專利名稱：用于彎曲部件的加工精度的評(píng)估系統(tǒng)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及一種用于彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)以及加工精 度評(píng)估方法，尤其涉及一種用于彎曲部件加工精度的如下的評(píng)估系統(tǒng)和方 法，該評(píng)估系統(tǒng)和方法能夠使用由測(cè)量系統(tǒng)獲取的數(shù)據(jù)來(lái)評(píng)估和確定正在 成形或者已經(jīng)成形的彎曲部件的加工精度。
背景技術(shù)：
通常，具有各種形狀的3D彎曲部件使得產(chǎn)品外觀具有吸引力并且在物 理地減小流體阻力方面起主要作用。因此，在汽車工業(yè)、航空工業(yè)、船舶 制造工業(yè)等領(lǐng)域的許多工業(yè)產(chǎn)品都具有各種彎曲部件。特別的是，船上的 彎曲部件主要設(shè)置在船體(hull)頭部和尾部，且彎曲形狀對(duì)船的性能有影 響。
幾乎所有船舶的3D彎曲部件都是由鋼構(gòu)成，同時(shí)具有較大尺寸和各種 形狀。這需要與通常用于其它工業(yè)領(lǐng)域，例如模制工藝、非模制工藝、以 及軋制等機(jī)械成形方法不同的成形方法。熱成形方法是形成船舶的彎曲部 件的典型方法之一。在熱成形方法中，使用氣焊焊槍加熱鋼板表面以導(dǎo)致 殘留熱彈塑性變形，例如角度變形和收縮，從而形成期望的彎曲形狀。近 年來(lái)，為了替換粗劣工作環(huán)境下的熱成形方法，有關(guān)利用機(jī)械擠壓、軋制、 以及多點(diǎn)擠壓等來(lái)制造船舶3D彎曲船板方面的研究一直在積極進(jìn)行，但是 結(jié)果仍不令人滿意。
如上所述，船舶的3D彎曲部件幾乎全部都是使用熱成形方法制造的， 其中，因?yàn)椴考某尚问窍鄳?yīng)于它們的設(shè)計(jì)形狀而通過(guò)加熱進(jìn)行的，所以 在執(zhí)行若干成形過(guò)程的時(shí)候常常要檢査成形中的部件的形狀，直到部件的 所檢査的形狀符合給定的精度。在檢查3D彎曲部件形狀時(shí)，使用代表設(shè)計(jì) 的3D形狀的木制模板來(lái)檢查與設(shè)計(jì)的3D形狀的相似性及其精度，從而確 定熱成形方向，木制模板和成形部件之間的誤差檢査和評(píng)估完全取決于操
作者的視覺和判斷。
同時(shí)，最終的經(jīng)過(guò)熱成形操作的3D彎曲部件的尺寸與設(shè)計(jì)形狀不同， 并且在大多數(shù)情況下，大于設(shè)計(jì)的形狀。這種現(xiàn)象發(fā)生的原因如下。
考慮熱成形操作的特性，由于加熱過(guò)程中的熱膨脹和冷卻過(guò)程中的熱 收縮，諸如角度變形或收縮的塑性形變可能發(fā)生，因此由于3D彎曲形狀的 復(fù)雜性和其在熱形成操作期間的成形的不確定性，設(shè)計(jì)人員向通過(guò)如圖1 所示將3D設(shè)計(jì)展開為平板而得到的初始形狀中添加邊緣(margin) M。在 圖1中符號(hào)"々"表示操作者應(yīng)測(cè)量和切削的相應(yīng)的輪廓線。如圖2所示，在 鋼板的邊沿(outskirt)執(zhí)行倒角操作C，用于后期加工中的焊接，并且這 需要比一般的切削操作更高精確度的操作。
為了反映這種過(guò)程中的特性和困難，倒角操作主要在初始平面板的某 些邊沿上執(zhí)行。邊緣切削操作和倒角操作僅在己經(jīng)執(zhí)行熱成形操作的3D彎 曲部件的剩余的邊沿上執(zhí)行。也就是說(shuō)，在邊緣切割過(guò)程中執(zhí)行最小的切 削操作從而提高生產(chǎn)率。
然而，由于上述熱成形操作的不確定性和用于比較和評(píng)估加工彎曲表 面的方法的滯后性，邊緣切削操作不使用主要倒角區(qū)域來(lái)執(zhí)行。因此，通 常再次執(zhí)行倒角操作。
為了克服上述問(wèn)題，最近，提出了一種方法，其中使用3D測(cè)量設(shè)備來(lái) 測(cè)量3D彎曲部件的形狀坐標(biāo)，并且通過(guò)比較測(cè)量的形狀坐標(biāo)與相應(yīng)的設(shè)計(jì) 的形狀坐標(biāo)來(lái)控制成形的精確性。
這種方法使用彎曲表面匹配技術(shù)，使設(shè)計(jì)坐標(biāo)(或者彎曲表面)以及 測(cè)量坐標(biāo)(或者彎曲表面)彼此實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的一致(表面定位)，且在坐標(biāo)(或 者彎曲表面)間具有誤差，在Z軸方向具有誤差，也稱為Z圖(Z-map)。
然而，由于船體的彎曲部件的邊緣和倒角操作的特性，這種方法不能 反映尺寸的差別。另外，由于測(cè)量中的局限性，測(cè)量的坐標(biāo)應(yīng)該與設(shè)計(jì)的 坐標(biāo)成對(duì)應(yīng)的關(guān)系，然而測(cè)量的坐標(biāo)僅僅用于評(píng)估成形操作完成之后的最 終彎曲表面。因此，提供了有限的信息，例如，數(shù)據(jù)間距離誤差的絕對(duì)值， 和在Z軸方向上的距離誤差。然而，測(cè)量彎曲部件的加工精度的評(píng)估和切 削材料的量的計(jì)算最終取決于操作者的經(jīng)驗(yàn)和直覺。
另外，許多研究機(jī)構(gòu)最近在發(fā)展用于產(chǎn)生船體的彎曲表面的自動(dòng)成形
系統(tǒng)。然而，即使開發(fā)了應(yīng)用熱成形方法的自動(dòng)成形系統(tǒng)或應(yīng)用機(jī)械成形
