基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，包括：步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与球形标靶相接触；步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，获取球形标靶表面的点云数据；步骤三、对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到螺栓孔的中心点的三维坐标。本发明专利技术得到的螺栓孔的中心点的三维坐标在传统直接点云数据拟合精度上得到提高，为后续的螺栓连接的钢结构虚拟预拼装提供可靠的测量数据。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及钢结构虚拟预拼装领域。更具体地说，本专利技术涉及一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法。
技术介绍
桥梁用钢构件在工厂制作完成后均需进行预拼装，近些年，随着计算机辅助制造的发展，越来越多制造厂开始研究虚拟预拼装，以节省大量人力、物力和财力。虚拟预拼装第一工作就是真实构件特征值的采集，这也是最关键的一项工作，其测试的手段主要有数字工业测量技术、三维激光扫描仪测试技术、激光跟踪仪测试技术。对于焊接构件允许误差较大，测试数据基本可以满足虚拟预拼装要求，但测试精度要求高的螺栓连接还不能有效的解决，关键问题在于螺栓孔的中心坐标数据难以精确提取，常规的三维激光扫描仪测试技术直接扫描构件，获得大量构件的点云数据，通过点云数据直接拟合螺栓孔中心坐标，但由于点云数据测站拼接误差、螺栓孔点云数据的识别、构件生锈等原因导致直接拟合的中心坐标误差较大，达不到构件自身的加工精度，更满足不了预拼装的要求，同时大量点云数据软件不误自动查找特征螺栓孔的位置，需人工进行识别。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是提供一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，通过三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描获取的球形标靶表面的点云数据进行计算得到球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标，在传统直接点云数据拟合精度上得到提高，为后续的螺栓连接的钢结构虚拟预拼装提供可靠的测量数据。为了实现根据本专利技术的这些目的和其它优点，提供了一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，包括：步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与所述球形标靶相接触；步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，获取球形标靶表面的点云数据；步骤三、对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤二中，球形标靶固定在待测螺栓孔上后，所述球形标靶位于螺栓孔外的部分的高度不小于所述球形标靶直径的3/4。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶采用轻质的工程塑料制作而成。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述球形标靶的表面做磨砂处理或喷洒反差增强剂。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，步骤三中得到球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)后，根据球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标(X1’,Y1’,Z1’)的计算公式如下：X′1＝X1Y′1＝Y1Z′1＝Z1-ΔhΔh的计算公式如下： Δ h = h 2 + R 2 - r 2 ]]>h表示螺栓孔的高度；R表示球形标靶的半径；r表示螺栓孔的半径。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，具体包括：分别使用半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R的球形标靶，保持三维激光扫描仪的位置和扫描角度不变，重复步骤一到步骤三，得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R时球形标靶中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)、(X4,Y4,Z4)和(X5,Y5,Z5)，再计算得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R、2R时所述螺栓孔的中心点的三维坐标数据(X1’,Y1’,Z1’)、(X2’,Y2’,Z2’)、(X3’,Y3’,Z3’)、(X4’,Y4’,Z4’)和(X5’,Y5’,Z5’)，然后通过计算得到所述螺栓孔的三维坐标(X’,Y’,Z’)，计算方法如下：X′＝K1X′1+K2X′2+K3X′3+K4X′4+K5X′5Y′＝K1Y′1+K2Y′2+K3Y′3+K4Y′4+K5Y′5Z′＝K1XZ′1+K2Z′2+K3Z′3+K4Z′4+K5Z′5K1＝0.3；K2＝0.25；K3＝0.2；K4＝0.15；K5＝0.1。