CN112781490A - 一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，包括：扫描平面弯管，生成点云图拟合后生成实体模型；将弯曲起始点之前的直线段部分A与弯曲截止后的直线段部分B投影得到其轮廓线；过轮廓线做十条等距的垂线，垂线与两轮廓线的交点相连，取所有线段中点做直线拟合，得到中心轴线L_A和L_B；建立新的坐标系X₁Y₁Z₁；计算得到新旧坐标系的转换矩阵M，数据点转换后将LB向X₁O₁Z₁投影，得到绕X₁轴的旋转角度θ，变换得到新数据点；输出X₁O₁Z₁主视图，得到整个管件的轮廓线。本发明提供的测量方法可以获得实际加工中平面弯管的中心轴线，通过中心轴线得到弯管的弯曲半径及弯曲角，提高了弯管重要尺寸测量的精度，填补了行业空白。

Description

一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法

技术领域

本发明涉及管材自由弯曲成形尺寸精准测量方法，具体地说是一种实际加工中管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法。

背景技术

弯管是工业各领域广泛应用的重要零部件，易满足当今先进塑性成形领域对产品轻量化、强韧化等方面的迫切要求，在航空航天、汽车、轨道交通等领域有着广泛的应用。然而管材在弯曲成形过程结束后，弯管变形区域的弹性变形发生卸载，从而使管件产生回弹，且弯管内外侧应力状态相反，卸载时回弹效应相互迭加，使得弯管件的弯曲半径增加，弯曲角度减小。弯管件回弹之后的弯曲半径与弯曲角度与回弹前的弯曲半径与弯曲角度产生偏差，严重影响弯管件的尺寸精度和装配效率。为了对回弹进行有效补偿以及判断卸载后的成形半径和成形角度是否满足使用要求，需要对弯管件的弯曲半径和弯曲角度进行精准测量。

目前，弯管的成形测量可采用三坐标测量仪、平面投影仪和游标万能角度尺。但是三坐标测量仪受侧头旋转角度影响，无法实现三维360度全向测量，很多情况下无法扫描全三维管材外形，；平面投影仪虽然能较好地将弯管件的轮廓投影在平面上，方便管件弯曲半径和弯曲角度的测量，但是由于平面投影仪的台面面积受限，对测量弯管件的尺寸限制较大，对于稍大弯曲件无法测量；游标万能角度尺能够直接用于对管件角度的测量，但是由于实际操作时很难保证角度尺的测量臂与弯管直线段两侧脊线准确贴合，测量精度难以保证。鉴于此，必须探索新的弯管弯曲半径及弯曲角的精确测量方法，提高弯管回弹测量的准确性，有效验证成形半径及成形角度是否满足使用要求。

发明内容

为了能够精准测量管材弯曲成形后的弯曲半径等重要尺寸参数，提取其中心轴线来表征平面弯管形状，本发明提出了一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法。

为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下：

一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过扫描仪对实际的平面弯管进行扫描，生成整个管件的点云图，将点云图经过曲面拟合后生成实体弯管模型；

将所述弯管模型投影得到弯曲起始点之前的直线段部分A与弯曲截止后的直线段部分B的轮廓线。

步骤2：过所述轮廓线做等距垂线，垂线与两轮廓线的交点相连，取所有线段中点做直线拟合，分别得到弯管两段参考直线段的中心轴线LA和LB。

步骤3：以起始端截面圆的圆心O₁为原点，以LA为X₁轴，平行于直线段部分A的垂线作Y₁轴，过原点O₁作垂直于X₁O₁Y₁平面的直线为Z₁轴，以此建立新的坐标系X₁Y₁Z₁。

步骤4：对比新旧坐标系得到两者的转换矩阵M，将旧坐标系XYZ下的数据点转换为新坐标系X₁Y₁Z₁下的数据点，将整个弯管绕X₁轴旋转，当旋转角度为θ时，线段LB落在X₁O₁Z₁平面上，将新坐标系X₁Y₁Z₁下的所有数据点通过旋转角度θ变换得到新数据点。

步骤5：输出X₁O₁Z₁主视图，得到整个管件的轮廓线，过外轮廓线作n条切线，作每条切线的垂线，得到与内轮廓线上的交点，连接交点与切点得线段，取每条线段的中点拟合得到整个弯管的中心轴线。

所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：在弯曲起始点之前的直线段部分A内作十条等距垂线，垂线与两轮廓线分别相交于点a₁、b₁,a₂、b₂,…，a₁₀、b₁₀；

