一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法技术

本发明专利技术提出一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，特别涉及一种电气安全标准中用于考核非金属材料耐热性的球压试验压痕尺寸测量方法，方法包括：1)使用三维激光扫描仪扫描压痕样品表面，获取压痕样品表面三维点云坐标数据；2)对点云数据进行预处理；3)用基于三角网格参数化的B样条曲面拟合方法重建压痕曲面；4)剖切压痕曲面，获取压痕特征曲线；5)测量压痕直径。本发明专利技术方法可准确区分过渡压痕区与真实压痕区，精确测量压痕尺寸，测量精度高；采集得到待测压痕样品的点云数据后，通过算法自动完成后续的测量过程，测量速度快，操作简便；根据重建的压痕曲面形貌或压痕特征曲线的形态还可判断压痕形成过程中是否发生载荷偏压。

【技术实现步骤摘要】
一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法
本专利技术涉及一种压痕尺寸测量方法，特别涉及一种在电气安全标准中用于考核非金属材料耐热性的球压试验压痕尺寸测量方法。
技术介绍
高温会对非金属材料的电气性能、机械强度和硬度造成影响。特别是温度升高到一等程度后，一些非金属材料的特性会发生本质的变化，如高温状态下或温度急骤变化时会熔融或逐渐变软、机械强度急速下降、绝缘电阻降低。在电子、电气设备中，对于受热损伤后可能影响设备安全的外壳部件、其他外部绝缘部件、支撑带危险电压的绝缘材料应充分耐热，否则高温容易导致设备的失效，严重时可造成短路、引起火灾、触电等事故。球压试验是常见的测试电子、电气产品中非金属材料耐热性的方法之一，是电子、电气产品相关安全标准中考核产品安全性的重要内容，GB4706.1《家用和类似用途电器的安全第一部分：通用要求》第30.1条规定“对于非金属材料制成的外部零件、用来支撑带电部件(包括连接)的绝缘材料零件以及提供附加绝缘或加强绝缘的热塑材料零件，其恶化可能导致器具不符合标准要求，应充分耐热”。GB2099.1《家用和类似用途电器插头插座》等标准中也作了类似规定。国标中对球压试验的要求及非金属材料耐热性的判断方法做出了明确规定：将球压试验装置和样品支架一并放入加热箱，加热到标准规定的温度后将试验样品放置在样品支座上大约中心位置处，再将压力球放置在样品中心位置处并在规定时间内施加一个20N±0.2N的向下作用力，然后从样品上移去压力球，在10s内将试验样品浸入温度为20℃±5℃水中并保持6min±2min时间后，从水中取出试验样品，在之后的3min内去除水分并测量压痕尺寸d，如果直径d不超过2.0mm，则绝缘材料的耐热性符合国家标准。国标中所定义的压痕直径d是指球压试验中压球与样品相接触区域的最大直径。球压试验所形成的压痕形变区域可以分为真实压痕区与过渡压痕区两个部分，其中与压球相接触的部分为真实压痕区，未与压球接触但发生形变的区域为过渡压痕区。国标中明确规定了获取压痕的方法与步骤，但并没有给出压痕直径测量的具体方法。目前检验单位测量压痕直径主要有三种方法：投影法、切割法及显微镜测量法。但压痕尺寸小，切割法很难准确的沿着中心线对压痕进行切割且切割过程容易破坏压痕样品。而投影或者显微镜测量法，又存在步骤繁琐、真实压痕区与过渡压痕区无法精确识别，检测人员主观影响大等问题。长期以来，球压试验中压痕测量结果的准确性和客观性一直是困扰质检人员的一大问题。中国专利CN201773041U公布了一种球压实验压痕尺寸测量装置，设有照明装置、光学信息变换系统2CCD摄像机、图像采集卡、白动调焦载物台和计算机。