CN116933549B - 基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，包括：获取大长径比筒件表面点云数据；获得纯净点云；对纯净点云采用kd‑tree方法建立点云数据索引，同时使用最近邻方法为每个点求解法向量，获得包含法向量的点云；对包含法向量的点云采用RANSAC方法提取端面点云和定位孔点云，获取端面点集和定位孔点集，对孔点集采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数；基于定位孔点云参数，构建点云数据的轴向向量和方向向量；将点云的轴向向量与方向向量分别与理论模型的轴向向量与方向向量重合，完成点云数据与理论模型的配准；根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合；获取装配界面快速余量。

Description

基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法

技术领域

本发明属于大型构件测量路径调整技术领域，尤其涉及基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法。

背景技术

大长径比筒件因其独特的构型广泛用于航空、航天、能源行业中，并充当支撑部件或外壳。大长径比筒件属于大型构件，其特殊在长径比通常情况下大于等于8，其内部结构、外部挂件的几何形貌复杂程度高。一般的，大长径比筒件的外部都有诸多装配界面，用于筒件的转运和安装，为保证筒件最终的装配精度，装配界面往往是在所有工序完成后再进行加工，加工中需要满足形位尺寸以及基本的尺寸公差。传统检测方法检测形位尺寸，效率较低，尤其是在大长径比筒件的检测过程中，其检测精度及效率己经很难满足现代工业制造技术对各种零部件的检测标准及要求。现代的基于非接触式扫描测量的数字化检测技术正在快速发展，因其具有测量精度高、测量范围大、测量信息全等特点被广泛用于复杂、异形、大尺寸工件的质量检测，并逐步替代传统的、接触式的检测技术。非接触式扫描测量方法作为大长径比筒件的外形、尺寸精度检测技术已经成为主要趋势，一般的，将产品的理论数模与实际加工工件的测量数据进行配准、分割和误差计算，获得当前加工状态下的误差数据，判断工件的余量是否符合要求，并以此指导后续加工工艺参数的制定。大长径比筒件的余量的快速计算方法是典型的“点—面”距离计算问题，此类问题首先需要对原始点云进行滤波、降采样以及分割等点云预处理操作，获取纯净点云；再通过计算点沿指定方向到面的距离作为该点的余量。在大长径比筒件的余量计算中，点云的数量相对庞大，计算每一个点的余量将耗费大量时间，亟需提出一种基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提出了基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，实现快速求解大长径比筒件装配界面的余量。

为实现上述目的，本发明提供了基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，包括以下步骤：

获取大长径比筒件表面点云数据，所述大长径比筒件表面点云数据包括：大长径比筒件的前端法兰点云数据、后端法兰点云数据和装配界面的点云数据，其中，后端法兰包含额外的定位孔点云数据，装配界面点云数据为待求余量点云数据；

对所述点云数据进行预处理，获得纯净点云；对所述纯净点云采用kd-tree方法建立点云数据索引，同时使用最近邻方法为每个点云求解法向量，获得包含法向量的前端、后端法兰点云；

对所述包含法向量的前端、后端法兰点云采用RANSAC方法提取平面点云和定位孔点云，建立平面集合和定位孔集合，所述平面集合包含了所述平面点云，所述定位孔集合包含了所述定位孔点云，对所述定位孔集合中的所述定位孔点云采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数，获得优化定位孔点云的参数；

基于所述优化定位孔点云的参数，构建大长径比筒件表面点云数据的轴向向量和方向向量；

将所述轴向向量和方向向量导入大长径比筒件的理论三维CAD模型，将所述轴向向量与方向向量分别与理论模型的轴向向量与方向向量重合，完成所述点云数据与理论模型的配准；

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合；

对所述待求余量点云集合采用“点—面”方程计算，获取大长径比筒件装配界面快速余量。

可选的，对所述纯净点云采用kd-tree方法建立索引的方法包括：

步骤1、分别在x、y、z三个维度对所述纯净点云进行划分，分别计算点云数据在x、y、z三个维度上的方差，并对所述方差的大小进行排序，以方差最大的维度作为第一个分割轴，所述方差大小的顺序作为分割轴的更换顺序；

