CN117817417A - 一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于筒体位姿调整技术领域，解决了大型筒体辅助找正时间长、加工精度低的问题。提供了一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，包括以下步骤：构建待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型；通过基于双向KD‑tree的ICP算法，获取待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型间的位置差值矩阵；得到待加工筒体在坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数，控制调姿伺服电机进行待加工筒体的位姿调整；待数字孪生系统中待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型完全重合后；再次采集待加工筒体的点云数据进行校核，保证待加工筒体的位姿在误差要求范围内。本发明够解决大型筒体加工过程中的精度低、调姿时间长的问题。
Description
技术领域
本发明属于筒体位姿调整技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法。
背景技术
在大型筒体内孔加工过程中，针对筒体内径φ2110mm，端框外径φ2300mm，筒体长度2000mm~4800mm，最大质量3000kg以上的筒体，加工后要求筒壁厚度大于14mm，内圆圆度为0.3mm，端框端面与轴线的垂直度为0.08mm。
以上关键参数均由立车加工工序完成，操作过程涉及到筒体的找正；目前主要采用钳工划线预估筒体偏差，立车参照加工线进行找正，整个过程均在机床内完成；该找正方法中，机床辅助找正时间长、加工精度低且存在人为误差。
发明内容
本发明为了解决现有技术中存在的上述至少一个技术问题，提供了一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法。
本发明采用如下的技术方案实现：一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，包括以下步骤：
S1：采集待加工工位上筒体的点云数据，构建待加工筒体的重构点云模型；
S2：根据待加工筒体理想加工状态下的位姿数据，构建待加工筒体的理想点云模型；
S3：通过基于双向KD-tree的ICP算法，获取待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型间的位置差值矩阵；
S4：由位置差值矩阵得到待加工筒体在坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数，控制调姿伺服电机进行待加工筒体的位姿调整；
S5：构建待加工筒体调姿的数字孪生系统，将待加工筒体的物理实体的实时位姿变化映射给待加工筒体的重构点云模型；
S6：待数字孪生系统中待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型完全重合后；再次采集待加工筒体的点云数据进行校核，保证待加工筒体的位姿在误差要求范围内。
优选地，基于双向KD-tree的ICP算法包括下述步骤：
S31：分别构建待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型上的点集合的KD-tree；
S32：选取重构点云模型上的任意一点P作为目标点，通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的理想点云模型上距离点P的最近点Q；
S33：通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的重构点云模型上距离点Q的最近点，若点Q的最近点为点P，则点Q作为点P的配准点；若点Q的最近点为除点P以外的其他点，则将重构点云模型上的点P作为噪声点剔除；
S34：选取重构点云模型上除P以外的任意一点作为目标点，根据步骤S32、S33中的方法，选取该点在理想点云模型上的配准点；
S35：遍历重构点云模型上的所有点，获取在理想点云模型上对应的配准点，实现待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型的配准，获取两者的位置差值矩阵。
优选地，设置目标点和与其对应的配准点之间的距离阈值，若目标点与配准点之间的欧式距离小于等于距离阈值时，保留该组配准后的点；若目标点与配准点之间的欧式距离大于距离阈值时，则将该目标点作为噪声点剔除。
优选地，待加工筒体的物理实体的移动通过PLC控制调姿伺服电机的进给量实现；在Unity软件中通过借助Nmodbus库函数读写控制待加工筒体的物理实体移动的调姿伺服电机的寄存器地址，进而实现待加工筒体的物理实体和重构点云模型的虚实交互。
优选地，调姿伺服电机设置在待加工筒体的底部，包括控制待加工筒体沿X、Y轴方向移动的伺服电机和控制待加工筒体沿Z轴方向移动的伺服电机。
优选地，通过设置在待加工筒体的物理实体内的点云扫描仪在水平面的旋转和竖直面的平移完成筒体内表面点云数据的采集，将采集的数据进行点云重构，得到待加工筒体的重构点云模型。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过基于双向KD-tree的ICP算法，获取待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型间的位置差值矩阵，反应出两者间的位姿差值；并将位姿差值转换为调姿伺服电机的进给量，实现待加工筒体的位姿调整，该方法能够解决大型筒体加工过程中的精度低、调姿时间长的问题。并通过构建待加工筒体的物理实体和重构点云模型间的数字孪生系统，实现待加工筒体的物理实体调姿过程的可视化。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