步骤2.2：分别取线段a₁b₁,a₂b₂,…，a₁₀b₁₀的中点c₁,c₂,…,c₁₀,对十个点作直线拟合得到线段L_A；

步骤2.3：同理，得到弯曲截止后的直线段部分B的线段L_B。

所述步骤4的具体步骤如下：

步骤4.1：设定旧坐标系XYZ下的坐标点为(x,y,z)，新坐标系X₁Y₁Z₁下的坐标点为(x₁,y₁,z₁)；

步骤4.2：存在转换矩阵

使得：

步骤4.3：将整个弯管绕X1轴旋转，当旋转角度为θ时，线段L_B落在X₁O₁Z₁平面上；

步骤4.4：其中θ的确定：将直线段LB其中一端点向O₁X₁上作垂线ab，将线段ab向X₁O₁Y₁平面上作投影得到线段bc，线段ab与线段bc的夹角即为旋转角θ；

步骤4.5：将整体管材上的数据点经过旋转角θ变换，得到新数据点。

步骤4.6：获得管材平面自由弯曲成形后的中心轴线，对中心轴线进行圆拟合得到弯管的弯曲半径R及弯曲角α。

本发明提供的测量方法可以获得实际加工中平面弯管的中心轴线，通过中心轴线得到弯管的弯曲半径及弯曲角，提高了弯管重要尺寸测量的精度，填补了行业空白。

本发明避免了游标卡尺测量弯管尺寸存在误差的可能性，同时相较于平面投影法没有空间限制，按照提取中心轴线的方法可以有效应对平面弯管的尺寸测量工作难题，精度高且不再依赖测量工人的操作水平，具有很好地推广应用价值。

附图说明

图1为本发明的弯管直段范围示意图；

图2a为本发明的获取直线段中心轴线的示意图一；

图2b为本发明的获取直线段中心轴线的示意图二；

图2c为本发明的获取直线段中心轴线的示意图三；

图2d为本发明的获取直线段中心轴线的示意图四；

图3为本发明的新坐标系建立的示意图；

图4a为本发明的新坐标系位置变化的示意图一；

图4b为本发明的新坐标系位置变化的示意图二；

图5a为本发明的获得弯管中心轴线方法的示意图一；

图5b为本发明的获得弯管中心轴线方法的示意图二；

图6为本发明的获得弯管尺寸方法的示意图；

图中，A为弯曲起始点之前的直线段部分；B为弯曲截止后的直线段部分；L_A为直线段A部分的中心轴线；L_B为直线段B部分的中心轴线；a为L_B的一端点，b点为过a点向X₁轴作垂线的垂足，c点为a点的投影；θ为旋转角度；R为弯曲半径；α为弯曲角度；

a₁、b₁,a₂、b₂,…，a₁₀、b₁₀为直线段A部分垂线与轮廓线交点；e₁、f₁,e₂、f₂,…，e₅、f₅为直线段B部分垂线与轮廓线交点；c₁,c₂,…,c₁₀分别为线段a₁b₁,a₂b₂,…，a₁₀b₁₀的中点；g₁,g₂,…,g₅分别为线段e₁f₁,e₂f₂,…，e₅f₅的中点；1、2、…、19为外轮廓线切点；1^′、2′、…、19′为垂线与内轮廓线交点；

X₁Y₁Z₁为新坐标系，O₁为X₁Y₁Z₁的原点；XYZ为原坐标系，O为XYZ的原点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述，但并不以此作为对本申请保护范围的限定。

一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过扫描仪对实际的平面弯管进行扫描，生成整个管件的点云图，将点云图经过曲面拟合后生成实体弯管模型；

将所述弯管模型投影得到弯曲起始点之前的直线段部分A与弯曲截止后的直线段部分B的轮廓线，如图1所示。

步骤2：过所述轮廓线做等距垂线，垂线与两轮廓线的交点相连，取所有线段中点做直线拟合，分别得到弯管两段参考直线段的中心轴线L_A和L_B。

步骤3：以起始端截面圆的圆心O₁为原点，以L_A为X1轴，平行于直线段部分A的垂线作Y₁轴，过原点O₁作垂直于X₁O₁Y₁平面的直线为Z₁轴，以此建立新的坐标系X₁Y₁Z₁，如图3所示。

步骤4：对比新旧坐标系得到两者的转换矩阵M，将旧坐标系XYZ下的数据点转换为新坐标系X₁Y₁Z₁下的数据点，将整个弯管绕X₁轴旋转，当旋转角度为θ时，线段L_B落在X₁O₁Z₁平面上，将新坐标系X₁Y₁Z₁下的所有数据点通过旋转角度θ变换得到新数据点。

步骤5：输出X₁O₁Z₁主视图，得到整个管件的轮廓线，过外轮廓线作n条切线，作每条切线的垂线，得到与内轮廓线上的交点，连接交点与切点得线段，取每条线段的中点拟合得到整个弯管的中心轴线，结果如图5b所示。

