CN113434922A

CN113434922A - 一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统

Info

Publication number: CN113434922A
Application number: CN202110765160.5A
Authority: CN
Inventors: 要义勇; 刘于; 赵丽萍
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-07-06
Filing date: 2021-07-06
Publication date: 2021-09-24

Abstract

本发明公开了一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统，方法包括：接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据，根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型，构建虚拟空间中的对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位。发明可以在构建与物理空间意义对应的虚拟空间时，建立起相应的物理实体的具体虚拟模型，明确各模型间的联系，从而避免了现有技术无法构建相应物理实体的具体虚拟模型问题，在工程建设和产品制造等方面有重要意义。

Description

一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统

技术领域

本发明属于机械加工制造领域，涉及一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统。

背景技术

数字孪生的概念最早在2002年提出，数字孪生是充分利用物理模型、传感器更新、运行历史等数据，集成多学科、多物理量、多尺度、多概率的仿真过程，在虚拟空间中完成映射，从而反映相对应的实体装备的全生命周期过程。

数字孪生技术可以在众多领域应用，目前在产品设计、产品制造、医学分析、工程建设等领域应用较多。在实际建立相应的对应于物理实体模型的孪生模型时，需要孪生模型模拟物理模型工作加工制造，同时在模拟实际物理空间的工作流程时，需要获取实际物理空间的相应物理实体的参数数据，需要采取相应的三维测试技术，并将其固定于规定设置位置。

现在数字孪生技术的发展仍不完善，在构建与物理空间意义对应的虚拟空间时，未曾建立起相应的物理实体的具体虚拟模型，各模型间的联系属于模糊联接。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统。本发明通过建立与实体零件相对应得虚拟模型，从而创新地明确各个模型之间的联系。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种孪生零件的虚拟基准对准方法，其方法步骤为：

接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据；

根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型；

构建虚拟空间中的对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位。

本发明进一步的改进在于：

实现零件与设备的对准定位是采用特征对齐的方法进行对准。

特征对齐的对准方法是采用三个特征点定位实现零件模型在虚拟设备上的对准，其对准的方式为选取相应零件的安装基准为特征进行对准。

选取相应零件的安装基准的特征为选取特征面、特征线以及特征点作为特征对齐的内容。

构建的虚拟空间中对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位，在于构建虚拟空间的特征坐标系和零件和设备点云模型的原点坐标系，将两者坐标系对齐即为零件与虚拟基准的对齐。

虚拟空间中的特征坐标系是选取需要配合的特征点线面为特征，构建与特征点线面重合的坐标系；零件和设备点云模型的原点坐标系是选取特征点与原点重合、特征线与X/Y/Z三者中的某一轴线重合或是特征面与XOY/XOZ/YOZ三个平面中的一个重合的坐标系。

对齐虚拟空间的特征坐标系和零件和设备点云模型的原点坐标系为将构建的对应于零件和设备的点云模型原点坐标系表示在虚拟空间的特征坐标系中，获取零件和设备的点云模型原点坐标系与虚拟空间中相对应的特征坐标系的状态转移矩阵，对零件进行对应于变换矩阵的变换即可实现对应孪生零件的基准对准。

一种孪生零件的虚拟基准对准系统，包括：

接收模块，所述接收模块用于接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据；

三维模型建立模块，所述三维模型建立模块根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型；

构建模块，所述构建模块用于构建虚拟空间中的对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位。

一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

针对目前数字孪生技术的发展仍不完善，在构建与物理空间意义对应的虚拟空间时，未曾建立起相应的物理实体的具体虚拟模型，各模型间的联系属于模糊联接的缺陷，本发明提出了一种孪生零件的虚拟基准对准方法、装置及系统。其中，该方法不仅包含了将三维测量设备测量的三维几何数据导入计算机，建立对应于物理实体的三维模型；同时，还明确了各个模块直接的联系，解决了在工程建设和产品制造等方面存在的问题。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例的孪生零件的虚拟基准对准方法的流程示意图；

图2为本发明实施例的孪生零件的虚拟基准对准系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的一种场景示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1，图1公布了一种孪生零件的虚拟基准对准的方法，其方法步骤为：

S101，接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据。

物理空间中的零件与设备可以使用三维测量设备进行扫描，三维测量设备可以为三维测量扫描仪，包括但不局限于立体式或者手持式三维扫描仪，采用被动式非接触式扫描方法扫描物理空间中的零件与设备从而得到点云数据，并将点云数据发送到服务器端。其中设备为加工设备，是与零件相关的设备。

