专利名称：薄壁复杂曲面零件三维加工预处理方法
技术领域：
本发明属于复杂曲面零件加工预处理领域，特别涉及反求工程中薄壁复杂曲面零 件扫描线点云数据的预处理方法。
背景技术：
随着快速成型技术、数字化加工技术的发展，反求工程已经成为航空、航天、汽车、 船舶和模具等工业领域最重要的产品设计方法之一。反求工程的关键技术包括数据采集与 处理即数字化技术，数据预处理技术和曲面模型重建技术。反求工程的数据来源一般都是 三维点云数据，通过常用的三维数字化测量设备，如三维激光扫描仪和三坐标测量机等。对 零件表面进行三维采样，在满足采样速度和数据质量的前提下，获取零件的三维离散数据。 三维点云数据主要分为散乱点云、扫描线点云、网格化点云和多边形点云。常见的为扫描 线点云数据，其由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内。目前，在反求工程 中，铝合金蒙皮等金属或非金属材料的薄壁复杂曲面零件的应用越来越广泛。薄壁复杂曲 面零件数字化过程中，因零件表面的反射特性、几何形状和测量设备的接受角度、触点等因 素的影响，复杂曲面零件表面的局部区域无法采样，造成点云数据模型的部分残缺，产生孔 洞区域。而基于曲率特征的数字化和重采样后，点云数据将主要集中在曲面上因焊接变形、 应力、受热不均等因素引起的曲率不连续或剧烈变化的区域上，呈现出明显的疏密分布不 均勻的特点。再就是对薄壁复杂曲面点云数据进行面型重建时，研究和使用最多的方法是 B样条曲面建模。但是，B样条曲面重建过程需要矩形拓扑结构的点云数据，而数字化过程 中采集的扫描线点云数据，由于孔洞或分布不均勻区域的存在，并不能保证每条扫描线上 采集的数据点数相同。这些扫描线点云数据缺点，可能会产生以下影响一方面，对残缺的 点云数据直接进行B样条曲面重建时，会在重建的曲面上出现孔洞或不理想的区域，严重 影响建模的质量和精度；另一方面，点云数据有缺点的区域重建得到的曲面与原始曲面的 误差较大，会导致零件精密加工过程中因型面失真而过切或少切等问题，影响最终零件的 加工精度。因此，反求工程中，对薄壁复杂曲面零件点云数据中的孔洞或分布不均勻区域进 行适当的修补预处理，使点云数据不会出现大面积的缺陷区域，并形成严格的矩形拓扑结 构，是反求工程中非常关键的承上启下的一环，直接影响曲面重建成功与否以及CAD模型 的精度和质量，对薄壁复杂曲面零件的后续精密加工环节也起着关键的制约作用。现如今， 点云数据孔洞或分布不均勻修补方法的研究在国内外均取得了很大的进展，如基于神经网 络、支持向量机以及能量优化和细分，三角网格模型，网格曲面模型等的孔洞修补方法。但 其中有一些方法需要先对扫描线点云数据模型进行一定的前期处理或者对点云孔洞的边 界进行识别，实时性不强，复杂度也比较高。文献“基于神经网络的点云残缺数据修补方 法”(刘俊，何建英.机械工程师，2007( 32-34)提出了一种三维残缺数据的BP神经网 络修补方法，首先裁出小片数据，框选出残缺数据边界附近的样本点集，并加以训练，把训 练后的BP网络用于残缺区域数据点的预测，根据预测值和实际残缺值对比，完成数据的修补，具有较高的效率和精度，对于非线性、有噪声、模式特征不明确的数据都有比较好的效 果。但有不足的地方操作多，每个孔洞都要人为框选边界样本点集；修补区域点的密度与 周围不一致；点云数据规模较大时，训练速度较慢；对于一些曲率变化较大的区域，特征表 现的不够好。文献“基于支持向量机的曲面数据修补”(吴岩冰，陈中中，马胜钢，李矢.制 造技术与机床，2009(1) =126-128)提出了一种基于支持向量机的修补方法。该方法首先找 出孔洞的边界点，然后根据边界点获得模型的样本点集；其次，为了获得均勻的修补点，建 立局部坐标系，进行坐标变换，通过坐标变换后的边界点采样得到模型的输入，实现残缺点 云数据的修补，为后续的曲面构造提供完整的数据型面。该方法计算的补测数据与孔洞周 围数据具有较好的过渡连接关系，修补结果比较满意。但本方法需要先确定孔洞的边界，算 法复杂；孔洞与采样平面之间的夹角过大时容易造成采样得到的输入点与孔洞周围点云稀 疏不均，孔洞修补结果不理想；再就是支持向量机模型需要一定时间的训练，实时性和速度 不能保证。反求工程中，用三维数字化测量设备扫描薄壁复杂曲面零件，得到海量扫描线点 云数据模型，此时，点云数据不可避免的存在孔洞或分布不均勻的区域，对这些孔洞及分布 不均的区域进行及时的修补预处理，对后续B样条曲面建模以及零件的精密加工都至关重 要。
发明内容
