圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法，屬于軸類零件的掃描檢測【技術(shù)領(lǐng)域】。該方法包括兩次截面投影過程，第二次截面投影過程是將多個第一次截面投影過程所獲得的第一圓心沿第一圓柱軸線投影到原來的橢圓平面上，獲得相應(yīng)的多個所述交點后再進行第二次截面投影。該方法提取的特征參數(shù)更加準(zhǔn)確，精度高且速度快。
【專利說明】圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于軸類零件的掃描檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及掃描檢測后對圓柱形軸類零件的特征參數(shù)進行提取，尤其涉及基于二次截面投影來擬合圓柱的特征參數(shù)提取方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在制造業(yè)中，通常需要對加工制造的零件進行檢測測量以確定其形狀參數(shù)是否符合規(guī)定要求，并對加工制造過程的精度等進行評判、或進行改進。其中，圓柱形軸類零件是一種常見的零件，其可以采用非接觸掃描法來進行檢測測量。由于非接觸掃描法不需要物理量規(guī)或量具，具有環(huán)境適應(yīng)性好、不干擾工作、檢測速度快、可遠(yuǎn)程在線操作、適合流水線作業(yè)等優(yōu)點，在圓柱形軸類零件的檢測領(lǐng)域已獲得越來越廣泛的應(yīng)用。
[0003]非接觸掃描法中，其包括對掃描數(shù)據(jù)的處理來提取圓柱形軸類零件的特征參數(shù)(特別是圓柱的半徑或直徑)，以進一步評判該圓柱形軸類零件或者其制造加工工藝。該處理過程的速度通常越快越好，處理結(jié)果的精度越高也越好，特別是對于在線實時檢測應(yīng)用，其要求后處理快并且精度高。
[0004]目前，提取圓柱形軸類零件的特征參數(shù)的提取方法過程存在運算速度與精度的矛盾，即不能同時達到較高的計算速度與精度，這樣，其難以適用于在線大批量的圓柱形軸類零件的檢測。
[0005]文 獻 “Dimension measurement of hot large forgings with a noveltime-of-flight system，，(((The International Journal of Advanced ManufacturingTechnology)), 2009年，第44卷1-2期，作者:Tian Zhisong等)中介紹了一種圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法，其中采用了一次截面投影處理。這種方法處理速度快，檢測精度有所提高，但是還是難以滿足圓柱形軸類零件的高精度要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于，保證圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取過程的速度并提高其所獲取的特征參數(shù)的精度。
[0007]為實現(xiàn)以上目的或者其他目的，本發(fā)明提供一種圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法，其包括以下步驟:
提供從圓柱形軸類零件上掃描獲取的測量數(shù)據(jù)；
基于測量數(shù)據(jù)得到掃描的多條橢圓弧；
基于每條所述橢圓弧擬合得到相應(yīng)的橢圓平面；
獲得每條所述橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心；
將各個所述橢圓平面上的各個所述橢圓中心擬合形成直線以得到第一圓柱軸線；將各條所述橢圓弧沿所述第一圓柱軸線投影到垂直該第一圓柱軸線的第一圓柱端面上以得到相應(yīng)的第一圓??；
擬合每條所述第一圓弧得到各條所述橢圓弧對應(yīng)的第一圓弧半徑和第一圓心； 將各個所述第一圓心沿所述第一圓柱軸線逆投影到相應(yīng)的所述橢圓平面上以得到投影直線與該橢圓平面的交點；
將各個所述交點擬合得到第二圓柱軸線；
將各條所述橢圓弧沿所述第二圓柱軸線投影到垂直該第二圓柱軸線的第二圓柱端面上以得到相應(yīng)的第二圓??；
