CN104462646B - 一种船舶水火弯板的质量评价方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种船舶水火弯板的质量评价方法，计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图；在偏差云图的基础上求取两个水火弯板三维数据在特征点、肋骨线以及曲面的相似性，作为水火弯板配准的评价标准；计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图的方法为：找出匹配点，将匹配点平移至新坐标原点，通过该匹配点的肋骨线切线，使肋骨线切线垂直于x或y轴，再利用此时的法向量与z轴夹角，旋转至法向量与z轴重合。本发明致力于解决变形分散的问题，利用对特征点、肋骨线、曲面的分别分析，高效且精确地评价出水火弯板的曲面变形质量，给水火弯板的专家系统提供有效的焰道推理依据，并极大地提高水火弯板专家系统的加工精度。

Description

一种船舶水火弯板的质量评价方法
技术领域
本发明涉及模式识别、计算机视觉技术领域，具体为一种船舶水火弯板的质量评价方法。
背景技术
水火弯板是利用钢板先受热然后冷却，局部发生热塑性收缩变形，将一块平板或预弯曲面板加工成目标曲面板的工艺过程。水火弯板是船舶制造的关键工艺过程，各种船舶的外表面钢板大部分是由复杂、不可展的曲面构成。当前国内外大部分造船厂仍然依靠木工手工制成的活络卡、卡板、卡箱对被加工的弯板成型情况进行粗略判别，对未满足成型要求的钢板，如何对其进行再次加工，如何布置焰道轨迹以及设定焰道参数全由工人凭经验决定，没有一个定量的概念，工人经验的参差不齐无法保证加工效率，进而船体外板的加工精度质量难以保证。因此，首要需要一种代替人工评价弯板质量的评价方法，来保证弯板的加工精度。
水火弯板具有面积大、变形分散、检测板面高污染、曲度大等问题，这些都是对水火弯板加工工艺发展的阻力。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明提出一种水火弯板配准的相似性评价方法，是用于解决变形分散的问题，利用对特征点、肋骨线、曲面的分析，高效精确地评价出水火弯板的曲面变形质量，给水火弯板的专家系统提供有效的焰道推理依据，并极大地提高水火弯板专家系统的加工精度。
为了实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种船舶水火弯板的质量评价方法，其特征在于，计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图；在偏差云图的基础上求取两个水火弯板三维数据在特征点的相似性、肋骨线的相似性以及曲面的相似性，以此作为水火弯板配准的评价标准；
其中计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图的方法为：
找出匹配点，将匹配点平移至新坐标原点，通过该匹配点的肋骨线切线，使肋骨线切线垂直于x或y轴，再利用此时的法向量与z轴夹角，旋转至法向量与z轴重合。该评价方法是一种表达直观、且可以真实、全面反映水火弯板的配准评价方法。
更进一步的，检测板与目标板的偏差在为了有更直观整体的表示，需要建立z向误差与颜色的映射，通过图像不同颜色的像素值反映检测成型曲面与目标曲面间的z向误差，设置偏差云图对匹配后的偏差数据进行显示。
更进一步的，所述特征点的相似性的求取方式为：点成型百分率，是根据原始板与目标板各点之间的高度差，以及每次加工后检测板与目标板各点之间的高度差来进行计算的，具体计算公式为：
式中，D为原始板与目标板在目标点处的高度差，d为加工后检测板与目标板在目标点处的高度差。
更进一步的，所述肋骨线的相似性的求取方式为：肋骨线成型百分率，分为总体成型百分率和曲度成型百分率；
总体成型百分率用于反映肋骨线在整个曲面中的成型率，具体是根据肋骨线上各点的成型率以及各点之间的距离来进行计算，具体计算公式为：
式中，N+1为肋骨线上数据点的总数，Pi为第i点的点成型率，li为第i点和第i+1点之间的距离，L为肋骨线的总长度；
曲度成型百分率用于反映成型后的曲线与目标肋骨线的相似程度，具体计算公式与总体成型百分率相同，其中在计算曲线各点成型率时，要对曲线进行平移，使成型曲线和目标肋骨线最小值点对齐。
更进一步的，所述曲面的相似性的求取方式为：曲面成型百分率对曲面整体吻合程度进行评价，曲面成型百分率通过将曲面划分成若干个小三角形，然后通过计算每个小三角形的平均成型百分率和所占比例来进行计算，具体计算公式为：
