CN103852032B - 圆柱形轴类零件的特征参数提取方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种圆柱形轴类零件的特征参数提取方法，属于轴类零件的扫描检测技术领域。该方法包括两次截面投影过程，第二次截面投影过程是将多个第一次截面投影过程所获得的第一圆心沿第一圆柱轴线投影到原来的椭圆平面上，获得相应的多个所述交点后再进行第二次截面投影。该方法提取的特征参数更加准确，精度高且速度快。
Description
技术领域
本发明属于轴类零件的扫描检测技术领域，涉及扫描检测后对圆柱形轴类零件的特征参数进行提取，尤其涉及基于二次截面投影来拟合圆柱的特征参数提取方法。
背景技术
在制造业中，通常需要对加工制造的零件进行检测测量以确定其形状参数是否符合规定要求，并对加工制造过程的精度等进行评判、或进行改进。其中，圆柱形轴类零件是一种常见的零件，其可以采用非接触扫描法来进行检测测量。由于非接触扫描法不需要物理量规或量具，具有环境适应性好、不干扰工作、检测速度快、可远程在线操作、适合流水线作业等优点，在圆柱形轴类零件的检测领域已获得越来越广泛的应用。
非接触扫描法中，其包括对扫描数据的处理来提取圆柱形轴类零件的特征参数（特别是圆柱的半径或直径），以进一步评判该圆柱形轴类零件或者其制造加工工艺。该处理过程的速度通常越快越好，处理结果的精度越高也越好，特别是对于在线实时检测应用，其要求后处理快并且精度高。
目前，提取圆柱形轴类零件的特征参数的提取方法过程存在运算速度与精度的矛盾，即不能同时达到较高的计算速度与精度，这样，其难以适用于在线大批量的圆柱形轴类零件的检测。
文献“Dimension measurement of hot large forgings with a novel
time-of-flight system”（《The
International Journal of Advanced Manufacturing Technology》，2009年，第44卷1-2期，作者：Tian Zhisong等）中介绍了一种圆柱形轴类零件的特征参数提取方法，其中采用了一次截面投影处理。这种方法处理速度快，检测精度有所提高，但是还是难以满足圆柱形轴类零件的高精度要求。
发明内容
本发明的目的在于，保证圆柱形轴类零件的特征参数提取过程的速度并提高其所获取的特征参数的精度。
为实现以上目的或者其他目的，本发明提供一种圆柱形轴类零件的特征参数提取方法，其包括以下步骤：
提供从圆柱形轴类零件上扫描获取的测量数据；
基于测量数据得到扫描的多条椭圆弧；
基于每条所述椭圆弧拟合得到相应的椭圆平面；
获得每条所述椭圆弧对应的椭圆中心;
将各个所述椭圆平面上的各个所述椭圆中心拟合形成直线以得到第一圆柱轴线；
将各条所述椭圆弧沿所述第一圆柱轴线投影到垂直该第一圆柱轴线的第一圆柱端面上以得到相应的第一圆弧；
拟合每条所述第一圆弧得到各条所述椭圆弧对应的第一圆弧半径和第一圆心；
将各个所述第一圆心沿所述第一圆柱轴线逆投影到相应的所述椭圆平面上以得到投影直线与该椭圆平面的交点；
将各个所述交点拟合得到第二圆柱轴线；
将各条所述椭圆弧沿所述第二圆柱轴线投影到垂直该第二圆柱轴线的第二圆柱端面上以得到相应的第二圆弧；
拟合所述第二圆弧以得到各条所述椭圆弧对应的第二圆弧半径；以及
基于所述第二圆弧半径计算获取特征参数。
按照本发明一实施例的特征参数提取方法中，获得椭圆中心的步骤包括子步骤：
将每条所述椭圆弧变换到一个二维坐标平面上；以及
在该二维坐标平面上得到每条所述椭圆弧对应的椭圆中心。
进一步，拟合每条所述第一圆弧的步骤之前，还包括步骤：将各条所述第一圆弧变换到该二维坐标平面上；
其中，拟合每条所述第一圆弧的步骤中，在该二维坐标平面上拟合每条所述第一圆弧。
进一步，拟合所述第二圆弧的步骤之前，还包括步骤：将各条所述第二圆弧变换到该二维坐标平面上；
其中，拟合所述第二圆弧的步骤中，在该二维坐标平面上拟合每条所述第二圆弧。