擬合所述第二圓弧以得到各條所述橢圓弧對應(yīng)的第二圓弧半徑；以及 基于所述第二圓弧半徑計算獲取特征參數(shù)。
[0008]按照本發(fā)明一實施例的特征參數(shù)提取方法中，獲得橢圓中心的步驟包括子步驟: 將每條所述橢圓弧變換到一個二維坐標(biāo)平面上；以及
在該二維坐標(biāo)平面上得到每條所述橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心。
[0009]進一步，擬合每條所述第一圓弧的步驟之前，還包括步驟:將各條所述第一圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上；
其中，擬合每條所述第一圓弧的步驟中，在該二維坐標(biāo)平面上擬合每條所述第一圓弧。
[0010]進一步，擬合所述第二圓弧的步驟之前，還包括步驟:將各條所述第二圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上；
其中，擬合所述第二圓弧的步驟中，在該二維坐標(biāo)平面上擬合每條所述第二圓弧。
[0011]按照本發(fā)明又一實施例的特征參數(shù)提取方法中，所述特征參數(shù)可以為圓柱形軸類零件的直徑或者半徑。
[0012]具體地，基于所述第二圓弧半徑計算獲取特征參數(shù)的步驟中，計算多個所述第二圓弧半徑的平均值或最小值。
[0013]在一實例中，擬合形成直線以得到第一圓柱軸線的步驟中，采用最小二乘法進行擬合。
[0014]在又一實例中，掃描獲取的測量數(shù)據(jù)通過非接觸掃描法獲取。
[0015]本發(fā)明的技術(shù)效果是，該特征參數(shù)提取方法過程中包括兩次截面投影過程，但是第二次截面投影過程并不是第一次截面投影過程的簡單重復(fù)，其是將多個第一圓心沿第一圓柱軸線投影到原來的橢圓平面上，獲得相應(yīng)的多個所述交點后再進行第二次截面投影，并且，第二次截面投影過程中也避免了橢圓弧擬合的精度較差的問題，因此，提取的特征參數(shù)更加準(zhǔn)確，使圓柱形軸類零件的檢測更準(zhǔn)確，并且，保留了截面投影法處理速度快的優(yōu)點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]從結(jié)合附圖的以下詳細(xì)說明中，將會使本發(fā)明的上述和其他目的及優(yōu)點更加完全清楚，其中，相同或相似的要素采用相同的標(biāo)號表示。
[0017]圖1是圓柱形軸類零件上的非接觸掃描獲取的掃描軌跡示意圖。
[0018]圖2是按照本發(fā)明一實施例的圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0019]下面介紹的是本發(fā)明的多個可能實施例中的一些，旨在提供對本發(fā)明的基本了解，并不旨在確認(rèn)本發(fā)明的關(guān)鍵或決定性的要素或限定所要保護的范圍。容易理解，根據(jù)本發(fā)明的技術(shù)方案，在不變更本發(fā)明的實質(zhì)精神下，本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員可以提出可相互替換的其他實現(xiàn)方式。因此，以下【具體實施方式】以及附圖僅是對本發(fā)明的技術(shù)方案的示例性說明，而不應(yīng)當(dāng)視為本發(fā)明的全部或者視為對本發(fā)明技術(shù)方案的限定或限制。
[0020]圖1所示為圓柱形軸類零件上的非接觸掃描獲取的掃描軌跡示意圖，圖2所示為按照本發(fā)明一實施例的圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法流程示意圖。在圖2所示實施例中，以提取圓柱形軸類的圓柱半徑為例進行示意說明，但是，需要理解的是，特征參數(shù)并不限于圓柱半徑，例如，還可以為圓心等。以下結(jié)合圖1和圖2所示對其進行說明。
[0021 ] 首先，步驟SI 10，提供非接觸掃描獲取的測量數(shù)據(jù)。
[0022]在該實施例中，采用非接觸掃描法對如圖1所示圓柱形軸類零件10進行掃描，例如，采用激光掃描法獲取多個測量數(shù)據(jù)。在掃描時，將測量系統(tǒng)的掃描部件(例如激光頭)對正對著零件10進行多點掃描。掃描的零件10可以為通過各種制造方法(例如鍛壓)形成的圓柱形軸類零件，其具體直徑大小不是限制性的，其一般可以大于1cm。
