CN111159852B - 一种筒状工件内外轮廓逆向建模的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种筒状工件内外轮廓逆向建模的装置及方法，该方法在固定平台上相对安装两个高精度直线模组，工件放置于回转台上,对回转台、两个直线模组坐标系进行标定，线激光器可在直线模组上直线运动，并按设定频率或指定长度采集工件轮廓信息，控制系统用于控制直线模组运行以及线激光采集，计算机用于存储及分析线激光器采集的点云数据。直线模组分别放置于筒状工件内、外侧，且直线模组轴线方向与筒状工件轴向基本相同。内/外线激光传感器分别采集工件对应位置内/外轮廓数据，回转台按设定角度旋转，内/外直线模组分别带动线激光器运动，同时采集该姿态下的工件内/外轮廓表面点云数据，保证本次采集的内外点云数据，与首次采集的内外轮廓数据均有重合的部分。依次旋转，直至所有点均采集到位，将各角度下采集的内外轮廓数据进行拼接，则得到了筒状工件内外点云数据，并进一步处理，可得到筒状工件的逆向模型。

Description

一种筒状工件内外轮廓逆向建模的装置及方法

技术领域

本发明涉及工件的逆向建模技术领域，特别涉及一种用于筒状工件逆向建模的方法。

背景技术

筒状工件在航空航天等领域应用广泛，传统筒状工件厚度、直径、位置等尺寸的检测工具有游标卡尺、千分尺、内径尺、三坐标测量机等，但该类工具大多采用人工逐点检测，存在检测效率低，人工参与度大、劳动强度高等特点。线激光传感器有着效率高，柔性高，检测精度高、适用性广等特点，越来越受到技术人员的广泛应用，尤其通过逆向建模实现对工件检测方面，应用日益增多。

手持式扫描仪柔性高，但存在效率低，劳动强度大等问题，而且对于筒状工件逆向建模需粘贴标记点，通过标记点进行拼接而成，检测后需去除，一方面降低检测效率，另一方面标记点将遮挡一部分工件轮廓，造成检测数据不全面。

带双目/多目跟踪的扫描设备由于实时性要求高，需采用高性能视觉传感器以及数据处理工作站，造价高。

CN201811302955.7一种基于三维扫描的产品逆向解构方法，通过将产品放置在转盘上，产品表面固定多个标记点，转盘按设定的角度运动，经过处理后，得到工件三维模型。该专利要求每个产品表面固定标记点，检测完成后也将标记点去除，效率较低。同时，产品表面固定标记点，深度扫描仪扫描过程中将被遮挡住产品表面部分轮廓，造成采集数据不完整。

鉴于以上，针对筒状工件逆向建模，有必要研究一种方法，采集数据全面，实现对筒状工件的高精度、高效率逆向建模，同时成本可控，进一步通过对模型进行处理，实现对工件的厚度、位置、直径等全尺寸检测。

发明内容

本发明的目的在于提高筒状工件逆向建模精度、检测精度及效率问题，提供一种高效高精度逆向建模方法，尤其是对于较大尺寸，内腔结构复杂的筒状或锥形工件。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种用于筒状工件的内外轮廓快速逆向建模装置，包括内线激光器、内直线模组、筒状工件、回转台、外线激光器、外直线模组、固定平台组成；其中工件固定在回转台上，回转台能够在固定平台上旋转，内直线模组、外直线模组固定在固定平台上，并分别位于筒状工件内、外侧，内线激光器、外线激光器能够在对应的内直线模组、外直线模组上直线运动，通过运动过程中按设定长度采集工件内、外轮廓点云数据，实现对筒状工件内、外轮廓点云数据采集并逆向建模。

一种筒状工件内外轮廓逆向建模方法，包括以下步骤：

S1：对回转台、内直线模组、外直线模组坐标系进行标定，求得回转台、内直线模组、外直线模组坐标系之间的坐标变换关系；

S2：内线激光器、外线激光器通过设定的采集距离或频率分别对筒状工件的内、外轮廓进行点云数据采集；

S3：内线激光器、外线激光器分别采集筒状工件两端面之间的点云数据，通过回转台、内直线模组、外直线模组坐标系之间的坐标变换关系，求得在参考坐标系下的点云坐标集P₀＝{p₀₁，p₀₂，p₀₃...p_0m,...p_0i∈R³}；其中p_0m表示采集点的三维坐标值，R³表示参考坐标系

S4：回转台旋转角度θ，重复步骤S3，采集对应角度的点云坐标集P₁＝{p₁₁，p₁₂，p₁₃...p_1n,...p_1i∈R³}；其中p_1n表示采集点的三维坐标值；

S5：将P₁所有坐标值绕回转台轴线旋转-θ值，求得新的点云坐标集P'₁＝{p'₁₁，p'₁₂，p'₁₃...p'_1n,...p'_1i∈R³}；其中p'_1n表示表示采集点的三维坐标值；

