[发明专利]一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法

说明书

技术领域

本发明涉及一套薄板冲压成型领域。具体为一种基于截面线分析的点云与几何数模对齐方法。

技术背景

汽车车身上主要是薄板冲压件。为了提高车身的安全性，减少车身重量，在汽车车身零件上采用越来越多高强度钢，而高强度钢的冲压回弹问题特别突出。所谓回弹，是指零件从冲压模具退出时，冲压件中弹性应力的释放，造成零件的变形。回弹后的零件与模具的几何型面不再吻合，如果按照零件几何模型加工型面，回弹导致冲压后零件的尺寸精度达不到设计尺寸要求。

为了克服回弹问题，需要准确知道各个部位的回弹量，在对应部位修改型面，这样使回弹后的零件刚好达到设计尺寸要求。有限元分析软件对回弹的模拟精度还达不到工程应用阶段，它可以减少回弹误差，但很难消除回弹误差。实际工厂一般先在采用样模制造出合格零件后，在制作样模前，有限元分析软件对回弹的模拟，可用于模具型面的初步回弹补偿；然后做实际模具。所谓样模，也称为“软模”，一般采用比较廉价的材料制作；对高强调钢实际生成模具，对模具材料有很高要求，材料的价格高，并且加工性能差一些。

做软模主要是为了避免高强调钢板料的回弹误差。激光或白光扫描技术在模具公司中普遍采用。通过扫描零件，可得到零件的点云数据。通过点云模型与零件几何模型的位置对上，可分析零件的几何精度，分析零件的回弹部位和回弹量，从而有针对性的对模具型面进行修改，补偿零件回弹。以上分析的前提是点云数据和几何模型能准确的对齐，点云与数模的准确对齐是一个比较棘手的问题。

一些商业点云处理软件中采用最小平方法对齐点云和几何数模，也就是使点云与几何数模的平均误差最小，由于零件回弹后的几何位置与几何模型是有差别的，某些部位的回弹量很小，不需要补偿，采用上面定位方式可能导致零件在这些部位也需要进行回弹补偿。

三点定位原理是本发明的基础。所谓三点定位原理，是指两个坐标系中，有不共线的三点在两个不同坐标系的位置是对应并且坐标位置已知，通过这三个点可以确定坐标平移和旋转矩阵。通过坐标平移和旋转矩阵，可以把一个坐标系里的模型，平移和旋转到另一坐标系中去。零件几何数模坐标系与零件扫描点云所在坐标系一般不重合，零件几何模型坐标系中三点是任意选取的，但这三点在零件扫描点云所在坐标系的位置很难确定，导致点云数据和几何模型很难准确对齐。

本发明提出一种点云与数模对应的新方法。该方法通过在初步对齐的点云上取3条截面线，在这3条截面线上有3个定位点。通过3个定位点的准确查找和修正，可得到准确的3个点。通过点云中的3个定位点，如果与数模上三个点的对应关系，可以准确的把点云数据和几何模型对应起来。该方法可精确对齐点云数据和几何数模，是冲压模具型面回弹补偿的基础，在工业上有广泛的应用价值。

发明内容

本发明是一种点云与数模对应的方法，该方法实施的步骤如图1所示。

(1)首先使点云数据与几何模型初步对齐。一般情况下，测量时会指定3点作为定位基准。由于测量系统误差，即使有3点定位基准，点云和数模难以准确对上。如果没有3点，可在模型中选择3点，在点云中对应位置选3点。由于点云测量误差，以及这3点选择的人为误差，这3点是不准确的。通过3点定位原理，可把点云和几何模型初步对齐。

(2)在模型和点云中取截面线，更新3个定位点。

初步对齐后，需要在数模和点云模型中取3条截面线。截面线的取法见图2所示。因为3维比较难以表示，这里采用二维图来表示，其中，截面线S1和S2基本上与XZ平面平行，可允许一定角度。截面线S3基本上与YZ平面平行，可允许一定角度。以上允许角度建议在15度以内。这里3个定位点位P1，P2，P3，其中，P1是截面线S1和S3的交点，P2是截面线S2和S3的交点。P3是截面线S1上的点，在S1上有特定的位置。

在点云中的3个定位点，分别用P1’，P2’，P3’表示，与几何模型中3个定位点P1，P2，P3对应。P1’，P2’，P3’点在点云中开始是3条直线的交点，但这些点同几何模型上的3点是不对应的，需要修正。本发明的关键点是如何通过3条截面线，修正P1’，P2’，P3’的坐标。本发明的基本原理是几何三角形中的平行底面的交线满足的比例原理，如图3所示。如果三角形的边BC与X轴平行，那么F点的坐标Y值与E点坐标的Y值是对应的。