CN102798362B - 一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，它有五大步骤：步骤一：获得实测点云以及CAD模型点云；步骤二：对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准；步骤三：点云数据平面特征提取；步骤四：将实测点云同CAD模型点云精确对准；步骤五：完成余量估计；与现有的余量估计方法相比，本发明实现了余量估计的自动化，智能化，有效地预防了余量加工错误带来的加工损失，它在三维点云数据处理及机械制造技术领域里具有较好的实用价值和广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，它是基于实测点云和工件CAD模型进行加工过程余量估计的一种方法，属于三维点云数据处理及机械制造技术领域。
背景技术
机械加工中，毛坯件的加工余量直接影响着最终工件的表面质量、加工效率，从而影响加工成本。因此，机械加工前对毛坯件的加工余量估计就显得非常重要。如果余量估计错误，甚至会导致无法完成零件加工，从而浪费加工时间。如何准确地估计加工余量，是需要解决的关键问题之一。
确定加工余量的常用方法之一是人工划线，即在毛坯铸件粗测的基础上，由工艺员根据工件的设计尺寸，估计出毛坯铸件在各个方向的切削量。这种方法过分依赖工艺员的经验，受人为因素影响大，可能出现划线错误导致无法完成加工；手工操作也限制了生产效率的提高。
三维形貌光学测量技术的发展，可以快速、低成本地获取工件的三维表面点云数据。在商用三维软件中，手动调整点云数据与工件CAD模型进行匹配，观察测量不同方向的加工余量。这种方法可以直观地观察到不同方向的加工余量，可以有效避免加工失败。但匹配过程仍需要人工调整，影响效率，且难以确保匹配结果接近最优状态。
发明内容
本发明提出了一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法。通过调整实测点云数据和工件CAD模型的相对姿态实现二者的最佳匹配，并通过计算表面距离实现余量计算。与现有的余量估计方法相比，实现了余量估计的自动化，智能化，有效地预防了余量加工错误带来的加工失败。
技术方案：为了实现加工余量估计的自动化以及智能化，本发明提出了一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，该方法首先读取实测点云数据以及工件CAD模型文件，并把CAD模型转化为点云数据方便二者的比对；接着，运用主成分分析方法将两组点云实现初始对准；然后在初始对准的基础上，分别提取实测点云和CAD模型点云的平面特征，基于平面特征实现精确对准；最终在精确对准的基础上通过计算CAD模型表面法线距离实现余量估计。
本发明一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：获得实测点云以及CAD模型点云。通过点云处理方法将CAD模型文件中相关的点云坐标以及向量信息读取，转化为同点云数据相同的格式，从而方便二者的比对处理。
步骤二：对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准。分别运用主成分分析获得两组点云的三个主方向，并通过坐标系转换将实测点云以及CAD模型点云映射到主方向构成的坐标系中。实现两组点云的初始匹配。
步骤三：点云数据平面特征提取。根据平面点云的特性设计平面特征提取方法，运用平面特征提取方法对实测点云以及CAD模型点云数据中的平面特征进行提取，获得原始点云中属于平面的点云。
步骤四：将实测点云同CAD模型点云精确对准。以获得的平面特征为基础，根据平面的特性实现对应平面的匹配，在对应平面匹配的基础上根据平面的法向、距离等相关信息进行相对位姿调整，实现两组点云的精确对准。
步骤五：完成余量估计。根据点云精确对准的结果，以CAD模型表面点云为基准，沿着自身法向进行最近点搜索，通过计算最近点距离实现余量估计。
其中，步骤一所述的获得实测点云以及CAD模型点云，其具体实现过程如下：测量设备进行测量后直接得到实测点云，CAD模型是以STL文件形式存储的，STL文件主要有二进制形式以及ASCII形式，存储了三维模型各个位置的三维点坐标以及法向量，对该信息直接读取得到CAD模型点云。
其中，步骤二所述的对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准，其具体实现过程如下：主成分分析法对点云数据进行处理。主成分分析通过对三维点云数据坐标矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，由特征向量组成初始旋转矩阵，分别将两组点云根据初始对准矩阵转化到标准坐标系。
其中，步骤三所述的点云数据平面特征提取，其具体实现过程如下：通过将点云进行网格划分可以将整体的平面分割到不同的网格中，在各个网格中对网格中的点云进行平面拟合并根据点云到拟合平面的距离判断网格中点云能否被认为是平面点云。这样就获得了各个网格的平面点云，接着对各个网格分析，若相邻两个网格的平面距离及法相差别不大，则可以合并为一个，通过逐步的合并，则能够得到由小平面融合而成的平面。
其中，步骤四所述的将实测点云同CAD模型点云精确对准，其具体实现过程如下根据提取平面的特征进行分析：平面的面积、平面的不同方向长度之比、两组点云的相互位置关系，可以实现对应平面特征的匹配。根据提取所得的平面特征，首先根据对应平面法向实现姿态的对准，接着调整二者的位置关系使不同对应平面之间的距离均衡且满足基本的加工要求。实现最终的精确配准。
其中，步骤五所述的完成余量估计，其具体实现过程如下：计算CAD模型表面垂直方向到铸件模型的距离。依次搜索每个CAD点云邻近点集得到余量估计候选点的集合，从获取的候选点中找出能够正确表示CAD表面到铸件模型表面距离的点云，实现余量估计计算。
有益效果：通过对实测点云以及CAD模型数据处理，实现二者的相对姿态的对准，并在此基础上完成铸件加工的余量估计。与现有的余量估计方法相比，该方法的优点在于：
