[发明专利]一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，它是基于实测点云和工件CAD模型进行加工过程余量估计的一种方法，属于三维点云数据处理及机械制造技术领域。

背景技术

机械加工中，毛坯件的加工余量直接影响着最终工件的表面质量、加工效率，从而影响加工成本。因此，机械加工前对毛坯件的加工余量估计就显得非常重要。如果余量估计错误，甚至会导致无法完成零件加工，从而浪费加工时间。如何准确地估计加工余量，是需要解决的关键问题之一。

确定加工余量的常用方法之一是人工划线，即在毛坯铸件粗测的基础上，由工艺员根据工件的设计尺寸，估计出毛坯铸件在各个方向的切削量。这种方法过分依赖工艺员的经验，受人为因素影响大，可能出现划线错误导致无法完成加工；手工操作也限制了生产效率的提高。

三维形貌光学测量技术的发展，可以快速、低成本地获取工件的三维表面点云数据。在商用三维软件中，手动调整点云数据与工件CAD模型进行匹配，观察测量不同方向的加工余量。这种方法可以直观地观察到不同方向的加工余量，可以有效避免加工失败。但匹配过程仍需要人工调整，影响效率，且难以确保匹配结果接近最优状态。

发明内容

本发明提出了一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法。通过调整实测点云数据和工件CAD模型的相对姿态实现二者的最佳匹配，并通过计算表面距离实现余量计算。与现有的余量估计方法相比，实现了余量估计的自动化，智能化，有效地预防了余量加工错误带来的加工失败。

技术方案：为了实现加工余量估计的自动化以及智能化，本发明提出了一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，该方法首先读取实测点云数据以及工件CAD模型文件，并把CAD模型转化为点云数据方便二者的比对；接着，运用主成分分析方法将两组点云实现初始对准；然后在初始对准的基础上，分别提取实测点云和CAD模型点云的平面特征，基于平面特征实现精确对准；最终在精确对准的基础上通过计算CAD模型表面法线距离实现余量估计。

本发明一种基于点云数据的铸件加工余量估计方法，该方法具体步骤如下：

步骤一：获得实测点云以及CAD模型点云。通过点云处理方法将CAD模型文件中相关的点云坐标以及向量信息读取，转化为同点云数据相同的格式，从而方便二者的比对处理。

步骤二：对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准。分别运用主成分分析获得两组点云的三个主方向，并通过坐标系转换将实测点云以及CAD模型点云映射到主方向构成的坐标系中。实现两组点云的初始匹配。

步骤三：点云数据平面特征提取。根据平面点云的特性设计平面特征提取方法，运用平面特征提取方法对实测点云以及CAD模型点云数据中的平面特征进行提取，获得原始点云中属于平面的点云。

步骤四：将实测点云同CAD模型点云精确对准。以获得的平面特征为基础，根据平面的特性实现对应平面的匹配，在对应平面匹配的基础上根据平面的法向、距离等相关信息进行相对位姿调整，实现两组点云的精确对准。

步骤五：完成余量估计。根据点云精确对准的结果，以CAD模型表面点云为基准，沿着自身法向进行最近点搜索，通过计算最近点距离实现余量估计。

其中，步骤一所述的获得实测点云以及CAD模型点云，其具体实现过程如下：测量设备进行测量后直接得到实测点云，CAD模型是以STL文件形式存储的，STL文件主要有二进制形式以及ASCII形式，存储了三维模型各个位置的三维点坐标以及法向量，对该信息直接读取得到CAD模型点云。

其中，步骤二所述的对实测点云以及CAD模型文件进行初始对准，其具体实现过程如下：主成分分析法对点云数据进行处理。主成分分析通过对三维点云数据坐标矩阵的协方差矩阵进行特征值分解，由特征向量组成初始旋转矩阵，分别将两组点云根据初始对准矩阵转化到标准坐标系。

其中，步骤三所述的点云数据平面特征提取，其具体实现过程如下：通过将点云进行网格划分可以将整体的平面分割到不同的网格中，在各个网格中对网格中的点云进行平面拟合并根据点云到拟合平面的距离判断网格中点云能否被认为是平面点云。这样就获得了各个网格的平面点云，接着对各个网格分析，若相邻两个网格的平面距离及法相差别不大，则可以合并为一个，通过逐步的合并，则能够得到由小平面融合而成的平面。