动态分析方法，该方法包括：接收多个量测对象及一个标准对象；将每个量测对象三角网格化；将每个三角网格化后的量测对象分别与标准对象对齐；在量测对象与标准对象对齐后，将该量测对象与标准对象进行比较，以生成量测对象中每个点的偏差值；根据上述偏差值生成至少一种分析报告；及输出生成的分析报告。利用本发明可以对一种工件在不同时间、不同工段制造出来的产品进行动态分析。

Description

三维色阶比对动态分析方法

技术领域

本发明涉及一种误差分析方法，尤其是一种三维色阶比对动态分析方法。

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。CAV(Computer aidedverification，计算机辅助验证)在差异检测领域的大量运用使得产品的检测变得更加准确直观。

在实际的工作中，用户往往需要对同一种工件在不同时间做出来的产品进行动态分析。但是传统的CAV只能对单个工件进行检测，不能对多个工件同时进行制程管制。

发明内容

鉴于以上内容，有必要提供一种三维色阶比对动态分析方法，其可以对基于同一设计图档在不同时间、不同工段制造出来的多个工件进行动态分析。

一种三维色阶比对动态分析方法，该方法包括：接收多个量测对象及一个标准对象；将每个量测对象三角网格化；将每个三角网格化后的量测对象分别与标准对象对齐；在量测对象与标准对象对齐后，将该量测对象与标准对象进行比较，以生成量测对象中每个点的偏差值；根据上述偏差值生成至少一种分析报告；及输出生成的分析报告。

相较于现有技术，所述的三维色阶比对动态分析方法将基于同一设计图档制造出来的多个工件的点云数据分别与该设计图档进行比对分析，生成多种分析报告，实现了对不同时间、不同工段制造出来的多个工件的动态分析。

附图说明

图1是本发明三维色阶比对动态分析方法较佳实施例的主流程图。

图2是图1中步骤S11的详细流程图。

图3是图1中步骤S12的详细流程图。

图4是图1中步骤S13的详细流程图。

图5是图1中步骤S14的详细流程图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明三维色阶比对动态分析方法较佳实施例的主流程图。该三维色阶比对动态分析方法可以运行于计算机等数据处理设备中。

首先，步骤S10，接收多个量测对象及一个标准对象。本实施例中，所述多个量测对象是指由点云获取装置，如激光扫描仪等，量测多个工件所生成的多组点云数据。该多个工件是基于同一设计图档，在不同时间及/或不同工段制造出来的。所述的标准对象即为上述设计图档。

