CN114608461B - 一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于复杂零件精密测量领域，主要以旋耕犁刀片为例提出了一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法。该方法采用三维激光扫描设备对复杂曲面零件进行数字化测量，采集非均匀壁厚的复杂曲面零件上下表面的点云数据，然后对复杂曲面零件的上下表面点云数据进行处理，并在此基础上使用CAD软件的曲面造型功能将上、下表面中一个表面的点云数据拟合成一个曲面，之后可以通过测量软件获取上、下表面中另一表面点云中每个点到拟合曲面的最短距离，即为该处的壁厚值。通过该方法即可快速、精确的测量非均匀壁厚复杂曲面任意位置的厚度。
Description
技术领域
本发明属于复杂零件精密测量技术领域，具体涉及一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法。
背景技术
随着现代工业化的快速发展，设计机械零件时出现了各种各样的非均匀壁厚并具有复杂曲面的零件，这些零件往往需要在试样件之上进行打磨调整而最终定型，在批量化生产中，往往要通过检测某一截面的厚度参数来判断生产零件的质量稳定性，因此获得该截面厚度的精确值对于生产加工来说至关重要。常规方法是采用千分尺或其他专用量具进行测量，由于截面为曲面的一部分，测量时由于量具很难做到与该截面完全垂直，从而导致截面测量值出现很大的偏差。
发明内容
为解决产品设计中非均匀壁厚的复杂曲面零件采用常规方法测量时存在难以测量、测量误差较大等问题，本发明的目的在于提出一种利用激光扫描测量非均匀壁厚零件厚度的方法，提高对非均匀壁厚的复杂曲面零件的测量效率和测量精度。
本发明专利申请采用三维激光扫描设备对非均匀壁厚的复杂曲面零件进行数字化测量。该测量方法包括以下步骤：1）首先选用合适的夹具对被测零件进行固定，以确保测量结果可以较好的贴合实际零件尺寸；2）通过激光扫描仪器采集被测零件上下表面的初始点云数据； 3）对测量得到的初始点云数据进行去除噪声点和冗余点处理；4）为了保证被测零件表面的几何形状特征不失真，采用三维CAD软件对步骤3）处理后的点云数据进行精简过滤处理；5）在步骤4）处理后的点云数据基础上，对上、下表面中一个表面的测量点云进行特征识别和区域分割，将测量点云分成若干个点云子集，使得每个点云子集都可以用一张简单的曲面拟合出来，再对每一个点云子集构造曲面的部分截面线，并采用三维CAD系统提供的曲面造型功能由截面线生成曲面，完成上、下表面中一个表面测量点云的曲面拟合；6）通过测量软件获取上、下表面中另一表面的测量点云中每个点到拟合曲面的最短距离，即为该处的壁厚值。最终通过该方法即可精确的测量非均匀壁厚复杂曲面任意位置的厚度。
在步骤3中，针对由于被测零件的表面质量（表面凹凸不平、粗糙度大及曲率突变）等因素产生的噪声点，可以通过基于空间单元格的快速k邻域搜索方法进行处理。
在步骤4中，公差球方式通过改变设定的半径值改变数据过滤的程度，半径值越大，过滤后的点云越稀疏，而采用弦高差方式过滤后得到的点云，在曲面曲率变化小的部位过滤的数据点较多，而在曲面曲率变化大的部位过滤的数据点较少，所以通过对被测零件表面的几何形状特征进行分析，在表面上曲率变化小的部位使用公差球方式进行精简过滤，在表面上曲率变化大的部位使用弦高差方式进行精简过滤，最大程度上保留被测物体的几何特征。
在步骤5中，曲面重构主要采用的方法是非均匀有理B样条方法（即NURBS方法），该方法不仅可以精确解释自由曲线曲面，而且能够清晰表示二次曲线曲面。
特别是在步骤6中，采用测量一个面上的点到另一个面的距离的方法得到非均匀零件的壁厚信息。测量过程中可使用专业测量软件直接测量非均匀壁厚的复杂曲面零件一个表面任意一数据点到相应另一个表面的距离，该方法有效避免了许多人为误差。
借由上述技术方案，本发明采用测量点到面的距离的方法测量非均匀零件的壁厚，可以有效地降低测量过程中操作人员对整个面测量的误差；并且对测量零件无损伤，不仅适用于非均匀壁厚曲面零件的测量，均匀壁厚零件也可用该方法；同时该方法操作简单、通用性强、大大提高了数字化测量的效率。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为让本发明的上述和其他目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举较佳实施例，并配合附图，详细说明如下。
附图说明
图1为本发明一实施例中作为被测零件的旋耕犁刀片结构示意图。
图2为本发明一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法流程图。
图3为本发明测量方法中k邻域搜索方法流程图。
图4为旋耕犁刀片上表面粘贴标志点的示意图。
图5为旋耕犁刀片上表面初始点云数据示意图。
图6为旋耕犁刀片下表面点云逆向成面和上表面精简点云示意图。
图7为测量旋耕犁刀片上表面各数据点到下表面的距离示意图。
具体实施方式