步骤2、对所述点云数据按分割轴维度进行检索，获得中位数，并将所述中位数放入到当前划分节点上，将小于中位数的点云划分至左分支，大于右节点的点云划分至右分支；

步骤3、完成一次划分后，更换分割轴；

步骤4、重复步骤2至3，直至完成点云数据的kd-tree索引的建立。

可选的，基于所述点云数据的kd-tree索引，使用最近邻方法为每个点求解法向量，获得包含法向量的前端、后端法兰点云的方法包括：

步骤1、确定最近邻个数k，从所述点云数据中选择一个点作为待求点，利用所述点云数据的kd-tree索引搜索k个与所述待求点距离最近的点，构成一个集合，其中所述集合包含了k+1个点；

步骤2、利用所述集合中的k+1个点求解所述待求点的法向量；

步骤3、重复步骤1至2，直至所述点云数据中的所有点均求解得到了法向量，最终获得包含法向量的点云。

可选的，对所述包含法向量的前端、后端法兰点云采用RANSAC方法提取平面点云和定位孔点云包括：

将所述前端法兰点云数据和后端法兰点云数据输入RANSAC模型中，采用增量方程获取模型参数；当输入点云数据属于平面点云时，获取平面方程并提取满足所述平面方程的平面点云；当输入点云数据属于定位孔点云数据，获取柱面方程并提取满足所述柱面方程的定位孔点云。

可选的，对所述定位孔集合中的所述定位孔特征采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数包括：

将所述柱面方程变形为参数方程，通过增量方程的形式，获取满足所述参数方程最小的参数，完成定位孔点云的参数优化。

可选的，基于所述定位孔点云参数，构建所述点云数据的轴向向量和方向向量的方法为：

所述轴向向量以后端法兰圆心为起点，指向前端法兰圆心；所述方向向量以后端法兰圆心为起点，指向后端法兰定位孔圆心。

可选的，根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合包括：

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，分割出只包含装配界面的点云；采用RANSAC方法提取装配界面的点云中平面点云与对接孔点云，获取待求余量点云集合。

可选的，所述待求余量点云集合包括平面点云与对接孔点云。

本发明技术效果：本发明公开了基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，实现了大长径比筒件从原始数据到余量估计的自动化计算，可以提高检测效率。基于大长径比筒件的工艺特征，提出了基于轴线向量与方向向量计算大长径比筒件位姿的方法，实现了测量点云与理论三维CAD模型的快速配准。基于柱面方程的特性，使用非线性模型和增量方程优化柱面方程的参数，提高了柱面点云的分割精度，使轴线向量与方向向量具有更好精度，实现了测量点云与理论三维CAD的精确配准。将待求余量区域的点云分割成平面点云和孔点云，去除不必要的点云，并在此基础上使用“点—面”模型求解余量，实现了点云余量的快速求解。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法的流程示意图；

图2为本发明实施例大长径比筒件后端法兰孔点云分割效果图；

图3为本发明实施例大长径比筒件待求余量区域点云分割效果图；

图4为本发明实施例基于“点—面”模型计算余量的示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。

如图1所示，本实施例中提供基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，包括以下步骤：

获取大长径比筒件表面点云数据，大长径比筒件表面点云数据包括：大长径比筒件的前端法兰点云数据、后端法兰点云数据和需要求解余量的区域点云数据，后端法兰包含额外的定位孔点云数据；

对点云数据进行滤波与降噪，消除噪声后获得纯净点云；对纯净点云采用kd-tree方法建立点云数据索引，同时使用最近邻方法为每个点求解法向量，获得包含法向量的点云；

对包含法向量的点云采用RANSAC方法提取端面点云和定位孔点云，获取端面点集和定位孔点集，对孔点集采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数；

基于定位孔点云参数，构建点云数据的轴向向量和方向向量；

将点云数据的轴向向量和方向向量导入大长径比筒件的理论三维CAD模型，将点云的轴向向量与方向向量分别与理论模型的轴向向量与方向向量重合，完成点云数据与理论模型的配准；

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合；

对待求余量点云集合采用“点—面”方程计算，获取大长径比筒件装配界面快速余量。

采用激光扫描仪获取大长径比筒件的表面点云数据，得到待检测点云，待检测点云包括了大长径比筒件前、后端的法兰和需要求解余量的区域，其中，后端法兰上包含额外的定位孔，将待检测点云输入到计算机。

