基于光线测试的点云数据与CAD模型归属处理研究

针对非接触测量方法进行复杂型面零件数字化检测中,点云数据量大及点云与计算机辅助设计模型配准和偏差计算中存在着如何有效处理点云与测量面的归属问题,提出了采用光线测试模型确定计算机辅助设计模型的可见面.以待测计算机辅助设计模型面的采样型值点作为光源,其外法矢作为光源方向与计算机辅助设计模型进行相交测试,确定出测量可见面,然后进行点云与可见面的归属处理.试验结果证明了该方法的有效性.     

基于点云数据的复杂型面数字化检测技术研究

针对设计制造流程中复杂型面检测难的问题,建立了由数据获取、点云与计算机辅助设计模型匹配及偏差分析组成的数字化测量系统。采用格雷码加相移技术的三维非接触式光学测量技术,获取了待测零件的表面数据。为满足光学三角法要求,在测量机构中采用了定制光栅,提出了具有小扰动的改进最邻近点迭代算法进行点云与计算机辅助设计模型的准确匹配。在偏差分析中采用多分辨率层次分析法对测量点云与计算机辅助设计模型进行比较,为设计人员及时提供了精度分析数据,使设计制造检测成为一个反馈系统。以某型号轿车车灯配光镜为例,验证了该系统的可行性。     

基于扩展高斯球的点云数据与CAD模型配准

针对点云数据和三维CAD模型坐标配准过程中初始对应位置无法定量确定及最临近点计算效率问题,提出基于扩展高斯球的快速模板匹配算法,通过点云数据扩展高斯球空间与笛卡尔空间的相互转换,使外特征配准算法中测量点云与三维CAD模型初始位置的确定得到定量解决.为提高配准算法中点云数据与三维CAD模型最临近点的计算效率,采用三维CAD模型引导点云对测量数据与三维CAD模型进行桥接,从而将测量点与自由曲面的数值迭代计算问题转化为三维空间中最临近点的空间搜索,使算法的效率得到提升,实例验证了算法的有效性.     

基于简化点云带动的涡轮叶片快速配准技术

针对涡轮叶片密集点云数据与计算机辅助设计模型配准速率慢、耗费时间长的问题,提出基于简化点云带动涡轮叶片快速配准的方法。基于叶片的三维光学扫描数据和计算机辅助设计模型,采用均匀采样法和曲率采样法简化点云模型数据,通过最近点迭代和奇异值分解相结合的配准方法,实现叶片密集点云模型与计算机辅助设计模型的快速配准,并对配准精度和速度进行了统计分析。结果表明,基于均匀采样法简化的点云数据模型带动的配准,在保证配准精度的前提下能有效提高配准效率。     

复杂曲面三维轮廓精度数字化比对检测与误差分析

针对外形复杂的自由曲面,缺乏准确高效的检测方法这一现状,提出了基于光学测量和计算机图形图像处理技术的三维检测方法。利用激光扫描技术获取复杂曲面点云数据,通过快速检测软件,将扫描点云数据与CAD模型进行比对。介绍了实物模型数字化过程及多视点云数据拼合方法。针对可能产生加工误差的原因,以一尊佛像为例,检测了复杂曲面的3D偏差,并结合加工工艺分析出了实际误差产生的原因。该研究为复杂曲面的检测、加工质量控制提供了科学、快捷的方法。     

三维复杂尺寸检测的研究与应用

为提高复杂曲面工件的检测水平,采用XJTUOM三维光学面扫描系统,获取叶轮和水泵外壳的点云数据,结合Geomagic Qualify把点云数据和CAD模型进行3D对比分析,实现了叶轮的全尺寸比对和水泵外壳的关键尺寸测量.试验结果表明:叶轮98%以上的点云偏差在±0.2mm之间,水泵外壳指定位置的尺寸偏差也都在±0.2mm之间.该方法可快速、可视化地实现工件尺寸的检测,极大缩短产品的检测和开发周期.     

基于Geomagic Qualify的叶片尺寸检测与分析

利用SolidWorks建立叶轮的标准模型,用三维扫描仪得到其叶片点云数据并进行后处理,将处理后的点云数据和标准模型导入Geomagic Qualify件进行3D、2D比较,能迅速丑精确地检测出其尺寸偏差,既提高了检测效率,又拓宽了检测手段.     

