[發明專利]一種基于點云數據的鑄件加工余量估計方法

有效

• 申請號: 201210210510.2
• 申請日: 2012-06-20
• 公開（公告）號: CN102798362A
• 公開（公告）日: 2012-11-28
• 發明（設計）人: 趙慧潔;李旭東;李偉;姜宏志
• 申請（專利權）人: 北京航空航天大學
• 主分類號: G01B21/00
• 分類號: G01B21/00;G06T7/00
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司 11232
• 代理人: 王順榮;唐愛華

技術領域

本發明涉及一種基于點云數據的鑄件加工余量估計方法，它是基于實測點云和工件CAD模型進行加工過程余量估計的一種方法，屬于三維點云數據處理及機械制造技術領域。

背景技術

機械加工中，毛坯件的加工余量直接影響著最終工件的表面質量、加工效率，從而影響加工成本。因此，機械加工前對毛坯件的加工余量估計就顯得非常重要。如果余量估計錯誤，甚至會導致無法完成零件加工，從而浪費加工時間。如何準確地估計加工余量，是需要解決的關鍵問題之一。

確定加工余量的常用方法之一是人工劃線，即在毛坯鑄件粗測的基礎上，由工藝員根據工件的設計尺寸，估計出毛坯鑄件在各個方向的切削量。這種方法過分依賴工藝員的經驗，受人為因素影響大，可能出現劃線錯誤導致無法完成加工；手工操作也限制了生產效率的提高。

三維形貌光學測量技術的發展，可以快速、低成本地獲取工件的三維表面點云數據。在商用三維軟件中，手動調整點云數據與工件CAD模型進行匹配，觀察測量不同方向的加工余量。這種方法可以直觀地觀察到不同方向的加工余量，可以有效避免加工失敗。但匹配過程仍需要人工調整，影響效率，且難以確保匹配結果接近最優狀態。

發明內容

本發明提出了一種基于點云數據的鑄件加工余量估計方法。通過調整實測點云數據和工件CAD模型的相對姿態實現二者的最佳匹配，并通過計算表面距離實現余量計算。與現有的余量估計方法相比，實現了余量估計的自動化，智能化，有效地預防了余量加工錯誤帶來的加工失敗。

技術方案：為了實現加工余量估計的自動化以及智能化，本發明提出了一種基于點云數據的鑄件加工余量估計方法，該方法首先讀取實測點云數據以及工件CAD模型文件，并把CAD模型轉化為點云數據方便二者的比對；接著，運用主成分分析方法將兩組點云實現初始對準；然后在初始對準的基礎上，分別提取實測點云和CAD模型點云的平面特征，基于平面特征實現精確對準；最終在精確對準的基礎上通過計算CAD模型表面法線距離實現余量估計。

本發明一種基于點云數據的鑄件加工余量估計方法，該方法具體步驟如下：

步驟一：獲得實測點云以及CAD模型點云。通過點云處理方法將CAD模型文件中相關的點云坐標以及向量信息讀取，轉化為同點云數據相同的格式，從而方便二者的比對處理。

步驟二：對實測點云以及CAD模型文件進行初始對準。分別運用主成分分析獲得兩組點云的三個主方向，并通過坐標系轉換將實測點云以及CAD模型點云映射到主方向構成的坐標系中。實現兩組點云的初始匹配。

步驟三：點云數據平面特征提取。根據平面點云的特性設計平面特征提取方法，運用平面特征提取方法對實測點云以及CAD模型點云數據中的平面特征進行提取，獲得原始點云中屬于平面的點云。

步驟四：將實測點云同CAD模型點云精確對準。以獲得的平面特征為基礎，根據平面的特性實現對應平面的匹配，在對應平面匹配的基礎上根據平面的法向、距離等相關信息進行相對位姿調整，實現兩組點云的精確對準。

步驟五：完成余量估計。根據點云精確對準的結果，以CAD模型表面點云為基準，沿著自身法向進行最近點搜索，通過計算最近點距離實現余量估計。

其中，步驟一所述的獲得實測點云以及CAD模型點云，其具體實現過程如下：測量設備進行測量后直接得到實測點云，CAD模型是以STL文件形式存儲的，STL文件主要有二進制形式以及ASCII形式，存儲了三維模型各個位置的三維點坐標以及法向量，對該信息直接讀取得到CAD模型點云。

其中，步驟二所述的對實測點云以及CAD模型文件進行初始對準，其具體實現過程如下：主成分分析法對點云數據進行處理。主成分分析通過對三維點云數據坐標矩陣的協方差矩陣進行特征值分解，由特征向量組成初始旋轉矩陣，分別將兩組點云根據初始對準矩陣轉化到標準坐標系。

其中，步驟三所述的點云數據平面特征提取，其具體實現過程如下：通過將點云進行網格劃分可以將整體的平面分割到不同的網格中，在各個網格中對網格中的點云進行平面擬合并根據點云到擬合平面的距離判斷網格中點云能否被認為是平面點云。這樣就獲得了各個網格的平面點云，接著對各個網格分析，若相鄰兩個網格的平面距離及法相差別不大，則可以合并為一個，通過逐步的合并，則能夠得到由小平面融合而成的平面。