关于截面线数据特征线提取的研究

特征线的提取是逆向工程中的关键环节之一,截面线数据作为逆向工程中重要数据来源对其进行特征线提取研究有着重大意义。近年来,对于特征线提取的研究大都针对于点云和三角网格数据,对于准有序的截面线数据的研究较少。提出一种截面线数据特征线自动提取的算法,光顺截面线轮廓,去除噪点和误差较大的点;计算离散曲率,曲率突变的点即为特征点;提出特征线自动生成算法,自动识别分叉点,偏差点,将得到的特征点集拟合生成光滑特征线。     

圆弧金刚石砂轮三维几何形貌的在位检测和误差评价

针对非球面光学元件加工对圆弧金刚石砂轮形状误差测量的需求,提出了砂轮三维几何形貌在位检测与误差评价方法。建立了砂轮外圆面螺旋扫描轨迹测量数学模型,利用位移传感器获取了砂轮表面轮廓数据;对得到的数据匀滑滤波后沿圆周展开并进行插值处理,得到砂轮三维几何形貌。然后,根据非球面平行磨削加工特点,提出评价圆弧砂轮形状精度的指标。通过提取三维几何形貌轴截面轮廓,进行最小二乘圆弧拟合得到不同相位处的圆弧半径与圆心坐标,并由误差分离获得砂轮表面圆弧的圆度误差、圆周跳动误差及轮廓圆心轴向偏差。最后,对非球面加工圆弧金刚石砂轮进行检测,获得了砂轮的三维几何形貌以及多个关键尺寸及其误差数据:即圆弧金刚石砂轮的平均圆弧半径为55.442 3mm,半径波动极差为0.16mm,中央±8mm环带内圆弧的圆度误差约为5μm,圆周跳动误差约为2μm,截面轮廓圆心轴向位置相对偏差为0.008mm。根据检测结果,进行了大口径复杂非球面磨削实验,得到的元件面形P-V值为4.62μm,RMS值优于0.7μm,满足工程的实际需求。     

平面标定靶标标记点的圆心提取算法

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。 为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1~1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过对比,本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

小圆心角小圆弧半径精确测量方案研究

采用加工精度为0.05 mm的圆弧类标准件模拟汽车“四门两盖”间隙中小圆弧,提出一套小圆心角小圆弧半径精确测量方案,并取其中理论半径分别为1 mm,2 mm,5 mm的圆弧进行点云数据采集并控制圆弧所对圆心角为30°、45°、60°来验证该方案的有效性,其中5 mm组为对照组。该方案通过限制拍摄角度范围,变换线结构光相机拍摄位姿对标准件圆弧处进行多次拍摄采集并提取圆弧轮廓数据后,进行点云粗配准,通过将多组不同角度拍摄提取得到的小圆心角小圆弧点云进行配准,增加小圆心角小圆弧的点云密度以增多其可用信息点数量,再用将传统拉普拉斯平滑算法与两步平滑算法结合而提出的普拉斯深度平滑算法,将点云进行平滑处理,得到较光滑的圆弧轮廓点云,最后利用最小二乘法进行拟合得到小圆心角小圆弧的半径。对标准件的测量实验验证结果表明,该方案无论在圆心角度数较低时,或者圆心角度数相对较高时,均可提高圆弧半径拟合精度;其改善了小圆弧所对圆心角度数为30°～60°时,可用信息点不够引起的拉普拉斯深度平滑过度拉伸的问题;同时,也改善了当小圆弧所对圆心角度数大于60°时,点云配准带来的较大的点云波动的问题。该方案测量小圆心角小...     

对数母线型滚子凸度轮廓误差评定

为了实现对轴承滚子凸度轮廓误差的精确评定,依据对数母线型滚子轮廓素线的几何特征和形状误差,基于最小二乘原理,研究了对数母线型(两段对数曲线的组合形式)轴承滚子凸度轮廓的最小二乘分段拟合和误差评定方法。利用三点法确定凸度曲线离散数据点的曲率,通过曲率差值法确定两段对数曲线的分界点;选取分界点两端临近的测量点作为辅助分界点,并与对应的对数曲线段测量点一起拟合出一系列最小二乘曲线,计算相应的误差,并判断确定出对数母线型滚子轮廓的最小二乘误差。实例分析表明,对数母线型滚子凸度轮廓曲线的总误差为0.0071mm,相比文献[13]圆弧修正型凸度轮廓曲线的总误差精度有所提高。本文提出的方法可以有效实现轴承凸度轮廓误差的拟合与误差评定,验证了对数素线可以减小应力集中,提高轴承使用寿命。     