[0023]進一步優(yōu)選地，步驟S120，將其數(shù)據(jù)中的背景數(shù)據(jù)去除并得到掃描的多條橢圓弧。
[0024]在該實施例中，將掃描得到的背景數(shù)據(jù)(例如壞點)去除，其有利于提高處理速度和精度。同時可以得到多條掃描的橢圓弧，如圖1所示，直線MN表示零件10的實際圓柱軸線(即圓柱中心軸線XE1F1-EiF^EnFn是指非接觸掃描的η條掃描軌跡(η為至少大于或等于2的整數(shù))，每條掃描軌跡通過多個掃描點連接形成，掃描軌跡EiFi也可以看出掃描截面與圓柱的相貫線的一部分，因此，該掃描軌跡EiFi大致為橢圓弧；當(dāng)然，如果掃描截面能嚴(yán)格垂直圓柱，該掃描軌跡EiFi可以表現(xiàn)為圓弧，但是，實際過程中，基本難以實現(xiàn)；并且，為降低操作要求，掃描形成橢圓弧即可。并且，還需要理解的是，掃描軌跡EiFi是由多個掃描點連接形成，而每個掃描點也難以保證在一個平面上，因此，掃描軌跡對應(yīng)的橢圓弧E1F1…EiFr-EnFn實際上也難以在一個平面上。因此，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解到，本文中的橢圓弧是對“掃描點形成的掃描軌跡”的形狀的大致描`述，其并不是代表嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的“橢圓弧”，其代表具有大致橢圓形狀的實際的掃描軌跡。
[0025]進一步，步驟S130，基于橢圓弧擬合得到橢圓平面。在該實施例中，將每條橢圓弧上多個掃描點擬合形成相應(yīng)的橢圓平面，將橢圓弧投影到該橢圓平面將可以得到嚴(yán)格數(shù)學(xué)意義上的“橢圓弧”。
[0026]進一步優(yōu)選地，步驟S140，將橢圓弧變換到某一二維坐標(biāo)平面上。
[0027]在該步驟中，首先得到橢圓平面坐標(biāo)變換至二維坐標(biāo)平面(例如yOz平面)的旋轉(zhuǎn)角，在利用該旋轉(zhuǎn)角將形成每條橢圓弧上的每個掃描點相應(yīng)地變換到該二維坐標(biāo)平面上。這樣將有利于減小其中步驟中的計算量。
[0028]進一步，步驟S150，在該二維坐標(biāo)平面上得到該橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心，再將該橢圓中心逆變換到所述橢圓平面上。在步驟中，在二維坐標(biāo)平面上，每條橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心相應(yīng)得出，然后將該橢圓中心逆向變換到原來的橢圓平面上，在橢圓平面上得到相應(yīng)的橢圓中心。
[0029]進一步，步驟S160，將各橢圓平面上的各個橢圓中心擬合形成直線以得到第一圓柱軸線。在該步驟中，多個橢圓中心(例如η個)擬合形成直線，即可得到第一圓柱軸線，由于以上步驟中擬合精度等因素影響，第一圓柱軸線與圖1所示的實際圓柱軸線MN可能并不是吻合的，二者的吻合度越高，其后提取參數(shù)的精確度越高。[0030]具體地，在該步驟的擬合直線過程中，可以采用最小二乘法。
[0031]進一步，步驟S170，將各橢圓弧沿第一圓柱軸線投影到垂直該第一圓柱軸線的第一圓柱端面上以得到相應(yīng)的第一圓弧。在該實施例中，各橢圓弧的每個掃描點沿第一圓柱軸線投影到第一圓柱端面上，然后連接即可形成相應(yīng)的第一圓?。谎氐谝粓A柱軸線投影時，每個軌跡點的投影直線平行于第一圓柱軸線。在沒有實際圓柱軸線MN的情況下，垂直該第一圓柱軸線作截面，即可得到第一圓柱端面，該步驟過程也通常稱為“截面投影”過程。
[0032]進一步優(yōu)選地，步驟S180，將各條第一圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上。