步骤S11，将每个量测对象三角网格化。该三角网格化步骤的详细流程可以参见下述的图2所示。

步骤S12，将每个三角网格化后的量测对象分别与标准对象对齐。该对齐步骤的详细流程可以参见下述的图3所示。

步骤S13，在量测对象与标准对象对齐后，将该量测对象与标准对象进行比较，以生成该量测对象中每个点的偏差值。该比较步骤的详细流程可以参见下述的图4所示。

步骤S14，根据上述偏差值生成至少一种分析报告。步骤S14的详细流程可以参见下述的图5所示。

步骤S15，输出生成的的分析报告。

参阅图2所示，是图1中的步骤S11，即对量测对象三角网格化的详细流程图。该图2所示流程仅以对一个量测对象进行三角网格化为例进行说明。

步骤S110，接收输入的网格面公差T。所述网格面公差T为组成三角网格面的三角形的最大边长。

步骤S111，根据量测对象中所有点的三维坐标得到一个包围盒，而后利用上述网格面公差T对该包围盒进行分组，并将量测对象中每个点的标识填入到相应的分组中。详细地，首先求得量测对象中坐标值最小的点ptMin的三维坐标(ptMin[0]，ptMin[1]，ptMin[2])及坐标值最大的点ptMax的三维坐标(ptMax[0]，ptMax[1]，ptMax[2])，进而可以得到由(ptMin[0]，ptMin[1]，ptMin[2])、(ptMin[0]，ptMin[1]，ptMax1[2])、(ptMin[0]，ptMax[1]，ptMin1[2])、(ptMin[0]，ptMax[1]，ptMax[2])、(ptMax[0]，ptMax[1]，ptMax[2])、(ptMax[0]，ptMax[1]，ptMin[2])、(ptMax[0]，ptMin[1]，ptMax[2])、(ptMax[0]，ptMin[1]，ptMin[2])组成的包围盒。其次，利用网格面公差T及量测对象中点的总数nCount，计算得到分组后每个单元小正方体的边长 $\mathrm{Box}=\sqrt[3]{\left(\mathrm{ptMax}\right[0]-\mathrm{ptMin}[0]+T)*\left(\mathrm{ptMax}\right[1]-\mathrm{ptMin}[1]+T)*\left(\mathrm{ptMax}\right[2]-\mathrm{ptMin}[2]+T)/\mathrm{nCount}}.$ 利用该小正方体的边长Box，分别计算该量测对象的包围盒在X轴、Y轴、Z轴方向的分组数目nGX＝(ptMax[0]-ptMin[0])/Box，nGY＝(ptMax[1]-ptMin[1])/Box，nGZ＝(ptMax[2]-ptMin[2])/Box，进而求得组间距：fStepX＝(ptMax[0]-ptMin[0])/nGX，fStepY＝(ptMax[1]-ptMinB[1])/nGY，fStepZ＝(ptMax[2]-ptMinB[2])/nGZ。最后，根据量测对象中所有点的三维坐标，将每个点的标识填入到上述相应的分组中。

步骤S112，在量测对象中选择尚未与其他点组成三角形的一点pt1，并将该点作为三角形的第一点。

步骤S113，得到该第一点pt1空间四周的分组，并从该分组中获取距该第一点pt1最近的点pt2作为三角形的第二点。

步骤S114，得到第一点pt1和第二点pt2的中点，并得到该中点空间四周的分组，并得到该中点四周分组中的所有点。

步骤S115，按照一定的顺序排列上述中点四周分组中的点，并进行拟合圆判断及钝角判断。详细地，首先，以上述中点四周分组中的每个点为起始点，分别做一条经过pt1的射线、一条经过pt2的射线，进而得到两条射线的夹角，并按照该夹角的降序排列所述中点四周分组中的点。其次，应用数学法则，如最小二乘法，按照上述排序依次将所述中点四周分组中的点，例如点pt3，与第一点pt1和第二点pt2拟合成圆。随后判断该圆的直径是否大于网格面公差T。若该圆的直径大于T，则说明该点pt3不符合条件。否则，若该圆的直径小于或者等于T，则进行钝角判断。在钝角判断中，首先判断pt1pt2、pt2pt3或者pt1pt3是否已与量测对象中的其他点组成三角形。若pt1pt2、pt2pt3或者pt1pt3已经与量测对象中的其他点组成三角形，则判断该已和量测对象中的其他点组成的三角形与点pt1、pt2、pt3组成的三角形之间的夹角是否为钝角。例如，现假设pt1pt2已经和量测对象中的点p组成了三角形，那么就需要判断三角形pt1pt2p与三角形pt1pt2pt3之间的夹角是否为钝角。若夹角不为钝角，则说明该点pt3不符合条件。若上述已和量测对象中的其他点组成的三角形与三角形pt1pt2pt3之间的夹角均为钝角，或者pt1pt2、pt2pt3、pt1pt3均尚未与量测对象中的其他点组成三角形，则进入下述的步骤S116。