平面标定靶标标记点的圆心提取

基于圆形标记点的平面靶标被广泛应用于摄像机标定与视觉测量中。针对该平面靶标,为得到圆形标记点在像面上的圆心投影,提高摄像机的标定精度,本文提出了一种基于对偶二次曲线几何特性的圆心提取算法。该算法的核心是平面内一个标记点A像面投影二次曲线对应的对偶矩阵CA*,相对于平面内另外一个标记点B的对偶矩阵CB*的一个广义特征向量,穿过这两个标记点的圆心投影。因此,在获取标记点亚像素级边缘点,拟合椭圆得到椭圆二次曲线方程后,通过任意两个标记点的对偶矩阵,均可得到一条穿过这两个圆心投影的向量。经过同一个圆心投影的多个向量叉乘标准化后的结果就是该标记点的圆心投影。为测试本文方法提取圆心像点的精度,本文在像面与靶标平面夹角40°的姿态下,对直径为90mm的超大标记点提取圆心投影,圆心投影误差为0.1～1pixel。并以此方法得到的圆心投影对手持式扫描仪进行摄像机标定,进而对已知坐标的平面靶标及3D工件上的标记点进行扫描,最大误差不超过0.2mm。通过实验证明了本文提取的圆心投影比采用椭圆圆心的精度高,而且提高了摄像机的标定精度。     

结构光检测点云精简与重构参数自动调节方法

针对薄壁叶片的点云扫描采样会产生特征消失、三角重构会产生孔洞现象的问题,提出一种改进的点云精简以及重构的方法。首先,根据法向量夹角阈值和欧氏距离提取叶片外轮廓;其次,计算点云的平均曲率和高斯曲率,设定阈值对点云划分子集,采用索引空间法对点云数据进行精简;然后,采用贪婪算法针对距离阈值系数和三角形参数对叶片点云进行实验分析,得出没有孔洞的贪婪三角参数经验值;最后对距离阈值系数和点云平均间距拟合出关系式,实现贪婪重构的参数自动调节。实验结果表明,在总体精简率为90%左右时,相较于另外两种方法,标准偏差分别下降了26.45%和19.92%,外轮廓尺寸平均偏差分别下降了79.81%和47.97%。按照提出的方法设置重构参数,重构质量良好,对薄壁叶片实现在机智能加工检测具有良好的应用参考。     

轴承滚子凸度轮廓的最小二乘拟合与误差评定

为了实现对轴承滚子凸度轮廓误差的精确评定,依据圆弧修正型轴承滚子凸度素线轮廓的几何特征和形状误差的定义,基于最小二乘原理,研究了轴承凸度轮廓(两段圆弧和一段直线)的最小二乘拟合和误差评定方法。首先利用各测量点的曲率差值确定了圆弧段与直线段的相切参考点;其次分别选取两个参考点临近的测量点作为辅助相切参考点,并与对应的圆弧段测量点一起拟合出一系列的最小二乘圆弧并计算拟合误差;然后基于直线与两段圆弧相切的原则确定出一系列的直线方程并计算对应的直线度误差;通过比较判断最终确定出圆弧修正型轴承滚子凸度轮廓的最小二乘拟合及误差评定。实例结果表明:圆弧修正型凸度轮廓曲线的总误差0.020 9mm与文中设定标准凸度轮廓曲线引入的法向误差0.02mm相差4.5%。本方法可以有效的实现轴承凸度轮廓的拟合与误差评定,为平面多段曲线的最小二乘拟合提供了一种新的思路。     

基于协方差矩阵的轮廓曲线拟合算法研究

针对工业视觉领域中,包含直线、圆弧特征的零件轮廓尺寸的检测,提出了一种基于协方差矩阵的轮廓曲线拟合算法.该算法首先采用8-连通法提取轮廓边缘数据,并排序成有序点集;然后计算轮廓曲线最小包围盒,根据已知曲线类型,初步确定特征点范围;其次基于协方差矩阵的特征值分析自适应地确定特征点的支撑区域,精确提取特征点;最后采用最小二乘法拟合曲线方程,重建轮廓曲线.对具体的零件进行实验分析,结果表明,采用基于协方差矩阵的轮廓曲线拟合算法实用性强,测量精度高,对在线视觉检测具有重要意义.     

