自由曲面扫描线测量点云数据处理技术

采用测量点云数据进行自由曲面的重构是逆向工程的关键技术之一,自由曲面重构的精度很大程度取决于点云数据处理技术.论文根据自由曲面测量点云数据比较普遍采用的数据组织方式--扫描线点云数据的特点,详细阐述了包括异常点去除、数据拼接与统一、平滑与滤波、数据精简等点云数据的处理技术,提出了自由曲面扫描线点云数据的高精度和自动化处理方法与流程.实例表明,经过自动处理的点云数据能够充分满足后续曲面重构建模的需要,并能为建模提供可靠的数据保障.     

逆向工程及3D打印技术的应用与精度分析

针对结构复杂零部件难以获得精准的尺寸和外形,逆向工程与3D打印技术相结合可有效解决该问题。以汽车水枪为例,利用COMET蓝光扫描仪对其表面进行三维扫描,并获取三维点云数据,应用Colin3D软件分析扫描过程点云数据精度;利用Geomagic Studio软件对点云数据进行优化处理,应用Geomagic Design X软件对水枪曲面进行重构,通过偏差图与环境写像进行逆向建模过程的质量分析;采用光固化打印技术完成逆向实体的快速成型,利用Geomagic Control X将重建后的三维几何模型与原始CAD数据进行误差对比分析,为维修和加工制造提供了数据支持。     

多深孔特征汽车端盖的模型重构

为获取多深孔特征汽车端盖的实体化模型,对其模型重构方法进行研究。运用Geomagic Wrap完成点云数据的精简和噪点的去除,应用GA-BP算法对跨面点云孔洞修补。利用Geomagic Design X的正逆向结合设计功能,截取深孔特征处的轮廓;基于点云的自动特征识别进行参数化修正,运用正向设计命令完成实体模型的重构。采用Geomagic Control X软件对实体模型与原始点云数据的偏差进行分析,验证了该建模思路能够获得满足精度要求的汽车端盖实体模型,对具有相似情况的零件模型重构提供了参考。     

焊缝表面缺陷激光扫描三维重构测量

为检测工件焊缝表面缺陷，采用点激光位移传感测距法和数据拟合技术进行焊缝表面缺陷检测试验研究. 首先采集缺陷表面轮廓数据点，利用高斯滤波对原始数据降噪处理. 再对处理后的数据点进行Delaunay三角剖分，使散乱点连接并结合其空间坐标重构出缺陷的三维模型. 结果表明，基于点激光位移传感测距技术及焊缝表面缺陷三维重构方法可以准确判断焊缝成形情况.     

航空发动机叶片数字化再制造方法研究

叶片作为航空发动机的关键部件,其数字化三维模型等核心技术资料一直由国外发动机厂商垄断。为获取航空发动机叶片的三维数字化模型,提出一种基于海量点云数据的叶片数字化模型重建方法。利用激光扫描仪获取的叶片点云数据;在点云数据预处理部分,进行点云对齐并合理精简;将点云数据截面转化为含有噪声的时域信号进行滤波,引入单树小波包分析方法,并通过坐标变换将其分割为叶盆面和叶背面;依据叶片的型面特点,采用不同方法对叶片截面边界进行拟合。反复上述过程,采用蒙面曲面的方法建立叶片数字化三维模型。实验结果表明,利用该方法建立的发动机叶片模型具有良好的光顺性和几何精度,明显提升了建模效率。     

K-means聚类精简点云驱动PointNet++的行星齿轮故障诊断

复杂装备的三维模型点云数据具有非结构化、无序性、离散性的特点，数据精简策略和深度神经网络模型构建被视为点云数据驱动的机械设备故障诊断关键技术难点。提出了一种K-means聚类(K均值聚类算法)精简点云驱动PointNet++的行星齿轮故障诊断方法。首先，提出了基于K-means的点云数据精简策略实现了在充分保留细节特征的前提下，精简84%的冗余数据；其次，构建了简度、速度、精度的精简效果三维评价指标体系并对精简算法进行评价；最后，构建了能够提取局部特征的PointNet++故障诊断模型。实验结果表明，相比于点云数据直接驱动PointNet++,K-means聚类精简点云驱动PointNet++的行星齿轮故障诊断的准确率提升了6.9%,表明了所提方法的有效性。     