在步骤S116中，进行外接球判断并构建三角形。在上述拟合圆的基础上，拟合一个经过第一点pt1、第二点pt2和pt3的外接球。根据该外接球的球心所在的分组，求取该球心空间四周的分组。分别计算得到上述分组中的点与球心的距离fdis1，根据球的半径Cr及点与球心的距离fdis1，判断上述外接球内是否有点。若所有fdis1都大于Cr，则说明该外接球内没有点，则将该pt3作为三角形的第三点，然后构建三角形pt1pt2pt3。否则，若有一个fdis1小于或者等于Cr，说明该外接球内有点，则判断断该外接球内是否只有一个点。若该外接球内有不止一个点，则说明点pt3不符合条件。若该外接球内只有一个点pt4，则连接pt1，pt2，pt3及pt4，形成四边形pt1pt2pt3pt4，而后连接一条对角线，把所述四边形分成两个三角形：三角形p1pt2pt3和三角形pt4pt2pt1。然后，分别拟合上述三角形p1pt2pt3和三角形pt4pt2pt1的外接球，再分别对所述两个三角形进行如上所述的外接球判断。若三角形p1pt2pt3和三角形p4pt2pt1均符合条件，则构建两个三角形。

步骤S117，判断量测对象中是否尚有未与其他点组成三角形的点。若有，则流程返回上述的步骤S112。否则，若没有未与其他点组成三角形的点，则流程进入步骤S118。

在步骤S118中，输出构建的三角网格面。

参阅图3所示，是图1中步骤S12，即将量测对象与标准对象对齐的详细流程图。该图3所示流程仅以将一个量测对象与标准对象对齐为例进行说明。

步骤S120，根据量测对象及标准对象确定量测对象的初始位置。首先，利用上述步骤S111中所描述的方法得到该标准对象的包围盒boxR及该量测对象的包围盒boxM。其次，判断标准对象的包围盒boxR与量测对象的包围盒boxM是否相交。若相交，则设定该量测对象的初始位置p(p[0]，p[1]，p[2]，p[3]，p[4]，p[5])：p[0]＝0，p[1]＝0，p[2]＝0，p[3]＝0，p[4]＝0，p[5]＝0。其中，所述p[0]，p[1]，p[2]分别为量测对象在X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的位移量，所述p[3]，p[4]，p[5]分别为量测对象向X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的偏移量。否则，若所述标准对象的包围盒boxR与量测对象的包围盒boxM不相交，则求得标准对象的中心点坐标cenR(cenR[x]，cenR[y]，cenR[z])及量测对象的中心点坐标cenM(cenM[x]，cenM[y]，cenM[z])。最后，根据标准对象的中心cenR及量测对象的中心cenM，求得该量测对象的初始位置p(p[0]，p[1]，p[2]，p[3]，p[4]，p[5])：p[0]＝cenM[x]-cenR[x]，p[1]＝cenM[y]-cenR[y]，p[2]＝cenM[z]-cenR[z]，p[3]＝angleX，p[4]＝angleY，p[5]＝angleZ。其中，angleX表示点cenM和点cenR的连线与X轴正方向的夹角，angleY表示点cenM和点cenR的连线与Y轴正方向的夹角，angleZ表示点cenM和点cenR的连线与Z轴正方向的夹角。

步骤S121，根据量测对象的初始位置，利用迭代法在每一次迭代时取量测对象中的部分点，计算每一次迭代时量测对象的虚拟位置。详细地，首先，输入迭代总次数，该迭代总次数由用户指定。在本较佳实施例中，用m表示迭代总次数，用i表示迭代次数即第几次迭代。其次，根据迭代总次数m和量测对象中点的总数得到每次迭代时所用到的量测对象的点的数目n。利用每次迭代时量测对象的点的数目n及该次迭代时量测对象的虚拟位置，计算得到每次迭代中该量测对象到标准对象的最小距离。其中，在第1次迭代时，所述量测对象的虚拟位置为上述得到的量测对象的初始位置，在第N(N＞1)次迭代时，所述量测对象的虚拟位置为第N-1次迭代时所得到对应上述最小距离的该量测对象的点的坐标所确定的位置。