对所述待测点云进行滤波与降噪，消除噪声后得到纯净点云；对所述纯净点云使用kd-tree方法建立索引：分别在空间中三个维度对点云进行划分，选择方差最大的维度作为第一个分割轴；对当前点云数据按分割轴维度进行检索，找到中位数数据，并将其放入到当前分割节点上，将小于中位数的点云作为左分支，大于右节点的点云作为右分支；更换分割轴，重复以上步骤，建立点云数据的索引，索引长度为点云数据的长度。使用最近邻方法求解所述纯净点云的法向量，具体过程如下：确定最近邻的个数k，选择纯净点云中一点作为待求点，利用点云数据索引搜索k个与待求点距离最近的点，构成一个子点云；利用包含k+1个点的子点云求解法向量，具体过程如下：利用子点云的建立局部表面，使用最小二乘法表示局部表面P₁：其中/>为局部表面的法向量，d为局部表面到坐标系原点的距离，p_i为子点云中的第i个点，通过PCA法求解局部表面法向量/>对局部表面构建协方差矩阵M：/> 使用奇异值分解法求解协方差矩阵M的特征向量，特征向量作为局部表面法向量/>局部表面法向量/>作为待求点的法向量；重复以上步骤，遍历纯净点云中的所有点，求解所有点云的法向量。

使用RANSAC方法提取端面点云与孔点云，具体过程如下：将所述前、后端法兰点云依次输入至RANSAC模型中，以增量方程的形式求解模型参数；当输入点云属于端面点云时，求解得到平面方程P：Ax+By+Cz+D＝0，并提取满足平面方程P的点云；当输入点云属于孔点云时，求解得到柱面方程C：(x-x₀)²+(y-y₀)²+(z-z₀)²＝[a(x-x₀)+b(y-y₀)+c(z-z₀)]²+r²，并提取满足柱面方程C的点云，由于后端定位孔的半径与其他通孔半径不一致，通过半径r将定位孔与其他通孔区分，其分割后的示意图如图2所示。使用非线性模型方法优化所述柱面方程C中各个系数，具体过程如下：所述柱面方程C变形为参数方程Carg： 通过增量方程的形式，求解满足D最小的参数[x₀，y₀，z₀，a，b，c，r]。其中，求解得到的所述大长径比筒件前、后端法兰的圆心分别为O₁(x₁，y₁，z₁)，O₂(x₂，y₂，z₂)，求解得到的所述大长径比筒件后端法兰定位孔圆心为O₃(x₃，y₃，z₃)。

使用所述孔点云参数建立所述待检测点云的轴向向量a₁和方向向量d₁，具体过程如下：轴向向量以所述后端法兰圆心为起点，指向所述前端法兰圆心；方向向量以所述后端法兰圆心为起点，指向所述后端法兰定位孔圆心。

导入大长径比筒件的理论三维CAD模型，所述理论三维CAD模型包含了前、后端法兰圆心以及后端法兰定位孔圆心的三维坐标，建立轴向向量a₂、方向向量d₂。使轴向向量a₁、a₂重合，完成轴向对齐，使方向向量d₁、d₂重合，完成径向转角对齐，进而完成所述待检测点云与理论模型的配准。

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，分割出只包含装配界面的点云；使用RANSAC方法提取平面点云与孔点云，得到待求余量的点云集合。所述需要求解余量的区域包括平面和孔，使用RANSAC方法提取只包含装配界面的点云，求解得到待求余量的平面点云的平面方程P_a：A_ax+B_ay+C_az+D_a＝0，待求余量的对接孔点云的柱面方程C_a： 得到所述待求余量的点云集合。所述三维CAD模型中与所述待求余量点云对应的面的方程包括：平面方程P_t：A_tx+B_ty+C_tz+D_t＝0，柱面方程C_t：/> 分割结果示意图如图3所示。

对所述待求余量点云集合使用“点一面”方程求解点到面的距离，所求距离为点的余量。所述待求余量的点云集合中包含平面点云与孔点云，如图4所示，当待求点p_i(x_i，y_i，z_i)属于平面点云时，得到平面余量当所述待求面点云属于孔点云时，直线/>是直线/>与直线之间的公垂线，构造过定点p_i，方向向量为(l_v，m_v，n_v)的直线v_p，v_p与柱面方程C_t的交点p_j(x_j，y_j，z_j)，此时得到对接孔余量/>

本发明公开了一种基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，实现了大长径比筒件从原始数据到余量估计的自动化计算，可以提高检测效率。基于大长径比筒件的工艺特征，提出了基于轴线向量与方向向量计算大长径比筒件位姿的方法，实现了测量点云与理论三维CAD模型的快速配准。基于柱面方程的特性，使用非线性模型和增量方程优化柱面方程的参数，提高了柱面点云的分割精度，使轴线向量与方向向量具有更好精度，实现了测量点云与理论三维CAD的精确配准。将待求余量区域的点云分割成平面点云和孔点云，去除不必要的点云，并在此基础上使用“点—面”模型求解余量，实现了点云余量的快速求解。