S102，根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型。

服务器端根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型，使用Geomagic及Imageware软件作为实现零件与设备的点云数据构建虚拟模型的工具。

S103，构建虚拟空间中的对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位。

实现在虚拟空间中对准零件与设备的方法是采用特征对齐的方法进行对，主要是采用三个特征点定位实现零件模型在虚拟设备上的对准，其对准的方式为选取相应零件的安装基准为特征进行对准。在进行特征的选取中，选取特征面、特征线以及特征点作为特征对齐的内容。

同时，实现虚拟空间中零件与设备的对准定位，在于构建虚拟空间的特征坐标系和零件和设备点云模型的原点坐标系，将两者坐标系对齐即为零件与虚拟基准的对齐。其中零件和设备点云模型的原点坐标系确定为特征点与原点重合、特征线与X/Y/Z三者中的某一轴线重合或是特征面与XOY/XOZ/YOZ三个平面中的一个重合。虚拟空间中的特征坐标系是选取需要配合的特征点线面为特征，构建与特征点线面重合的坐标系。最后将构建的对应于零件和设备的点云模型原点坐标系表示在虚拟空间的特征坐标系中，获取零件和设备的点云模型原点坐标系与虚拟空间中相对应的特征坐标系的状态转移矩阵，对零件进行对应于变换矩阵的变换即可实现对应孪生零件的基准对准。

参见图2，图2为本发明实施例的孪生零件的虚拟基准对准系统的结构示意图，其系统包括：

接收模块，用于接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据；

三维模型建立模块，根据接收的点云数据反向建立对应于零件与设备的三维模型；

构建模块，构建虚拟空间中的对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位。

进一步的，三维模型建立模块使用Geomagic及Imageware软件作为实现零件与设备的点云数据构建虚拟模型的工具。

参见图3，图3为本发明实施例的一种场景示意图。

当设置好物理空间中物理实体时，采用三维测量扫描设备对设置好的物理实体进行扫描，获取物理实体的点云数据，并将点云数据发送给计算机，计算机在接收到有三维测量扫描设备发送的数据时，对点云数据进行处理，使用Geomagic和Imageware软件实现物理实体的虚拟模型的构建。同时在虚拟场景中采用特征对齐的方法实现孪生零件的虚拟基准。实现了在构建与物理空间意义对应的虚拟空间时，同时建立起相应的物理实体的具体虚拟模型，明确了各模型间之间的联系，解决了现有市场上无法明确物理空间中物理实体与虚拟空间中虚拟模型关系不明确的问题。

本发明一实施例提供的终端设备的示意图。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个方法实施例中的步骤。或者，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。

所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。

所述终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。

所述处理器可以是中央处理单元(CentralProcessingUnit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(DigitalSignalProcessor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-ProgrammableGateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。

所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述终端设备的各种功能。

所述终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccessMemory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，包括：

接收扫描物理空间中的零件与设备得到的点云数据；

2.根据权利要求1所述的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述实现零件与设备的对准定位是采用特征对齐的方法进行对准。

3.根据权利要求2所述的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述特征对齐的对准方法是采用三个特征点定位实现零件模型在虚拟设备上的对准，其对准的方式为选取相应零件的安装基准为特征进行对准。

4.根据权利要求3所述的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述选取相应零件的安装基准的特征为选取特征面、特征线以及特征点作为特征对齐的内容。

5.根据权利要求1所述的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述构建的虚拟空间中对准零件与设备，实现零件与设备的对准定位，在于构建虚拟空间的特征坐标系和零件和设备点云模型的原点坐标系，将两者坐标系对齐即为零件与虚拟基准的对齐。

6.根据权利要求5所述的的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述虚拟空间中的特征坐标系是选取需要配合的特征点线面为特征，构建与特征点线面重合的坐标系；零件和设备点云模型的原点坐标系是选取特征点与原点重合、特征线与X/Y/Z三者中的某一轴线重合或是特征面与XOY/XOZ/YOZ三个平面中的一个重合的坐标系。

7.根据权利要求5所述的孪生零件的虚拟基准对准方法，其特征在于，所述对齐虚拟空间的特征坐标系和零件和设备点云模型的原点坐标系为将构建的对应于零件和设备的点云模型原点坐标系表示在虚拟空间的特征坐标系中，获取零件和设备的点云模型原点坐标系与虚拟空间中相对应的特征坐标系的状态转移矩阵，对零件进行对应于变换矩阵的变换即可实现对应孪生零件的基准对准。

8.一种孪生零件的虚拟基准对准系统，其特征在于，包括：

9.一种终端设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。

10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述方法的步骤。