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基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法與流程

文檔序號:12177520閱讀:516來源:國知局
基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法與流程

本發(fā)明涉及一種基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法,屬于機械加工技術(shù)領(lǐng)域。



背景技術(shù):

工業(yè)構(gòu)件安裝即裝配,是指將工業(yè)構(gòu)件結(jié)合成為完整的產(chǎn)品的生產(chǎn),裝配的效率及質(zhì)量將直接影響產(chǎn)品的生產(chǎn)周期及產(chǎn)品的最終質(zhì)量。傳統(tǒng)的工業(yè)構(gòu)件安裝過程中,主要靠人工進行復(fù)雜的操作完成,這一過程中人的技巧和判斷力起到?jīng)Q定作用;安裝中借助于實物模型對產(chǎn)品的裝配性能進行檢驗和評價,同時對產(chǎn)品本身的加工質(zhì)量進行檢測。這種基于“實物驗證”的安裝模式,對設(shè)計的任何小的修改都可能導(dǎo)致實物模型的重建,因此是一個費時、費力的過程。隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展,工業(yè)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜,一些行業(yè)(如:電力行業(yè)、橋梁、風(fēng)電塔筒、船舶等)工業(yè)構(gòu)件的尺寸也越來越大,大型工業(yè)構(gòu)件交付前的檢測安裝成為生產(chǎn)中面臨的難題。

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)和計算機仿真技術(shù)的發(fā)展,基于計算機的數(shù)字化虛擬安裝即仿真安裝在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。這種仿真安裝需要建立工業(yè)構(gòu)件的數(shù)字化模型,在三維環(huán)境下直觀地展示出工業(yè)零部件的幾何形狀和空間位置關(guān)系,利用該模型在計算機上仿真、分析和評價產(chǎn)品的裝配過程,檢驗和評價產(chǎn)品裝配工藝的正確性。利用計算進行虛擬組裝的技術(shù)遠遠優(yōu)于基于實物的工業(yè)構(gòu)件組裝。對工業(yè)構(gòu)件進行仿真安裝,首先要對已經(jīng)生產(chǎn)完成的構(gòu)件進行三維測量,在計算機中利用測量數(shù)據(jù)構(gòu)造構(gòu)件實測模型。傳統(tǒng)的三維數(shù)據(jù)測量方法是使用經(jīng)緯儀或全站儀對工業(yè)構(gòu)件進行測量,即工業(yè)測量的方法,然后將測量數(shù)據(jù)輸入計算機進行建模工作,這也是目前工業(yè)構(gòu)件仿真安裝數(shù)據(jù)采集的主要方法,但這種方法以CAD模型為主體,過多地依賴于CAD軟件。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法,解決現(xiàn)有技術(shù)中構(gòu)件采用人工試組裝,存在生產(chǎn)效率低下,影響企業(yè)生產(chǎn)效益的技術(shù)問題。

為解決上述技術(shù)問題,本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法,包括如下步驟:

步驟一:利用筒形構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)提取兩筒形構(gòu)件的中心軸線l1、l2,列軸對齊約束方程;

步驟二:利用筒形構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)對兩筒形構(gòu)件的拼裝面進行平面擬合,獲得平面G1、G2,設(shè)兩平面對應(yīng)的法向量分別是列面耦合約束方程;

步驟三:根據(jù)軸對齊約束方程、面耦合約束方程列出軸對齊與面耦合的線性方程,組成構(gòu)件拼裝約束方程組:B8×12X12×1-l8×1=0,其中:B8×12表示軸對齊與面耦合的線性方程系數(shù)矩陣;X12×1表示仿真安裝的兩構(gòu)件的進行空間變換時的參數(shù),包括旋轉(zhuǎn)矩陣里的9個方向余旋參和3個位移參數(shù);l8×1表示軸對齊與面耦合的線性方程的常數(shù)項矩陣;

步驟四:列方向余弦之間的條件方程:其中:C6×12表示約束限制條件的系數(shù)矩陣;表示約束限制條件的常數(shù)項矩陣。

步驟五:利用附有限制條件的間接平差解求X12×1,求解變換矩陣H;