图1是本发明中待加工筒体调姿的三维模型图；
图2是传统的ICP点云配准算法的配准结果图；
图3是本发明的基于双向KD-tree的ICP算法的配准结果图；
图4是本发明中点云扫描的俯视图；
图5是本发明中点云扫描的正视图。
图中：1-待加工筒体的物理实体；2-点云扫描仪；3-调姿伺服电机。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明的实施例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其他实施方式，都属于本发明所保护的范围。
须知，本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容能涵盖的范围内，需要说明的是，在本说明书中，诸如第一和第二之类的关系术语仅仅用来将一个实体与另外几个实体区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体之间存在任何实际的关系或者顺序。
本发明提供了一种实施例：
如图1所示，一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，包括以下步骤：
S1：采集待加工工位上筒体的点云数据，构建待加工筒体的重构点云模型；
S2：建立待加工筒体调姿的三维模型，包括底座工装夹具和待加工筒体的理想点云模型；根据待加工筒体理想加工状态下的位姿数据，构建待加工筒体的理想点云模型；
S3：通过基于双向KD-tree的ICP算法，获取待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型间的位置差值矩阵；
S4：由位置差值矩阵得到待加工筒体在坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数，控制调姿伺服电机3进行待加工筒体的位姿调整；
S5：构建待加工筒体调姿的数字孪生系统，将待加工筒体的物理实体1的实时位姿变化映射给待加工筒体的重构点云模型；
S6：待数字孪生系统中待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型完全重合后；再次采集待加工筒体的点云数据进行校核，保证待加工筒体的位姿在误差要求范围内。
如图4、图5所示，构建待加工筒体的重构点云模型：点云扫描仪2采集到自身到筒体内壁的距离和自身到机床主轴的距离/>；通过设置在待加工筒体的物理实体1内的点云扫描仪2在水平面的旋转和竖直面的平移完成筒体内表面点云数据的采集，每次旋转角度为/>，旋转次数记为/>（/>），相机距机床加工平面为/>；获取的点云数据的中点坐标计算方式为：
将采集的数据进行点云重构，得到待加工筒体的重构点云模型。
本实施例中，基于双向KD-tree的ICP算法包括下述步骤：
S31：分别构建待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型上的点集合的KD-tree；
S32：选取重构点云模型上的任意一点P作为目标点，通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的理想点云模型上距离点P的最近点Q；
S33：通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的重构点云模型上距离点Q的最近点，若点Q的最近点为点P，则点Q作为点P的配准点；若点Q的最近点为除点P以外的其他点，则将重构点云模型上的点P作为噪声点剔除；
S34：选取重构点云模型上除P以外的任意一点作为目标点，根据步骤S32、S33中的方法，选取该点在理想点云模型上的配准点；
S35：遍历重构点云模型上的所有点，获取在理想点云模型上对应的配准点，实现待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型的配准，获取两者的位置差值矩阵。
目前应用最广泛的点云精配准算法是迭代最近点算法（Iterative ClosestPoint, ICP）。ICP算法的基本逻辑是先通过对应关系估计、关键点检测等方法找到源点云和目标点云的待匹配点对，然后计算旋转和平移矩阵，对source点云进行旋转平移到target点云上，根据设置的阈值进行判断，如果不满足阈值要求就重复以上过程继续计算，最终达到最大迭代次数或者满足设定的均方差阈值才能停止迭代。
采用传统的ICP点云配准算法得出的大型筒体配准结果如图2所示（图中竖直的筒体为理想点云模型，倾斜角度大的筒体为重构点云模型，倾斜角度小的筒体为采用传统ICP点云配准算法配准后的点云模型），配准精度为：；对应的位置差值矩阵为：
本发明采用的基于双向KD-tree的ICP算法，适用于配准数据量大的点云模型，且配准精度相比传统的IPC点云配准算法大幅提升。
采用基于双向KD-tree的ICP算法得出的大型筒体配准结果如图3所示（图中竖直的筒体为理想点云模型，倾斜角度大的筒体为重构点云模型，与竖直的筒体基本重合的筒体为采用双向KD-tree的点云配准算法配准后的点云模型，在图中基本重合，难以分辨），配准精度为：；对应的位置差值矩阵为：
位置差值矩阵是一个由一个的旋转矩阵和一个/>的平移向量组成的矩阵，可表示为：
其中，是/>的旋转矩阵的元素，分别表示物体绕X、Y、Z轴旋转的角度。/>是平移向量的元素，表示物体在X、Y、Z方向上的位移。
故位置差值矩阵中即为待加工筒体在坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数；将坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数转换为电机进给量的方法为现有技术，再此不做赘述。