B样条曲线逼近偏差的精确求解算法

目前文献中的B样条曲线逼近偏差计算方法的可靠性较差,为了改善计算结果的准确性和可靠性,提出了一种基于邻域搜索比较的偏差求解方法。在求得逼近曲线之后,首先将所有离散数据点参数化,并求出各数据点在曲线上的对应点;然后针对某具体的数据点,将曲线在其对应点邻域内细分成若干个临时点,并分别计算出该数据点与各临时点间的距离;最后将最短距离作为曲线与该数据点间的逼近偏差。仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。     

融合激光雷达与无人机的特大钢结构高精度测量

为了实现对特大钢结构的高效率、高精度检测,对地面激光点云整体配准算法以及无人机多视影像生成密集点云算法进行了研究。采用基于几何特征的可迭代整体配准算法不断对观测值进行约束定权和解算,将观测值改正数误差控制在一定阈值范围内,直到完成配准,生成整个网架结构的激光雷达点云模型。以球节点多连杆中心点算法对网架结构中的球结点与柱进行偏心计算,再使用基于视觉运动恢复结构算法以及改进的RANSAC算法生成的影像密集点云,通过配准实现地面激光点云和高分辨率非量测影像数据的融合。以某亚洲最大跨钢结构高精度检测为例,多站激光雷达点云整体的配准精度为5 mm,抽检的21根钢柱里16根柱子的偏差接近或大于35 mm(32.1～68.2 mm,方向均向外),整体钢结构的网架挠度均小于1/250。由此表明,地面激光点云整体配准算法以及高分辨率非量测影像数据密集点云生成算法可行且准确,能够满足特大钢结构的高精度检测要求。     

基于Geomagic Qualify的连杆偏差检测技术应用

针对汽车连杆的复杂结构和用常规量具难以精确测量的问题,采用了计算机辅助检测方法:借助三维激光扫描仪获取连杆点云数据,并导入Geomagic Qualify检测软件,进行点云处理和数模比对,获得了汽车连杆3D比较和2D比较的色谱图并标定了一些重要尺寸。检测结果表明:汽车连杆整体偏差较小;使用计算机辅助检测技术能有效、快速实现复杂零件的检测。     

基于实时重构的自由曲面自适应布点方法

针对现有的自适应算法计算量庞大、在工程中可应用性不强的缺陷,提出在等距法布点的基础上,对测量点进行实时重构来指导三坐标测量机根据曲面本身特性自动增加测量点的方法。测量过程中,当通过拟合五次B样条曲线、三次B样条曲面判断现有测量点不满足精度时,利用两侧测量点的曲率半径,计算出需增加测量点的准确位置,重新拟合包含新检测点的检测样本,直到满足精度要求。以曲面样件为例,辅以计算机图形可视化验证该算法,实验结果表明该方法测量精度及重构精度均可满足数字化检测要求,且在工程应用中相比曲率自适应算法其计算量大幅下降,有效提高了曲面检测效率。     

Wheel alignment inspection by 3D point cloud monitoring

Today’s wheel alignment inspection systems adopt various computer vision technologies. They, however, require high-end cameras, precisely manufactured targets, and massive calculation loops because they rely on low-dimensional data (two-dimensional images) for measuring higher-dimensional information (three-dimensional orientation) of the wheel posture. To improve this, a simple and inexpensive method using a consumer-grade depth-sensing camera such as Kinect is presented. It directly utilizes point clouds generated from its range image stream. All points within the region of interest (ROI) contain geometrical information of the wheel and are used for the alignment inspection procedures. Its feasibility is evaluated by examining whether the orientation could be aligned to the desired orientation using only the point cloud data. For verification, a one-wheel-based prototype was implemented, and comparative experiments with an existing commercial system were conducted. The experimental results showed that the proposed method provides satisfactory performance. We believe that the proposed method is feasible for practical usage and has a great potential to be an effective alternative to existing wheel alignment inspection methods.     

复杂曲面零件加工精度的原位检测误差补偿方法

为提高复杂曲面零件的数控机床原位检测精度,分析影响接触式检测系统精度的各项因素及其误差补偿方法。对检测系统的主要误差来源如机床几何误差、测头预行程误差和测头半径误差进行分析研究。在对数控机床的几何误差进行分析和建模的基础上,采用激光干涉仪进行三轴数控机床的单项误差测量和补偿;针对测头检测过程中存在的预行程误差,提出基于径向基函数(Radial basis function, RBF)的预行程误差预测方法,获得测头预行程误差分布图,并对检测系统进行实时预行程误差的补偿;提出改进的三角网格模型顶点法矢计算方法,有效进行三维测头的半径补偿。通过实例零件的加工精度原位检测试验及其与三坐标测量机CMM检验结果的比较,验证了原位检测方法的有效性。     

