【技術實現步驟摘要】
本專利技術涉及一種零件生產質量檢測方法，具體涉及三維點云數據采集和處理領域，尤其涉及光柵條紋三維掃描、點云配準、點云分割、特征擬合、點云重采樣。
技術介紹
1、在零件生產加工過程中，受制造工藝的限制，實際生產出的零件總會相對于設計模型出現一定的誤差，當零件的制造精度要求較高、或是需要根據設計模型對零件進行進一步裝配時，就有必要對實際零件進行測量和建模，為檢測工件制造精度或進行后續工藝提供尺寸和位置信息。
2、目前的虛擬裝配技術主要針對于零件的設計過程，利用零件的cad設計模型進行裝配序列和路徑的規劃，以及裝配結果的預測，不完全與實際零件的裝配過程一致；利用實體零件的三維數字化模型進行虛擬裝配的技術則多數對零件表面進行了大面積的特征擬合，丟失掉了零件表面的細節信息，導致對裝配過程的規劃和裝配結果的預測比較粗糙。這些虛擬裝配技術對實際零件裝配過程仿真度不高。
技術實現思路
1、為了虛擬裝配對實際零件裝配過程仿真度不高的問題，本專利技術公開了一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，該方法對實際零件進行光柵條紋三維掃描得到零件表面的稠密點云，并通過配準、重采樣等方法實現虛擬裝配和裝配質量檢測，包括以下步驟：
2、(1)、進行三維測量，獲取被測件的表面點云數據。
3、三維測量系統的投射器向待測零件表面投影多個亮度下的多頻相移正弦光柵條紋，每個亮度下選擇使用多個不同頻率的條紋，每個頻率下投影n幅相位相差2π/n的豎直條紋圖，每次投影時觸發三維測量系統的左、右相機
4、(2)、將零件的實測點云配準到設計模型上。
5、對cad設計模型進行采樣得到模型點云數據，然后通過協方差矩陣的三個特征向量得到模型點云和實測點云的有向包圍盒，將兩個有向包圍盒按照最多24種不同配準方式配準，計算每種配準關系下的余弦相似度
6、
7、其中rm是旋轉矩陣，和為兩片點云的單位向量和，滿足：
8、
9、式中和為兩片點云中各點的重心化坐標。余弦相似度可以表示點云在空間分布方向的相似性，兩片點云的空間分布方向越接近，余弦相似度越接近于1。選擇余弦相似度最大的一種配準方式配準得到粗配準結果，再通過點到面的迭代最近點icp方法實現實測點云與模型點云的精配準。
10、(3)、根據設計模型的位置選取截面，提取點云在截面上的輪廓點，根據輪廓信息計算零件制造偏差。
11、實現實測點云與設計模型的配準后，根據設計模型的位置選取截面，提取出實測點云中與截面的距離小于閾值的鄰近點集，并在其中建立kd-tree，對于鄰近點集中的每一個點，找到與其歐氏距離最近的5個點，用這6個點進行基于最小二乘法的局部二次曲面擬合，在擬合曲面與截面的交線上，將x坐標與6個點重心的x坐標相同的點作為點云在截面上的一個輪廓點，計算所有輪廓點到理論輪廓的距離的均方根誤差，判斷零件的制造偏差大小。
12、(4)、根據每個零件的制造偏差規劃整體偏差最小的最佳裝配序列。
13、考慮到制造偏差相差過大的兩個零件裝配在一起后會產生較大的應力，影響整體結構的穩定性和可靠性，因此選擇使相鄰零件的制造誤差均很接近的裝配序列作為整體結構裝配后應力最小的裝配序列。引入誤差函數：
14、
15、其中δi為裝配時兩個相鄰零件在各自裝配位置附近截面上的制造誤差的差，制造誤差為截面輪廓點到理論輪廓的距離的均方根誤差，遍歷零件的所有裝配序列，選擇誤差函數最小的一種作為最佳裝配序列，并通過(2)中將實測點云配準到設計模型位置的方式實現虛擬裝配。
16、(5)、對最佳裝配序列下的零件點云，提取垂直于裝配面的截面輪廓，計算零件邊界點之間的距離，輸出零件的裝配間隙。
17、在垂直于裝配面的截面上提取零件點云的輪廓點，根據設計模型提取出輪廓點中最靠近裝配面位置的5個點，計算這5個點的重心作為零件的邊界點坐標，根據兩零件各自的邊界點坐標計算裝配間隙或重疊的大小。
18、本專利技術主要利用了零件表面點云的整體和局部特征實現零件虛擬裝配和偏差檢測，自動化程度高，適用范圍廣，具有很好的穩定性和重復性，可以預測零件裝配結果并指導裝配，有效提高實際零件的裝配質量。