S6：回转台再旋转角度θ，重复步骤S4，采集对应角度的点云数据P₂＝{p₂₁，p₂₂，p₂₃...p_2k,...p_2i∈R³}；其中p'_2k表示表示采集点的三维坐标值；

S7:将P₁所有坐标值绕回转台轴线旋转-2θ值，求得新的点云坐标集P'₂＝{p'₂₁，p'₂₂，p'₂₃...p'_2k,...p'_2i∈R³}；其中p'_2k表示表示采集点的三维坐标值；

S8：重复步骤S4-S7，求得点云坐标集P'_j＝{p'_j1，p'_j2，p'_j3...p'_jk,...p'_ji∈R³}，直至采集的数据实现筒状工件内、外轮廓圆周360°覆盖；其中p'_jk表示表示采集点的三维坐标值；

S9：将P₀，P'_1...P'_j点集放置同一坐标系中，得到的点云数据则是筒状工件的点云模型数据；

S10：对步骤S9的点云数据进行三角网格处理，则得到了筒状工件的逆向模型。

在步骤S4中，设置回转台0点位置坐标系为本建模方法的参考坐标系。

所述0°＜θ≤120°。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1.现有技术一般通过双目跟踪或在工件表面贴标记点方式进行点云数据采集并逆向建模，双目跟踪方式成本高，且双目跟踪不到部位数据数据难以采集；采用工件表面贴点方式效率低。而采用本发明方法时，工件可直接摆放在回转台上，不需通过人工贴标记点进行辅助拼接。通过相对安装的线激光器沿工件轴线运动，采集内、外轮廓点云面片数据，回转台旋转指定角度后，测得此角度下的内、外轮廓点云面片数据，依此旋转360后，可测得工件所有内外轮廓信息数据，对数据进行处理，实现了对筒状工件的逆向建模。

2.本发明方法简单易行，计算简便，成本可控，不需贴辅助拼接标记点，可大大节约加工时间。

附图说明

图1是本发明原理图。

具体实施方

下面结合附图和具体实施案例，进一步阐述本发明。这些实施案例应理解为仅用于说明本发明，不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容后，本领域技术人员可对本发明做各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明专利权利要求所限定的发范围。

本发明原理图见图1，本发明专利公开了一种用于筒状工件的内外轮廓逆向建模装置及方法，该方法包括内线激光传感器1、内直线模组2、筒状工件3、回转台4、外线激光器5、外直线模组6、固定平台7组成。其中工件固定在回转台上，回转台可在固定平台上旋转，内/外直线模组固定在固定平台上，并分别位于筒状工件内、外侧，内/外线激光器可以在该直线模组上直线运动。通过内/外线激光器在直线模组运动过程中按设定长度采集工件内/外轮廓点云数据实现对筒状工件内外轮廓点云数据采集并逆向建模。

实施例

本实施例设计一种筒状工件的内外轮廓逆向建模方法，采用的方法包括以下步骤：

S1：对回转台、内直线模组、外直线模组坐标系进行标定，求得回转台、内/外直线模组坐标系之间的坐标变换关系；

S2：线激光器通过设定的采集距离或频率对筒状工件内、外轮廓进行点云数据采集；

S3：内/外线激光器分别采集工件两端面之间的点云数据，通过回转台、内/外直线模组坐标系之间的坐标变换关系，求得在参考坐标系下的点云坐标集P₀＝{p₀₁，p₀₂，p₀₃...p_0m,p_0i∈R³}；

S4：回转台旋转角度θ(0°＜θ≤120°)，重复S3，采集对应角度的点云坐标集P₁＝{p₁₁，p₁₂，p₁₃...p_1n,p_1i∈R³}；

S5：将P₁所有坐标值绕回转台轴线旋转-θ值，求得新的点云坐标集P'₁＝{p'₁₁，p'₁₂，p'₁₃...p'_1n,p'_1i∈R³}；

S6：回转台再旋转角度θ，重复S4，采集对应角度的点云数据P₂＝{p₂₁，p₂₂，p₂₃...p_2k,p_2i∈R³}；

S7:将P₁所有坐标值绕回转台轴线旋转-2θ值，求得新的点云坐标集P'₂＝{p'₂₁，p'₂₂，p'₂₃...p'_2k,p'_2i∈R³}；

S11：重复S4-S7，求得点云坐标集P'₃＝{p'₃₁，p'₃₂，p'₃₃...p'_3k,p'_ji∈R³}...P'_j＝{p'_j1，p'_j2，p'_j3...p'_jk,p'_ji∈R³}，直至采集的数据实现筒状工件内、外轮廓圆周360°覆盖。