步驟六:利用變換矩陣將兩工業(yè)構(gòu)件進行拼接,實現(xiàn)工業(yè)構(gòu)件半自動仿真安裝。

步驟一的具體步驟如下:

兩筒形構(gòu)件的中心軸線l1、l2滿足軸對齊條件:

設(shè)P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)是中心軸線l1上不重合的任意兩點,P3(x3,y3,z3),P4(x4,y4,z4)是中心軸線l2上不重合的任意兩點,則中心軸線l1的方程可寫為:

經(jīng)旋轉(zhuǎn)平移變換后使兩中心軸線重合,設(shè)P′3(x′3,y′3,z′3),P′4(x′4,y′4,z′4)是P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)變換后對應(yīng)的兩點,變換矩陣其中ai,bi,ci,di均為未知數(shù),ai,bi,ci表示旋轉(zhuǎn)矩陣R的方向余旋,di表示平移矩陣D的平移分量,i=1,2,3,滿足:

x′3=(a1x3+a2y3+a3z3+d1),y′3=(b1x3+b2y3+b3z3+d2),z′3=(c1x3+c2y3+c3z3+d3);

x′4=(a1x4+a2y4+a3z4+d1),y′4=(b1x4+b2y4+b3z4+d2),z′4=(c1x4+c2y4+c3z4+d3);

因P′3,P′4必在l1上,則滿足下面兩個方程:

將公式(2)拆分為兩個等式:同理,公式(3)也可以拆分成兩個等式

對進行變換有:

(y2-y1)(x3′-x1)-(x2-x1)(y3′-y1)=0

進一步代換有:

同理,由公式(2)和(3)拆分出的四個等式均可寫成形如公式(4)的關(guān)于ai,bi,ci,di,i=1,2,3的方程。

步驟二的具體步驟如下:

兩筒形構(gòu)件的拼裝面滿足面耦合關(guān)系:對于面耦合情況,兩個面的法向量方向相反,設(shè)P1(x1,y1,z1)是平面G1上的點、P2(x2,y2,z2)是平面G2上的點,兩個耦合面的法向量已知,分別設(shè)為建立以下方程:

公式(5)進一步寫成:

將公式(6)整理,可得:

兩平面耦合,同時滿足:

其中:P′2表示兩面貼合后平面G2上的點P2在平面G1對應(yīng)點;P′2由P2經(jīng)變換得來,所以P′2-P1可表示為:

所以最后可寫成:

公式(7)與(10)表示面耦合的約束條件,共四個方程,按公式(7)、(10)列出面耦合約束方程。

拼裝約束方程組的具體推導(dǎo)步驟如下:

由于旋轉(zhuǎn)矩陣R的九個方向余旋ai,bi,ci,di,i=1,2,3中只有三個是獨立量,旋轉(zhuǎn)矩陣R是正交矩陣,根據(jù)正交矩陣性質(zhì)九個方向余旋滿足以下六個條件:

按公式(4)、(7)和(10)列出面耦合與軸對齊的線性方程,如公式(12)所示:

B8×12X12×1-l8×1=0 (12)

B8×12表示軸對齊與面耦合的線性方程系數(shù)矩陣;X12×1表示仿真安裝的兩構(gòu)件的進行空間變換時的參數(shù),包括旋轉(zhuǎn)矩陣里的9個方向余旋參和3個位移參數(shù);l8×1表示軸對齊與面耦合的線性方程的常數(shù)項矩陣;

方向余弦之間的條件方程的具體推導(dǎo)步驟如下:

將方程線性化后得方向余弦之間的條件方程,如公式(13)所示:

C6×12表示約束限制條件的系數(shù)矩陣;表示約束限制條件的常數(shù)項矩陣。

步驟五中求解變換矩陣H的具體步驟如下:

將公式(12)與(13)組成誤差方程和限制條件,聯(lián)合迭代解求12個未知數(shù)X12×1=(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3,d1,d2,d3)的改正數(shù);計算未知數(shù)的最新值;