方法的其它自動(dòng)系統(tǒng)，也難以使用當(dāng)前使用的木制模板來(lái)i平估3D彎曲形 狀。因此，盡管需要利用測(cè)量系統(tǒng)所測(cè)量的數(shù)據(jù)來(lái)進(jìn)行彎曲形狀評(píng)估的方 法和系統(tǒng)，幾乎所有傳統(tǒng)的研究?jī)H集中在彎曲表面的成形的成形位置和成 形強(qiáng)度上，而對(duì)用于評(píng)估和確定加工的彎曲部件的精度的方法和系統(tǒng)沒有 研究。
另外，已經(jīng)提出了一種在確定了成形操作的重復(fù)次數(shù)的情況下僅使成 形操作自動(dòng)化的系統(tǒng)，成形位置和成形強(qiáng)度依賴于操作人員，但是較之全 自動(dòng)系統(tǒng)，所提出的該系統(tǒng)所需的成本高且性能差。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于上述情況，本發(fā)明提供了一種用于彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng) 和方法，其能夠檢查在形成正在成形的彎曲形狀的部件的彎曲表面期間的 彎曲表面的加工精度，并且在彎曲形狀部件成形后評(píng)估并確定彎曲部件的 形狀。
本發(fā)明進(jìn)一步提供一種用于彎曲形狀部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)和方 法，其能夠提供成形自動(dòng)化操作的終端點(diǎn)(terminationpoint)，該終端點(diǎn)結(jié) 合了能自動(dòng)形成彎曲表面的船體的彎曲表面自動(dòng)化系統(tǒng)。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種用于彎曲形狀部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)和方 法，其可以廣泛地用于形狀評(píng)估和制造具有彎曲表面的產(chǎn)品以及船體。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種彎曲部件的加工精度評(píng)估方法， 包括通過(guò)使用測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量正在成形或者已經(jīng)成形的所述彎曲部件的 彎曲形狀；通過(guò)輸入關(guān)于所述測(cè)量的彎曲形狀的數(shù)據(jù)和關(guān)于設(shè)計(jì)的彎曲形 狀的數(shù)據(jù)來(lái)生成表面和點(diǎn)；通過(guò)在制造船體期間在邊緣部分和倒角上反映 限制條件，而將所述測(cè)量的彎曲形狀與所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行匹配；計(jì) 算所述測(cè)量的彎曲形狀和所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀之間的誤差；以及評(píng)估所述 測(cè)量的彎曲形狀的加工精度。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一 種彎曲部件的加工精度的評(píng)估系統(tǒng)，包括輸入模塊，有關(guān)所述彎曲部件 的彎曲形狀的測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被輸入到該輸入模塊；表面和點(diǎn)生成模 塊，其生成測(cè)量的彎曲形狀和設(shè)計(jì)的彎曲形狀的表面和點(diǎn)坐標(biāo)；最優(yōu)彎曲
表面匹配模塊，其執(zhí)行彎曲表面的匹配以及在限制條件下的彎曲表面的匹
配；加工精度模塊，其基于所述匹配結(jié)果提供所述設(shè)計(jì)的彎曲表面和所述 測(cè)量的彎曲表面之間的相似性；切削位置和誤差計(jì)算模塊，當(dāng)所述加工精 度模塊提供的值與彎曲表面加工條件相符時(shí)，該切削位置和誤差計(jì)算模塊 計(jì)算切削位置和誤差。
根據(jù)本發(fā)明的用于彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)和方法，因?yàn)樵谡?成形或者已經(jīng)成形的彎曲部件的彎曲形狀成形過(guò)程中，可以對(duì)加工精度進(jìn) 行檢査并且可以對(duì)彎曲部件的形狀進(jìn)行評(píng)估和判定，成形自動(dòng)化操作的終 端點(diǎn)可以通過(guò)結(jié)合船體加工精度評(píng)估系統(tǒng)和彎曲表面自動(dòng)化系統(tǒng)來(lái)提供， 該彎曲表面自動(dòng)化系統(tǒng)可以自動(dòng)形成彎曲形狀并且可以廣泛應(yīng)用于制造船 體的彎曲部件，并且用于具有相似的成形方法和特定彎曲形狀的彎曲產(chǎn)品 的評(píng)估和制造。


結(jié)合附圖，本發(fā)明的上述和其他目的和特征通過(guò)下列實(shí)施例的描述將 變得顯而易見，其中，
圖1是示出邊緣信息以及倒角信息的示圖，設(shè)計(jì)者通過(guò)該示圖反映出 初始形狀的收縮邊緣，該初始形狀是通過(guò)將3D彎曲部件的設(shè)計(jì)形狀展開成 平板而得到的；
圖2是示出對(duì)鋼板邊緣執(zhí)行倒角操作以及切削操作時(shí)的狀態(tài)的示圖； 圖3是示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的用于彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)以