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1.一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于在零件實際裝配前計算裝配偏差并給出裝配指導，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(1)利用三維測量系統的投射器向待測零件表面投影多個亮度下的多頻相移正弦光柵條紋，每個亮度下選擇使用頻率不同的條紋，每個頻率下投影N幅相位相差2π/N的豎直條紋圖，每次投影時觸發三維測量系統的左、右相機拍照，通過相位解算和相位展開得到被投影零件表面的連續相位圖后，再根據雙相機之間的極線約束關系進行同名點匹配和三維重建，經過點云拼接、融合、濾波后得到被測件表面的完整點云數據。
3.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(2)首先對零件的CAD設計模型采樣得到模型點云，根據協方差矩陣的特征向量分別計算出模型點云和實測點云的有向包圍盒，計算有向包圍盒不同配準方式下的余弦相似度，選擇余弦相似度最小的配準方式進行配準，實現實測點云與模型點云的粗配準，然后利用點到面的迭代最近點ICP算法實現實測點云與模型點云的精配準。
4.根據權利要求
5.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(3)在選取截面后，提取出與截面的距離小于閾值的鄰近點集，并在其中建立kd-tree，對于鄰近點集中的每一個點，找到與其歐氏距離最近的5個點，用這6個點進行基于最小二乘法的局部二次曲面擬合，在擬合曲面與截面的交線上，將x坐標與6個點重心的x坐標相同的點作為點云在截面上的一個輪廓點，計算所有輪廓點到理論輪廓的距離的均方根誤差，判斷零件的制造偏差大小。
6.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(4)引入誤差函數：
7.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(5)在垂直于裝配面的截面上提取零件點云的輪廓點，根據設計模型提取出輪廓點中最靠近裝配面位置的幾個點，計算這些點的重心作為零件的邊界點坐標，根據兩零件各自的邊界點坐標計算裝配間隙或重疊的大小。
...【技術特征摘要】
1.一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于在零件實際裝配前計算裝配偏差并給出裝配指導，包括以下步驟：
2.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(1)利用三維測量系統的投射器向待測零件表面投影多個亮度下的多頻相移正弦光柵條紋，每個亮度下選擇使用頻率不同的條紋，每個頻率下投影n幅相位相差2π/n的豎直條紋圖，每次投影時觸發三維測量系統的左、右相機拍照，通過相位解算和相位展開得到被投影零件表面的連續相位圖后，再根據雙相機之間的極線約束關系進行同名點匹配和三維重建，經過點云拼接、融合、濾波后得到被測件表面的完整點云數據。
3.根據權利要求1所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，其特征在于：所述的(2)首先對零件的cad設計模型采樣得到模型點云，根據協方差矩陣的特征向量分別計算出模型點云和實測點云的有向包圍盒，計算有向包圍盒不同配準方式下的余弦相似度，選擇余弦相似度最小的配準方式進行配準，實現實測點云與模型點云的粗配準，然后利用點到面的迭代最近點icp算法實現實測點云與模型點云的精配準。
4.根據權利要求3所述的一種基于三維點云的零件虛擬裝配方法，...
【專利技術屬性】
技術研發人員：李旭東，趙慧潔，麻兆元，姜宏志，
申請(專利權)人：北京航空航天大學青島研究院，
類型：發明
國別省市：
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