该专利所述装置使用光学信息变换的方法测量压痕形貌，但光学信息变换系统对各镜片装配精度要求高，微小的装配误差可能导致测量结果较大的误差，且该专利没有给出测量装置的标定方法，测量装置不易标定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术之不足，提出一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，通过获取压痕样品表面三维点云坐标数据、对点云数据进行预处理、用基于三角网格参数化的B样条曲面拟合方法重建压痕曲面和剖切压痕曲面获取压痕特征曲线，测得压痕直径，本专利技术方法可准确、快速测量压痕尺寸。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，包括：步骤1，使用三维激光扫描设备扫描压痕样品表面，获取压痕样品表面的三维点云数据；步骤2，对点云数据进行预处理，包括：建立点云数据拓扑关系；降低点云噪声；精简点云数据；步骤3，用基于三角网格参数化的B样条曲面拟合方法重建压痕曲面，包括：3.1)三角网格化离散点云数据，形成一张三角网格曲面；3.2)对三角网格进行光顺处理，匀化三角片，避免狭长的三角片影响曲面重建；3.3)采用三角网格参数化方法得到三角控制网格；3.4)将三角控制网格重新参数化得到四边形控制网格；3.5)对四边形控制网格进行B样条曲面拟合，重建压痕曲面；步骤4，剖切压痕曲面，获取压痕特征曲线，包括：4.1)横向剖切压痕样品，得到压痕横向剖面；4.2)获取压痕横向剖面的边缘点坐标，通过Hough圆变换，确定压痕横向剖面的圆心坐标，过压痕横向剖面圆心作压痕中心线；4.3)过压痕中心线作切割平面纵向剖切压痕样品，得到压痕的纵向剖面，获取压痕特征曲线L1；4.4)以压痕中心线为轴将纵向切割平面分别顺时针旋转120°及240°纵向剖切压痕样品，获取纵向切割平面旋转120°及240°对应的特征曲线L2、L3；步骤5，测量压痕直径，包括：5.1)确定压痕特征曲线L1的中心，并通过Hough圆变换计算压球中心位置；5.2)计算压痕特征曲线上各点至压球中心的距离，根据距离的变化情况准确识别真实压痕区与过渡压痕区的分界点；5.3)计算真实压痕曲线与过渡压痕曲线分界点之间的直线距离，得到压痕直径的一个测量值d1；5.4)根据步骤4.4)获取的特征曲线L2、L3，分别得到纵向切割平面旋转120°对应的压痕直径的测量值d2及旋转240°对应的压痕直径的测量值d3，最后取压痕直径测量值的平均值d＝(d1+d2+d3)/3作为测量结果。进一步的，步骤2中所述建立点云数据拓扑关系的方法为：采用基于点云数据空间划分的K邻域搜索方法。进一步的，步骤2中所述降低点云噪声的方法为：根据所建立的K邻域拓扑关系，使用中值滤波算法对点云进行降噪处理。进一步的，步骤2中所述精简点云数据采用基于曲率的精简算法精简点云数据，包括：a)拟合每个点的K邻域的最小二乘切平面计算各点的法向量；b)调整全局法向量，使所有的法向量均指向待重建曲面的同一侧；c)以法向量方向为局部坐标系z方向，通过最小二乘法，将每个点Xi的K邻域拟合一张抛物面，并用抛物面在该点处的曲率作为该点曲率的估算结果；d)根据每个点的曲率及点云数据的平均曲率精简点云数据。进一步的，步骤3.2)中对点云数据的三角网格进行光顺处理采用基于拉普拉斯变换的光顺算法。进一步的，步骤3.3)中所述采用三角网格参数化方法得到三角控制网格，包括：采用基于变形能量优化的三角网格参数化方法，将三角网格中的每条边均当作一个弹簧，先将三角网格的边界映射到预先定义好的多边形上，然后通过最小化三角网格的弹性势能来参数化内部空间点，得到三角控制网格。进一步的，步骤3.4)中所述将三角控制网格重新参数化得到四边形控制网格，包括：将三角控制网格中的三角曲面片进行组合，两两结合成四边形曲面片，从而得到B-样条拟合所需要的四边形控制网格。进一步的，步骤3.5)中所述对四边形控制网格进行B样条曲面拟合，包括：采用张量积型的双二次和双三次B-样条进行拟合，在拟合的过程中采用距离函数来控制拟合误差。