步骤S122，根据最后一次迭代时，即第m次迭代时，量测对象的虚拟位置，计算量测对象到标准对象的最小距离，及对应该最小距离的量测对象中所有点的坐标。

步骤S123，将该量测对象中的点移动到上述计算得到的量测对象中的点的坐标所表示的位置，实现量测对象与标准对象对齐。

参阅图4所示，是图1中步骤S13，即将量测对象与标准对象进行比较的详细流程图。该图4所示流程仅以将一个量测对象与标准对象进行比较为例进行说明。

步骤S130，将标准对象三角网格化。如上所述，该标准对象为一个设计图档。因此，将该标准对象三角网格化可以利用如下方法：抽取该标准对象的控制点，将每两个控制点相连接以形成三角网格曲面。所述控制点为控制曲面形状的点。

步骤S131，设定不同偏差带及每个偏差带对应的颜色值。例如，设定偏差带为-0.15至-0.1时标示橙色，偏差带为-0.1至-0.05时标示橙黄色，偏差带为-0.05至+0.05时标示浅黄色，偏差带为+0.05至+0.1时标示黄色，及偏差带为+0.1至+0.15时标示黄绿色等。

步骤S132，计算量测对象中每一点到与其最近的标准对象中的三角形的距离，以得到量测对象中每一点的偏差值。

步骤S133，根据上述设定的偏差带，利用相应颜色标示标准对象中的每一个三角形。其中，若量测对象中只有一点与标准对象中的一个三角形最近，则根据该点到该三角形的距离对该三角形进行颜色标示；若量测对象中有多个点距离该三角形最近，则根据该多个点到该三角形的距离平均值对该三角形进行颜色标示。

步骤S134，获取量测对象上的每一个点。

步骤S135，获取该每个一点的偏差值及颜色信息。其中，所述的偏差值即该点到其最近的标准对象的三角形的距离。所述的颜色信息，即为上述最近三角形的颜色。

步骤S136，创建指引线标示该每个点的偏差值及颜色信息。所述创建指引线是指当用户利用鼠标或者其他装置选择量测对象上的某一点时，该指引线可以获取并输出该点对应的偏差值及颜色信息。

参阅图5所示，是图1中步骤S14，即生成分析报告的详细流程图。

步骤S140，判断是否需要对工件进行整体的动态分析。所述整体是相对于局部区域而言，是指工件的全部，如一个手机壳的全部，而局部区域可以是一个手机壳的键盘或者屏幕等部分。

步骤S141，若需要对工件进行整体分析，则进一步判断是否分析工件的整体偏差。所述分析工件的整体偏差是指以工件的各个量测对象为整体进行分析。若对工件进行整体分析，则流程进入下述的步骤S149。否则，若不对工件进行整体分析，则表示要对工件的各个局部区域分别分析，如对工件的各个量测对象的键盘进行分析及对工件的各个量测对象的屏幕进行分析等。对工件的各个局部区域分别分析时流程进入步骤S142。

在步骤S142中，将工件划分为多个局部区域。

步骤S143，判断是否按照偏差带分析。若按照偏差带分析，则流程进入步骤S150。否则，若不按照偏差带分析，则流程进入步骤S144。

在步骤S144中，计算每个量测对象在每个区域的平均偏差值、标准偏差值等参数。

步骤S145，根据上述平均偏差值、标准偏差值等参数生成常态分布图等分析报告。

步骤S146，根据每个量测对象的所有点的偏差值计算中心线、上下管制线等参数。

步骤S147，根据上述平均偏差值、标准偏差值、中心线、及上下管制线等参数生成平均值管制图、标准差管制图、全距管制图等分析报告。

当用户需要对工件的局部动态分析时，在步骤S148中，接收用户选择的局部区域，如手机壳的键盘或者屏幕等区域。

当用户需要分析工件的整体偏差时，在步骤S149中，计算工件每个量测对象的整体平均偏差值、标准偏差值。接着进入步骤S146。

当用户需要按照偏差带进行分析时，在步骤S150中，获取工件在每个区域中每点的平均偏差值。所述每点的平均偏差值是指该工件的某一点在每个量测对象中的偏差值的平均值。

步骤S151，根据上述每个点平均偏差值计算落在每个偏差带的点数。

步骤S152，根据上述偏差带及落在每个偏差带的点数生成每个区域的直方图等分析报告。

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 (7)