判斷改正數(shù)的大小是否滿足設(shè)定閾值:滿足,則退出迭代循環(huán);不滿足,則重復(fù)步驟三、步驟四和步驟五,最終求得變換矩陣中的未知數(shù),得出變換矩陣。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明所達到的有益效果是:直接利用點云數(shù)據(jù)進行工業(yè)構(gòu)件仿真安裝,代替構(gòu)件的人工試組裝,可以大大提高生產(chǎn)效率,為構(gòu)件生產(chǎn)帶來效益。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的流程圖。

圖2是采用本發(fā)明仿真安裝后筒形構(gòu)件接觸面放大圖。

具體實施方式

本發(fā)明從點云數(shù)據(jù)出發(fā),利用筒形構(gòu)件的面耦合及軸對齊的幾何關(guān)系,構(gòu)建幾何約束條件,列出線性方程,通過迭代解求出構(gòu)件之間仿真安裝的變換矩陣,從而實現(xiàn)基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝。

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述。以下實施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案,而不能以此來限制本發(fā)明的保護范圍。

如圖1所示,是本發(fā)明的流程圖。基于點云數(shù)據(jù)的工業(yè)構(gòu)件仿真安裝方法,包括如下步驟:

步驟一:利用筒形構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)提取兩筒形構(gòu)件的中心軸線l1、l2,列軸對齊約束方程。

兩筒形構(gòu)件的中心軸線l1、l2滿足軸對齊條件:

設(shè)P1(x1,y1,z1),P2(x2,y2,z2)是中心軸線l1上不重合的任意兩點,P3(x3,y3,z3),P4(x4,y4,z4)是中心軸線l2上不重合的任意兩點,則中心軸線l1的方程可寫為:

經(jīng)旋轉(zhuǎn)平移變換后使兩中心軸線重合,設(shè)P′3(x′3,y′3,z′3),P′4(x′4,y′4,z′4)是P3(x3,y3,z3)、P4(x4,y4,z4)變換后對應(yīng)的兩點,變換矩陣其中ai,bi,ci,di均為未知數(shù),ai,bi,ci表示旋轉(zhuǎn)矩陣R的方向余旋,di表示平移矩陣D的平移分量,i=1,2,3,滿足:

x′3=(a1x3+a2y3+a3z3+d1),y′3=(b1x3+b2y3+b3z3+d2),z′3=(c1x3+c2y3+c3z3+d3);

x′4=(a1x4+a2y4+a3z4+d1),y′4=(b1x4+b2y4+b3z4+d2),z′4=(c1x4+c2y4+c3z4+d3);

因P′3,P′4必在l1上,則滿足下面兩個方程:

將公式(2)拆分為兩個等式:同理,公式(3)也可以拆分成兩個等式

對進行變換有:

(y2-y1)(x3′-x1)-(x2-x1)(y3′-y1)=0

進一步代換有:

同理,由公式(2)和(3)拆分出的四個等式均可寫成形如公式(4)的關(guān)于ai,bi,ci,di,i=1,2,3的方程。

步驟二:利用筒形構(gòu)件的點云數(shù)據(jù)對兩筒形構(gòu)件的拼裝面進行平面擬合,獲得平面G1、G2,設(shè)兩平面對應(yīng)的法向量分別是列面耦合約束方程。

兩筒形構(gòu)件的拼裝面滿足面耦合關(guān)系:對于面耦合情況,兩個面的法向量方向相反,設(shè)P1(x1,y1,z1)是平面G1上的點、P2(x2,y2,z2)是平面G2上的點,兩個耦合面的法向量已知,分別設(shè)為建立以下方程:

公式(5)進一步寫成:

將公式(6)整理,可得:

兩平面耦合,同時滿足:

其中:P′2表示兩面貼合后平面G2上的點P2在平面G1對應(yīng)點;P′2由P2經(jīng)變換得來,所以P′2-P1可表示為:

所以最后可寫成:

公式(7)與(10)表示面耦合的約束條件,共四個方程,按公式(7)、(10)列出面耦合約束方程。

步驟三:根據(jù)軸對齊約束方程、面耦合約束方程列出軸對齊與面耦合的線性方程,組成構(gòu)件拼裝約束方程組:B8×12X12×1-l8×1=0,其中:B8×12表示軸對齊與面耦合的線性方程系數(shù)矩陣;X12×1表示仿真安裝的兩構(gòu)件的進行空間變換時的參數(shù),包括旋轉(zhuǎn)矩陣里的9個方向余旋參和3個位移參數(shù);l8×1表示軸對齊與面耦合的線性方程的常數(shù)項矩陣;

拼裝約束方程組的具體推導(dǎo)步驟如下:

由于旋轉(zhuǎn)矩陣R的九個方向余旋ai,bi,ci,di,i=1,2,3中只有三個是獨立量,旋轉(zhuǎn)矩陣R是正交矩陣,根據(jù)正交矩陣性質(zhì)九個方向余旋滿足以下六個條件:

按公式(4)、(7)和(10)列出面耦合與軸對齊的線性方程,如公式(12)所示:

B8×12X12×1-l8×1=0 (12)

B8×12表示軸對齊與面耦合的線性方程系數(shù)矩陣;X12×1表示仿真安裝的兩構(gòu)件的進行空間變換時的參數(shù),包括旋轉(zhuǎn)矩陣里的9個方向余旋參和3個位移參數(shù);l8×1表示軸對齊與面耦合的線性方程的常數(shù)項矩陣;

設(shè)P1(x1,y1,z1)是面G1上的點,P2(x2,y2,z2)是面G2上的點,兩個耦合面的法向量已知,分別設(shè)為設(shè)是一構(gòu)件的中心軸線la的任意兩點(不重合),是另一構(gòu)件的中心軸線lb上的任意兩點(不重合)。按(4)(7)和(10)列出線性方程(12)后,其系數(shù)矩陣B8×12形如:

常數(shù)項矩陣l8×1形如:

步驟四:列方向余弦之間的條件方程:其中:C6×12表示約束限制條件的系數(shù)矩陣;表示約束限制條件的常數(shù)項矩陣。

方向余弦之間的條件方程的具體推導(dǎo)步驟如下:

將方程線性化后得方向余弦之間的條件方程,如公式(13)所示:

其中,約束限制條件的系數(shù)矩陣C6×12形如:

約束限制條件的常數(shù)項矩陣形如:

步驟五:利用附有限制條件的間接平差解求X12×1,求解變換矩陣H;

將公式(12)與(13)組成誤差方程和限制條件,聯(lián)合迭代解求12個未知數(shù)X12×1=(a1,a2,a3,b1,b2,b3,c1,c2,c3,d1,d2,d3)的改正數(shù);計算未知數(shù)的最新值;

判斷改正數(shù)的大小是否滿足設(shè)定閾值:滿足,則退出迭代循環(huán);不滿足,則重復(fù)步驟三、步驟四和步驟五,最終求得變換矩陣中的未知數(shù),得出變換矩陣。

步驟六:利用變換矩陣將兩工業(yè)構(gòu)件進行拼接,實現(xiàn)工業(yè)構(gòu)件半自動仿真安裝。

如圖2所示,是采用本發(fā)明仿真安裝后筒形構(gòu)件接觸面放大圖,表1是筒形構(gòu)件仿真安裝后貼合面誤差計算結(jié)果。

表1構(gòu)件仿真安裝后貼合面誤差計算結(jié)果(單位:mm)

通過圖2可見,按照本發(fā)明方法,可以實現(xiàn)基于點云數(shù)據(jù)的兩筒形構(gòu)件拼裝。計算構(gòu)件仿真安裝后貼合面誤差如表1所示,可知,兩筒形構(gòu)件基于點云數(shù)據(jù)仿真安裝后接觸面對接精度高、誤差小。

本發(fā)明可以改變原有的人工試組裝的工作方式,特別是對于大型的工業(yè)構(gòu)件出廠前的試安裝檢測工作方式。基于點云數(shù)據(jù)進行仿真安裝將充分利用先進的三維激光掃描技術(shù),大大提高工業(yè)構(gòu)件的生產(chǎn)效率。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實施方式,應(yīng)當(dāng)指出,對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說,在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下,還可以做出若干改進和變形,這些改進和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護范圍。

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