一種基于截面線分析的點云與幾何數模對齊方法技術

本發明專利技術為一種基于截面線分析的點云與幾何模型對齊方法。首先把點云和幾何模型初步對齊；然后，在幾何模型上確定定位點的位置，并確定至少３條截面線，這些截面線用于修正點云中定位點的位置。然后，在點云中取截面線，通過比例關系或特征關系，確定出定位點的修正量。判斷修正后定位點與幾何模型定位點的差值，如果相差比較大，采用修正后的三個定位點，根據三點定位原理，對點云進行平移和旋轉。對旋轉和平移后再次取截面線，修正定位點，判斷正后定位點與幾何模型定位點的差值，直到差值很小為止。采用這種方法，可使點云數據和幾何模型按特定的要求對齊。該發明專利技術在沖壓零件回彈分析等方面有一定應用價值。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一套薄板沖壓成型領域。具體為一種基于截面線分析的點云與 幾何數模對齊方法。
技術介紹
汽車車身上主要是薄板沖壓件。為了提高車身的安全性，減少車身重量， 在汽車車身零件上采用越來越多高強度鋼，而高強度鋼的沖壓回彈問題特別突 出。所謂回彈，是指零件從沖壓模具退出時，沖壓件中彈性應力的釋放，造成 零件的變形。回彈后的零件與模具的幾何型面不再吻合，如果按照零件幾何模 型加工型面，回彈導致沖壓后零件的尺寸精度達不到設計尺寸要求。為了克服回彈問題，需要準確知道各個部位的回彈量，在對應部位修改型 面，這樣使回彈后的零件剛好達到設計尺寸要求。有限元分析軟件對回彈的模 擬精度還達不到工程應用階段，它可以減少回彈誤差，但很難消除回彈誤差。 實際工廠一般先在采用樣模制造出合格零件后，在制作樣模前，有限元分析軟件對回彈的模擬，可用于模具型面的初步回彈補償；然后做實際模具。所謂樣 模，也稱為"軟模"， 一般采用比較廉價的材料制作；用高強度鋼實際生成模具， 對模具材料有很高要求，材料的價格高，并且加工性能差一些。做軟模主要是為了避免高強度鋼板料的回彈誤差。激光或白光掃描技術在 模具公司中普遍采用。通過掃描零件，可得到零件的點云數據。通過點云模型 與零件幾何模型的位置對上，可分析零件的幾何精度，分析零件的回彈部位和 回彈量，從而有針對性的對模具型面進行修改，補償零件回彈。以上分析的前 提是點云數據和幾何模型能準確的對齊，點云與數模的準確對齊是一個比較棘手的問題。一些商業點云處理軟件中采用最小平方法對齊點云和幾何數模，也就是使 點云與幾何數模的平均誤差最小，由于零件回彈后的幾何位置與幾何模型是有 差別的，某些部位的回彈量很小，不需要補償，采用上面定位方式可能導致零 件在這些部位也需要進行回彈補償。三點定位原理是本專利技術的基礎。所謂三點定位原理，是指兩個坐標系中， 有不共線的三點在兩個不同坐標系的位置是對應并且坐標位置已知，通過這三 個點可以確定坐標平移和旋轉矩陣。通過坐標平移和旋轉矩陣，可以把一個坐 標系里的模型，平移和旋轉到另一坐標系中去。零件幾何數模坐標系與零件掃 描點云所在坐標系一般不重合，零件幾何模型坐標系中三點是任意選取的，但 這三點在零件掃描點云所在坐標系的位置很難確定，導致點云數據和幾何模型很難準確對齊。本專利技術提出一種點云與數模對應的新方法。該方法通過在初步對齊的點云上取3條截面線，在這3條截面線上有3個定位點。通過3個定位點的準確查 找和修正，可得到準確的3個點。通過點云中的3個定位點，如果與數模上三 個點的對應關系，可以準確的把點云數據和幾何模型對應起來。該方法可精確 對齊點云數據和幾何數模，是沖壓模具型面回彈補償的基礎，在工業上有廣泛 的應用價值。
技術實現思路
本專利技術是一種點云與數模對應的方法，該方法實施的步驟如圖l所示。 (1)首先使點云數據與幾何模型初步對齊。 一般情況下，測量時會指定3 點作為定位基準。由于測量系統誤差，即使有3點定位基準，點云和數模難以 準確對上。如果沒有3點，可在模型中選擇3點，在點云中對應位置選3點由于點云測量誤差，以及這3點選擇的人為誤差，這3點是不準確的。通過3 點定位原理，可把點云和幾何模型初步對齊。(2)在模型和點云中取截面線，更新3個定位點。初步對齊后，需要在數模和點云模型中取3條截面線。截面線的取法見圖2 所示。