1.一种三维色阶比对动态分析方法，应用于数据处理设备中，其特征在于，该方法包括：

接收步骤：接收一个或多个量测对象及一个标准对象；

三角网格化步骤：将每个量测对象三角网格化；

对齐步骤：将每个三角网格化后的量测对象分别与标准对象对齐；

比较步骤：在量测对象与标准对象对齐后，将该量测对象与标准对象进行比较，以生成量测对象中每个点的偏差值，包括如下子步骤：

将标准对象三角网格化；

设定不同偏差带及每个偏差带对应的颜色值；

计算量测对象中每一点到与其最近的标准对象中的三角形的距离，以得到量测对象中每一点的偏差值；

根据上述设定的偏差带，利用相应颜色标示标准对象中的每一个三角形；

获取量测对象上的每一个点；

获取该每个一点的偏差值及颜色信息；及

创建指引线标示该每个点的偏差值及颜色信息；

生成分析报告步骤：根据上述偏差值生成至少一种分析报告；及

输出步骤：输出生成的分析报告。

2.如权利要求1所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的多个量测对象是指由点云获取装置量测多个基于同一设计图档在不同时间及/或不同工段制造出来的工件所生成的多组点云数据，及所述的标准对象为上述设计图档。

3.如权利要求1所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的三角网格化步骤包括：

(1)接收输入的网格面公差；

(2)根据量测对象中所有点的三维坐标得到一个包围盒，利用上述网格面公差对该包围盒进行分组，并将量测对象中每个点的标识填入到相应的分组中；

(3)在量测对象中选择尚未与其他点组成三角形的一点pt1，并将该点作为三角形的第一点；

(4)得到该第一点pt1空间四周的分组，并从该分组中获取距该第一点pt1最近的点pt2作为三角形的第二点；

(5)得到第一点pt1和第二点pt2的中点，并得到该中点空间四周的分组及该分组中的所有点；

(6)按照一定的顺序排列上述中点四周分组中的点，并进行拟合圆判断及钝角判断，包括：

(a)以中点四周分组中的每个点为起始点，分别做一条经过pt1的射线、一条经过pt2的射线，进而得到两条射线的夹角；

(b)按照该夹角的降序排列所述中点四周分组中的所有点；

(c)按照上述排序从所述中点四周分组中选择一点pt3，将点pt3与第一点pt1及第二点pt2拟合成圆；

(d)当该圆的直径大于网格面公差时，返回步骤(c)；

(e)当该圆的直径小于或者等于网格面公差，则判断pt1pt2、pt2pt3、或者pt1pt3是否已与量测对象中的其他点组成了三角形；

(f)当pt1pt2、pt2pt3、或者pt1pt3已经与量测对象中的其他点组成三角形时，判断该已组成的三角形与点pt1、pt2、pt3组成的三角形之间的夹角是否为钝角；