基于模型压缩的 ED-YOLO 电力巡检 无人机避障目标检测算法

针对现有卷积神经网络模型体积大、运算量高,导致电力巡检无人机检测速率与精度无法兼顾的问题,提出一种基于模型压缩的ED-YOLO网络实现无人机避障的目标检测算法。该目标检测算法以YOLOv4为基础,首先在主干网络中加入通道注意力机制,在不增加计算量前提下提高检测精度;其次在特征金字塔部分运用深度可分离卷积替换传统卷积,减少卷积计算量;最后利用模型压缩策略裁剪网络中冗余通道,减小模型体积并提高模型检测速度。在自主构建的9 600张电力巡检无人机飞行障碍的数据集进行测试,ED-YOLO与YOLOv4相比,其障碍物目标检测的平均精度均值只降低了1.4%,而模型体积减少了94.9%,浮点运算量减少了82.1%,预测速度提升了2.3倍。实验结果表明,对比多种其他现存方法,本文提出的基于模型压缩的ED-YOLO目标检测算法有着精度高、体积小和检测速度快的优势,满足电力巡检无机避障检测要求。     

塔设备计算机辅助强度计算及校核

利用Visual Basic语言编制塔设备强度计算及校核的计算机辅助设计软件,包括筒体、封头强度计算,塔设备的强度校核,材料库的建立及开孔补强计算等,同时还具有计算及校核文档自动生成功能。该程序能够缩短塔设备的设计周期,提高工作效率。     

摩托车乘员头盔护目镜强度检测装置研究

根据摩托车乘员头盔检测国家标准规定的铅弹发射速度要求，应用牛顿第二运动定律及气体动力学理论，建立了速度发生器动力学模型，所设计的检测装置经过仿真计算与试验验证满足GB811-1998的相关规定。该装置可以有效评价摩托车头盔护目镜的强度、提高头盔的被动安全性。     

Efficient registration for precision inspection of free-form surfaces

Precision inspection of free-form surface is difficult with current industry practices that rely on accurate fixtures. Alternatively, the measurements can be aligned to the part model using a geometry-based registration method, such as the iterative closest point (ICP) method, to achieve a fast and automatic inspection process. This paper discusses various techniques that accelerate the registration process and improve the efficiency of the ICP method. First, the data structures of approximated nearest nodes and topological neighbor facets are combined to speed up the closest point calculation. The closest point calculation is further improved with the cached facets across iteration steps. The registration efficiency can also be enhanced by incorporating signal-to-noise ratio into the transformation of correspondence sets to reduce or remove the noise of outliers. Last, an acceleration method based on linear or quadratic extrapolation is fine-tuned to provide the fast yet robust iteration process. These techniques have been implemented on a four-axis blade inspection machine where no accurate fixture is required. The tests of measurement simulations and inspection case studies indicated that the presented registration method is accurate and efficient. This work was supported primarily by the NSF Engineering Research Center for Reconfigurable Manufacturing Systems as part of the Engineering Research Centers Program of the National Science Foundation under NSF Award Number EEC 95-29125.     

面向虚拟制造的特种回转面刀具加工仿真系统

建立了面向虚拟制造的特种回转面刀具数控加工仿真系统的体系结构 ,并以砂轮与刀具为例对体系中不同对象间的碰撞干涉进行了讨论 ,推导了相应的检验算法。该体系将几何模型与物理模型相结合 ,较真实地反映了特种回转面刀具数控加工的实际情况 ,提出了新的高效判交算法 ,可有效地提高检验效率     

磨齿机在机检测机构几何误差链建模与补偿

由于几何误差的影响,现有研究主要考虑末端机构或关键运动轴几何误差补偿,尚缺逐次补偿运动轴几何误差。为了避免形成在机检测机构几何误差链而产生误差累积效应,有效提升在机检测精度。根据自主研发卧式磨齿机在机检测原理,基于多刚体系统运动学和齐次坐标变换理论,建立在机检测机构几何误差链模型。逐次识别并补偿几何误差链中运动轴几何误差后,进行了磨齿机标准样板齿轮检测实验。结果表明:误差补偿前后,齿向精度均为4级;误差补偿后,齿形精度提高4个等级,为4级精度,与格里森检测实验结果相吻合。结果验证了模型的正确性,有望在磨齿机高精度在机检测系统中推广使用。