以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请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申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

获取大长径比筒件表面点云数据，所述大长径比筒件表面点云数据包括：大长径比筒件的前端法兰点云数据、后端法兰点云数据和装配界面的点云数据，其中，后端法兰包含额外的定位孔点云数据，装配界面点云数据为待求余量点云数据；

对所述点云数据进行预处理，获得纯净点云；对所述纯净点云采用kd-tree方法建立点云数据索引，同时使用最近邻方法为每个点云求解法向量，获得包含法向量的前端、后端法兰点云；

对所述包含法向量的前端、后端法兰点云采用RANSAC方法提取平面点云和定位孔点云，建立平面集合和定位孔集合，所述平面集合包含了所述平面点云，所述定位孔集合包含了所述定位孔点云，对所述定位孔集合中的所述定位孔点云采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数，获得优化定位孔点云的参数；

基于所述优化定位孔点云的参数，构建大长径比筒件表面点云数据的轴向向量和方向向量；

将所述轴向向量和方向向量导入大长径比筒件的理论三维CAD模型，将所述轴向向量与方向向量分别与理论模型的轴向向量与方向向量重合，完成所述点云数据与理论模型的配准；

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合；

对所述待求余量点云集合采用“点—面”方程计算，获取大长径比筒件装配界面快速余量。

2.如权利要求1所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，对所述纯净点云采用kd-tree方法建立索引的方法包括：

步骤1、分别在x、y、z三个维度对所述纯净点云进行划分，分别计算点云数据在x、y、z三个维度上的方差，并对所述方差的大小进行排序，以方差最大的维度作为第一个分割轴，所述方差大小的顺序作为分割轴的更换顺序；

步骤2、对所述点云数据按分割轴维度进行检索，获得中位数，并将所述中位数放入到当前划分节点上，将小于中位数的点云划分至左分支，大于右节点的点云划分至右分支；

步骤3、完成一次划分后，更换分割轴；

步骤4、重复步骤2至3，直至完成点云数据的kd-tree索引的建立。

3.如权利要求2所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，基于所述点云数据的kd-tree索引，使用最近邻方法为每个点求解法向量，获得包含法向量的前端、后端法兰点云的方法包括：

步骤1、确定最近邻个数k，从所述点云数据中选择一个点作为待求点，利用所述点云数据的kd-tree索引搜索k个与所述待求点距离最近的点，构成一个集合，其中所述集合包含了k+1个点；

步骤2、利用所述集合中的k+1个点求解所述待求点的法向量；

步骤3、重复步骤1至2，直至所述点云数据中的所有点均求解得到了法向量，最终获得包含法向量的点云。

4.如权利要求1所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，对所述包含法向量的前端、后端法兰点云采用RANSAC方法提取平面点云和定位孔点云包括：

将所述前端法兰点云数据和后端法兰点云数据输入RANSAC模型中，采用增量方程获取模型参数；当输入点云数据属于平面点云时，获取平面方程并提取满足所述平面方程的平面点云；当输入点云数据属于定位孔点云数据，获取柱面方程并提取满足所述柱面方程的定位孔点云。

5.如权利要求4所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，对所述定位孔集合中的所述定位孔特征采用非线性模型方法优化定位孔点云的参数包括：

将所述柱面方程变形为参数方程，通过增量方程的形式，获取满足所述参数方程最小的参数，完成定位孔点云的参数优化。

6.如权利要求1所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，基于所述定位孔点云参数，构建所述点云数据的轴向向量和方向向量的方法为：

所述轴向向量以后端法兰圆心为起点，指向前端法兰圆心；所述方向向量以后端法兰圆心为起点，指向后端法兰定位孔圆心。

7.如权利要求1所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，获取待求余量点云集合包括：

根据装配界面在大长径比筒件轴向上的坐标，分割出只包含装配界面的点云；采用RANSAC方法提取装配界面的点云中平面点云与对接孔点云，获取待求余量点云集合。

8.如权利要求7所述的基于点云数据的大长径比筒件装配界面快速余量计算方法，其特征在于，所述待求余量点云集合包括平面点云与对接孔点云。