[0033]進一步，步驟S190，在該二維坐標(biāo)平面上擬合第一圓弧，得到各橢圓弧對應(yīng)的第一圓弧半徑和第一圓心。在該步驟中，通過擬合每條第一圓弧，可以得到每條第一圓弧對應(yīng)的第一圓弧半徑和第一圓心。至此，基本完成第一次截面投影擬合提取參數(shù)的過程，通過第一圓弧半徑也可以采用求均值等方法計算得出零件10的直徑(或半徑)參數(shù)。但是， 申請人:認(rèn)識到，以上步驟S150中，基于橢圓弧的擬合精度差，因此，該直徑參數(shù)的精度不很好，其導(dǎo)致檢測測量結(jié)果與其實際參數(shù)誤差加大，檢測測量不準(zhǔn)確。
[0034]進一步，步驟S210，將各個第一圓心沿第一圓柱軸線逆投影到相應(yīng)的橢圓平面上以得到投影直線與橢圓平面的交點。在該實施例中，得到的多個第一圓心被逆向地投影到相應(yīng)的橢圓平面上，沿第一圓柱軸線投影時，其投影直線與第一圓柱軸線平行，投影直線與橢圓平面的交點也將與以上步驟中得到的橢圓中心存在偏差，但更可能反映實際的橢圓中心點，從而可以進一步提高其精度。
[0035]進一步，步驟S220，將各個交點擬合得到第二圓柱軸線。在該步驟中，多個交點(例如η個)擬合形成直線，即可得到第二圓柱軸線，由于以上步驟中擬合精度等因素影響，第二圓柱軸線與圖1所示的實際圓柱軸線MN可能并不是吻合的，但是相對第一圓柱軸線，其吻合度將提高。
[0036]進一步，步驟S230，將各橢圓弧沿第二圓柱軸線投影到垂直該第二圓柱軸線的第二圓柱端面上以得到相應(yīng)的第二圓弧。在該實施例中，各橢圓弧的每個掃描點沿第二圓柱軸線投影到第二圓柱端面上，然后連接即可形成相應(yīng)的第二圓??；沿第二圓柱軸線投影時，每個軌跡點的投影直線平行于第二圓柱軸線。在沒有實際圓柱軸線MN的情況下，垂直該第二圓柱軸線作截面，即可得到第二圓柱端面，該步驟過程也通常稱為“截面投影”過程，即為第二次截面投影過程。經(jīng)過兩次截面投影過程后，每條橢圓弧對應(yīng)的第二圓弧相比其對應(yīng)的第一圓弧相對更加準(zhǔn)確。
[0037]從以上步驟可知，第二次截面投影過程不是簡單的重復(fù)，其并不是將第一次截面投影過程獲得的第一圓心直接擬合成直線，而是將多個第一圓心沿第一圓柱軸線投影到原來的橢圓平面上，獲得相應(yīng)的多個所述交點后再進行第二次截面投影。
[0038]進一步優(yōu)選地，步驟S240，將各條第二圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上。
[0039]進一步，步驟S250，在該二維坐標(biāo)平面上擬合第二圓弧，得到各橢圓弧對應(yīng)的第二圓弧半徑。在該步驟中，通過擬合每條第二圓弧，可以得到每條第二圓弧對應(yīng)的第二圓弧半徑。
[0040]進一步，步驟S260，計算多個第二圓弧半徑的平均值或最小值。從而圓柱形軸類零件的半徑參數(shù)被提取出來，完成第二次截面投影擬合提取參數(shù)的過程。
[0041]至此，圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法基本結(jié)束。[0042]以上提取方法過程中，首先，運用了截面投影法，其相比于傳統(tǒng)的點云曲面擬合方法，運算速度快。并且，主要包括曲線所在平面擬合、三維坐標(biāo)變換(步驟S140)、截面投影、橢圓弧擬合、直線擬合、圓弧擬合等過程；截面投影法運用了兩次(因此，也可以稱為“二次截面投影法”)，其中，第一次截面投影的精度受橢圓弧擬合(步驟S150)精度和軸線精度的影響，其精度不高，但是，第二次截面投影過程中，通過圓弧擬合后的中心投射點作為新的第二圓柱軸線，并進行二次截面投影，其實質(zhì)是，通過圓弧擬合代替第一截面投影過程的橢圓弧擬合獲得高精度的圓柱軸線，從而精度獲得了大幅度的提高(例如精度可以相對一次截面投影法提高3倍)。并且，新增加的第二次截面投影過程運算量不大，同時保留了截面投影法處理速度快的優(yōu)點。
[0043]需要理解的是，以上圖2所示實施例的提取方法過程可以在計算機中處理完成。由于其不但處理速度快、而且精度高，因此其符合在線實時檢測圓柱形軸類零件的要求，并且，其精度高的特點也使其尤其滿足諸如汽車工業(yè)等的小尺寸零件的測量檢測。
[0044]需要理解的是，以上圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法并不限于應(yīng)用于如圖1所示的非接觸掃描方法中，例如，其還可以應(yīng)用接觸掃描法中，橢圓弧上的掃描點通過接觸方式測量獲取。