按照本发明又一实施例的特征参数提取方法中，所述特征参数可以为圆柱形轴类零件的直径或者半径。
具体地，基于所述第二圆弧半径计算获取特征参数的步骤中，计算多个所述第二圆弧半径的平均值或最小值。
在一实例中，拟合形成直线以得到第一圆柱轴线的步骤中，采用最小二乘法进行拟合。
在又一实例中，扫描获取的测量数据通过非接触扫描法获取。
本发明的技术效果是，该特征参数提取方法过程中包括两次截面投影过程，但是第二次截面投影过程并不是第一次截面投影过程的简单重复，其是将多个第一圆心沿第一圆柱轴线投影到原来的椭圆平面上，获得相应的多个所述交点后再进行第二次截面投影，并且，第二次截面投影过程中也避免了椭圆弧拟合的精度较差的问题，因此，提取的特征参数更加准确，使圆柱形轴类零件的检测更准确，并且，保留了截面投影法处理速度快的优点。
附图说明
从结合附图的以下详细说明中，将会使本发明的上述和其他目的及优点更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的标号表示。
图1是圆柱形轴类零件上的非接触扫描获取的扫描轨迹示意图。
图2是按照本发明一实施例的圆柱形轴类零件的特征参数提取方法流程示意图。
具体实施方式
下面介绍的是本发明的多个可能实施例中的一些，旨在提供对本发明的基本了解，并不旨在确认本发明的关键或决定性的要素或限定所要保护的范围。容易理解，根据本发明的技术方案，在不变更本发明的实质精神下，本领域的一般技术人员可以提出可相互替换的其他实现方式。因此，以下具体实施方式以及附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明，而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限定或限制。
图1所示为圆柱形轴类零件上的非接触扫描获取的扫描轨迹示意图，图2所示为按照本发明一实施例的圆柱形轴类零件的特征参数提取方法流程示意图。在图2所示实施例中，以提取圆柱形轴类的圆柱半径为例进行示意说明，但是，需要理解的是，特征参数并不限于圆柱半径，例如，还可以为圆心等。以下结合图1和图2所示对其进行说明。
首先，步骤S110，提供非接触扫描获取的测量数据。
在该实施例中，采用非接触扫描法对如图1所示圆柱形轴类零件10进行扫描，例如，采用激光扫描法获取多个测量数据。在扫描时，将测量系统的扫描部件（例如激光头）对正对着零件10进行多点扫描。扫描的零件10可以为通过各种制造方法（例如锻压）形成的圆柱形轴类零件，其具体直径大小不是限制性的，其一般可以大于1cm。
进一步优选地，步骤S120，将其数据中的背景数据去除并得到扫描的多条椭圆弧。
在该实施例中，将扫描得到的背景数据（例如坏点）去除，其有利于提高处理速度和精度。同时可以得到多条扫描的椭圆弧，如图1所示，直线MN表示零件10的实际圆柱轴线（即圆柱中心轴线），E1F1…EiFi…EnFn是指非接触扫描的n条扫描轨迹（n为至少大于或等于2的整数），每条扫描轨迹通过多个扫描点连接形成，扫描轨迹EiFi也可以看出扫描截面与圆柱的相贯线的一部分，因此，该扫描轨迹EiFi大致为椭圆弧；当然，如果扫描截面能严格垂直圆柱，该扫描轨迹EiFi可以表现为圆弧，但是，实际过程中，基本难以实现；并且，为降低操作要求，扫描形成椭圆弧即可。并且，还需要理解的是，扫描轨迹EiFi是由多个扫描点连接形成，而每个扫描点也难以保证在一个平面上，因此，扫描轨迹对应的椭圆弧E1F1…EiFi…EnFn实际上也难以在一个平面上。因此，本领域技术人员将理解到，本文中的椭圆弧是对“扫描点形成的扫描轨迹”的形状的大致描述，其并不是代表严格数学意义上的“椭圆弧”，其代表具有大致椭圆形状的实际的扫描轨迹。
进一步，步骤S130，基于椭圆弧拟合得到椭圆平面。在该实施例中，将每条椭圆弧上多个扫描点拟合形成相应的椭圆平面，将椭圆弧投影到该椭圆平面将可以得到严格数学意义上的“椭圆弧”。
进一步优选地，步骤S140，将椭圆弧变换到某一二维坐标平面上。