S12：将P₀，P'_1...P'_j点集放置同一坐标系中，得到的点云数据则是筒状工件的点云模型数据。

S13：对S12的点云数据进行三角网格处理，则得到了筒状工件的逆向模型。

在步骤S4中，设置回转台0点位置坐标系为本建模方法的参考坐标系。

综上所述，采用本方法时，工件可直接摆放在回转台上，不需通过人工贴标记点进行辅助拼接。通过相对安装的线激光器沿工件轴线运动，采集内、外轮廓点云面片数据，回转台旋转指定角度后，测得此角度下的内、外轮廓点云面片数据，依此旋转360°后，可测得工件所有内外轮廓信息数据，对数据进行处理，实现了对筒状工件的逆向建模。此外本发明方法简单易行，计算简便，成本可控，不需贴辅助拼接标记点，可大大节约加工时间。

本发明具体内容应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，以上实施仅用于说明本发明，而并不用于限制本发明的保护范围。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种筒状工件内外轮廓逆向建模方法，涉及一种用于筒状工件的内外轮廓快速逆向建模装置，包括内线激光器（1）、内直线模组（2）、筒状工件（3）、回转台（4）、外线激光器（5）、外直线模组（6）、固定平台（7）组成；其中工件固定在回转台（4）上，回转台（4）能够在固定平台（7）上旋转，内直线模组（2）、外直线模组（6）固定在固定平台（7）上，并分别位于筒状工件（3）内、外侧，内线激光器（1）、外线激光器（5）能够在对应的内直线模组（2）、外直线模组（6）上直线运动，通过运动过程中按设定长度采集工件内、外轮廓点云数据，实现对筒状工件（3）内、外轮廓点云数据采集并逆向建模；

其特征在于，包括以下步骤：

S1：对回转台（4）、内直线模组（2）、外直线模组（6）坐标系进行标定，求得回转台（4）、内直线模组（2）、外直线模组（6）坐标系之间的坐标变换关系；

S2：内线激光器（1）、外线激光器（5）通过设定的采集距离或频率分别对筒状工件（3）的内、外轮廓进行点云数据采集；

S3：内线激光器（1）、外线激光器（5）分别采集筒状工件（3）两端面之间的点云数据，通过回转台（4）、内直线模组（2）、外直线模组（6）坐标系之间的坐标变换关系，求得在参考坐标系下的点云坐标集P ₀ ={ p ₀₁ ，p ₀₂ ，p ₀₃ ...p _0m , ... p _0i ∈R ³ }；其中p _0m 表示采集点的三维坐标值，R ³ 表示参考坐标系

S4：回转台（4）旋转角度θ，重复步骤S3，采集对应角度的点云坐标集P ₁ ={ p ₁₁ ，p ₁₂ ，p ₁₃ ...p _1n , ...p _1i ∈R ³ }；其中p _1n 表示采集点的三维坐标值；

S5：将P ₁ 所有坐标值绕回转台轴线旋转-θ值，求得新的点云坐标集P ^' ₁ ={ p ^' ₁₁ ，p ^' ₁₂ ，p ^' ₁₃ ...p ^' _1n , ...p ^' _1i ∈R ³ }；其中p ^' _1n 表示表示采集点的三维坐标值；

S6：回转台（4）再旋转角度θ，重复步骤S4，采集对应角度的点云数据P ₂ ={ p ₂₁ ，p ₂₂ ，p ₂₃ ...p _2k , ...p _2i ∈R ³ }；其中p ^' _2k 表示表示采集点的三维坐标值；

S7: 将P ₁ 所有坐标值绕回转台轴线旋转-2θ值，求得新的点云坐标集P ^' ₂ ={ p ^' ₂₁ ，p ^' ₂₂ ，p ^' ₂₃ ...p ^' _2k , ... p ^' _2i ∈R ³ }；其中p ^' _2k 表示表示采集点的三维坐标值；

S8：重复步骤S4-S7，求得点云坐标集P ^' _j ={ p ^' _j1 ，p ^' _j2 ，p ^' _j3 ...p ^' _jk , ... p ^' _ji ∈R ³ }，直至采集的数据实现筒状工件内、外轮廓圆周360°覆盖；其中p ^' _jk 表示表示采集点的三维坐标值；

S9：将P ₀ ，P ^' _1... P ^' _j 点集放置同一坐标系中，得到的点云数据则是筒状工件的点云模型数据；

S10：对步骤S9的点云数据进行三角网格处理，则得到了筒状工件的逆向模型。

2.如权利要求1所述的筒状工件内外轮廓逆向建模方法，其特征在于，在步骤S4中，设置回转台0点位置坐标系为本建模方法的参考坐标系。

3.如权利要求1所述的筒状工件内外轮廓逆向建模方法，其特征在于，所述0°＜θ≤120°。