及該系統(tǒng)的信息流的方框圖4是用于評(píng)估根據(jù)圖3的系統(tǒng)的彎曲部件的加工精度的流程圖5a和圖5b是示出設(shè)計(jì)的坐標(biāo)以及測(cè)量的坐標(biāo)之間的誤差和方向的
示圖6是示出使用矢量標(biāo)量積的方向建議方法的示圖7是示出考慮了限制條件的用于匹配彎曲表面的傳統(tǒng)方法以及根據(jù) 本發(fā)明實(shí)施例的方法的示圖8是示出匹配操作之前的形狀以及在考慮了限制條件的情況下使用 圖3的系統(tǒng)對(duì)彎曲表面形狀進(jìn)行匹配之后的示圖9是示出零自由度限制參考點(diǎn)的例子的示圖IO是示出當(dāng)限制參考點(diǎn)的自由度不為零時(shí)的最優(yōu)彎曲表面匹配狀態(tài) 的示圖，其中限制參考點(diǎn)在球體形狀的容差范圍內(nèi)可移動(dòng)；
圖11是示出使用圖3的系統(tǒng)的最優(yōu)彎曲表面匹配操作的例子的示圖； 圖12是示出使用圖3的系統(tǒng)的加工精度計(jì)算操作的例子的示圖； 圖13是示出根據(jù)切削位置計(jì)算方法的位置變化的示圖。
具體實(shí)施例方式
下文中將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。
圖3是示出根據(jù)本發(fā)明的彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)以及該系統(tǒng)的 信息流的方框圖。圖4是根據(jù)圖3的系統(tǒng)的用于評(píng)估彎曲部件的加工精度 的流程如圖3所示，根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)包括 輸入模塊10，就彎曲部件的彎曲形狀而測(cè)量的數(shù)據(jù)以及設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入到該 輸入模塊10;表面和點(diǎn)生成模塊20，其生成彎曲形狀的表面和點(diǎn)的坐標(biāo)； 最優(yōu)彎曲表面匹配模塊30，其使用限制條件執(zhí)行彎曲表面匹配；加工精度 模塊40，其基于匹配結(jié)果提供設(shè)計(jì)的彎曲表面和測(cè)量的彎曲表面的相似性； 以及切削位置和誤差計(jì)算模塊50，其在加工精度模塊40提供的值符合彎曲 表面加工條f^時(shí)計(jì)算切削位置和誤差。
將最優(yōu)彎曲表面匹配模塊30的最優(yōu)匹配結(jié)果提供到待用于創(chuàng)建成形信 息的成形信息生成系統(tǒng)60。當(dāng)加工精度模塊40提供的值不符合彎曲表面的 加工條件吋，向成形信息生成系統(tǒng)60傳送命令，以生成附加的成形信息。
如果根據(jù)彎曲表面加工條件來(lái)計(jì)算切削位置和誤差，則將相應(yīng)的信息 傳送到切削位置顯示和切削系統(tǒng)70，以執(zhí)行切削操作。
本發(fā)明實(shí)施例的評(píng)估系統(tǒng)的所有信息都自動(dòng)存儲(chǔ)在存儲(chǔ)單元80內(nèi)，并 且當(dāng)通過(guò)輸出模塊90將信息傳送到圖像顯示單元100以及打印機(jī)110時(shí)， 使用者可通過(guò)視覺方式對(duì)該情況進(jìn)行檢査。
如圖4戶; 示，加工精度評(píng)估系統(tǒng)的加工精度評(píng)估過(guò)程包括步驟SIOO， 使用測(cè)量設(shè)備(未示出)來(lái)測(cè)量正在成形或者已經(jīng)成形的彎曲部件的彎曲 形狀；步驟S200，通過(guò)向輸入模塊10中輸入關(guān)于測(cè)量的彎曲形狀的數(shù)據(jù)和
設(shè)計(jì)的彎曲形狀的數(shù)據(jù)來(lái)生成表面和點(diǎn)；步驟S300，在最優(yōu)彎曲表面匹配 模塊30中，通過(guò)反映在制造船體時(shí)的切削邊緣操作和倒角操作的限制條件， 對(duì)測(cè)量的彎曲形狀與設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行匹配；步驟S400，計(jì)算測(cè)量的彎 曲形狀和設(shè)計(jì)的彎曲形狀之間的誤差；步驟S500，評(píng)估測(cè)量的彎曲形狀的 加工精度。在步驟S600中，切削位置與誤差計(jì)算模塊50將基于誤差和評(píng) 估結(jié)果得到的切削位置的相關(guān)信息傳送到切削位置顯示和切削系統(tǒng)70。
在步驟S100中，測(cè)量通常使用3D點(diǎn)信息來(lái)執(zhí)行。如果基于3D點(diǎn)信 息生成3D彎曲表面，則在關(guān)于設(shè)計(jì)的彎曲形狀的數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于關(guān)于測(cè)量的形 狀的數(shù)據(jù)或者前者與后者不對(duì)應(yīng)的情況下，單獨(dú)執(zhí)行對(duì)該船體彎曲形狀的 評(píng)估。
