專利名稱：一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法
技術領域：
本發(fā)明是一種基于三維數(shù)字化技術的破損機械零件的修復方法，屬于機械設計及制造領域，旨在解決復雜零件表面破損部分的三維數(shù)字化修補問題，為破損零件表面原始 數(shù)據(jù)的恢復提供切實可行的數(shù)字化設計方案。
背景技術：
在機械制造行業(yè)，經(jīng)常會出現(xiàn)因磨損、腐蝕、甚至斷裂等造成零件的報廢。需要重 新制造一新的零件來更換報廢的零件，如果企業(yè)有一系列與該零件相關的原始數(shù)據(jù)信息， 則按原始的圖紙上所需求的形狀、結構、尺寸及有關的技術要求就可重新制造出該零件。但 當出現(xiàn)原始圖紙丟失、或購買產(chǎn)品時供應商沒有提供相關零件的原始設計圖紙等現(xiàn)象時， 如果零件的形狀比較規(guī)則，則可采用傳統(tǒng)的機械零件測量的手段或方法得到原始的設計數(shù) 據(jù)，經(jīng)過重新設計得到該零件的有關數(shù)據(jù)信息。但這種傳統(tǒng)的方法僅限于形狀比較規(guī)則、精 度要求不高的零件，對于較精密而且形狀復雜的零件，這種方法無法解決此問題。目前，在沒有原始設計數(shù)據(jù)資料的情況下，為了較精確測量出零件的數(shù)據(jù)信息，在 零件測量中利用超聲波、電磁、光學等現(xiàn)代測量方法來獲取零件的有關數(shù)據(jù)信息，現(xiàn)代的測 量方法主要有三種一是接觸式測量法，如觸發(fā)式、連續(xù)掃描式；二是非接觸測量法，如超 聲波法、電磁、光學測量方法；三是逐層掃描測量法，如工業(yè)法、核磁共振法、自動斷層掃描 法等。目前，在機械零件的測量中常用的測量方法是接觸式測量方法和非接觸式光學測 量法，利用這些先進的測量技術，對一完好無損的零件，在沒有原始設計圖紙的情況下，利 用激光測量技術得到零件表面的三維數(shù)據(jù)點后，對相鄰的點進行三角網(wǎng)格化處理，用若干 逼近的三角面片構成物體的表面，通過數(shù)字化建模方法得到原始的設計數(shù)據(jù)。但利用這種 方法得到的只是產(chǎn)品的表面模型，其數(shù)據(jù)信息不能用于下游的CAE/CAM中，也無法利用所 建模型通過投影的方法得到產(chǎn)品的一系列二維工程圖樣信息。而對于破損的零件，無法利 用以上方法得到破損部分的數(shù)據(jù)，而未破損部分測量所得的數(shù)據(jù)也都是相互之間沒有約束 關系的離散的三維數(shù)據(jù)點。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在破損零件沒有原始設計圖紙的情況下，提供一種基于三維數(shù)字 化的破損機械零件的修復方法，可得到破損零件各表面的三維數(shù)據(jù)信息，并重構出能為下 游CAE/CAM所用的零件三維實體模型和二維工程圖。本發(fā)明采用的方法是首先采用激光測量系統(tǒng)得到待測零件的表面三維數(shù)據(jù)點， 將獲得的待測零件的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息進行拼合，再對拼合后的三維坐標數(shù)據(jù)信 息通過特征識別及提取方法與三維數(shù)字化設計方法結合，修補出待測零件的破損部分，得 到待測零件的三維實體模型、二維工程圖和誤差分析圖，最后還原成技術文檔，復制制造出 破損的零件。
本發(fā)明的有益效果是1、利用現(xiàn)有的激光測量技術得到零件的表面數(shù)據(jù)點后，利用特征的識別和提取方法，并與現(xiàn)有的機械設計中的三維設計軟件相結合，完成破損機械零件的數(shù)字化修復，修復
精度尚。2、數(shù)字化建模是以目前機械設計行業(yè)廣泛應用的三維參數(shù)化設計軟件為平臺，便 于推廣應用，數(shù)字化模型易于編輯修改，3、本發(fā)明將激光測量技術與三維數(shù)字化技術相結合，測量成本較低，可操作性強。


圖1是破損機械零件的測量原理圖，圖1中1、2.攝像頭；3.光柵投影裝置；4.待測零件。圖2是本發(fā)明的工作流程圖。
