CN108120394A - 柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法 - Google Patents

柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，包括以下步骤：S1、在被测零件表面粘贴标志点和编码点。S2、在被扫描区域内固定高精度测量标尺。S3、利用近景三维摄影测量系统对高速列车车头的被测部分进行全方位、多角度拍摄，并构建全局坐标系。S4、利用三维扫描设备对高速列车车头表面进行扫描，获取车头表面点云数据。本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，采用了近景三位摄影测量系统与手持式三维扫描仪相结合的方式，对超出测量范围的列车车头进行的精准的测量，有效控制了三维扫描过程中多视点云配准精度，保证了大型零部件的测量精度，解决了高速列车车头曲面制造质量难以检测的问题。

Description

柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法
技术领域
本发明涉及质量检测技术领域，涉及一种柔性化的高速列车车头复杂曲面质量的检测方法。
背景技术
在高速列车行驶过程中，车头是迎风受力的主要部分，其表面的制造精度直接关系着高速列车的迎风受力分布和运行安全。而高速列车车头部分的质量检测一直是检测技术中的难点。
在现行的生产过程中，主要通过制作专用样板的方式来对车头进行检测，是一种刚性化的解决方案。
其主要弊端表现在以下几个方面：
(1)只能局限于测量某个单一质量参数，对于零件不同部位的检测则需要制作多种不同的检具，造成产品的制造成本增加；
(2)一旦零件设计参数发生变化，检具就不能用了，且需要制作新的检具来配合生产，使得产品的制造成本提升。
当前制造业正在转向单件小批量的生产模式，传统为每个零件都制作一套专用检具的检测方式使得产品的成本大幅提升，既浪费资源又增加了产品的生产周期。
对于类似于高速列车车头的大型复杂零部件的检测，常常需要专门的测量场地并按照1:1的比例制作大型的专用检具，这种方式下检具本身的精度不易评价和验证，并且检具的搬运和存放也非常困难。
目前，有些企业使用三坐标划线仪进行零件的质量检测，但三坐标划线仪的测量信息相对单一，且只能针对形状规则的零件进行检测，无法对空间自由曲面进行测量。
现已公开的相关技术领域内，三维扫描技术在质量检测方面的应用还仅局限于一般的小型零部件，在对这些小型零件扫描前，往往需要先对零件进行装夹、定位，保证定位的可靠性，然后再对零件进行扫描测量，而对于大型零部件的高精度检测方法还处于空白。
发明内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，用于解决现有的三维扫描技术在质量检测方面的应用还仅局限于一般的小型零部件，在对这些小型零件扫描前，往往需要先对零件进行装夹、定位，保证定位的可靠性，然后再对零件进行扫描测量，而对于大型零部件的高精度检测方法还处于空白的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，包括以下步骤：
S1、在被测零件表面粘贴标志点和编码点。
S2、在被扫描区域内固定高精度测量标尺。
S3、利用近景三维摄影测量系统对高速列车车头的被测部分进行全方位、多角度拍摄，并构建全局坐标系。
S4、利用三维扫描设备对高速列车车头表面进行扫描，获取车头表面点云数据。
S5、对步骤S4中获得的点云数据进行预处理，滤除扫描过程中的噪声点并封装，得到点云模型。
S6、进行设计模型匹配处理，使设计模型与点云模型一致。
S7、将步骤S5和步骤S6处理后的两个模型导入三维评价软件的同一个工作目录中，对两模型的坐标系进行配准。
S8、对步骤S7中，处理后的模型运用3D比较，得出零件偏差的彩色云图，并根据检测需求对零件质量进行评价，并标注零件关键位置的制造误差。
作为优选步骤S1中，其中标志点的布置要求为：相邻的标志点，两点之间相距5cm-10cm，呈乱序不规则三角形排列，且不要在被测物体的棱角处贴放。
作为优选步骤S1中，标志点为内圈带有反光物质，外圈为黑色的圆形点贴；编码点为内部带有不规则排布反光物的方形磁贴。
作为优选步骤S2中，测量标尺的摆放应相互垂直，且必须稳定。
作为优选步骤S3中，在拍摄时要保证距离被测物体2米以外，并且必须保证每相邻两次拍摄的图片中有共同的标志点和编码点。
作为优选步骤S4中，在扫描过程中保持扫描仪与被测物体表面距离30cm至50cm，并且使扫描光线垂直于被测物体表面。
作为优选步骤S4中，使用的三维扫描设备为手持式三维扫描仪。
作为优选步骤S5中，点云的预处理的具体方法为：去除点云中的非连接项和体外孤点，然后对点云进行曲率采样。