當(dāng)位置與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系相應(yīng)匹配時(shí)，對(duì)應(yīng)于待測(cè)量的特 定間隔或者位置的數(shù)據(jù)從設(shè)計(jì)的形狀得到。在待基于所獲得的數(shù)據(jù)測(cè)量的 彎曲形狀中對(duì)確定用來(lái)作為相應(yīng)坐標(biāo)的點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量?？紤]到殘留邊緣的切 削，由于在給定邊緣的轉(zhuǎn)角處的設(shè)計(jì)形狀的坐標(biāo)存在于待測(cè)量的彎曲形狀 內(nèi)，因此測(cè)量形狀的相關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)形狀的相關(guān)數(shù)據(jù)是一一對(duì)應(yīng)的。由于 能夠通過(guò)預(yù)先顯示位置以向船體的彎曲部件附著內(nèi)部結(jié)構(gòu)或者通過(guò)從設(shè)計(jì) 的坐標(biāo)提取位置來(lái)估計(jì)近似位置，上述方法是通過(guò)使用這種信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。
當(dāng)測(cè)量的彎曲形狀與設(shè)計(jì)的彎曲形狀不一致時(shí)，對(duì)任意內(nèi)部位置和轉(zhuǎn) 角的坐標(biāo)或具有特定標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部位置和轉(zhuǎn)角的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，或者精確掃 描待測(cè)量的彎曲形狀的表面，從而作為測(cè)量坐標(biāo)。
在步驟S300和S400中，將利用合適的測(cè)量設(shè)備所測(cè)量的關(guān)于測(cè)量的 彎曲形狀的信息與對(duì)應(yīng)于設(shè)計(jì)的彎曲表面的形狀的坐標(biāo)進(jìn)行匹配，以計(jì)算 誤差。
在計(jì)算誤差的過(guò)程中，需要提供用于邊緣切削的方向和在彎曲部件邊 緣的測(cè)量坐標(biāo)和設(shè)計(jì)坐標(biāo)之間的簡(jiǎn)單距離，在這種情況下，該需要可以通 過(guò)比較顯示設(shè)計(jì)的彎曲表面和所提供的坐標(biāo)的圖5a與顯示彎曲表面匹配之 后的位置的圖5b來(lái)進(jìn)行檢查。圖5a中的點(diǎn)從設(shè)計(jì)的彎曲表面提取并且圖 5b中的點(diǎn)在測(cè)量彎曲表面上進(jìn)行測(cè)量，從圖中可知，五個(gè)點(diǎn)具有大的誤差。 為了獲得相對(duì)符合設(shè)計(jì)的形狀的形狀，在沿箭頭方向移動(dòng)測(cè)量的坐標(biāo)之后 需要執(zhí)行切削。
如圖6所示，在本發(fā)明中， 一種使用矢量的點(diǎn)積來(lái)獲得方向的方法， 提供了方向以及測(cè)量的坐標(biāo)和設(shè)計(jì)的坐標(biāo)之間的距離誤差。在圖6中，使 用在設(shè)計(jì)的彎曲形狀的轉(zhuǎn)角處的點(diǎn)A，對(duì)應(yīng)于點(diǎn)A的測(cè)量的彎曲形狀的點(diǎn) B，以及出現(xiàn)在設(shè)計(jì)的彎曲形狀或者測(cè)量的彎曲形狀中的點(diǎn)C來(lái)構(gòu)成三角 形，且其相應(yīng)的邊被表示為矢量a、 b和c，矢量b和矢量c之間的角度6 通過(guò)公式(1)來(lái)表示。
<formula>formula see original document page 12</formula>
矢量c可以直接通過(guò)使用矢量公式c = b - a來(lái)獲得。
因此，在圖6中，當(dāng)角度e大于90度時(shí)，提供關(guān)于測(cè)量的坐標(biāo)位于設(shè) 計(jì)的坐標(biāo)外部的信息。另一方面，當(dāng)角度e小于90度時(shí)，提供關(guān)于測(cè)量的 坐標(biāo)位于設(shè)計(jì)的坐標(biāo)內(nèi)部的信息。當(dāng)然，參考角度90度需要根據(jù)矢量a和 b之間的角度而進(jìn)行改變，但是該改變被忽略因?yàn)閷?duì)于相似的彎曲形狀而言 其值很小。
同時(shí)，具有不同參考坐標(biāo)系統(tǒng)的兩種形狀的匹配技術(shù)包括一種使用偽 變換矩陣和鄰近點(diǎn)搜索算法的方法， 一種在給出兩種形狀之間的精確的對(duì) 應(yīng)關(guān)系時(shí)用于尋找最優(yōu)匹配的方法(Hom方法)[Hom， B.K.P, 1987，
'Closed-form solutions of abosolute orientation using unit quaternions" ， Journal
of Optical Society of America, Vol.4， pp. 629 - 624〗，以及Besl的一種使用基 于兩種形狀之間距離且具有好的收斂性的最小平方函數(shù)的迭代最近點(diǎn)(ICP) 方法[Besl， P.J" McKay N.D. 1992 "A Method for Registration of 3D Shapes", IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, Vol. 14, No. 2， pp. 239-256]。然而，使用上述方法來(lái)評(píng)估3D船體的彎曲形狀的過(guò)程、 系統(tǒng)和方法還沒有被提出，且在彎曲表面匹配理論中需要增加諸如船體彎 曲表面制造過(guò)程的邊緣部分和倒角(斜角)等特性作為限制條件，其甚至 沒有經(jīng)過(guò)檢査。換句話說(shuō)，傳統(tǒng)的彎曲表面匹配方法用于不同坐標(biāo)和不同 形狀的最優(yōu)匹配。本發(fā)明人開發(fā)了一種用于匹配坐標(biāo)和彎曲表面的理論， 該理論反映了在船體的彎曲表面的成形操作中在彎曲表面的匹配期間的特 定限制條件。在本實(shí)施例中，使用了使倒角(斜角)部分與測(cè)量形狀和設(shè) 計(jì)形狀彼此最大程度地相一致的限制條件。