硬质合金可转位刀片槽型曲面的非接触式三维扫描与建模研究

在采用非接触式三维扫描技术对硬质合金可转位刀片槽型复杂曲面扫描的过程中,通过修正相机镜头畸变提高扫描精度,运用Geomagic Studio软件对点云数据进行噪声去除、点云拼接和特征提取等系列处理保证重构模型的准确性。重构刀片的三维模型经过与原始点云数据的误差比较,大部分的偏差值在(-0.011,0.011)区间内,满足精度要求。在扫描过程中,应选择刀片主要特征表面进行扫描,以减少扫描角度及扫描次数。同时,根据重建模型的曲面特征对数据块进行曲面修改,可以更有效、快捷的优化该刀片槽型的设计。     

逆向工程中带孔洞的曲面对象三角剖分法研究

在分析现有的一些三角剖分方法的基础上，提出一种新的基于边界扩展的3D三角剖分方法，该方法首先采用一种空间栅格装点法来进行初始点云数据精简；再构造种子三角形，通过连接已剖分网格区域的边界边与最优扩展点来形成三角形网格从而向外扩展。该法可以对带有内孔等其他非凸壳的复杂曲面对象点云直接进行三角剖分，无需人工分区。实际应用表明采用该法可以快速、有效地从三维数据点集建立几何模型。     

逆向工程曲面重建及实验应用研究

针对逆向工程前处理阶段获得的海量点云大数据存在运行速度慢、内存不足等问题,确立了点云分割的精确程度是影响最终数模精度和处理时间的关键因素;分析了点云处理的技术流程、三角Bezier曲面重构法和NURBS曲面造型法,研究了基于曲率的边界法识别技术和基于点云几何属性的特征区域自动分割方法以及平面分割技术;以某大型水轮机叶片和发动机皮带轮等为实验对象进行了三维光学扫描,采用Geomagic软件对获得的海量点云进行了处理和曲面重建操作,得出理想点云数模和真实数模的实际偏差率为96%,证明了采用的研究方法在逆向工程、质量检测及3D打印方面是切实可行的。     

基于3DSS的汽车转向柱护套反求设计

以汽车转向柱护套的反求设计为例,利用三维光学扫描仪采集点云数据,对采点数据的处理包括数据精简、多边形化处理等方法进行了探讨,并重点介绍了在Imageware软件中进行点云补缺、构建曲线与曲面及曲面光顺性检测的过程.     

基于点云匹配的高铁车轮检测机械臂运动仿真研究

针对高铁车轮内部缺陷检测效率低、准确性差的问题,搭建一个六轴超声相控阵检测机械臂用于高铁车轮无损检测。对高铁车轮三维图进行点云提取和处理,保存为模板并提取目标扫描路径;然后利用Azure Kinect相机对高铁车轮进行了三维点云重建与模板点云匹配;最后在CoppeliaSim中建立检测机械臂的运动学模型,通过MATLAB和CoppeliaSim执行运动学仿真。结果表明：该运动学模型有效,各关节和末端执行器的控制效果良好,可以实现高铁车轮的自动化检测,并达到预期的轨迹,为检测机械臂控制问题的后续研究提供了实验基础和理论依据。     

基于激光熔覆再制造PDC钻头的机器人仿真分析

为了降低PDC钻头维修成本以及钻井周期,基于激光熔覆再制造技术,提出用机器人实现对钻头的再制造. 基于逆向工程,对PDC钻头进行数据采集,再对获取的钻头点云数据进行数据处理、三维重构,构造出与实体PDC钻头相同的三维模型. 利用软件Geomagic布尔运算得出工件缺损部位,在软件NX1899中利用等距平面族Γ与钻头修复部位相交,实现对曲面零件的路径规划. 对机器人末端焊枪修复PDC钻头轨迹进行仿真模拟,利用软件PQart模拟工作环境中工件相对于机器人的位置,实现对机器人的轨迹优化. 调整机器人末端焊枪位姿,提高修复后PDC钻头的表面性能. 验证了所述方法的可行性,为激光熔覆再制造技术修复复杂曲面提供了参考.     