本发明要解决的技术难题是克服现有技术的缺陷，针对薄壁复杂曲面零件的扫描 线点云数据易出现孔洞或分布不均勻区域的缺陷，提供一种扫描线点云数据的预处理方 法。本发明采用实物填充法，逐条扫描线单元进行数据修补，实现点云数据中孔洞或分布不 均勻区域的整体修补，使修补后的点云数据保持严格的矩形拓扑结构，为后续B样条曲面 建模以及零件的精密加工做准备。本发明采用的技术方案是本发明薄壁复杂曲面零件三维加工预处理方法，首先， 对薄壁复杂曲面零件进行三维数字化操作，获取表现其特征的扫描线点云数据；其次，对扫 描线点云数据进行预处理，特别针对点云数据中的孔洞或分布不均勻区域进行矩形拓扑修 补，得到具有完整结构的点云数据；最后，对修补后的点云数据进行B样条建模，指导薄壁 复杂曲面零件的后续精密加工。扫描线点云数据的预处理方法步骤如下第一步利用三维数字化测量设备，采用分层周进扫描测量方式，对薄壁复杂曲面 零件进行接触式测量，获取零件点云数据；第二步对采集到的点云数据，先利用向前一阶差分判断各扫描线点云数据的边 界，把每条扫描线上的点云数据存储到一个单元中；第三步统计各扫描线单元中的数据点数，找到数据点数最多的扫描线位置，并求 出其他各扫描线单元点数与最大值间的差值，以确定各扫描线所需要的修补点数Nj ；第四步对需要进行数据修补的扫描线单元，选取原有数据点之间的距离值(对 回转类零件并且含有回转角度信息的点云数据，可直接根据回转角度间距值进行补点分 配)作为权值，将需要修补的点数按标准权值分配到相应的孔洞区域。标准权值的确定过 程如下设N为含有最多数据点的扫描线单元的数据点数，η为需要进行数据修补操作的 第j条扫描线单元的数据点数，PJ0> Pjn为第j条扫描线单元的首、末数据点，A为该扫描线单元中各数据点之间距离值的集合向量，B为各数据点之间距离值与标准平均距离之间比 值的集合向量，B的计算如下
权利要求
1. 一种薄壁复杂曲面零件三维加工预处理方法，其特征是，在反求工程中，利用实物填 充法按逐条扫描线修补方式，实现对整个薄壁复杂曲面点云数据的矩形拓扑修补；对薄壁 复杂曲面零件的扫描线点云原始数据中的孔洞或分布不均勻区域进行修补预处理，首先， 对薄壁复杂曲面零件进行三维数字化测量，获取表现其特征的扫描线点云数据；其次，对扫 描线点云数据进行预处理，特别针对点云数据中的孔洞或分布不均勻区域进行矩形拓扑修 补，得到具有完整结构的点云数据；最后，对修补后的点云数据进行B样条建模，指导薄壁 复杂曲面零件的后续精密加工；扫描线点云数据的预处理方法步骤如下第一步利用三维数字化测量设备，采用分层周进扫描测量方式，对薄壁复杂曲面零件 进行接触式测量，获取零件点云数据；第二步对采集到的点云数据，先利用向前一阶差分判断各扫描线点云数据的边界，把 每条扫描线上的点云数据存储到一个单元中；第三步统计各扫描线单元中的数据点数，找到数据点数最多的扫描线位置，并求出其 他各扫描线单元点数与最大值间的差值，以确定各扫描线所需要的修补点数Nj ；第四步对需要进行数据修补的扫描线单元，选取原有数据点之间的距离值(对回转 类零件并且含有回转角度信息的点云数据，可直接根据回转角度间距值进行补点分配) 作为权值，将需要修补的点数按标准权值分配到相应的孔洞区域；标准权值的确定过程如 下设N为含有最多数据点的扫描线单元的数据点数，η为需要进行数据修补操作的第j条 扫描线单元的数据点数，PJ0> Pjn为第j条扫描线单元的首、末数据点，A为该扫描线单元中 各数据点之间距离值的集合向量，B为各数据点之间距离值与标准平均距离之间比值的集 合向量，B的计算如下 Β_ Λ
全文摘要
本发明薄壁复杂曲面零件三维加工预处理方法属于复杂曲面零件加工预处理领域，特别涉及反求工程中薄壁复杂曲面零件扫描线点云数据的预处理方法。本发明用于反求工程，利用实物填充法，按逐条扫描线修补方式，实现对整个薄壁复杂曲面点云数据中的孔洞或分布不均匀区域的矩形拓扑修补预处理；先对薄壁复杂曲面零件进行三维数字化测量，获取表现其特征的扫描线点云数据；再对扫描线点云数据进行预处理，特别针对点云数据中的孔洞或分布不均匀区域进行修补，得到矩形拓扑结构的点云数据；最后，对修补后的点云数据进行B样条建模，指导薄壁复杂曲面零件的后续精密加工。本发明提供的点云数据预处理方法简单易行，复杂程度低，效率高，适用范围广。
文档编号G06F17/50GK102081693SQ201110020279
公开日2011年6月1日 申请日期2011年1月11日 优先权日2011年1月11日
发明者刘巍, 杜长江, 王永青, 王福吉, 贾振元, 魏伟力 申请人:大连理工大学