作为优选步骤S6中，设计模型匹配处理的具体方法为：
将设计模型转化为三角面片的形式，运用三维检测软件中对齐模块下的“最佳拟合”能，迭代搜索出点云模型中所有点与设计曲面距离平方和最小时的位置，并以此时的位置重新建立点云模型的坐标系，以达到设计模型和点云模型坐标系配准的目的，然后按照点云模型的边框裁剪设计模型，并保证两者之间具有90％以上的相似度。
作为优选所述被测零件为长度超过4米的大型构架零件。
与现有技术相比，本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，具有以下优点：
1、本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，采用了近景三位摄影测量系统与手持式三维扫描仪相结合的方式，对超出测量范围的列车车头进行的精准的测量，有效控制了三维扫描过程中多视点云配准精度，保证了大型零部件的测量精度，解决了高速列车车头曲面制造质量难以检测的问题。
2、本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，检测方法柔性化，零件尺寸发生变化后检测方案依然可行。
3、本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，检测信息丰富全面，便于掌握列车车头制造误差的空间分布规律，为制造工艺改善提供科学依据。
4、本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，数据信息检测，检测精度高。
5、本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，检具更易于存放，节约生产空间。
本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，解决了空间复杂曲面检测的难题，是一种低成本、高精度、柔性化的质量检测方法，并且可将其推广到其他任何复杂零件的检测。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1是本发明实施方案的流程图。
图2是本发明三维点云数据示意图。
图3是本发明预处理后点云数据示意图(与附图2相比，附图3对附图2中的数据进行了噪声去除和三角面片化处理，并通过布尔运算的方式去除了多余项)。
图4是本发明设计三维模型示意图。
图5是本发明设计模型主视图。
图6是本发明设计模型俯视图。
图7是本发明质量评价示意图。
具体实施方式
如图1到图7所示，一种柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，首先利用近景摄影测量系统建立零件的全局坐标系，并利用三维扫描仪获取高速列车车头表面的点云数据。
然后在通过高斯滤波、布尔运算等方式对点云数据和设计模型进行预处理，并使两者相匹配。
最后对两模型的坐标系进行配准，使两者的坐标系统一，得到两模型间偏差的彩色云图，对产品质量进行评价。
具体实施方式包括以下步骤：
S1、在被测零件表面粘贴标志点和编码点，其中标志点的布置要求为：相邻的标志点，两点之间相距5cm-10cm，呈乱序不规则三角形排列，且不要在被测物体的棱角处贴放。
步骤S1中，标志点为内圈带有反光物质，外圈为黑色的圆形点贴；编码点为内部带有不规则排布反光物的方形磁贴。
所述被测零件为长度超过4米的大型构架零件。
S2、在被扫描区域内固定高精度测量标尺，测量标尺的摆放应相互垂直，且必须稳定。
S3、利用近景三维摄影测量系统对高速列车车头的被测部分进行全方位、多角度拍摄，并构建全局坐标系。
需要注意的是，在拍摄时要保证距离被测物体2米以外，并且必须保证每相邻两次拍摄的图片中有共同的标志点和编码点。
S4、利用三维扫描设备对高速列车车头表面进行扫描，获取车头表面点云数据。
需要注意的是，在扫描过程中保持扫描仪与被测物体表面距离30cm至50cm，并且使扫描光线垂直于被测物体表面，使用的三维扫描设备为手持式三维扫描仪。
S5、对步骤S4中获得的点云数据进行预处理，滤除扫描过程中的噪声点并封装，得到点云模型。
点云的预处理的具体方法为：去除点云中的非连接项和体外孤点，然后对点云进行曲率采样。
S6、进行设计模型(所述设计模型为该被测零件的初始设计模型)匹配处理，使设计模型与点云模型一致。
设计模型匹配处理的具体方法为：
将设计模型转化为三角面片的形式，运用三维检测软件中对齐模块下的“最佳拟合”能，迭代搜索出点云模型中所有点与设计曲面距离平方和最小时的位置，并以此时的位置重新建立点云模型的坐标系，以达到设计模型和点云模型坐标系配准的目的，然后按照点云模型的边框裁剪设计模型，并保证两者之间具有90％以上的相似度。
