一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法和装置，方法包括以下步骤：对待测工件表面预处理，标记工件断面轮廓线上被测量目标点，确定激光扫描仪和被测量目标点的位置坐标；采用激光扫描仪自动扫描和数据采集，并进行靶点校准；采用最小二乘法进行数据边界的拟合和数据拼接，并进行二次处理，得到测量目标表面完整的三维坐标信息；根据需求代入剖切参数，对所有坐标散点进行分割并采用KNN

【技术实现步骤摘要】
一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法和装置


[0001]本专利技术属于异性工件测量
，具体涉及一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法和装置。

技术介绍

[0002]产品结构件加工后，产品外形尺寸检测的传统方法通常为手工测量，对于规则形态的结构件，手工测量基本能满足测量精度要求，但对于异形构件，由于表面形态的不规则，手动测量常常不能实现准确的测量目的，甚至由于结构的特殊导致测量工具的不可达而无法进行测量，从而导致加工精度的不可验证，为以后的应用造成隐患。
[0003]因此，准确高效的实现该类异形构件的测量，实现产品质量的可测可控，提高产品可靠性，是很多企业面临的问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术针对上述缺陷，提供一种利用最小二乘法进行数据拟合和数据拼接，并且在数据拟合和数据拼接前采用构建数据拟合的拟合球体的模型的三点是否为边界三角形的判断方法进行噪音数据剔除，进而提高了数据分析的准确度，并通过靶点校准，进一步提高了最终的数据分析的精确度的异形工件断面轮廓线提取和分析方法和装置。
[0005]本专利技术提供如下技术方案：一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，包括以下步骤：
[0006]S1：对待测工件表面预处理，对反射较强的镜面材质可做适当喷涂处理，以减少噪点的输出，标记工件断面轮廓线上被测量目标点，确定激光扫描仪的位置坐标(x0,y0,z0)和所述被测量目标点的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)，所述工件断面轮廓线上有n个被测量目标点，i＝1,2,
…
,n；
[0007]S2：采用所述激光扫描仪从多个角度对所述待测量工件的进行自动扫描和数据采集，获取所述工件断面表面的n个被测量目标点的三维散点数据，以及从N个角度采集的所述工件断面表面的n个被测量目标点形成的N个点云片段，对得到的n个被测量目标点的三维散点数据进行靶点校准；
[0008]S3：采用最小二乘法对所述S2步骤进行过靶点校准后的n个被测量目标点的三维散点数据形成的N个点云片段进行数据边界的拟合和数据拼接，并进行二次处理对数据中的噪点进行滤除和抽稀，得到测量目标表面完整的三维坐标信息；
[0009]S4：根据需求代入剖切参数，对所有坐标散点进行分割，得到所关注断面位置的截面轮廓散点数据集并进行断面点云数据存储；
[0010]S5：但此时的散点数据由于密度大、存储无规则，还不能直接用来进行轮廓线提取，需要进一步的处理，采用KNN
‑
D算法降低数据密度，计算最优断面路径，提取断面轮廓线序节点坐标；
[0011]S6：输出断面统计特征参数，并进一步输出断面轮廓线。
[0012]进一步地，所述S2步骤中对所述待测量工件进行自动扫描和数据采集过程中，沿扫描仪环绕轨道和扫描仪垂直运动轴立杆进行三维立体空间的工件断面轮廓线上被测量目标点的数据采集。
[0013]进一步地，所述S3步骤中进行数据边界的拟合和数据拼接所采用的最小二乘法包括以下步骤：
[0014]S31：采用所述被测量目标点的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)构建被测量目标点所组成的拟合球体，并计算被测量目标点距离所述拟合球体球心的距离平方差计算模型f：
[0015]f＝∑((x
i
‑
A)2+(y
i
‑
B)2+(z
i
‑
C)2‑
R2)2；
[0016]其中，A、B和C分别为所述拟合球体的球心的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标，R为拟合球体的半径；
[0017]S32：通过参数代换，构建所述S31构建得到的距离平方差计算模型f的最小化的所述拟合球体的球心坐标(A,B,C)和半径R的计算模型Q：
[0018]Q(a，b，c，d)＝∑(x
i2
+y
i2
+z
i2
+ax
i
+by
i
+cz
i
+d)2；
[0019]其中，a、b、c为拟合球体中心截面圆上的任意三点形成的三角形边长，d为拟合球体中心截面圆上的任意三点形成的三角形中心与球体上的第四点之间的连线长；
[0020]对所述计算模型Q进行二阶导数求解，求解所述拟合球体的参数a、b、c和d，通过所述拟合球体的参数a、b、c和d计算所述球心坐标中的A,B,C和半径R；
[0021]S33：根据所述S32计算得到具有球心坐标(A,B,C)和半径R的拟合球体将所述S2步骤进行过靶点校准后的n个被测量目标点的三维散点数据形成的N个点云片段有效数据边界的拟合和数据拼接。
[0022]进一步地，所述S32步骤中对所述计算模型Q进行二阶导数求解的计算公式如下：
[0023][0024][0025][0026][0027]通过将而且导数求解的计算公式转化为矩阵，得到所述拟合球体的参数a、b、c和d组成的参数矩阵[a b c d]T
：
[0028][0029]进一步地，根据计算得到的所述拟合球体的参数a、b、c和d，计算拟合球体中的球心坐标中的A,B,C和半径R的公式为：