凸轮列表点曲线数控编程方法研究

针对平面凸轮轮廓列表点曲线的数控加工,提出了一种采用三次样条等误差双圆弧拟合法实现数控编程的计算方法.首先求出凸轮轮廓列表点的三次样条函数曲线方程,用等误差法计算插值点的坐标.再用双圆弧拟合插值点,得到各分段圆弧的圆心坐标,取圆弧的起点、终点坐标,作为编程所需的刀具中心轨迹的数据,并用相应的数控机床指令写出数控加工程序.该方法既能满足精度要求又能使程序段最少,可以保证数控加工时曲线的光滑性及加工精度,提高加工效率.     

一种图像轮廓数据的控制点检测算法

针对如何提取图像轮廓控制点这一问题,提出了一种简单有效的方法。该方法分为去除坏点、标记轮廓数据点以及提取轮廓控制点3部分。首先计算轮廓数据点到拟合圆圆心的向量,然后根据向量间的关系找到坏点并去除,再对轮廓中的数据进行标记,最后对标记后的数据点进行数据缩减,并按照标记针对不同部分的数据提取轮廓控制点。试验验证提取出的轮廓控制点不仅能够表示轮廓的形状,也有效地消除了数据冗余。     

列表点双圆弧样条曲线拟合计算法

在编程数控铣床加工程序过程中,经常会遇到列表点曲线零件。处理这些列表点数据,以圆弧去逼近,必须掌握双圆弧样条曲线拟合法。重点阐述了对若干个列表点给出的曲线,选择一个插值方程(三次参数样条函数)求得两个相邻的型值点及其一阶导数,完成对于曲线轮廓的描述并同时求出需要的插值点,再利用两个彼此相切的圆弧有无拐点的两种情况来拟合相邻两点间的函数曲线。用圆弧逼近插值时,要进行适当的数学处理。     

基于RANSAC的圆拟合算法在螺纹孔检测中的应用

在视觉检测过程中,针对多残缺、多噪声圆周的拟合精度不佳的问题,提出了一种基于RANSAC的圆拟合算法。首先对图像进行边缘检测,使用基于Scharr算子的Canny算法可获得高质量的边缘分布图;使用霍夫梯度法在边缘分布图中对目标圆弧进行粗定位,并提取包含目标圆弧的点集;提取到的点集中含有大量无关边缘像素点,使用RANSAC算法剔除点集中的异常数据,得到有效样本数据构成的待拟合圆周点集;最后采用LIN算法对待拟合圆周点集进行拟合,得出最终的拟合结果。算法在椒盐噪声和曲线噪声抗干扰实验中表现优异,有着较强的抗干扰能力。已经成功应用到了螺纹孔圆周的拟合,精度和实时性均可满足实际生产要求。     

利用局部方向微分向量一致性的角点检测

在边缘轮廓提取的基础上,提出了一种利用局部方向微分向量一致性的角点检测算法以消除边缘噪声对角点检测产生的不利影响。该算法提取图像的边缘轮廓来降低算法计算量;利用各向异性高斯方向导数(ANDD)滤波器提取每个像素处的方向微分向量并进行幂次变换,以增强向量的各向异性;进而利用相邻像素的方向微分向量构建一致性测度。最后,对同一轮廓上的一致性测度进行均值归一化,得到最终角点测度。实验显示,提出算法的平均角点定位误差为1.52pixel,与对比算法接近;检测准确率分别比点到弦距离累积(CPDA)法、相对局部曲率(HeYung)法提高了58%和5.5%,与归一化残余面积(RA)算法相等,同时角点错检率比HeYung和RA少25.5%和21.6%。提出的算法能准确地检测出真实角点,并具有更小的错误检测率,更高的角点重复率,而且对边缘噪声十分鲁棒。     

