[发明专利]一种基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法

权利要求书

1.一种基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立零件加工的MBD工序模型，所述的MBD工序模型以CAD模型为核心，包含工序加工的制造信息；

(2)进入实际加工后，在每道工序完成后，通过测量手段获取工件的三维点云数据；

(3)对理想工序CAD模型进行点云化处理得到理想点云，和测量得到的工件三维点云数据进行无约束配准，使两个点云的坐标系一致性最高；

(4)提取MBD工序模型中的加工信息，使用工艺引导测量点云分割，提取两个点云中的加工基准面和加工面；

(5)对两个点云进行有约束的配准，约束为两个点云中的加工基准面片重合度最高，获得最终的点云配准结果；

(6)对测量点云分割得到的加工面进行重建，用重建的实际加工面替换理想工序CAD模型中的加工面，最终得到工件几何数字孪生模型。

2.根据权利要求1所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(1)中，所述MBD工序模型为一组模型，假设制造过程分为n个工序，则相应地得到n个MBD工序模型；每个工序模型以用于表征该工序完成后的零件理想几何形状的CAD模型为载体，在其上标识本工序的制造信息。

3.根据权利要求2所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(2)中，在每道工序结束后都对工件进行测量，假设工序为n道，则共获取n个工件测量点云数据，测量点云称为Cm，并且与权利要求2中所述n个MBD工序模型一一对应。

4.根据权利要求3所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(3)中工序CAD模型的点云化方法为：

(3-1)将工序CAD模型导出为通用的三维数据格式；

(3-2)对中间交换格式的三维模型进行采样，对各个面进行均匀采样，形成采样点云Cs；点云无约束配准的方法为：

(3-3)通过三点法、主成分分析法对采样点云和测量点云进行粗配准，获得一个变换矩阵施加在测量点云上，使得测量点云变换后与采样点云坐标系大致一致；

(3-4)利用经典ICP算法原理，对测量点云和采样点云进行无约束配准，得到一个变换矩阵，使得测量点云经过变换后与采样点云欧式距离最小，重合度最高。

5.根据权利要求4所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(4)中，所述工艺引导测量点云分割的方法为：

(4-1)取工序CAD模型中标识的加工基准面的中心点，作为工艺引导点G，在采样点云Cs中寻找引导点G的最近点，作为采样点云上加工基准面的关键点Ps，在测量点云Cm上寻找引导点G的最近点，作为测量点云上加工基准面的关键点Pm；

(4-2)计算采样点云Cs、测量点云Cm中各点的法向量及其余局部微分信息；

(4-3)在点云中，以关键点P为种子搜索邻近点，用法向量、曲率变化这些局部微分信息判断该邻近点是否与种子点具有相似的几何特征，若具有，则认为该邻近点与种子点在同一个面上，将该符合条件的邻近点纳入种子点集合U，对新纳入的邻近点继续搜索符合条件的邻近点纳入U，直到U不再扩张，此时将U内所有点视为一个面片的点集合，从而分割出关键点对应的面片；

(4-4)在采样点云中，以Ps为关键点，实施步骤(4-3)，分割采样点云得到采样点云中的加工基准面Ds；

(4-5)在测量点云中，以Pm为关键点，实施步骤(4-3)，分割测量点云得到测量点云中的加工基准面Dm；

(4-6)同理，工艺引导分割点云得到采样点云中的加工面Ms和测量点云中的加工面Mm。

6.根据权利要求5所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(5)中，有约束配准的方法为：改进ICP算法，算法目标设置为权利要求5中得到采样点云中的加工基准面Ds和测量点云中的加工基准面Dm重合度最高，获得变换矩阵，施加在测量点云上，从而使得测量点云与采样点云的加工基准重合。

7.根据权利要求5所述的基于MBD工序模型的工件几何数字孪生模型的构建方法，其特征在于，步骤(6)中，使用重建软件对步骤(5)分割测量点云中得到的加工面Mm进行重建，利用设计软件用重建的实际加工面替换理想工序CAD模型中的加工面，最终得到工件几何数字孪生模型。