PΔ＝(P1+P2+P3)/3
式中，M为小三角形的总数，sj为三角形的面积，S为曲面的总面积，PΔ为每个小三角形的平均成型百分率，其值等于三角形三个顶点的成型百分率的平均值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明根据检测板的三维点云与目标板的三维数据配准得出的偏差云图实施评价。首先，应找出最佳配准位置，用点云数据与CAD模型的配准方法。然后，在偏差云图的基础上求取两个水火弯板三维数据在特征点的相似性、肋骨线的相似性以及曲面的相似性，以此作为水火弯板配准的评价标准。其中，曲面的评价有利于认识曲面整体的变形程度，肋骨线的评价有利于找出变形的重要区域，特征点的评价有利于锁定变形区域，这样可使焰道推理更综合的考虑弯板的变形程度，从而可集中处理局部变形问题。该评价方法是一种表达直观、且可以真实、全面反映水火弯板的配准评价方法。
附图说明
图1为偏差云图
图2为目标板与检测板横向偏差比较。
图3(a)为原始平板；3(b)为加工后曲面；3(c)为目标曲面。
图4(a)为原始偏差云图；4(b)为加工后的偏差云图。
图5为曲面各点的成型率。
图6为肋骨线总体成型率。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的描述，但本发明的实施方式并不限于此。
一种船舶水火弯板的质量评价方法，计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图；在偏差云图的基础上求取两个水火弯板三维数据在特征点的相似性、肋骨线的相似性以及曲面的相似性，以此作为水火弯板配准的评价标准；
其中计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图的方法为：
找出匹配点，将匹配点平移至新坐标原点，通过该匹配点的肋骨线切线， 使肋骨线切线垂直于x或y轴，再利用此时的法向量与z轴夹角，旋转至法向量与z轴重合。
检测板与目标板的偏差在为了有更直观整体的表示，需要建立z向误差与颜色的映射，通过图像不同颜色的像素值反映检测成型曲面与目标曲面间的z向误差，设置偏差云图对匹配后的偏差数据进行显示，如图1的偏差云图。
以各个特征点为例，目标板的特征点D1(x1，y1，z1)，检测板的特征点D2(x2，y2，z2)，以偏差可用坐标计算表示为：
以此为依据，可以直观得出目标板与检测板的偏差。如图2，目标板与检测板直观比较，易得横向及纵向偏差。
运用高度差，做出偏差云图，分别以特征点，肋骨线，曲面来分析偏差与曲率影响，做出水火弯板评价体系。
计算弯板特征点相似度的具体步骤如下：
点成型百分率，是根据原始板(平板)与目标板各点之间的高度差，以及每次加工后检测板与目标板各点之间的高度差来进行计算的，具体计算公式为：
式中，D为原始板与目标板在目标点处的高度差，d为加工后检测板与目标板在目标点处的高度差。
对于水火弯板中的帆型板，其加工前后及目标板的三维形状如图3(a)、3(b)和3(c)所示。经计算，加工前后的高度差分布图如图4(a)和4(b)所示。最后根据上式，对各点的成型百分率进行计算，结果如图5所示。
计算弯板肋骨线相似度的具体步骤如下：
肋骨线成型百分率，分为总体成型百分率和曲度成型百分率。总体成型百分率反映的是肋骨线在整个曲面中的成型率，具体是根据肋骨线上各点的成型率以及各点之间的距离来进行计算，具体计算公式为：
式中，N+1为肋骨线上数据点的总数，Pi为第i点的点成型率，li为第i点 和第i+1点之间的距离，L为肋骨线的总长度。
曲度成型百分率反映的是成型后的曲线与目标肋骨线的相似程度，具体计算公式与总体成型百分率相同，但曲线各点成型率计算时，要对曲线进行平移，使成型曲线和目标肋骨线最小值点对齐。
选取目标曲面上的一条肋骨线，以及提取原始平面和成型平面对应的曲线，结果如图6所示。图中，普通曲线为目标肋骨线，带“*”曲线为成型面上对应的曲线，点线表示原始平面对应的线。最后，根据肋骨线总体成型百分率计算公式可得该肋骨线的总体成型率为52.08％。
由此，可以看出，通过肋骨线的总体成型率和曲度成型率，可以清楚的判断出目标曲面哪个方向的曲度不够。
计算弯板曲面相似度的具体步骤如下：
曲面成型百分率对曲面整体吻合程度进行评价，曲面成型百分率通过将曲面划分成若干个小三角形，然后通过计算每个小三角形的平均成型百分率和所占比例来进行计算，具体计算公式为：
PΔ＝(P1+P2+P3)/3