為了實(shí)現(xiàn)該目的，在已知設(shè)計(jì)形狀的特定坐標(biāo)和測(cè)量形狀的坐標(biāo)之間
的對(duì)應(yīng)關(guān)系的情況下，則使用Hom方法并且考慮以下限制條件。
在Horn的基本方法中，當(dāng)兩種形狀匹配后的最小平方誤差被確定為目 標(biāo)函數(shù)時(shí)，獲得剛體的最優(yōu)變形，從而使目標(biāo)函數(shù)最小化。在該方法中， 應(yīng)用最優(yōu)旋轉(zhuǎn)后，通過(guò)基于重心的平移(translation)來(lái)執(zhí)行匹配操作。
另一方面，如圖7所示，為了反映彎曲形狀的最優(yōu)匹配轉(zhuǎn)角的限制條 件，該重心，即，用于平移的參考點(diǎn)通過(guò)與施加限制條件的轉(zhuǎn)角的點(diǎn)相同 的點(diǎn)的增補(bǔ)和重疊而朝轉(zhuǎn)角移動(dòng)。通過(guò)點(diǎn)的增補(bǔ)，重疊顯示將重量移動(dòng)到 相應(yīng)的點(diǎn)的效應(yīng)，從而使重心位置在限制條件下移動(dòng)至轉(zhuǎn)角。其后，考慮 到限制條件，再次執(zhí)行最優(yōu)旋轉(zhuǎn)，以完成彎曲表面匹配。該執(zhí)^1結(jié)果顯示 出與傳統(tǒng)方法相比的重心位置的差別以及設(shè)計(jì)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)之間的誤差。在 轉(zhuǎn)角處獲得最優(yōu)匹配結(jié)果和誤差。
另一方面，在精確的對(duì)應(yīng)關(guān)系未知的情況下，考慮上述普通的ICP方 法中的限制條件，給出基于距離的最小平方函數(shù)，作為目標(biāo)函數(shù)，以提供 彎曲表面的最優(yōu)匹配和誤差計(jì)算。
換句話說(shuō)，使用Hom方法，當(dāng)兩種形狀進(jìn)行匹配之后將最小平方誤差 作為目標(biāo)函數(shù)，該目標(biāo)函數(shù)定義為公式(2)。
<formula>formula see original document page 13</formula>公式.(2)
其中，尸,.，及&山和r分別是比例系數(shù)、旋轉(zhuǎn)系數(shù)、和平移系數(shù)。 考慮到目標(biāo)函數(shù)的限制條件，在限制條件下多個(gè)轉(zhuǎn)角中的一個(gè)被確定
為限制條件的參考點(diǎn)，此時(shí)可以容易地獲得平移系數(shù)，并且目標(biāo)函數(shù)在公
式(3)中定義。
<formula>formula see original document page 13</formula>
當(dāng)在公式(3)中"a"部分具有最大值時(shí)，目標(biāo)函數(shù)適當(dāng)?shù)胤从诚拗茥l 件， 一些轉(zhuǎn)角通過(guò)該限制條件被最優(yōu)匹配。
剩余的過(guò)程作為一般的ICP方法執(zhí)行，并且本發(fā)明的考慮到限制條件 的目標(biāo)函數(shù)可以容易地應(yīng)用到反映限制條件的Horn方法中。
同時(shí)，如果在限制條件下的多個(gè)轉(zhuǎn)角的頂點(diǎn)中的一個(gè)被判定為"限制值 參照點(diǎn)"，則可以容易地獲得該平移系數(shù)。然而，自由度在"限制參照點(diǎn)"變 為零。在某些情況下可以利用這種現(xiàn)象，然而，在考慮到成形誤差的彎曲 表面匹配中，需要確定彎曲表面匹配結(jié)果的差異，從而使公差范圍內(nèi)的運(yùn) 動(dòng)在"限制值參照點(diǎn)"內(nèi)可以被允許。
圖8示出在彎曲形狀的匹配之前的坐標(biāo)和在彎曲表面的匹配之后的形 狀，其反映了使用本發(fā)明實(shí)施例的系統(tǒng)的限制條件。如圖所示，通過(guò)使"限 制參照點(diǎn)"在球體形狀的內(nèi)部公差區(qū)域內(nèi)自由移動(dòng)，使得最終的彎曲形狀部 件的后期加工操作的復(fù)雜性最小化，保證全部彎曲表面形狀的各種匹配結(jié) 果。
圖9是示出零自由度的限制參考點(diǎn)的例子的示圖。圖IO是示出在限制 參考點(diǎn)在球體形狀的公差區(qū)域內(nèi)可移動(dòng)的情況下的最優(yōu)彎曲表面匹配狀 態(tài)。
如上所述，當(dāng)通過(guò)彎曲表面匹配方法使得形狀彼此匹配時(shí)，需要計(jì)算 和判定彎曲表面的相似性的參考和方法以及實(shí)現(xiàn)它們的系統(tǒng)，在這種情況 下，至今就船體的彎曲形狀而言，操作者主要使用木制模板作為計(jì)算和判 定相似性的參考。然而，彎曲形狀的相似性是通過(guò)多種參考來(lái)判定的，例 如彎曲表面之間的歐幾里得距離、或者主曲率、它們的方向的分析、彎曲 表面的分割區(qū)域的尺寸、以及分割區(qū)域的曲率。
首先，在使用歐幾里得距離的方法中，彎曲部件的加工精度可以通過(guò) 生成在測(cè)量的形狀和設(shè)計(jì)的形狀之間形成對(duì)應(yīng)關(guān)系的點(diǎn)以及通過(guò)比較采用 公差的針對(duì)對(duì)應(yīng)點(diǎn)而獲得的距離數(shù)據(jù)來(lái)判定。對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的歐幾里得距離 在公式(4)中表示。 e, …"公式.(4)
