【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于三维重建，具体的为一种基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法。
技术介绍
1、在当代制造业中，刀具的作用至关重要，其精度直接关系到加工的质量和效率。随着科技的不断发展，在刀具生产过程中，如何快速、准确地获取刀具曲面的完整三维信息，为加工在线补偿提供可靠数据支持，从而确保刀具的加工精度，始终是一大技术难题。
2、传统测量方法包括非接触式离线测量和接触式在机测量。其中，离线测量需将加工刀具从机床上取下进行检测，容易造成二次装夹误差、加工基准变化等问题，降低了刀具测量精度和效率；接触式在机测量大多需采用探针逐点测量，测量效率低，且受制于探针的尺寸大小，往往难以满足刀具微小结构的高精度测量要求。总体而言，传统的测量方法测量效率低且测量精度有限。
技术实现思路
1、有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，具有测量效率高、测量信息完整度高等优点。
2、为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
3、一种基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，包括如下步骤：
4、步骤一：刀具点云数据采集和预处理
5、11)采集刀具点云数据：利用机床伺服系统控制线激光扫描仪进行测量运动，采集多位置、多角度的刀具点云数据；
6、12)刀具点云数据预处理：将三维点云数据视作二维数据，依次对其进行缺失值、精简和异常值处理，以优化点云质量，提高数据可用性；
7、步骤二：刀具点云数
8、基于刀具加工特性和旋转测量运动，对多组点云数据进行拼接，得到完整精准的点云数据；
9、步骤三：刀具曲面三维重建
10、基于泊松曲面法进行刀具曲面三维重建。
11、进一步，所述步骤12)中，对刀具点云数据进行预处理的方法步骤为：
12、121)对刀具点云数据进行缺失值处理；
13、122)对刀具点云数据进行精简处理；
14、123)对刀具点云数据进行异常值处理。
15、进一步，所述步骤121)中，对刀具点云数据进行缺失值处理的方法为：
16、1211)使用“最小”包围盒法剔除与被测刀具无关的无效数据点；
17、1212)计算第i条扫描线无效点数量；
18、1213)判断第i条扫描线中删除的无效数据点的数量与该扫描线中数据点总数量之间的比值是否超过设定第一阈值：若是，则执行步骤1214)；若否，执行步骤1215)
19、1214)删除第i条扫描线，执行步骤1216)
20、1215)采用三次样条插值补全第i条扫描线的数据点，执行1216)；
21、1216)判断i的值是否等于扫描线的总数量n：若是，则完成刀具点云数据缺失值处理；若否，则令i＝i+1，执行步骤1212)。
22、进一步，所述步骤122)中，对刀具点云数据进行精简处理的方法为：
23、1221)将点云数据划分为三维立方体网格，每个网格称为体素；
24、1222)计算每个体素的重心，并寻找与其最近的数据点代替重心；
25、1223)删除体素内除作为重心的数据点外的其他数据点，得到精简后的点云数据。
26、进一步，所述步骤123)中，对刀具点云数据进行异常值处理的方法步骤为：
27、1231)遍历第i条扫描线，采用高斯滤波器对第i条扫描线的数据分别计算数据残差；
28、1232)判断数据残差是否超过设定第二阈值：若是，则对应数据点为异常点，执行步骤1233)；若否，则执行步骤1234)；
29、1233)剔除异常点；
30、1234)采用三次样条插值，补全第i条扫描线中的数据点，得到第t次异常点处理后的数据；
31、1235)判断当前迭代次数t是否等于设定的最大迭代次数tmax：若是，则执行步骤1236)；若否，则令t＝t+1，执行步骤1231)；
32、1236)判断i的值是否等于扫描线的总数量n：若是，则完成刀具点云数据异常值处理处理，执行步骤1237)；若否，则令i＝i+1，t＝1，执行步骤1231)；
33、1237)输出数据。
34、进一步，所述步骤二中，对刀具点云数据进行旋转拼接的方法步骤为：
35、21)测量系统标定：将扫描数据映射到工件坐标系中，以得到实际的三维信息；
36、22)点云旋转拼接：以得到完整精准的点云数据。
37、进一步，所述步骤21)中，测量系统标定的方法步骤为：
38、211)以标准圆柱棒料作为校准件，考虑到倾斜角较小，将因扫描仪安装误差测量得到的椭圆柱状数据视为圆柱状，并采用ransac算法对其拟合提取轴线；
39、212)分别计算轴线在工件坐标系和测量坐标系下的表示方程，得到测量坐标系到工件坐标系的变换矩阵m；
40、213)将变换矩阵m应用于刀具点云数据，得到实际的刀具三维信息。
41、进一步，所述步骤22)中，点云旋转拼接的方法步骤为：
42、221)根据测量顺序，依次将n组点云数据围绕x轴旋转(n-1)α，其中α为每次测量时的旋转角度，且nα＝2π；
43、222)合并旋转后的各组点云数据，并基于体素网格和点的密度对合并后的点云进行加权融合，以处理多角度下的重叠区域；
44、223)得到一致且完整的刀具点云数据。
45、进一步，所述步骤三中，泊松曲面法通过指示函数表示物体表面的边界，指示函数为：
46、
47、其中，m表示刀具；p表示刀具点云数据中的一点；
48、引入向量场对指示函数进行间接求解，由于指示梯度近似等于向量场应用散度算子转化为泊松方程：
49、
50、式中，δ表示为拉普拉斯算子；
51、采用有限元方法求解泊松方程，得到指示函数χm；
52、采用marching cure进行等值面提取，设定等值r为所有刀具点云数据点的χm的平均值，确保提取的等值面贴合刀具点云数据；基于χm和r从刀具点云三维网格中提取等值面，输出三角形网格，完成刀具曲面的三维重建。
53、本专利技术的有益效果在于：
54、本专利技术基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，首先，利用机床伺服系统控制线激光扫描仪进行测量运动，采集多位置、多角度的刀具点云数据；然后，在对原始扫描数据进行噪声和不完整性处理的基础上，实现点云精准配准，从而得到更完整、准确的刀具点云数据；最后，基于泊松曲面实现刀具全方位的三维重建，提高刀具在生产过程中三维信息的检测完整性，并为其加工质量调控提供新的测量技术手段，为刀具性能分析及优化设计提供数据支持；该专利技术方法具有测量效率高、测量信息完整度高等优点。
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1.一种基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤12)中，对刀具点云数据进行预处理的方法步骤为：
3.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤121)中，对刀具点云数据进行缺失值处理的方法为：
4.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤122)中，对刀具点云数据进行精简处理的方法为：
5.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤123)中，对刀具点云数据进行异常值处理的方法步骤为：
6.根据权利要求1所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤二中，对刀具点云数据进行旋转拼接的方法步骤为：
7.根据权利要求6所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤21)中，测量系统标定的方法步骤为：
8.根据权利要求6所述基于非接触扫
9.根据权利要求1所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤三中，泊松曲面法通过指示函数表示物体表面的边界，指示函数为：
...【技术特征摘要】
1.一种基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤12)中，对刀具点云数据进行预处理的方法步骤为：
3.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤121)中，对刀具点云数据进行缺失值处理的方法为：
4.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤122)中，对刀具点云数据进行精简处理的方法为：
5.根据权利要求2所述基于非接触扫描测量的刀具曲面三维重建方法，其特征在于：所述步骤123...
【专利技术属性】
技术研发人员：夏长久，王远洋，曾浩清，李东山，江磊，丁国富，丁国华，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：
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