(g)若夹角不为钝角，则返回步骤(c)；及

(h)若夹角均为钝角，或者pt1pt2、pt2pt3、pt1pt3均尚未与量测对象中的其他点组成三角形，则执行下述的步骤(7)；

(7)进行外接球判断并构建三角形，包括：

拟合一个经过第一点pt1、第二点pt2和pt3的外接球；

根据该外接球的球心所在的分组，求取该球心空间四周的分组；

分别计算得到上述球心四周分组中的点与球心的距离；

当上述所有距离都大于球的半径时，将该pt3作为三角形的第三点，构建三角形pt1pt2pt3；

当有上述距离中有一个小于或者等于球的半径时，进一步判断该外接球内是否只有一个点；

若该外接球内有不止一个点，则返回步骤(c)；

若该外接球内只有一个点pt4，则连接pt1，pt2，pt3及pt4，形成四边形pt1pt2pt3pt4；

连接一条对角线，把所述四边形分成两个三角形p1pt2pt3和pt4pt2pt1；

分别拟合上述三角形p1pt2pt3和三角形pt4pt2pt1的外接球，再分别对所述两个三角形进行如上所述的外接球判断；及

若三角形p1pt2pt3和三角形p4pt2pt1均符合条件，则构建两个三角形；

(8)当量测对象中尚有未与其他点组成三角形的点时返回步骤(3)；及

(9)当量测对象中没有未与其他点组成三角形的点时，输出构建的三角网格面。

4.如权利要求1所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的对齐步骤包括：

得到该标准对象的包围盒及该量测对象的包围盒；

当标准对象的包围盒与量测对象的包围盒相交时，设定该量测对象的初始位置为p[0]＝0，p[1]＝0，p[2]＝0，p[3]＝0，p[4]＝0，p[5]＝0，其中，所述p[0]，p[1]，p[2]分别为量测对象在X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的位移量，所述p[3]，p[4]，p[5]分别为量测对象向X轴方向、Y轴方向及Z轴方向的偏移量；

当所述标准对象的包围盒与量测对象的包围盒不相交时，求得标准对象的中心点cenR(cenR[x]，cenR[y]，cenR[z])及该量测对象的中心点坐标cenM(cenM[x]，cenM[y]，cenM[z])；

求得该量测对象的初始位置为p[0]＝cenM[x]-cenR[x]，p[1]＝cenM[y]-cenR[y]，p[2]＝cenM[z]-cenR[z]，p[3]＝angleX，p[4]＝angleY，p[5]＝angleZ，其中，angleX表示点cenM和点cenR的连线与X轴正方向的夹角，angleY表示点cenM和点cenR的连线与Y轴正方向的夹角，angleZ表示点cenM和点cenR的连线与Z轴正方向的夹角；

根据量测对象的初始位置，利用迭代法在每一次迭代时取量测对象中的部分点，计算每一次迭代时量测对象的虚拟位置；

根据最后一次迭代时量测对象的虚拟位置，计算量测对象到标准对象的最小距离，及对应该最小距离的量测对象中所有点的坐标；及

将该量测对象中的点移动到上述计算得到的量测对象中的点的坐标所表示的位置，实现量测对象与标准对象对齐。

5.如权利要求1所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的生成分析报告步骤包括：

对工件的整体偏差进行分析或者对工件的各个局部区域偏差进行分析。

6.如权利要求5所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的对工件的整体偏差进行分析包括：

计算工件每个量测对象的整体平均偏差值、标准偏差值；

根据每个量测对象的所有点的偏差值计算中心线、上下管制线；及

根据上述平均偏差值、标准偏差值、中心线、及上下管制线生成平均值管制图、标准差管制图及全距管制图。

7.如权利要求5所述的三维色阶比对动态分析方法，其特征在于，所述的对工件的各个局部区域偏差进行分析包括：

将工件划分为多个局部区域；

计算每个量测对象在每个区域的平均偏差值及标准偏差值；

根据上述平均偏差值、标准偏差值生成常态分布图；

根据每个量测对象的所有点的偏差值计算中心线及上下管制线；

根据上述平均偏差值、标准偏差值、中心线、及上下管制线生成平均值管制图、标准差管制图及全距管制图；

获取工件在每个区域中每点的平均偏差值；

根据上述每个点平均偏差值计算落在每个偏差带的点数；及

根据上述偏差带及落在每个偏差带的点数生成每个区域的直方图。

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