具體實施例方式本發(fā)明的硬件部分由完成數(shù)據(jù)測量的激光測量系統(tǒng)和完成后期數(shù)據(jù)處理的計算 機系統(tǒng)所組成。如圖1，完成數(shù)據(jù)測量的激光測量系統(tǒng)由兩個攝像頭1、2、一個光柵投影裝 置3組成，兩個攝像頭1、2形成一定夾角α。將待測零件4放置在激光測量系統(tǒng)的下部，測 量待測零件4的表面三維坐標點數(shù)據(jù)。如圖2所示，本發(fā)明采用激光掃描的方法得到破損零件的表面三維數(shù)據(jù)點，根據(jù) 零件表面的不同屬性，以測量的零件表面三維坐標點為依據(jù)，利用特征識別及提取方法，并 與三維數(shù)字化設計技術相結合，修補出零件的破損部分。并由此得到零件的三維實體模型、 二維工程圖和誤差分析圖，根據(jù)這些技術文檔，復制制造出破損的零件，其具體步驟如下測量待測零件4的表面三維坐標點數(shù)據(jù)方法如下1、根據(jù)待測零件4不同的破損情況，制定不同的掃描測量策略，完全斷裂的部分 應測量出斷裂部分斷面的數(shù)據(jù)。在掃描時的場景空間中放置三個以上的圓球作為參照物， 或在待測零件4的表面貼放若干個圓形參考點，進行三角網(wǎng)格化剖分。2、測量時，光柵投影裝置3投影數(shù)幅特定編碼的結構光到待測零件4上，成一定夾 角α的兩個攝像頭1、2同步采得相應圖象，然后對圖象進行解碼和相位計算，并利用常規(guī) 的匹配技術和三角形測量原理解算出兩個攝像頭1、2公共視區(qū)內(nèi)各像素點的三維坐標。3、重復上述步驟2，測量出待測零件4的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息。將獲得的待測零件4的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息進行拼合，拼合時分兩種情 況，一是將不同方位測量所得數(shù)據(jù)進行拼合，二是將斷裂部分的斷面數(shù)據(jù)進行拼合。具體 是根據(jù)已制定的掃描策略中預設的參考點測量，參考點即圓球的球心或圓形參考點 的中心，球心和中心是通過擬合的方法得到。測量時相鄰兩次光柵投影裝置3中至少有三 個參考點被同時測量到，將所有測量的來自待測零件4的不同方位的數(shù)據(jù)進行對齊處理， 對齊處理的基本方法是利用空間點的坐標變換，同一參考點從不同方位進行測量后，將處 于不同的測量坐標系統(tǒng)中，通過空間坐標變換將前后兩次測量得到的三個參考點統(tǒng)一至同 一坐標系下，亦即將前后兩次測量得到的三個參考點重合在一起，利用這樣的對齊處理方法，得到待測零件4的整體三維數(shù)據(jù)信息。對于斷裂的零件，利用相同的測量及對齊處理方法，分別完成斷裂部分的數(shù)據(jù)測量和對齊處理，之后將斷裂的部分拼放在一起，在斷裂部分的裂口處貼放若干圓形參考點， 該圓形參考點裁剪成兩部分，分別位于兩斷裂的零件表面。然后分別對斷裂的兩部分的裂 口附近及斷面數(shù)據(jù)進行掃描及對齊處理，對齊方法步驟上述相同，對齊時將來自兩斷裂部 分的數(shù)據(jù)中三個圓形參考點的兩圓心進行對齊，從而將斷面數(shù)據(jù)拼接在一起。對拼合后的三維坐標數(shù)據(jù)信息，通過以下幾種特征識別和提取，再用三維數(shù)字化 方法修補破損的部分。一種方法是提取出待測零件4表面的特征點，特征點是指位于待測 零件4輪廓邊界上的點，各剖截面上的點，由這些特征點擬合得到構成待測零件4表面的各 特征線，通過對各條特征線構成的曲線的曲率連續(xù)性分析，修正或補全零件破損部分的特 征線。另一種是對組成待測零件4的表面通過曲率計算的方法，按不同的表面性質進行自 動或半自動的數(shù)據(jù)分割，如按圓柱面、圓錐面、圓球面、圓環(huán)面、平面、自由曲面進行分割，這 樣將破損的部分劃分到某一數(shù)據(jù)集中，再根據(jù)該數(shù)據(jù)集的表面特征和已有的未破損的表面 數(shù)據(jù)擬合補全破損的部分。若待測零件4是對稱形狀，對于對稱的待測零件4，利用其對稱 性，首先提取其對稱平面作為特征面，然后利用對稱性以及提取的表面特征點和特征線修 補出零件的破損部分。將經(jīng)過上述修補處理后得到的特征點、特征線、特征面輸入至三維參數(shù)化設計軟 件中，利用這些軟件提供的各種建模方法，如拉伸、旋轉、掃描、蒙皮等方法完成后期的三維 建模，構成三維數(shù)字化模型。對于一完好無損的待測零件4，將建模所得的表面模型通過現(xiàn) 有參數(shù)化三維軟件的標準交換接口，如IGES、STEP接口導入三維軟件中，通過對導入表面 進行復制，并進行實體化處理，得到產(chǎn)品的實體模型，再利用投影的方法可得到一系列二維 工程圖樣。而對于破損的零件待測零件4，對于缺損部分因無法測量得到缺損部分的表面數(shù) 據(jù)，本發(fā)明采用基于特征(特征點、特征線、特征面)的方法，根據(jù)產(chǎn)品所固有的表面特性來 修補出產(chǎn)品缺損的部分，并重建出產(chǎn)品的實體模型。最后，本發(fā)明將測量所得的零件表面的三維坐標點與三維數(shù)字化模型進行比對分 析，以各測量點到零件表面的最短距離的平方和最小為目標函數(shù)，進行誤差分析，得到誤差 分析圖，從而將誤差控制在設計要求的范圍內(nèi)，得到修復的零件三維數(shù)字化模型，然后還原 成技術文檔，根據(jù)該技術文檔進行工廠化生產(chǎn)，復制制造出破損的零件。