在该步骤中，首先得到椭圆平面坐标变换至二维坐标平面（例如yOz平面）的旋转角，在利用该旋转角将形成每条椭圆弧上的每个扫描点相应地变换到该二维坐标平面上。这样将有利于减小其中步骤中的计算量。
进一步，步骤S150，在该二维坐标平面上得到该椭圆弧对应的椭圆中心，再将该椭圆中心逆变换到所述椭圆平面上 。在步骤中，在二维坐标平面上，每条椭圆弧对应的椭圆中心相应得出，然后将该椭圆中心逆向变换到原来的椭圆平面上，在椭圆平面上得到相应的椭圆中心。
进一步，步骤S160，将各椭圆平面上的各个椭圆中心拟合形成直线以得到第一圆柱轴线。在该步骤中，多个椭圆中心（例如n个）拟合形成直线，即可得到第一圆柱轴线，由于以上步骤中拟合精度等因素影响，第一圆柱轴线与图1所示的实际圆柱轴线MN可能并不是吻合的，二者的吻合度越高，其后提取参数的精确度越高。
具体地，在该步骤的拟合直线过程中，可以采用最小二乘法。
进一步，步骤S170，将各椭圆弧沿第一圆柱轴线投影到垂直该第一圆柱轴线的第一圆柱端面上以得到相应的第一圆弧。在该实施例中，各椭圆弧的每个扫描点沿第一圆柱轴线投影到第一圆柱端面上，然后连接即可形成相应的第一圆弧；沿第一圆柱轴线投影时，每个轨迹点的投影直线平行于第一圆柱轴线。在没有实际圆柱轴线MN的情况下，垂直该第一圆柱轴线作截面，即可得到第一圆柱端面，该步骤过程也通常称为“截面投影”过程。
进一步优选地，步骤S180，将各条第一圆弧变换到该二维坐标平面上。
进一步，步骤S190，在该二维坐标平面上拟合第一圆弧，得到各椭圆弧对应的第一圆弧半径和第一圆心。在该步骤中，通过拟合每条第一圆弧，可以得到每条第一圆弧对应的第一圆弧半径和第一圆心。至此，基本完成第一次截面投影拟合提取参数的过程，通过第一圆弧半径也可以采用求均值等方法计算得出零件10的直径（或半径）参数。但是，申请人认识到，以上步骤S150中，基于椭圆弧的拟合精度差，因此，该直径参数的精度不很好，其导致检测测量结果与其实际参数误差加大，检测测量不准确。
进一步，步骤S210，将各个第一圆心沿第一圆柱轴线逆投影到相应的椭圆平面上以得到投影直线与椭圆平面的交点。在该实施例中，得到的多个第一圆心被逆向地投影到相应的椭圆平面上，沿第一圆柱轴线投影时，其投影直线与第一圆柱轴线平行，投影直线与椭圆平面的交点也将与以上步骤中得到的椭圆中心存在偏差，但更可能反映实际的椭圆中心点，从而可以进一步提高其精度。
进一步，步骤S220，将各个交点拟合得到第二圆柱轴线。在该步骤中，多个交点（例如n个）拟合形成直线，即可得到第二圆柱轴线，由于以上步骤中拟合精度等因素影响，第二圆柱轴线与图1所示的实际圆柱轴线MN可能并不是吻合的，但是相对第一圆柱轴线，其吻合度将提高。
进一步，步骤S230，将各椭圆弧沿第二圆柱轴线投影到垂直该第二圆柱轴线的第二圆柱端面上以得到相应的第二圆弧。在该实施例中，各椭圆弧的每个扫描点沿第二圆柱轴线投影到第二圆柱端面上，然后连接即可形成相应的第二圆弧；沿第二圆柱轴线投影时，每个轨迹点的投影直线平行于第二圆柱轴线。在没有实际圆柱轴线MN的情况下，垂直该第二圆柱轴线作截面，即可得到第二圆柱端面，该步骤过程也通常称为“截面投影”过程，即为第二次截面投影过程。经过两次截面投影过程后，每条椭圆弧对应的第二圆弧相比其对应的第一圆弧相对更加准确。
从以上步骤可知，第二次截面投影过程不是简单的重复，其并不是将第一次截面投影过程获得的第一圆心直接拟合成直线，而是将多个第一圆心沿第一圆柱轴线投影到原来的椭圆平面上，获得相应的多个所述交点后再进行第二次截面投影。
进一步优选地，步骤S240，将各条第二圆弧变换到该二维坐标平面上。
进一步，步骤S250，在该二维坐标平面上拟合第二圆弧，得到各椭圆弧对应的第二圆弧半径。在该步骤中，通过拟合每条第二圆弧，可以得到每条第二圆弧对应的第二圆弧半径。
进一步，步骤S260，计算多个第二圆弧半径的平均值或最小值。从而圆柱形轴类零件的半径参数被提取出来，完成第二次截面投影拟合提取参数的过程。
至此，圆柱形轴类零件的特征参数提取方法基本结束。