其中，A和2,是使得設(shè)計(jì)的形狀和目標(biāo)形狀間的距離最小的對(duì)應(yīng)點(diǎn)。
彎曲的相似性可以通過(guò)具有給定公差S的公式(4)來(lái)進(jìn)行評(píng)估。例如:
如果在特定的對(duì)應(yīng)點(diǎn)上e,大于5，這意味著該點(diǎn)上的兩種形狀之間的相似性 減小。當(dāng)執(zhí)行關(guān)于符合兩彎曲表面的對(duì)應(yīng)關(guān)系的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的這種過(guò)程時(shí)，彎
曲形狀部件的加工精度可以使用公式(5)以百分比的形式表;
<formula>formula see original document page 15</formula>.(5)
其中Z^是執(zhí)行對(duì)加工精度的評(píng)估的兩種形狀間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目，De 是當(dāng)e,大于公差5時(shí)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目。
同時(shí)，彎曲形狀被分割特定的參考單元，然后分析所分割的單元之間 的相似性。以相似度為高或低的單元數(shù)目和單元總數(shù)的比例來(lái)計(jì)算彎曲形 狀的加工精度?？梢詫⒏鞣N參考(例如，歐幾里得距離的比較、曲率、以 及所分割單元的特征點(diǎn)之間的面積等)用于評(píng)估所分割單元之間相似性。
在執(zhí)行所分割的單元的相似性評(píng)估之后，彎曲形狀的加工精度的百分
比為
<formula>formula see original document page 15</formula>
其中，五r是執(zhí)行加工精度評(píng)估的兩種形狀間的分割單元的數(shù)目，&是 當(dāng)s,大于公差S時(shí)的分割單元的數(shù)目。分割彎曲表面的單元的數(shù)目根據(jù)設(shè) 計(jì)的形狀的尺寸和曲率而動(dòng)態(tài)地改變。
在使用主曲率來(lái)評(píng)估加工精度時(shí)，通過(guò)在對(duì)應(yīng)點(diǎn)處比較高斯曲率(k) 和平均曲率(H)來(lái)進(jìn)行評(píng)估兩彎曲表面的相似性。利用全部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目 和高相似性點(diǎn)或者低相似性點(diǎn)的數(shù)目比例來(lái)計(jì)算彎曲形狀部件的加工精 度。然后，當(dāng)比較對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的K和H， SK和SH的差別接近于零時(shí)，這意味 著兩彎曲表面之間的相似性高。加工精度可以通過(guò)公式來(lái)表示。
圖11示出使用本發(fā)明的系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的形狀和網(wǎng)格的測(cè)量的形狀進(jìn)行最 優(yōu)彎曲表面匹配的例子，并且示出在計(jì)算彎曲表面的加工精度之前的步驟。 圖12示出使用本發(fā)明的系統(tǒng)的彎曲部件的加工精度計(jì)算操作的例子并且示 出使用分割單元方法的結(jié)果。圖12的矩形分割單元，指的是偏離公差(S) 的單元，即未充分成形的部分。如圖12中所示，當(dāng)矩形分割單元數(shù)目減小 時(shí)，這意味著加工精度高，存在矩形分割單元的區(qū)域視為成形不好的部分。
經(jīng)過(guò)彎曲表面匹配和成形精度的評(píng)估的彎曲部件的剩余邊緣需要切 削。因此，在本發(fā)明中，切削操作的復(fù)雜性通過(guò)提供最優(yōu)切削位置而最小 化。新的輪廓線通過(guò)互相匹配在一起的設(shè)計(jì)的彎曲形狀和測(cè)量的彎曲形狀
之間的差異生成，其需要主要投影到測(cè)量的形狀的表面。用于將3D坐標(biāo)投 影到xy平面上的方法眾所周知，但是在本發(fā)明中，測(cè)量的形狀具有類似設(shè) 計(jì)的彎曲形狀的3D彎曲表面，在這種情況下，3D彎曲表面可以如圖13中 所示的那樣被適當(dāng)?shù)赝队啊?br> 換句話說(shuō)，在圖13中，沿(1)方向的投影與投影到xy平面上的方 法相同，并且這種方法可以導(dǎo)致設(shè)計(jì)形狀的坐標(biāo)錯(cuò)誤地投影到測(cè)量形狀的 坐標(biāo)。因此，在本發(fā)明中，測(cè)量的形狀的位置可以使用法向量從設(shè)計(jì)形狀 上對(duì)應(yīng)的位置提取。然而，這種方法可以應(yīng)用到已執(zhí)行加工精度評(píng)估的部 件上，且當(dāng)兩彎曲表面差異較大時(shí)，則類似方法(1)可能產(chǎn)生許多誤差。 盡管已經(jīng)針對(duì)示例性實(shí)施例示出和描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù) 人員應(yīng)當(dāng)理解，上述系統(tǒng)和方法僅是本發(fā)明的實(shí)例，可以進(jìn)行各種變化和