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，用标靶固定装置将所述球形标靶与待测螺栓孔固定，所述标靶固定装置包括：连接杆，其穿设在待测螺栓孔中，所述连接杆两端的外壁上均设有外螺纹；球形标靶，其球身上沿半径方向设置有第一盲孔，所述第一盲孔的内壁设置有螺纹，所述球形标靶通过所述第一盲孔与所述连接杆的一端螺纹连接；固定台，其由一体成型的第一部分和第二部分组成，所述第一部分为插入待测螺栓孔的圆柱体形，所述第一部分的半径与待测螺栓孔的半径相等，所述第一部分的顶部中心位置设置有第二盲孔，所述第二盲孔的内壁设置有螺纹，所述第二盲孔与所述连接杆的另一端螺纹连接，所述第二部分为上大下小的圆台形，所述第二部分的顶部与所述第一部分的底部连接，第二部分的中心线和所述第一部分的中心线在同一直线上，所述第二部分的顶部与所述钢结构的底部相贴合的设置且其半径大于所述第一部分的半径，所述第二部分顶部还铰接有多根固定杆，所述固定杆为半圆柱体形，所述固定杆的自由端设置有磁铁，所述第二部分的侧壁沿侧壁方向设置有多个固定杆容纳槽，所述固定杆容纳槽为与所述固定杆匹配的半圆柱形，并与所述固定杆数量相等，且一一对应，所述固定杆容纳槽远离第一部分的一端的槽体内设置有铁片。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，所述固定台的材料为轻质塑料。优选的是，所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法中，多个固定杆容纳槽为四个，四个固定杆容纳槽间隔90°设置在同一个圆周上。本专利技术至少包括以下有益效果：本专利技术的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法合理、准确，分析、计算快速，能够准确得到待测螺栓孔的中心点数据，提高三维激光扫描带螺栓孔获取螺栓孔特征数据的精度。本专利技术的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，采用不同半径的球形标靶对待测螺栓孔进行多次测量，得到多组螺栓孔中心点数据，并对其求加权平均值，得到的螺栓孔中心点的三维坐标数据更加精确。本专利技术提供的标靶固定装置结构简单、操作方便，能够将球形标靶稳定的固定在待测螺栓孔上，防止三维激光扫描仪扫描过程中因为球形标靶的偏移而导致的测量数据不准确，从而提高提高螺栓孔的中心的测量精度，保证虚拟预拼构件的螺栓孔的测试数据精度。本专利技术的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本专利技术的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。附图说明图1为本专利技术所述标靶固定装置的结构示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。需要说明的是，在本专利技术的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，其特征在于，包括：步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与所述球形标靶相接触；步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，获取球形标靶表面的点云数据；步骤三、对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标。

【技术特征摘要】
1.一种基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，用于测量钢结构上的螺栓孔的特征数据，其特征在于，包括：步骤一、测量待测螺栓孔的半径和高度数据，将球形标靶固定在待测螺栓孔上，螺栓孔的一端与所述球形标靶相接触；步骤二、利用三维激光扫描仪对待测螺栓孔及球形标靶进行全景扫描，获取球形标靶表面的点云数据；步骤三、对步骤二中所得的点云数据进行处理，获得球形标靶的中心点的三维坐标，再根据球形标靶的中心点的三维坐标计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标。2.如权利要1所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，其特征在于，步骤二中，球形标靶固定在待测螺栓孔上后，所述球形标靶位于螺栓孔外的部分的高度不小于所述球形标靶直径的3/4。3.如权利要2所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，其特征在于，所述球形标靶采用轻质的工程塑料制作而成。4.如权利要3所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，其特征在于，所述球形标靶的表面做磨砂处理或喷洒反差增强剂。5.如权利要1所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，其特征在于，步骤三中得到球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)后，根据球形标靶的中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)计算得到所述螺栓孔的中心点的三维坐标(X1’,Y1’,Z1’)的计算公式如下：X′1＝X1Y′1＝Y1Z′1＝Z1-ΔhΔh的计算公式如下： Δ h = h 2 + R 2 - r 2 ]]>h表示螺栓孔的高度；R表示球形标靶的半径；r表示螺栓孔的半径。6.如权利要求5所述的基于三维激光扫描仪提取螺栓孔特征数据的方法，其特征在于，具体包括：分别使用半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R的球形标靶，保持三维激光扫描仪的位置和扫描角度不变，重复步骤一到步骤三，得到球形标靶半径为R、1.2R、1.4R、1.6R、1.8R时球形标靶中心点的三维坐标(X1,Y1,Z1)、(X2,Y2,Z2)、(X3,Y3,Z3)、(X...

【专利技术属性】
技术研发人员：项梁，田唯，朱浩，李有为，冯波，翁方文，曾炜，
申请(专利权)人：中交第二航务工程局有限公司，中交武汉智行国际工程咨询有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42