式中，M为小三角形的总数，sj为三角形的面积，S为曲面的总面积，PΔ为每个小三角形的平均成型百分率，其值等于三角形三个顶点的成型百分率的平均值。例如，通过上式对图3(c)所示的结果进行计算后，得到的曲面成型率为50.5％。
以上所述的本发明的实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神原则之内所作出的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (2)

1.一种船舶水火弯板的质量评价方法，其特征在于，计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图；在偏差云图的基础上求取两个水火弯板三维数据在特征点的相似性、肋骨线的相似性以及曲面的相似性，以此作为水火弯板配准的评价标准；
其中计算检测板点云数据与目标板CAD模型配准的偏差云图的方法为：
找出匹配点，将匹配点平移至新坐标原点，通过该匹配点的肋骨线切线，使肋骨线切线垂直于x或y轴，再利用此时的法向量与z轴夹角，旋转至法向量与z轴重合；
所述特征点的相似性的求取方式为：点成型百分率，是根据原始板与目标板各点之间的高度差，以及每次加工后检测板与目标板各点之间的高度差来进行计算的，具体计算公式为：
<mrow> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>%</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mfrac> <mrow> <mi>D</mi> <mo>-</mo> <mi>d</mi> </mrow> <mi>D</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>
式中，D为原始板与目标板在目标点处的高度差，d为加工后检测板与目标板在目标点处的高度差；
所述肋骨线的相似性的求取方式为：肋骨线成型百分率，分为总体成型百分率和曲度成型百分率；
总体成型百分率用于反映肋骨线在整个曲面中的成型率，具体是根据肋骨线上各点的成型率以及各点之间的距离来进行计算，具体计算公式为：
<mrow> <mi>C</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>%</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <mfrac> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mrow> <mi>i</mi> <mo>+</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msub> </mrow> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mfrac> <msub> <mi>l</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>L</mi> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mn>100</mn> <mi>%</mi> </mrow>
式中，N+1为肋骨线上数据点的总数，Pi为第i点的点成型率，li为第i点和第i+1点之间的距离，L为肋骨线的总长度；
曲度成型百分率用于反映成型后的曲线与目标肋骨线的相似程度，具体计算公式与总体成型百分率相同，其中在计算曲线各点成型率时，要对曲线进行平移，使成型曲线和目标肋骨线最小值点对齐；
所述曲面的相似性的求取方式为：曲面成型百分率对曲面整体吻合程度进行评价，曲面成型百分率通过将曲面划分成若干个小三角形，然后通过计算每个小三角形的平均成型百分率和所占比例来进行计算，具体计算公式为：
PΔ＝(P1+P2+P3)/3
式中，M为小三角形的总数，sj为三角形的面积，S为曲面的总面积，PΔ为每个小三角形的平均成型百分率，其值等于三角形三个顶点的成型百分率的平均值。
2.根据权利要求1所述的船舶水火弯板的质量评价方法，其特征在于，建立z轴误差与颜色的映射，通过图像不同颜色的像素值反映检测成型曲面与目标曲面间的z向误差，设置偏差云图对匹配后的偏差数据进行显示。
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