[0030]A＝
‑
a/2，B＝
‑
b/2，C＝
‑
c/2，
[0031]进一步地，在所述S3步骤中采用最小二乘法进行数据边界的拟合和数据拼接之前，对构建被测量目标点所组成的拟合球体的边界端点组成的是否为边界三角形进行判断的方法，包括以下步骤：
[0032]M1：采用具有参数a、b、c和d构成的所述拟合球体中心截面圆上的任意三点所组成的具有半径为r的最小外接空圆的三角形，计算所述三角形的边长l和半周长s：
[0033][0034][0035]其中，(x1,y1,z1)和(x2,y2,z2)为组成所述三角形中的任意两点的三维坐标；
[0036]M2：采用Heron公式计算拟合球体中心截面圆上的任意三点形成的三角形面积S：
[0037][0038]M3：根据所述M2步骤计算得到的三角形面积S可以得到三角形最小外接空圆的半径r：
[0039][0040]M4：根据所述M3步骤计算得到的半径r和判断指数α的倒数的关系，判断具有参数a、b、c和d构成的所述拟合球体中心截面圆上的任意三点所组成的三角形是否为边界三角形，若r＜1/α，则为边界三角形，进行数据边界的拟合和数据拼接；若r＞1/α，则不是边界三角形，不进行数据边界的拟合和数据拼接；所述判断指数α满足如下条件：1/α≥2
×
l
×3‑
l/2
。
[0041]进一步地，所述S1步骤中激光扫描仪的位置坐标(x0,y0,z0)计算公式如下：
[0042]x0＝W
×
cosθ
[0043]x本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：对待测工件表面预处理，对反射较强的镜面材质可做适当喷涂处理，标记工件断面轮廓线上被测量目标点，确定激光扫描仪的位置坐标(x0,y0,z0)和所述被测量目标点的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)，所述工件断面轮廓线上有n个被测量目标点，i＝1,2,
…
,n；S2：采用所述激光扫描仪从多个角度对所述待测量工件的进行自动扫描和数据采集，获取所述工件断面表面的n个被测量目标点的三维散点数据，以及从N个角度采集的所述工件断面表面的n个被测量目标点形成的N个点云片段，对得到的n个被测量目标点的三维散点数据进行靶点校准；S3：采用最小二乘法对所述S2步骤进行过靶点校准后的n个被测量目标点的三维散点数据形成的N个点云片段进行数据边界的拟合和数据拼接，并进行二次处理对数据中的噪点进行滤除和抽稀，得到测量目标表面完整的三维坐标信息；S4：根据需求代入剖切参数，对所有坐标散点进行分割，得到所关注断面位置的截面轮廓散点数据集并进行断面点云数据存储；S5：但此时的散点数据由于密度大、存储无规则，还不能直接用来进行轮廓线提取，需要进一步的处理，采用KNN
‑
D算法降低数据密度，计算最优断面路径，提取断面轮廓线序节点坐标；S6：输出断面统计特征参数，并进一步输出断面轮廓线。2.根据权利要求1所述的一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，其特征在于，所述S2步骤中对所述待测量工件进行自动扫描和数据采集过程中，沿扫描仪环绕轨道和扫描仪垂直运动轴立杆进行三维立体空间的工件断面轮廓线上被测量目标点的数据采集。3.根据权利要求1所述的一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，其特征在于，所述S3步骤中进行数据边界的拟合和数据拼接所采用的最小二乘法包括以下步骤：S31：采用所述被测量目标点的位置坐标(x
i
,y
i
,z
i
)构建被测量目标点所组成的拟合球体，并计算被测量目标点距离所述拟合球体球心的距离平方差计算模型f：f＝∑((x
i
‑
A)2+(y
i
‑
B)2+(z
i
‑
C)2‑
R2)2；其中，A、B和C分别为所述拟合球体的球心的x轴坐标、y轴坐标和z轴坐标，R为拟合球体的半径；S32：通过参数代换，构建所述S31构建得到的距离平方差计算模型f的最小化的所述拟合球体的球心坐标(A,B,C)和半径R的计算模型Q：Q(a，b,c，d)＝∑(x
i2
+y
i2
+z
i2
+ax
i
+by
i
+cz
i
+d)2；其中，a、b、c为拟合球体中心截面圆上的任意三点形成的三角形边长，d为拟合球体中心截面圆上的任意三点形成的三角形中心与球体上的第四点之间的连线长；对所述计算模型Q进行二阶导数求解，求解所述拟合球体的参数a、b、c和d，通过所述拟合球体的参数a、b、c和d计算所述球心坐标中的A,B,C和半径R；S33：根据所述S32计算得到具有球心坐标(A,B,C)和半径R的拟合球体将所述S2步骤进行过靶点校准后的n个被测量目标点的三维散点数据形成的N个点云片段有效数据边界的拟合和数据拼接。4.根据权利要求3所述的一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，其特征在于，所述S32步骤中对所述计算模型Q进行二阶导数求解的计算公式如下：
通过将而且导数求解的计算公式转化为矩阵，得到所述拟合球体的参数a、b、c和d组成的参数矩阵[a b c d]
T
：5.根据权利要求4所述的一种异形工件断面轮廓线提取和分析方法，其特征在于，根据计算得到的所述拟合球体的参数a、b、c和d，计算拟合球体中的球心坐标中的A,B,C和半径R的公式为：A＝
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：吕冰冰，周天，罗伟，何畅，
申请(专利权)人：湖南国天电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：