由此可知，传统的ICP点云配准算法精度为，基于双向KD-tree的ICP算法精度为/>，精度提升1倍；基于双向KD-tree的ICP算法适用于配准数据量大的点云模型，且配准精度大幅提升。
本实施例中，还对应设置有目标点和与其对应的配准点之间的距离阈值，若目标点与配准点之间的欧式距离小于等于距离阈值时，保留该组配准后的点；若目标点与配准点之间的欧式距离大于距离阈值时，则将该目标点作为噪声点剔除。
根据基于双向KD-tree的ICP算法和距离阈值的设置，可快速剔除配准精度低的点，保留配准精度高的点。
本实施例中，通过构建待加工筒体调姿的数字孪生系统，实现大型筒体调姿的可视化，达到实时监测大型筒体的位姿，实时读写PLC寄存器地址得到调姿伺服电机3的进给量，将物理实体的运动位移映射给重构点云模型，实现物理实体与重构点云模型的虚实映射，在可视化界面精确反应大型筒体实时位姿，监测筒体的位姿是否满足加工需求。
待加工筒体的物理实体1的移动通过PLC控制调姿伺服电机3的进给量实现，调姿伺服电机3设置在待加工筒体的底部，包括控制待加工筒体沿X、Y轴方向移动的伺服电机和控制待加工筒体沿Z轴方向移动的伺服电机。在Unity客户端中通过读写PLC寄存器地址就可以做到控制待加工筒体的物理实体1的运动，在Unity中如果直接引入读写串口的命名空间，会涉及到复杂的进制转换，因此选择在Unity中使用Nmodbus库函数来利用串口对寄存器进行读写。NModbus是用C#编写的Modbus通信协议库，它支持的Modbus协议包括ModbusRTU、ASCII、TCP和UDP，可用于编程读写Modbus设备的寄存器。在Unity软件中通过借助Nmodbus库函数读写控制待加工筒体的物理实体1移动的调姿伺服电机3的寄存器地址，进而实现待加工筒体的物理实体1和重构点云模型的虚实交互。读写寄存器时所产生的数据，同样也可用于控制Unity中的重构点云模型。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明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发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：采集待加工工位上筒体的点云数据，构建待加工筒体的重构点云模型；
S2：根据待加工筒体理想加工状态下的位姿数据，构建待加工筒体的理想点云模型；
S3：通过基于双向KD-tree的ICP算法，获取待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型间的位置差值矩阵；
S4：由位置差值矩阵得到待加工筒体在坐标轴X、Y、Z方向的三轴调整参数，控制调姿伺服电机（3）进行待加工筒体的位姿调整；
S5：构建待加工筒体调姿的数字孪生系统，将待加工筒体的物理实体（1）的实时位姿变化映射给待加工筒体的重构点云模型；
S6：待数字孪生系统中待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型完全重合后；再次采集待加工筒体的点云数据进行校核，保证待加工筒体的位姿在误差要求范围内。
2.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于：基于双向KD-tree的ICP算法包括下述步骤：
S31：分别构建待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型上的点集合的KD-tree；
S32：选取重构点云模型上的任意一点P作为目标点，通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的理想点云模型上距离点P的最近点Q；
S33：通过基于双向KD-tree的ICP算法搜索待加工筒体的重构点云模型上距离点Q的最近点，若距离点Q的最近点为点P，则点Q作为点P的配准点；若距离点Q的最近点为除点P以外的其他点，则将重构点云模型上的点P作为噪声点剔除；
S34：选取重构点云模型上除P以外的任意一点作为目标点，根据步骤S32、S33中的方法，选取该点在理想点云模型上的配准点；
S35：遍历重构点云模型上的所有点，获取在理想点云模型上对应的配准点，实现待加工筒体的重构点云模型和理想点云模型的配准，进而获取两者的位置差值矩阵。
3.根据权利要求2所述的一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于：设置目标点和与其对应的配准点之间的距离阈值，若目标点与配准点之间的欧式距离小于等于距离阈值时，保留该组配准后的点；若目标点与配准点之间的欧式距离大于距离阈值时，则将该目标点作为噪声点剔除。
4.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于：待加工筒体的物理实体（1）的移动通过PLC控制调姿伺服电机（3）的进给量实现；在Unity软件中通过借助Nmodbus库函数读写控制待加工筒体的物理实体（1）移动的调姿伺服电机（3）的寄存器地址，进而实现待加工筒体的物理实体（1）和重构点云模型的虚实交互。
5.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于：调姿伺服电机（3）设置在待加工筒体的底部，包括控制待加工筒体沿X、Y轴方向移动的伺服电机和控制待加工筒体沿Z轴方向移动的伺服电机。
6.根据权利要求1所述的一种基于数字孪生的大型筒体最优加工位姿调整方法，其特征在于：通过设置在待加工筒体的物理实体（1）内的点云扫描仪（2）在水平面的旋转和竖直面的平移完成筒体内表面点云数据的采集，根据采集的数据进行点云重构，得到待加工筒体的重构点云模型。
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