1、方法实现了余量估计的自动化、智能化，可以有效地避免余量估计错误带来的加工失败。
2、提出了基于平面特征的点云姿态调整方法，直接根据点云的性质实现了平面提取，通过对平面特征大小、形状、相互位置的综合分析，实现了实测点云同CAD模型的精确对准。
3、为了获得加工余量最终计算结果，提出了沿着CAD模型表面点云法向进行最近点搜索的方法。借助于邻近搜索方法，实现了散乱点云的快速搜索。
附图说明：
图1为本发明流程框图
具体实施方式：
见图1，本发明一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，该方法具体步骤如下：
步骤一：获得实测点云以及CAD模型点云。为了更加方便的进行测量数据同标准模型的对比，可以把标准模型转化成点云的形式。CAD模型是以STL文件形式存储的，STL文件主要有二进制形式以及ASCII形式，根据不同形式的信息排列方式可以实现坐标以及向量信息的获取。
步骤二：对实测点云以及CAD模型点云初始对准。由于实测点云数据以及CAD模型点云原始的位置和姿态差异比较大，可以通过简洁有效的调整方法实现二者的初始对准。为实现实测点云同CAD模型点云的初始对准，引入了主成分分析法对点云数据进行处理。主成分分析通过对三维点云数据坐标矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，获得相应的特征值和特征向量。特征值和特征方向只和点云数据的相对分布有关，而同自身的位置和姿态无关，所以可以引入主成分分析方法对原始点云进行初始对准，首先计算得到两组点云的中心位置，调整点云中心同坐标原点重合，根据主成分分析得到的主成分方向坐标系同坐标值的标准坐标系进行对比得到坐标转换方式，分别将两组点云转化到标准坐标系。
步骤三：获取点云平面特征。要实现在没有额外参考的条件下实测点云同CAD模型点云的精确匹配，模型结构的固有特征需要有效地利用。从面特征考虑，铸件点云和CAD模型具有结构相似性，因此若能有效地提取面特征，可以更适合姿态的对准。平面特征的获取要充分利用平面的特性，通过将点云进行网格划分可以将整体的平面分割到不同的网格中，在各个网格中对网格中的点云进行平面拟合并根据点云到拟合平面的距离判断网格中点云能否被认为是平面点云。这样就获得了各个网格的平面点云，接着对各个网格分析，若相邻两个网格的平面距离及法相差别不大，则可以合并为一个，通过逐步的合并，则能够得到由小平面融合而成的平面。
步骤四：基于提取平面的精确对准。在获取了实测点云和CAD模型点云中的平面特征后，需要知道两组点云中那些平面是相互对应的才能够对点云的相对姿态实现精确调整。根据提取平面的特征进行分析：平面的面积、平面的不同方向长度之比、两组点云的相互位置关系，可以实现对应平面特征的匹配，也就为基于平面的对准提供了基础。根据提取所得的平面特征，首先根据对应平面法向实现姿态的对准，接着调整二者的位置关系使不同对应平面之间的距离均衡且满足基本的加工要求。实现最终的精确配准。
步骤五：余量估计的计算。在最终配准的基础上，通过计算两组对准好的点云的加工距离，即可实现余量估计。由机床加工的特性可知，刀具加工过程中应该垂直于最终的模型表面。因此为了和实际的情况更加符合，应该计算CAD模型表面垂直方向到铸件模型的距离。为了在点云之间实现临近点的快速搜索采用了邻近搜索方法，通过二叉树原理实现了邻近点集的快速搜索。
Claims (4)
1.一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：获得实测点云以及CAD模型点云；通过点云处理方法将CAD模型文件中相关的点云坐标以及向量信息读取，转化为同点云数据相同的格式，从而方便二者的比对处理；
步骤二：对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准；分别运用主成分分析获得两组点云的三个主方向，并通过坐标系转换将实测点云以及CAD模型点云映射到主方向构成的坐标系中，实现两组点云的初始匹配；
步骤三：点云数据平面特征提取；根据平面点云的特性设计平面特征提取方法，运用平面特征提取方法对实测点云以及CAD模型点云数据中的平面特征进行提取，获得原始点云中属于平面的点云；
步骤四：将实测点云同CAD模型点云精确对准；以获得的平面特征为基础，根据平面的特性实现对应平面的匹配，在对应平面匹配的基础上根据平面的法向、距离相关信息进行相对位姿调整，实现两组点云的精确对准；
步骤五：完成余量估计；根据点云精确对准的结果，以CAD模型表面点云为基准，沿着自身法向进行最近点搜索，通过计算最近点距离实现余量估计。
2.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，其特征在于：步骤一所述的获得实测点云以及CAD模型点云，其具体实现过程如下：测量设备进行测量后直接得到实测点云，CAD模型是以STL文件形式存储的，STL文件有二进制形式以及ASCII形式，存储了三维模型各个位置的三维点坐标以及法向量，对该信息直接读取得到CAD模型点云。
3.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，其特征在于：步骤四所述的将实测点云同CAD模型点云精确对准，其具体实现过程如下：根据提取平面的特征进行分析平面的面积、平面的不同方向长度之比、两组点云的相互位置关系，实现对应平面特征的匹配；根据提取所得的平面特征，首先根据对应平面法向实现姿态的对准，接着调整二者的位置关系使不同对应平面之间的距离均衡且满足基本的加工要求，实现最终的精确配准。
4.根据权利要求1所述的一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，其特征在于：步骤五所述的完成余量估计，其具体实现过程如下：计算CAD模型表面垂直方向到铸件模型的距离，依次搜索每个CAD点云邻近点集得到余量估计候选点的集合，从获取的候选点中找出能够正确表示CAD表面到铸件模型表面距离的点云，实现余量估计计算。
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