以下结合附图及较佳实施例对本发明专利申请的技术方案做详细说明。
本实施例选用图1及图3所示的旋耕犁刀片作为被测零件，将垂直于壁厚或厚度方向并相对设置的两个复杂曲面分别称为上表面、下表面。请同时参阅图2，本实施例提出一种利用激光扫描方式测量旋耕犁刀片厚度的方法，具体包括如下步骤：
步骤1，选用合适的夹具，对图3所示的旋耕犁刀片进行固定，确保测量时保持零件姿态的稳定以及对测量结果的影响尽量小，进而确保测量结果可以较好地贴合实际零件尺寸；
步骤2，选用非接触式三维激光扫描仪器，对旋耕犁刀片的上表面、下表面进行扫描测量，得到初始点云数据（其中上表面初始点云数据如图5所示）。
为了便于对复杂的上表面、下表面进行扫描测量，本实施例在旋耕犁刀片的上表面、下表面分别均匀涂刷一层显影剂，以便激光在零件表面产生漫反射，有助于识别零件表面特征；
在进行激光扫描测量时，因为旋耕犁刀片的上表面、下表面存在遮挡，因此需要粘贴标志点（如图4所示），利用标志点拼接方式完成扫描测量；并将上、下表面的测量点云融合到统一的坐标系中。
步骤3，步骤2测量得到的初始点云数据不可避免的含有一些噪声点和冗余点，在进行模型重构之前，需要对步骤2测量得到的初始点云数据进行去除噪声点和冗余点等处理。
考虑到旋耕犁刀片的表面质量（例如表面凹凸不平、粗糙度大、曲率突变）等因素，可采用基于空间单元格的快速k邻域搜索方法（如图3所示），对初始点云数据进行去除噪声点处理；
步骤4，为了保证被测零件表面的几何形状特征不失真，通过对旋耕犁刀片表面的几何形状特征进行分析，本实施例利用CATIA 软件中提供的公差球方式和弦高差方式，对步骤3处理后的点云数据进行精简过滤处理，具体的：对上下表面上曲率变化小的部位使用公差球方式进行精简过滤、对上下表面上曲率变化大的部位使用弦高差方式进行精简过滤，最大程度上保留被测零件的几何特征；
步骤5，以步骤4处理后的下表面点云数据为基础，利用三维CAD软件中的曲面造型功能拟合出旋耕犁刀片的一个曲面（即下表面）。
步骤6，请同时参阅图5和图6，以步骤4处理后的上表面点云数据为对象，采用专业测量软件计算任意截面上位于上表面的测量点云中数据点到下表面的距离，所测得的距离即为旋耕犁刀片中相应截面的壁厚。
基于前述方法，使用专业测量软件可直接测量非均匀壁厚的旋耕犁刀片任意位置的厚度，不但精度高，而且能有效避免许多人为误差现象。
此外，虽然本实施例的测量对象为非均匀壁厚的零件，当然在其他实施例中，也可以采用本发明提出的方法测量均匀壁厚的零件，使用者可以根据实际需求自行选择。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，任何熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (5)
1.一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法，其特征是包括以下步骤：
步骤1，选用夹具对被测零件进行固定；
步骤2，利用激光扫描仪器采集被测零件上下表面的初始点云数据，在进行激光扫描测量时，在被测零件的上下表面粘贴标志点，利用标志点拼接方式完成测量；将上、下表面的测量点云融合到统一的坐标系中；
步骤3，对步骤2测量得到的初始点云数据进行去除噪声点和冗余点处理；
步骤4，对步骤3处理后的点云数据进行精简过滤处理；
步骤5，在步骤4处理后的点云数据基础上，对上、下表面中一个表面的测量点云进行特征识别和区域分割，将测量点云分成若干个点云子集，使得每个点云子集都可以用一张简单的曲面拟合出来，再对每一个点云子集构造曲面的部分截面线，并采用三维CAD系统提供的曲面造型功能由截面线生成曲面，完成上、下表面中一个表面测量点云的曲面拟合；
步骤6，通过测量软件获取上、下表面中另一个表面的测量点云中每个点到拟合曲面的最短距离，即为此处的厚度值。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法，其特征是在进行激光扫描测量时，在被测零件的上下表面分别均匀涂刷一层显影剂。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法，其特征是在步骤3中，针对由于被测零件的表面质量等因素产生的噪声点，采用基于空间单元格的快速k邻域搜索方法进行处理。
4.根据权利要求1所述的一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法，其特征是在步骤4中，通过对被测零件表面的几何形状特征进行分析，在上下表面上曲率变化小的部位使用公差球方式进行精简过滤，在上下表面上曲率变化大的部位使用弦高差方式进行精简过滤。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀壁厚零件的激光扫描测量方法，其特征是在步骤5中，曲面拟合主要采用的方法是非均匀有理B样条（NURBS）方法。
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