以上提取方法过程中，首先，运用了截面投影法，其相比于传统的点云曲面拟合方法，运算速度快。并且，主要包括曲线所在平面拟合、三维坐标变换（步骤S140）、截面投影、椭圆弧拟合、直线拟合、圆弧拟合等过程；截面投影法运用了两次（因此，也可以称为“二次截面投影法”），其中，第一次截面投影的精度受椭圆弧拟合（步骤S150）精度和轴线精度的影响，其精度不高，但是，第二次截面投影过程中，通过圆弧拟合后的中心投射点作为新的第二圆柱轴线，并进行二次截面投影，其实质是，通过圆弧拟合代替第一截面投影过程的椭圆弧拟合获得高精度的圆柱轴线，从而精度获得了大幅度的提高（例如精度可以相对一次截面投影法提高3倍）。并且，新增加的第二次截面投影过程运算量不大，同时保留了截面投影法处理速度快的优点。
需要理解的是，以上图2所示实施例的提取方法过程可以在计算机中处理完成。由于其不但处理速度快、而且精度高，因此其符合在线实时检测圆柱形轴类零件的要求，并且，其精度高的特点也使其尤其满足诸如汽车工业等的小尺寸零件的测量检测。
需要理解的是，以上圆柱形轴类零件的特征参数提取方法并不限于应用于如图1所示的非接触扫描方法中，例如，其还可以应用接触扫描法中，椭圆弧上的扫描点通过接触方式测量获取。
以上例子主要说明了本发明的圆柱形轴类零件的特征参数提取方法。尽管只对其中一些本发明的实施方式进行了描述，但是本领域普通技术人员应当了解，本发明可以在不偏离其主旨与范围内以许多其他的形式实施。因此，所展示的例子与实施方式被视为示意性的而非限制性的，在不脱离如所附各权利要求所定义的本发明精神及范围的情况下，本发明可能涵盖各种的修改与替换。
Claims (8)
1.一种圆柱形轴类零件的特征参数提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供从圆柱形轴类零件上扫描获取的测量数据；
基于测量数据得到扫描的多条椭圆弧；
基于每条所述椭圆弧拟合得到相应的椭圆平面；
获得每条所述椭圆弧对应的椭圆中心;
将各个所述椭圆平面上的各个所述椭圆中心拟合形成直线以得到第一圆柱轴线；
将各条所述椭圆弧沿所述第一圆柱轴线投影到垂直该第一圆柱轴线的第一圆柱端面上以得到相应的第一圆弧；
拟合每条所述第一圆弧得到各条所述椭圆弧对应的第一圆弧半径和第一圆心；
将各个所述第一圆心沿所述第一圆柱轴线逆投影到相应的所述椭圆平面上以得到投影直线与该椭圆平面的交点；
将各个所述交点拟合得到第二圆柱轴线；
将各条所述椭圆弧沿所述第二圆柱轴线投影到垂直该第二圆柱轴线的第二圆柱端面上以得到相应的第二圆弧；
拟合所述第二圆弧以得到各条所述椭圆弧对应的第二圆弧半径；以及
基于所述第二圆弧半径计算获取特征参数。
2. 如权利要求1所述的特征参数提取方法，其特征在于，获得椭圆中心的步骤包括子步骤：
将每条所述椭圆弧变换到一个二维坐标平面上；以及
在该二维坐标平面上得到每条所述椭圆弧对应的椭圆中心。
3. 如权利要求2所述的特征参数提取方法，其特征在于，拟合每条所述第一圆弧的步骤之前，还包括步骤：将各条所述第一圆弧变换到该二维坐标平面上；
其中，拟合每条所述第一圆弧的步骤中，在该二维坐标平面上拟合每条所述第一圆弧。
4. 如权利要求2或3所述的特征参数提取方法，其特征在于，拟合所述第二圆弧的步骤之前，还包括步骤：将各条所述第二圆弧变换到该二维坐标平面上；
其中，拟合所述第二圆弧的步骤中，在该二维坐标平面上拟合每条所述第二圆弧。
5. 如权利要求1所述的特征参数提取方法，其特征在于，所述特征参数为圆柱形轴类零件的直径或者半径。
6. 如权利要求5所述的特征参数提取方法，其特征在于，基于所述第二圆弧半径计算获取特征参数的步骤中，计算多个所述第二圆弧半径的平均值或最小值。
7. 如权利要求1所述的特征参数提取方法，其特征在于，拟合形成直线以得到第一圆柱轴线的步骤中，采用最小二乘法进行拟合。
8. 如权利要求1所述的特征参数提取方法，其特征在于，扫描获取的测量数据通过非接触扫描法获取。
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