所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：在弯曲起始点之前的直线段部分A内作十条等距垂线，垂线与两轮廓线分别相交于点a₁、b₁,a₂、b₂,…，a₁₀、b₁₀，如图2a所示；

步骤2.2：分别取线段a₁b₁,a₂b₂,…，a₁₀b₁₀的中点c₁,c₂,…,c₁₀,对十个点作直线拟合得到线段L_A，如图2c所示.；

步骤2.3：同理，得到弯曲截止后的直线段部分B的线段L_B，如图2b、图2d所示.；

所述步骤4的具体步骤如下：

步骤4.1：设定旧坐标系XYZ下的坐标点为(x,y,z)，新坐标系X1Y1Z1下的坐标点为(x1,y1,z1)；

步骤4.2：存在转换矩阵

使得：

步骤4.3：如图4a所示,将整个弯管绕X₁轴旋转，当旋转角度为θ时，线段L_B落在X₁O₁Z₁平面上；

步骤4.4：其中θ的确定：将直线段L_B其中一端点向O₁X₁上作垂线ab，将线段ab向X₁O₁Y₁平面上作投影得到线段bc，线段ab与线段bc的夹角即为旋转角θ，如图4b所示；

步骤4.5：将整体管材上的数据点经过旋转角θ变换，得到新数据点。

步骤4.6：获得管材平面自由弯曲成形后的中心轴线，对中心轴线进行圆拟合得到弯管的弯曲半径R及弯曲角α。结果如图6所示。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的仅为本发明的优选例，并不用来限制本发明，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1：通过扫描仪对实际的平面弯管进行扫描，生成整个管件的点云图，将点云图经过曲面拟合后生成实体弯管模型；

将所述弯管模型投影得到弯曲起始点之前的直线段部分A与弯曲截止后的直线段部分B的轮廓线。

步骤2：过所述轮廓线做等距垂线，垂线与两轮廓线的交点相连，取所有线段中点做直线拟合，分别得到弯管两段参考直线段的中心轴线L_A和L_B。

步骤3：以起始端截面圆的圆心O₁为原点，以L_A为X₁轴，平行于直线段部分A的垂线作Y₁轴，过原点O₁作垂直于X₁O₁Y₁平面的直线为Z₁轴，以此建立新的坐标系X₁Y₁Z₁。

步骤4：对比新旧坐标系得到两者的转换矩阵M，将旧坐标系XYZ下的数据点转换为新坐标系X₁Y₁Z₁下的数据点，将整个弯管绕X₁轴旋转，当旋转角度为θ时，线段L_B落在X₁O₁Z₁平面上，将新坐标系X₁Y₁Z₁下的所有数据点通过旋转角度θ变换得到新数据点。

步骤5：输出X₁O₁Z₁主视图，得到整个管件的轮廓线，过外轮廓线作n条切线，作每条切线的垂线，得到与内轮廓线上的交点，连接交点与切点得线段，取每条线段的中点拟合得到整个弯管的中心轴线。

2.根据权利要求1所述的管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，所述步骤2的具体步骤如下：

步骤2.1：在弯曲起始点之前的直线段部分A内作十条等距垂线，垂线与两轮廓线分别相较于点a₁、b₁,a₂、b₂,...，a₁₀、b₁₀；

步骤2.2：分别取线段a₁b₁,a₂b₂,...，a₁₀b₁₀的中点c₁,c₂,...,c₁₀,对十个点作直线拟合得到线段L_A.；

步骤2.3：同理，得到弯曲截止后的直线段部分B的线段L_B。

3.根据权利要求1所述的管材平面自由弯曲成形尺寸精准测量方法，其特征在于，所述步骤4的具体步骤如下：

步骤4.1：设定旧坐标系XYZ下的坐标点为(x,y,z)，新坐标系X₁Y₁Z₁下的坐标点为(x₁,y₁,z₁)；

步骤4.2：存在转换矩阵

使得：

步骤4.3：将整个弯管绕X₁轴旋转，当旋转角度为θ时，线段L_B落在X₁O₁Z₁平面上；

步骤4.4：其中θ的确定：将直线段L_B其中一端点向O₁X₁上作垂线ab，将线段ab向X₁O₁Y₁平面上作投影得到线段bc，线段ab与线段bc的夹角即为旋转角θ；

步骤4.5：将整体管材上的数据点经过旋转角θ变换，得到新数据点。

步骤4.6：获得管材平面自由弯曲成形后的中心轴线，对中心轴线进行圆拟合得到弯管的弯曲半径R及弯曲角α。

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