權利要求
一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，其特征是首先采用激光測量系統(tǒng)得到待測零件的表面三維數(shù)據(jù)點，將獲得的待測零件的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息進行拼合，再對拼合后的三維坐標數(shù)據(jù)信息通過特征識別及提取方法與三維數(shù)字化設計方法結合，修補出待測零件的破損部分，得到待測零件的三維實體模型、二維工程圖和誤差分析圖，最后還原成技術文檔，復制制造出破損的零件。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，其特征 是所述采用激光測量系統(tǒng)得到待測零件的表面三維數(shù)據(jù)點的步驟為1)在激光測量系統(tǒng)的掃描空間放置三個以上的圓球作為參照物，或在待測零件表面貼 放若干個圓形參考點進行三角網(wǎng)格化剖分，對完全斷裂的待測零件測量出斷裂部分斷面的 數(shù)據(jù)；2)激光測量系統(tǒng)的光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結構光到待測零件上，成一定夾 角的兩個攝像頭同步采得相應圖象，對圖象進行解碼和相位計算，解算出兩個攝像頭公共 視區(qū)內(nèi)各像素點的三維坐標；3)重復上述步驟2)，直至測量出待測零件的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，其特征 是所述對表面三維坐標數(shù)據(jù)信息進行拼合的方法是同時測量至少三個參考點，將不同 方位測量所得數(shù)據(jù)進行對齊處理；對于斷裂的零件，在對齊處理后再將斷裂部分拼放在一 起，在斷裂的兩部分分別貼放若干個裁剪成兩部分的圓形參考點，然后分別對斷裂的兩部 分的裂口附近及斷面數(shù)據(jù)進行掃描及對齊處理。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，其特征 是所述特征識別及提取方法是1)提取位于待測零件輪廓邊界上的點和各剖截面上的點，由這些點擬合得到構成待測 零件表面的各特征線，通過對各特征線構成的曲線的曲率連續(xù)性分析，修正或補全零件破 損部分的特征線；2)對組成待測零件的表面通過曲率計算，按不同的表面進行數(shù)據(jù)分割，將破損的部分 劃分到數(shù)據(jù)集中，再根據(jù)該數(shù)據(jù)集的表面特征擬合補全破損的部分。
5.根據(jù)權利要求3所述的一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，其特征 是所述對齊處理的方法是同一參考點從不同方位進行測量后處于不同的測量坐標系統(tǒng) 中，通過空間坐標變換將前后兩次測量得到的三個參考點統(tǒng)一至同一坐標系下。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于三維數(shù)字化的破損機械零件的修復方法，首先采用激光測量系統(tǒng)得到待測零件的表面三維數(shù)據(jù)點，將獲得的待測零件的所有表面三維坐標數(shù)據(jù)信息進行拼合，再對拼合后的三維坐標數(shù)據(jù)信息通過特征識別及提取方法與三維數(shù)字化設計方法結合，修補出待測零件的破損部分，得到待測零件的三維實體模型、二維工程圖和誤差分析圖，最后還原成技術文檔，復制制造出破損的零件。本發(fā)明修復精度高，數(shù)字化建模易于編輯修改，測量成本較低，可操作性強，便于推廣應用。
文檔編號B23P6/00GK101804541SQ20101013330
公開日2010年8月18日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權日2010年3月25日
發(fā)明者康蘭, 李小河, 趙文 申請人:河海大學常州校區(qū)