[发明专利]一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法

说明书

本发明涉及一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法，包括以下步骤：弯管点云数据的采集；弯管点云法矢计算；利用MSAC算法检测提取弯管的直线段，实现弯管分割；弯曲段的特征参数计算；端面几何中心的提取；利用特征参数和控制点重建弯管；法兰的3D表征；最后建立导管切割余量能量函数，计算确定导管的切割余量和切割位置。本发明提供的一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法，能有效提高导管和法兰的装配精度和装配效率，为导管加工系统提供数据支撑，保障导管余量去除平台最终顺利建成。

技术领域

本发明属于复杂曲面测量与建模技术，涉及一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法。

背景技术

弯管是现代航空航天行业中复杂机电产品的重要组成部分，是密布在航空发动机身上的“血管系统”，遍布发动机全身，负责发动机向各部件传输冷气、燃气等流体介质，具有重要意义。

由于发动机导管通常采用定制化的方式进行生产，一致性难以保证，且发动机上的法兰位置精度不高。在航天发动机生产过程中，往往需要人工反复不断地对导管进行修配，装配的效率低、精度差、劳动强度大。为了实现发动机导管的高精度装配，提高发动机的生产效率和精度，迫切需要一种快速、高精度的弯管测量方法。

点云数据通过数字化测量手段得到，记录被测物体表面的位置信息。基于点云数据的反向工程建模在各领域得到了广泛应用，对点云数据逆向重构过程的研究分析，是获得实体模型参数的关键手段。

目前，国内外研究主要集中在导管的三维重建方法上，多数方法要求获取足够全面的点云数据。在计算过程中不能获取足够的弯管特征参数，且没有计算弯管末端端面的几何中心。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法，实现导管的高精度三维重建和高精度余量切割位置参数。

技术方案

一种基于点云数据的弯管重建及余量计算方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：采用3D扫描仪获取弯管点云数据，得到待测点集；

步骤2：对待测点集建立kd-tree数据结构，搜索样本点的k个近邻点作为邻域点集Q；对样本点利用其k近邻点集，拟合加权最小二乘平面作为该点处的切平面；计算切平面的的质心：

然后采用PCA算法计算切平面的法矢，包括构造样本点p处的加权协方差矩阵W和对W进行奇异值分解；

所述W为：/

其中，加权函数θ_k(·)＝θ(||p_k-p||)，选取高斯核函数作为加权函数；

对W进行奇异值分解，得到的最小特征值对应的特征向量即为样本点p的法向；

步骤3：采用MSAC算法检测识别弯管的直线段，得到每个直线段的端点、轴线以及导管半径；

步骤4、利用得到的直线段端点及轴线，采用RANSAC算法计算弯曲段的控制顶点、圆心位置和弯曲半径：

步骤5：提取弯管端面边界点和端面上点云数据，采用LM算法拟合弯管端面，计算端面的几何中心点；

步骤6：利用得到的直线段端点、导管半径、弯曲段圆心和弯曲段半径重建弯管三维模型；

步骤7：采用MSAC算法计算法兰的特征参数，实现法兰的3D表征；

步骤8：建立导管切割能量函数，计算确定弯管的余量及导管坐标系下的实际切割位置：