因為3維比較難以表示，這里采用二維圖來表示，其中，截面線S1和S2 基本上與XZ平面平行，可允許一定角度。截面線S3基本上與YZ平面平行，可 允許一定角度。以上允許角度建議在15度以內。這里3個定位點位P1，P2，P3， 其中，Pl是截面線Sl和S3的交點，P2是截面線S2和S3的交點。P3是截面線 Sl上的點，在S1上有特定的位置。在點云中的3個定位點，分別用Pl' ， P2' ， P3'表示，與幾何模型中3個定位 點Pl， P2， P3對應。Pl' ， P2' ， P3'點在點云中開始是3條直線的交點，但這些點 同幾何模型上的3點是不對應的，需要修正。本專利技術的關鍵點是如何通過3條 截面線，修正P1'，P2'，P3，的坐標。該專利技術的基本原理是幾何三角形中的平行底 面的交線滿足的比例原理，如圖3所示。如果三角形的邊BC與X軸平行，那么 F點的坐標Y值與E點坐標的Y值是對應的。實際在點云中所取的截面線， 一般與其理想位置有一定差值，如圖4所示。 按照圖3中的比例關系，可以求出定位點在點云截面線上的位置，如圖4中黑 點所示，在幾何模型中該點的位置用空心圓點表示。盡管黑點中的Y值坐標與 空心圓點的Y值坐標有差別，但黑點中的X值坐標與空心圓點的X值坐標非常 接近。通過該截面線可確定出X值的坐標。同理，也可確定出Y軸和Z軸的近 似坐標。上面原理實際上是用兩個點的坐標值，來修正點云中定位點的位置。選點 Pl說明其修正過程。在點云中，P1在截面S1上的點為S1P1， P1在截面S3上的點為S3P1，如圖5所示。按比例關系確定點S3P1和S1P1的位置。在圖5中，A， B， Pl是幾何模型上 3點，A' ， B' ， S1P1是點云截面線Sl上的3點，S1P1的X坐標可通過下面公式計算<formula>formula see original document page 6</formula>上面表達式中只有S1P1(X)是未知的，因而可求解。A' (X)，B' (X)是點云中該底面的邊緣點，找到這些邊緣需要一些已有的技術，比如通過曲率分析，找到底面的邊緣部位。該分析見圖6所示。在點云中取截面線有比較成熟的技術，通過選擇截面上的點加以擬合，就可以得到截面線。同理，對點S3P1的Y坐標，可用下面表達式計算。<formula>formula see original document page 6</formula>以上的S3P1，S1P1如果取在某些特征點上，比如孔或凸臺的圓心，或直線 中點，不用上面的公式，也可確定出點S3P1，S1P1的位置。定位點的位置實際上是根據兩個點的相對位置處理的，如圖7所示。根據 這兩個坐標的分量，點云定位點P1'的坐標為<formula>formula see original document page 6</formula>同理，截面S2上有點S2P2，截面S3上有點S3P2， P2'的坐標為<formula>formula see original document page 6</formula>P2'(Z) = S2P2(Z):S3P2(Z) (8) 在截面Sl上有點S1P3， P3'的坐標與S1P3的坐標相同5 P3'的坐標為P3' (X)二S1P3(X) (9) P3， (Y)=S1P3(Y) (10) P3， (Z)二S1P3(Z) (11) 根據3點定位原理，第3點只需要與第1點和第2點在同一個平面就可， 該點的坐標不需要采用兩條截面線來確定。當然，也可增加一條截面線，來準 確確定該點位置。(3)求出P1'，P2'，P3'的坐標后，判定其是否需要旋轉和平移。 如果Pl' ， P2' ， P3'的坐標同Pl， P2，本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于截面線分析的點云與幾何數模對齊方法，其特征在于：測量時指定３點作為定位基準，如果沒有３點，可在模型中選擇３點，在點云中對應位置選３點，使點云數據和幾何模型對齊起來。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：劉迪輝，李光耀，崔向陽，鄭剛，干年妃，
申請(專利權)人：湖南大學，
類型：發明
國別省市：43[中國|湖南]