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

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于大型构件测量路径调整
，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。

技术介绍

[0002]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。

技术实现思路

[0003]为解决上述技术问题，本专利技术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。
[0004]为实现上述目的，本专利技术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：
[0005]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；
[0006]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
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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；
[0007]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；
[0008]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；
[0009]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；
[0010]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；
[0011]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。
[0012]可选的，对所述纯净点云采用kd
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tree方法建立索引的方法包括：
[0013]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；
[0014]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；
[0015]步骤3、完成一次划分后，更换分割轴；
[0016]步骤4、重复步骤2至3，直至完成点云数据的kd
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tree索引的建立。
[0017]可选的，基于所述点云数据的kd
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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：
[0018]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
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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；
[0019]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；
[0020]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。
[0021]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：
[0022]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。
[0023]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：
[0024]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。
[0025]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：
[0026]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。
[0027]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：
[0028]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。
[0029]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。
[0030]本专利技术技术效果：本专利技术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，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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
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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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：樊伟，毛灵俊，郑联语，张学鑫，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：