本专利技术具有如下有益效果：(1)测量精度高，可准确区分过渡压痕区与真实压痕区，正确识别过渡压痕区与真实压痕区的分界点，精确测量压痕尺寸；(2)测量过程操作简单，测量速度快；将本专利技术所述方法编程实现，使用三维激光扫描仪采集得到待测压痕样品的点云数据后，使用程序便可自动完成压痕直径的测量；(3)根据重建的压痕曲面形貌或压痕特征曲线的形态可判断压痕形成过程中是否发生载荷偏压，并进一步判断球压试验所获取的压痕是否符合国标要求。以下结合本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，其特点在于，包括：步骤1，使用三维激光扫描设备扫描压痕样品表面，获取压痕样品表面的三维点云数据；步骤2，对点云数据进行预处理，包括：建立点云数据拓扑关系；降低点云噪声；精简点云数据；步骤3，用基于三角网格参数化的B样条曲面拟合方法重建压痕曲面，包括：3.1)三角网格化离散点云数据，形成一张三角网格曲面；3.2)对三角网格进行光顺处理，匀化三角片，避免狭长的三角片影响曲面重建；3.3)采用三角网格参数化方法得到三角控制网格；3.4)将三角控制网格重新参数化得到四边形控制网格；3.5)对四边形控制网格进行B样条曲面拟合，重建压痕曲面；步骤4，剖切压痕曲面，获取压痕特征曲线，包括：4.1)横向剖切压痕样品，得到压痕横向剖面；4.2)获取压痕横向剖面的边缘点坐标，通过Hough圆变换，确定压痕横向剖面的圆心坐标，过压痕横向剖面圆心作压痕中心线；4.3)过压痕中心线作切割平面纵向剖切压痕样品，得到压痕的纵向剖面，获取压痕特征曲线L

【技术特征摘要】
1.一种基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，其特点在于，包括：步骤1，使用三维激光扫描设备扫描压痕样品表面，获取压痕样品表面的三维点云数据；步骤2，对点云数据进行预处理，包括：建立点云数据拓扑关系；降低点云噪声；精简点云数据；步骤3，用基于三角网格参数化的B样条曲面拟合方法重建压痕曲面，包括：3.1)三角网格化离散点云数据，形成一张三角网格曲面；3.2)对三角网格进行光顺处理，匀化三角片，避免狭长的三角片影响曲面重建；3.3)采用三角网格参数化方法得到三角控制网格；3.4)将三角控制网格重新参数化得到四边形控制网格；3.5)对四边形控制网格进行B样条曲面拟合，重建压痕曲面；步骤4，剖切压痕曲面，获取压痕特征曲线，包括：4.1)横向剖切压痕样品，得到压痕横向剖面；4.2)获取压痕横向剖面的边缘点坐标，通过Hough圆变换，确定压痕横向剖面的圆心坐标，过压痕横向剖面圆心作压痕中心线；4.3)过压痕中心线作切割平面纵向剖切压痕样品，得到压痕的纵向剖面，获取压痕特征曲线L1；4.4)以压痕中心线为轴将纵向切割平面分别顺时针旋转120°及240°纵向剖切压痕样品，获取纵向切割平面旋转120°及240°对应的特征曲线L2、L3；步骤5，测量压痕直径，包括：5.1)确定压痕特征曲线L1的中心，并通过Hough圆变换计算压球中心位置；5.2)计算压痕特征曲线上各点至压球中心的距离，根据距离的变化情况准确识别真实压痕区与过渡压痕区的分界点；5.3)计算真实压痕曲线与过渡压痕曲线分界点之间的直线距离，得到压痕直径的一个测量值d1；5.4)根据步骤4.4)获取的特征曲线L2、L3，分别得到纵向切割平面旋转120°对应的压痕直径的测量值d2及旋转240°对应的压痕直径的测量值d3，最后取压痕直径测量值的平均值d＝(d1+d2+d3)/3作为测量结果。2.如权利要求1所述的基于逆向工程的球压试验压痕尺寸测量方法，其特征在于，步骤2中所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张陈涛，张建寰，李姗文，林坤，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：福建,35