双圆弧及直线拟合技术及其在数控切割中的应用

提出双圆弧拟合和直线拟合混合应用的算法,解决数控切割中的拟合问题。获取切割对象轮廓的离散点后,使用逐点尝试回溯法,在满足精度和不破坏轮廓形状的前提下用一直线或者圆弧或者圆尽可能拟合更多的点,并且尽量保证拟合后的轮廓光滑性。根据离散点的切向变化和离散点前后连线的斜率来识别轮廓的拐点并且保留该拐点,对拐点的切向进行拟合前和拟合后的处理保证轮廓形状不变。结果表明,该算法性能良好,拟合后的矢量化结果在数控切割应用效果非常好。     

基于角度分割的截面线数据匹配点对建立算法

研究了从截面线数据到B样条曲面拟合的过程中,建立最佳匹配数据点对的问题。提出了一种基于角度分割建立截面线数据匹配点对的算法,该算法利用各层截面线的公共几何中心,计算各点到中心的斜率,再利用基于斜率的插值获取给定角度在原参数曲线上的参数值。最后运用德布尔点的递推公式得到参数对应的坐标。当处理完所有的截面线数据,就得到了一组采样个数统一的匹配点对。该算法在进行截面线数据重采样的同时就完成了对数据点的对正处理,不仅适用于对凸轮廓的处理,而且也能处理层间形状变化较大的截面线数据。     

鞋帮图像矢量化技术研究与实现

针对鞋帮自动缝制过程中实现由鞋帮图像的输入到数控代码生成的问题,设计了一个将点阵图像转换成直线和圆弧图形的系统.该系统通过对输入的鞋帮图像进行去噪处理,二值化,边缘提取,边缘细化,链码跟踪后采用对边缘线进行二次拟合的方法生成普通数控系统能够插补的直线和圆弧,即先将轮廓拟合成直线段,再将满足条件的直线段拟合成圆弧.所有算法都用Matlab软件实现,实现了由图像到图形的自动转换.     

截面数据分段点高精度识别方法

针对截面数据分段点提取精度不够而导致截面曲线重构精度差的问题,提出一种分段点精确提取方法。重点研究相邻特征为直线特征和自由特征在满足G1连续时分段点的精确提取。根据曲率分析并辅以交互经验提取初始分段点,以该分段点为界分割截面数据,提取出直线特征数据并拟合直线,剩余数据拟合样条曲线。根据拟合的样条曲线设计判定方法,得到新的精度更高的分段点。以新分段点为边界并基于与直线的相切约束重新拟合样条曲线。提出的分段点提取方法不但能够在现有数据中寻找分段点,而且可以超越现有数据点并在其之间寻找更精确的分段点。实例表明,该方法大大提高了分段点的提取精度,使重构的截面曲线更加符合初始设计意图。     

基于HALCON的锥形表面小孔测量

为解决等离子切割保护帽表面小孔尺寸的测量问题,提出一种区域分割与RANSAC算法联合拟合圆的方法。首先提取出小孔区域,再用二阶高斯函数导数计算出小孔的边缘点位置。选用矩形分割法对边缘点进行阵列分割,以矩形区域中两个边缘点连线求半径,生成一个假定的圆模型方程,再将其他边缘点代入圆模型中,判断该点是否为圆模型的解,运用RANSAC算法迭代计算出最优圆模型,最后使用HALCON软件完成拟合测量。实验结果表明,该测量方法能更准确地识别边缘轮廓,与最小二乘法对比,拟合圆弧更加接近实际轮廓。在测量中使用标定板和游标卡尺进行标定,适合于实际检测。     

三段基圆渐开线涡旋型线的双圆弧插值算法拟合与加工

建立了三段基圆渐开线涡旋型线的数学模型,利用双圆弧插值的方法逼近拟合该涡旋型线,借助MATLAB软件编程计算数据点坐标,以实现该组合涡旋型线的拟合,并进行误差分析。应用Pro/E软件的加工制造模块实现该涡旋盘的辅助加工,通过设置加工制造过程中的各项参数,使制造流程优化。将提出的双圆弧插值算法与等弧长单圆弧算法进行对比,结果表明:拟合误差降低90%,拟合节点减少80%,圆弧段数减少74%。该方法通用性和实用性强,对变截面涡旋体的数控加工具有一定的参考意义。