汽轮机叶片多轴加工工艺与检测技术的研究

根据汽轮机叶片的结构特点,针对加工和检测中的难点,阐述使用UGNX 8.5软件的多轴加工功能对汽轮机叶片进行刀轨规划、生成、仿真以及后处理的方法。使用三维激光扫描技术对加工完成的零件进行扫描获得点云数据文件,采用逆向软件Geomagic对点云数据进行处理,输出曲面模型,进而与叶片理论模型进行整体匹配,从而检测零件是否满足设计精度要求。该加工与检测方案实用性强,具有一定的参考价值。     

基于Imageware和Moldflow的塑料产品逆向设计与注射成型分析

阐述了逆向工程设计的过程和方法,利用逆向软件Imageware对头盔点云数据进行处理,划分特征线网格和曲面重构,然后将Imageware软件逆向设计的头盔三维模型导入Moldflow/MPI软件中,对头盔注射成型过程进行模拟仿真和分析,并根据填充、冷却和翘曲分析结果优化了模具结构,获得了较高质量的产品,实现了产品与模具的快速设计。     

基于Handyscan 3D激光扫描仪的逆向技术研究

以某型汽油发动机缸体、缸盖为例,应用Handyscan 3D激光扫描仪进行点云数据的获取,并结合逆向工程相关的处理软件详细研究了点云数据预处理、模型重构、误差检测以及模型优化的关键步骤和注意事项,最终实现对本典型结构产品的精准建模。研究结果对其他种类产品的逆向研究具有参考价值,将先进的设计经验同自身现有的设计体系相结合,有利于快速发展核心技术。     

基于COMET L3D三维结构光扫描仪的逆向技术研究

以某发电机端盖为例,介绍COMET L3D三维结构光扫描仪系统及点云数据获取的方法,描述了Geomagic Studio逆向软件对点云数据预处理的要点,重点探讨了发电机端盖这类铸造产品模型重构的步骤、方法以及注意事项,并进行了误差分析,最后获得了符合精度要求的数据模型。结果表明:通过借助COMET L3D三维结构光扫描仪对铸造产品进行逆向工程的研究,可在吸收原有逆向方法的基础上进行创新、改进,缩短新产品的研发周期。     

复杂箱体零件的激光扫描测量与模型重构

复杂箱体是一种制造难度较大的重要零件,逆向设计技术可以有效缩短复杂箱体零件的设计周期、降低生产成本,箱体的数字化测量是逆向设计的关键技术之一。在对复杂箱体进行数字化测量时,选用了转站方式的激光扫描测量方法。箱体外表面的点云数据可以通过激光扫描测量直接获得;箱体内腔形状复杂,难以测量,通过将石膏灌入箱体内腔,待石膏冷却成型后取出石膏,测量石膏外表面获得石膏外表面点云数据。计算出石膏质心,将石膏表面点云依照石膏材料的收缩率进行以质心为中心的缩放处理,反求出箱体内腔表面的点云数据,最后利用特征点匹配的方法将复杂箱体的外形点云数据和内腔点云数据融合,形成完整的箱体点云模型。根据点云完成了复杂箱体零件的三维数字模型的重构和精度评价。     

复杂型面链轨节实体模型重构研究

为了获取某型面复杂且具有配合精度要求的链轨节实体模型,对其实体模型重构方法进行研究。运用遗传算法优化的BP神经网络修补点云孔洞,通过精确曲面创建得到的链轨节实体模型不能满足销轴孔和螺栓孔的配合精度要求。提出了在Geomagic Design X软件中,基于面片草图拟合约束对精度要求较高的两类孔进行参数化修正,完成该链轨节实体模型重构。通过分析点云数据与实体模型的偏差,验证了利用该建模方法能够获得满足精度要求的链轨节实体模型,对具有相似特征零件的模型重构具有借鉴意义。