[0045]以上例子主要說明了本發(fā)明的圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法。盡管只對其中一些本發(fā)明的實施方式進行了描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)了解，本發(fā)明可以在不偏離其主旨與范圍內(nèi)以許多其他的形式實施。因此，所展示的例子與實施方式被視為示意性的而非限制性的，在不脫離如所附各權(quán)利要求所定義的本發(fā)明精神及范圍的情況下，本發(fā)明可能涵蓋各種的修改與替換。
【權(quán)利要求】
1.一種圓柱形軸類零件的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，包括以下步驟: 提供從圓柱形軸類零件上掃描獲取的測量數(shù)據(jù)； 基于測量數(shù)據(jù)得到掃描的多條橢圓?。? 基于每條所述橢圓弧擬合得到相應(yīng)的橢圓平面； 獲得每條所述橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心； 將各個所述橢圓平面上的各個所述橢圓中心擬合形成直線以得到第一圓柱軸線；將各條所述橢圓弧沿所述第一圓柱軸線投影到垂直該第一圓柱軸線的第一圓柱端面上以得到相應(yīng)的第一圓??； 擬合每條所述第一圓弧得到各條所述橢圓弧對應(yīng)的第一圓弧半徑和第一圓心； 將各個所述第一圓心沿所述第一圓柱軸線逆投影到相應(yīng)的所述橢圓平面上以得到投影直線與該橢圓平面的交點； 將各個所述交點擬合得到第二圓柱軸線； 將各條所述橢圓弧沿所述第二圓柱軸線投影到垂直該第二圓柱軸線的第二圓柱端面上以得到相應(yīng)的第二圓弧； 擬合所述第二圓弧以得到各條所述橢圓弧對應(yīng)的第二圓弧半徑；以及 基于所述第二圓弧半徑計算獲取特征參數(shù)。
2.如權(quán)利要求1所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，獲得橢圓中心的步驟包括子步驟: 將每條所述橢圓弧變換到一個二維坐標(biāo)平面上；以及 在該二維坐標(biāo)平面上得到每條所述橢圓弧對應(yīng)的橢圓中心。
3.如權(quán)利要求2所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，擬合每條所述第一圓弧的步驟之前，還包括步驟:將各條所述第一圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上； 其中，擬合每條所述第一圓弧的步驟中，在該二維坐標(biāo)平面上擬合每條所述第一圓弧。
4.如權(quán)利要求2或3所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，擬合所述第二圓弧的步驟之前，還包括步驟:將各條所述第二圓弧變換到該二維坐標(biāo)平面上； 其中，擬合所述第二圓弧的步驟中，在該二維坐標(biāo)平面上擬合每條所述第二圓弧。
5.如權(quán)利要求1所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，所述特征參數(shù)為圓柱形軸類零件的直徑或者半徑。
6.如權(quán)利要求5所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，基于所述第二圓弧半徑計算獲取特征參數(shù)的步驟中，計算多個所述第二圓弧半徑的平均值或最小值。
7.如權(quán)利要求1所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，擬合形成直線以得到第一圓柱軸線的步驟中，采用最小二乘法進行擬合。
8.如權(quán)利要求1所述的特征參數(shù)提取方法，其特征在于，掃描獲取的測量數(shù)據(jù)通過非接觸掃描法獲取。
【文檔編號】G01B11/25GK103852032SQ201210522172
【公開日】2014年6月11日 申請日期:2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月7日
【發(fā)明者】田志松 申請人:上海汽車集團股份有限公司