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汽车密封条点云数据与截面数据的对齐
汽车密封条点云数据与截面数据的对齐
时间:2016-01-22 23:15  来源:未知 浏览次数:
  第35卷 第2期2006年 4月    贵州工业大学学报(自然科学版)      文章编号汽车密封条点云数据与截面数据的对齐李 波,黄 放(贵州大学机械工程学院,贵州贵阳摘 要:逆向工程中点云数据处理是重构表面模型的一个很重要的步骤。以汽车密封条三角窗产品为例,结合汽车密封条产品逆向工程的特点和坐标变换的理论,利用逆向软件,实现了汽车密封条点云数据与截面数据的对齐。
  
  关键词:逆向工程;截面数据;汽车密封条;对齐中图分类号:TH061   文献标识码:A0 前 言逆向工程(Reverse Engineering,RE)是针对一现有工件(样品或模型,尤其适合复杂不规则的自由曲面),利用3D数字化测量仪器准确,快速的测量出轮廓坐标值,并建构曲面,经编辑、修改后,将图挡转至一般的CAD/CAM系统,再由CAM所产生刀具的NC加工路径送至CNC加工机制作所需模具,或者以快速成型机将样品模型制作出来。其流程如下:汽车密封条是汽车的重要组成部分之一。随着汽车工业的迅速发展,汽车密封条零配件产品的需求量日趋增加。其特点:1、属于弹性体零件,材质软,给获取3D数据带来了困难;2、其表面多为扫掠曲面,然而其截面的形状相当复杂。因此汽车密封条产品的反求主要是解决如何获取可靠的3D数据和点云数据的处理。
  
  1 点云数据的获取1.1 获取外轮廓的点云数据逆向工程中获取点云数据的方法按其特性和方法一般分为两类:接触式测量和非接触式测量。
  
  (1)接触式测量由于探头必须与被测零件的工件表面接触,一般用来测量刚性体零件。其探头是以逐点方式进行测量的,测量速度相当慢。
  
  (2)非接触式测量克服了接触式测量的缺点,其原理是利用某种(激光,声波,电磁波等)与物体表面相互作用的物理现象来获取物体表面的三维坐标信息,比如激光扫描是利用激光在被测物体表面投射一条光y收稿日期作者简介:李 波(1979-),男,四川巴中人,研究生。线,由于被测表面起伏及曲率变化,投射的光条随此轮廓的位置起伏而扭曲变形。由于在测量过程中不需与物体表面接触,对零件质地无特别要求,但是它将带来大量的冗余数据。
  
  对比以上的两种测量方法和汽车密封条的产品的特点,选取非接触式测量的方法。采用了激光扫描的方法获取了如图1的三角窗的点云数据。
  
  点云1是在坐标1下测得的点云数据,点云2是在坐标2下测得的点云数据。截面数据图1图21.2 截面CAD数据的获取由于汽车密封条产品主要是以扫掠曲面为主如图1中的点云1的边1,2,3.在逆向软件中,为了构建扫掠曲面,通常采用的方法是沿产品的特征线移动横截面曲线。从图1中可以看出,以边1为例,从边1的点云数据提取特征线,即导引线是很容易实现的,然而提取边1的横截面数据则非常困难。因为在三角窗各边内部有许多特征在扫描的过程中不能表达出来,如图2所示的无法扫描的区域。因此获取截面数据采用了破坏测量法,在三角窗边1取一切片,采用投影的方法获得其横截面的CAD数据,如图2所示,需要将图2所示的截面数据对齐到图1的点云1的边1上。
  
  2 点云数据精减由于激光扫描将会带来大量的冗余的数据,并不是所有的点云数据对模型重建都有用,因此需要按一定的要求减少测量点的数量。数据精减有三种方法:(1)随机采样(Sample Uniform)此方法适用于散乱的点云。
  
  (2)角偏差法(Angular Deviation)用来从具有尖锐变化的实物数据点中抽取特征线和拐角。
  
  (3)弦偏差法(Chordal Deviation)用以处理扫描线点云,可以删除平坦区域的数据点,而保留下那些具有高曲率变化的点,如角点。在本例中用此方法提取扫描的导引线,在Imageware12上用来实现,达到数据精简的目的。
  
  3 对齐点云数据3.1 对齐点云2与点云1在实物表面数字化过程中,由于一些区域不能在同一坐标系下完全的表达其特征信息,所以需要变换坐标系来获取完整的数据,即相同的位置在不同的测量的过程中,数据是不同的,如图1中的点云2是三角窗(点云1)的边1在不同的位置获取的点云数据,但对同一点来说,相当于从一个坐标系(坐标2)变换到另一个坐标系(坐标1),因此可以将问题表术为坐标系的变换问题。三维图形的坐标变换包括平移、比例、旋转、错切等几何变换。在本例中测量的数据点云的对齐问题仅是平移和旋转变换。
  
  如图1所示,在三角窗(点云1)的边1上取3点:q1、q2和q3,坐标变换后这三点坐标变为点云2上的p1、p2和p3,一定要保证这三点在不同的坐标系上能测到。通过以下三个步骤实现点云数据的对齐:(1)变换p1到q1;(2)变换矢量(p2-p1)到(q2-q1)(只考虑方向);(3)变换包含三点p1、p2与p3的平面到包含q1、q2与q3的平面。
  
  15第2期李 波,等:汽车密封条点云数据与截面数据的对齐 通过以上的步骤,就可以实现点云2和三角窗(点云1)的边1数据对齐。
  
  3.2 对齐截面数据图3中a是在对齐后的点云1的边1中提取的点云数据截面,将图3中由投影所得的三角窗的边1的截面数据b对齐到点云1截面数据a上,此过程只包括平移和旋转变换。利用坐标变换理论,可得出其算法:a b图3(1)将图3b中的平面2通过三维空间变换到图3a中的平面1.
  
  1)把平面2的平面方程乘以平移矩阵,其中l、m、n分别是X、Y、Z方向的平移量。
  
  2)把平移后的平面乘以旋转矩阵T2T2=其中α、β、γ分别表示绕X、Y,Z轴逆时针旋转的角度。这样b中的所有元素与a中所有元素就处在同一个平面了。
  
  (2)将直线1和直线2对齐。因为直线1和直线2处在同一个平面,所以属于二维变换。
  
  1)将直线2乘以平移矩阵T11T11=l m1,其中l、m分别是X、Z方向的平移量。
  
  2)将平移后的直线2乘以旋转矩阵T22T22=,其中θ为直线1和平移后的直线2之间的夹角。
  
  (3)将点1和点2对齐。因为点之间的对齐,只可能存在一个平移量。因此将点2乘以一个平移矩阵T3实现点1和点2的对齐。
  
  T3=l m1,其中l,m分别是X、Z方向的平移量。
  
  通过以上三个步骤实现了截面数据的对齐。
  
  4 结 论本文就汽车密封条产品的逆向开发特点,通过对点云数据的处理,结合坐标变换的理,利用逆向软件,16 贵 州 工 业 大 学 学 报 (自然科学版)2006年对齐点云数据与截面数据。为后续的曲面重构奠定了基础。
  
  参考文献:[1]金 涛。逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社[2]田竹友,等。逆向工程中数据的处理[J].北京机械工业学院学报[3]张瑞乾。逆向工程中对测量数据进行重定位的研究[J].烟台大学学报(自然科学版(上接13页)
  
  17第2期李 波,等:汽车密封条点云数据与截面数据的对齐 (责任编辑:旺卓)
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