改進(jìn)，而不脫離以下權(quán)利要求所定義的本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種彎曲部件的加工精度評(píng)估方法，包括通過(guò)使用測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量正在成形或者已經(jīng)成形的所述彎曲部件的彎曲形狀；通過(guò)輸入關(guān)于所述測(cè)量的彎曲形狀的數(shù)據(jù)和關(guān)于設(shè)計(jì)的彎曲形狀的數(shù)據(jù)來(lái)生成表面和點(diǎn)；通過(guò)在制造船體期間在邊緣部分和倒角上反映限制條件，而將所述測(cè)量的彎曲形狀與所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行匹配；計(jì)算所述測(cè)量的彎曲形狀和所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀之間的誤差；以及評(píng)估所述測(cè)量的彎曲形狀的加工精度。
2、 如權(quán)利要求1所述的方法，還包括將關(guān)于根據(jù)所述誤差的切削位置 的信息和評(píng)估結(jié)果傳送給切削位置顯示和切削系統(tǒng)。
3、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在所述彎曲部件的所述彎曲形狀 的測(cè)量中獲得3D點(diǎn)信息，且以與作為測(cè)量坐標(biāo)的所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀的數(shù) 據(jù)一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系測(cè)量所述彎曲形狀的位置。
4、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在所述彎曲部件的所述彎曲形狀 的測(cè)量中獲得3D點(diǎn)信息，且當(dāng)所述測(cè)量的彎曲形狀與作為測(cè)量坐標(biāo)的所述 設(shè)計(jì)的彎曲形狀不一致時(shí)，對(duì)任意的內(nèi)部位置和轉(zhuǎn)角的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，或 者對(duì)具有特定標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)部位置和轉(zhuǎn)角的坐標(biāo)或所述彎曲形狀的表面進(jìn)行精 確掃描。
5、 如權(quán)利要求3所述的方法，其中，以一一對(duì)應(yīng)關(guān)系所進(jìn)行的測(cè)量包括從所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀獲得有關(guān)對(duì)應(yīng)于待測(cè)量位置的位置的數(shù)據(jù)；以及基于所獲得的數(shù)據(jù)，對(duì)被確定為待測(cè)量的所述彎曲形狀的所述表面中的對(duì)應(yīng)坐標(biāo)的位置進(jìn)行測(cè)量。
6、如權(quán)利要求l所述的方法，其中，使用測(cè)量的坐標(biāo)和設(shè)計(jì)的坐標(biāo)之 間的距離誤差以及矢量的點(diǎn)積二者來(lái)計(jì)算所述測(cè)量的彎曲形狀和所述設(shè)計(jì) 的彎曲形狀之間的誤差，并且當(dāng)使用所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀的轉(zhuǎn)角處的點(diǎn)A、 對(duì)應(yīng)于所述點(diǎn)A的所述測(cè)量的彎曲形狀的點(diǎn)B、以及存在于所述設(shè)計(jì)的彎 曲形狀或者所述測(cè)量的彎曲形狀中的點(diǎn)C構(gòu)成三角形，并且相應(yīng)的邊被表 示為矢量a、 b和c時(shí)，則所述矢量b和所述矢量c之間的角度e為其中，根據(jù)所述測(cè)量的角度e來(lái)判定所述測(cè)量的坐標(biāo)是位于所述設(shè)計(jì) 的坐標(biāo)的外側(cè)還是內(nèi)側(cè)。
7、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在以所述彎曲形狀的限制條件下 的多個(gè)轉(zhuǎn)角中的一個(gè)作為限制參考點(diǎn)的情況下，使用Hom方法對(duì)所述測(cè)量 的彎曲形狀與所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行最優(yōu)匹配，且作為平移的參考的重 心通過(guò)與限制條件下的所述轉(zhuǎn)角的點(diǎn)相同的點(diǎn)的增補(bǔ)或重疊，而在該限制 條件下朝所述轉(zhuǎn)角移動(dòng)。
8、 如權(quán)利要求4所述的方法，其中，在所述測(cè)量的彎曲形狀與所述 設(shè)計(jì)的彎曲形狀不一致的情況下，通過(guò)迭代最近點(diǎn)(ICP)方法對(duì)所述測(cè)量 的彎曲形狀與所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行匹配。
9、 如權(quán)利要求l所述的方法，其中，在對(duì)所述測(cè)量的彎曲形狀的加工 精度的評(píng)估中，通過(guò)分析所述彎曲表面的對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的歐幾里得距離、或 主曲率和其方向、以及所述彎曲表面的分割區(qū)域的面積和曲率，來(lái)獲得所述彎曲形狀之間的相似性。