S7、将步骤S5和步骤S6处理后的两个模型导入三维评价软件的同一个工作目录中，对两模型的坐标系进行配准；所使用的三维评价软件为Geomagic Control。
S8、对步骤S7中，处理后的模型运用3D比较，得出零件偏差的彩色云图，并根据检测需求对零件质量进行评价，并标注零件关键位置的制造误差。
本发明所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，主要应用于检测高速列车车头长度超过4米(例如5米)，属大型构架零件，长度尺寸超出三维扫描设备的最大测量范围，是一种用于高速列车车头的柔性化、低成本、高精度的质量检测方法。
本发明的实施案例中所使用的近景三维摄影测量系统的技术参数如下：
产品型号 体积精度 平均偏差 重量 工作温度 工作湿度
MaxShot 3D 0.015mm/m 0.005mm/m 0.79kg 5-40℃ 10％-90％
本发明的实施案例中所使用的手持式三维扫描仪的技术参数如下：
产品型号 HandyScan700
光源 7束交叉激光线(+1额外一束)
扫描速率 480000(次/秒)
扫描区域 275×250mm
分辨率 0.050mm
测量精度 0.030mm
体积精度 0.020+0.060(毫米/米)
测量范围 0.1-4(米)
基准距 300mm
景深 250mm
工作温度 5-40℃
工作湿度 10-90％
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、在被测零件表面粘贴标志点和编码点；
S2、在被扫描区域内固定高精度测量标尺；
S3、利用近景三维摄影测量系统对高速列车车头的被测部分进行全方位、多角度拍摄，并构建全局坐标系；
S4、利用三维扫描设备对高速列车车头表面进行扫描，获取车头表面点云数据；
S5、对步骤S4中获得的点云数据进行预处理，滤除扫描过程中的噪声点并封装，得到点云模型；
S6、进行设计模型匹配处理，使设计模型与点云模型一致；
S7、将步骤S5和步骤S6处理后的两个模型导入三维评价软件的同一个工作目录中，对两模型的坐标系进行配准；
S8、对步骤S7中，处理后的模型运用3D比较，得出零件偏差的彩色云图，并根据检测需求对零件质量进行评价，并标注零件关键位置的制造误差。
2.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S1中，其中标志点的布置要求为：相邻的标志点，两点之间相距5cm-10cm，呈乱序不规则三角形排列，且不要在被测物体的棱角处贴放。
3.根据权利要求1或2所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S1中，标志点为内圈带有反光物质，外圈为黑色的圆形点贴；编码点为内部带有不规则排布反光物的方形磁贴。
4.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S2中，测量标尺的摆放应相互垂直，且必须稳定。
5.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S3中，在拍摄时要保证距离被测物体2米以外，并且必须保证每相邻两次拍摄的图片中有共同的标志点和编码点。
6.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S4中，在扫描过程中保持扫描仪与被测物体表面距离30cm至50cm，并且使扫描光线垂直于被测物体表面。
7.根据权利要求1或6所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S4中，使用的三维扫描设备为手持式三维扫描仪。
8.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S5中，点云的预处理的具体方法为：去除点云中的非连接项和体外孤点，然后对点云进行曲率采样。
9.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
步骤S6中，设计模型匹配处理的具体方法为：
将设计模型转化为三角面片的形式，运用三维检测软件中对齐模块下的“最佳拟合”能，迭代搜索出点云模型中所有点与设计曲面距离平方和最小时的位置，并以此时的位置重新建立点云模型的坐标系，以达到设计模型和点云模型坐标系配准的目的，然后按照点云模型的边框裁剪设计模型，并保证两者之间具有90％以上的相似度。
10.根据权利要求1所述的柔性化的高速列车车头曲面质量检测方法，其特征在于：
所述被测零件为长度超过4米的大型构架零件。
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