10、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，當(dāng)戶,和2,是設(shè)計(jì)的形狀和目標(biāo) 形狀的使其間的距離最小的對(duì)應(yīng)點(diǎn)時(shí)，所述對(duì)應(yīng)點(diǎn)之間的所述歐幾里得距 離是f,=|f-Q|，并且根據(jù)特定的對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的所述歐幾里得距離e,.和特定的公差s之間的關(guān)系來(lái)評(píng)估所述彎曲表面的相似性。
11、 如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述限制參照點(diǎn)在球形的公差 區(qū)域內(nèi)部任意獲得。
12、 如權(quán)利要求10所述的方法，其中，在評(píng)估對(duì)應(yīng)點(diǎn)的所述相似性之后，彎曲表面的所述加工精度的百分比(％)為<formula>formula see original document page 4</formula>其中Dr是在執(zhí)行了加工精度評(píng)估的兩種形狀之間的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目，Z)e 是當(dāng)s,大于公差S并且相似性降低時(shí)的對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目。
13、如權(quán)利要求IO所述的方法，其中，在所述彎曲形狀被分割成特定 參考單元并且所分割的單元的所述相似性評(píng)估被執(zhí)行之后，所述彎曲形狀的所述加工精度的百分比是<formula>formula see original document page 4</formula> 其中，￡r是在執(zhí)行了加工精度評(píng)估的兩種形狀之間所分割的單元的數(shù) 目，足是當(dāng)s,大于公差5并且相似性降低時(shí)的所分割的單元的數(shù)目，分割 所述彎曲表面的單元的數(shù)目根據(jù)所述設(shè)計(jì)的形狀的尺寸和曲率而動(dòng)態(tài)地改 變。
14、 如權(quán)利要求9所述的方法，其中，在使用所述主曲率來(lái)評(píng)估所述 加工精度期間，通過(guò)比較兩個(gè)彎曲表面的每個(gè)對(duì)應(yīng)點(diǎn)處的高斯曲率和平均 曲率來(lái)評(píng)估兩個(gè)彎曲表面的所述相似性，并且通過(guò)使用全部對(duì)應(yīng)點(diǎn)的數(shù)目 與高相似度的點(diǎn)或低相似度的點(diǎn)的數(shù)目的比例來(lái)計(jì)算彎曲形狀部件的所述 加工精度。
15、 一種用于彎曲部件的加工精度評(píng)估系統(tǒng)，包括 輸入模塊，有關(guān)所述彎曲部件的彎曲形狀的測(cè)量數(shù)據(jù)和設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)被輸 入到該輸入模塊；表面和點(diǎn)生成模塊，其生成測(cè)量的彎曲形狀和設(shè)計(jì)的彎曲形狀的表面 和點(diǎn)坐標(biāo)；最優(yōu)彎曲表面匹配模塊，其執(zhí)行彎曲表面的匹配以及在限制條件下的 彎曲表面的匹配；加工精度模塊，其基于所述匹配結(jié)果提供所述設(shè)計(jì)的彎曲表面和所述 測(cè)量的彎曲表面之間的相似性；切削位置和誤差計(jì)算模塊，當(dāng)所述加工精度模塊提供的值與彎曲表面 加工條件相符時(shí)，該切削位置和誤差計(jì)算模塊計(jì)算切削位置和誤差。
16、 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，所述最優(yōu)彎曲表面匹配模塊的 最優(yōu)匹配結(jié)果被提供給成形信息生成系統(tǒng)，以用于創(chuàng)建成形信息。
17、 如權(quán)利要求15所述的系統(tǒng)，其中，當(dāng)所述加工精度模塊所提出的 值與彎曲表面加工條件不相符時(shí)，通過(guò)成形信息生成系統(tǒng)生成附加成形信 息。
全文摘要
一種用于彎曲部件的加工精度評(píng)估方法，包括通過(guò)使用測(cè)量設(shè)備來(lái)測(cè)量正在成形或者已經(jīng)成形的所述彎曲部件的彎曲形狀；通過(guò)輸入關(guān)于所述測(cè)量的彎曲形狀的數(shù)據(jù)和關(guān)于設(shè)計(jì)的彎曲形狀的數(shù)據(jù)來(lái)生成表面和點(diǎn)；通過(guò)在制造船體期間在邊緣部分和倒角上反映限制條件，而將所述測(cè)量的彎曲形狀與所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀進(jìn)行匹配；計(jì)算所述測(cè)量的彎曲形狀和所述設(shè)計(jì)的彎曲形狀之間的誤差；以及評(píng)估所述測(cè)量的彎曲形狀的加工精度。
文檔編號(hào)B21D5/00GK101368823SQ20081016115
公開日2009年2月18日 申請(qǐng)日期2008年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月6日
發(fā)明者玄忠旻, 辛鐘桂, 都永七, 金大經(jīng), 高光熙 申請(qǐng)人:三星重工業(yè)株式會(huì)社