一种锪孔参数检测方法及系统

1.本发明属于光学检测技术领域，具体涉及一种锪孔参数检测方法及系统。


背景技术：

2.在航空领域，飞机骨架与蒙皮之间普遍采用铆接，因而锪孔工艺在飞机制造领域使用量很大。锪孔的加工精度直接影响飞机的机械性能，例如：锪窝深度、孔位置偏角等参数不当会降低结构的连接强度，缩短飞机寿命。
3.因此，锪孔结构的精确、高效测量是保证锪孔加工质量的重要环节。
4.目前，飞机蒙皮的锪孔普遍采用接触式测量(量规、三坐标测量及标准件等)。接触式测量可以保证检测精度，但测量效率低，难以全面地检测所有参数。


技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种锪孔参数检测方法及系统，用于解决传统量规测量只能对锪孔的加工质量进行定性分析无法进行定量分析，三坐标测量采集数据点量少，测量时间长，效率低，一次装夹难以全面测量所有参数的技术问题，提高检测精度和检测效率。
6.本发明采用以下技术方案：
7.一种锪孔参数检测方法，包括以下步骤：
8.获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；
9.将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；
10.将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；
11.利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；
12.计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。
13.具体的，对锪孔数据进行采集，具体为：
14.使用线激光测量仪扫描锪孔工件，获取包含锪孔邻域平面和锪孔圆锥面的三维数据；调整工件角度，使工业相机拍摄到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面，利用变焦显微装置拍摄多组包含不同角度锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的图像序列；对于利用变焦显微采集的图像序列，选择对应的聚焦评价函数对每组图像序列每个像素点的聚焦值进行评估，获得相应的
聚焦评价函数曲线，再对每个像素点的聚焦评价函数曲线进行极值搜索和深度插值，获得每个像素点的精确深度值，恢复得到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云。
15.具体的，滤波和拼接具体为：
16.将同一个锪孔使用线激光扫描和变焦显微技术采集到的点云数据进行滤波，对滤波后的点云进行粗、精配准；通过配准获得两片点云之间的变换矩阵t，变换矩阵t由旋转矩阵r和平移矩阵p构成，对变焦显微采集的点云坐标进行变换，得到每个点通过变换后在线激光采集坐标系中的坐标，实现测量点云的坐标统一，然后将变换后的点云和线激光采集到的点云进行拼接，获得包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云。
17.进一步的，对变焦显微采集的点云坐标进行变换如下：
[0018][0019][0020][0021]
其中，x-y-z为变换后的点云坐标，x
’‑y’‑
z’为变换前的点云坐标。
[0022]
具体的，圆锥面方程f1(x,y,z)：
[0023][0024]
上表面的平面方程f2(x,y,z)：
[0025]
a1x+b1y+c1z+d1＝0
[0026]
其中，a1，b1，c1，d1为上表面拟合的平面方程的四个待求系数，且上表面所在平面的法向量表示为(a1,b1,c1)，xa,ya,za为圆锥面的顶点坐标，n
x
,ny,nz为轴线的方向向量，α为圆锥顶角。
[0027]
具体的，圆柱面方程f3(x,y,z)：
[0028][0029]
其中，x0,y0,z0为圆柱面轴线上一点坐标，m,p,q为轴线的方向向量，r为圆柱半径。
[0030]
具体的，夹角具体为：
[0031][0032]
其中，a1，b1，c1为上表面所在平面的法向量，n
x
,ny,nz为轴线的方向向量。
[0033]
具体的，获得内外孔轮廓间的距离h具体为：
[0034]
s901、过拟合圆锥面的顶点作与外孔轮廓所在平面垂直的辅助直线，辅助直线与
内孔轮廓所在平面的交点为p1＝(x1,y1,z1)，过p1点作一个与外孔轮廓所在平面plane1平行的辅助平面plane3；
[0035]
s902、根据几何关系，窝深h为平面plane1和平面plane3之间的距离。
[0036]
进一步的，窝深h为：
[0037][0038]
其中，d
′
为辅助平面plane3所在平面的平面方程中的常数项，d为上表面所在平面的平面方程中的常数项，a1，b1，c1为上表面所在平面的法向量。
[0039]
第二方面，本发明实施例提供了一种锪孔参数检测系统，包括：
[0040]
采集模块，获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；
[0041]
处理模块，将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；
[0042]
外孔轮廓模块，将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；
[0043]
内孔轮廓模块，利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；
[0044]
角度距离模块，计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。
[0045]
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
[0046]
一种锪孔参数检测方法，利用线激光和变焦显微技术相结合的方式采集锪孔数据，可针对不同尺寸的孔型进行检测，解决了线激光由于反射光线被挡而难以采集到锪孔圆柱面点云数据的问题，同时也避免了传统接触式测量方式在测量过程中对锪孔工件的损伤，可以提高实际生产中的检测效率和检测精度，减少人员工作量，实现全检；可高效准确的获得锪孔的内外径、锪孔轴线偏角、锪孔锥角以及锪孔窝深。
[0047]
进一步的，使用线激光测量仪扫描锪孔工件，获取包含锪孔邻域平面和锪孔圆锥面的三维数据；调整工件角度，使工业相机可以拍摄到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面，利用变焦显微装置拍摄多组包含不同角度锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的图像序列，从而获得较为完整的锪孔的原始三维点云数据。
[0048]
进一步的，将同一个锪孔使用线激光扫描和变焦显微技术采集到的点云数据进行滤波以去掉噪声和异常点，避免对后续处理造成影响。对滤波后的点云进行粗、精配准，通过配准获得两片点云之间的变换矩阵t，利用该变换矩阵对变焦显微采集的点云坐标进行变换，得到每个点通过变换后在线激光采集坐标系中的坐标，实现测量点云的坐标统一，然后将变换后的点云和线激光采集到的点云进行拼接，获得包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面
和锪孔圆柱面的三维点云。
[0049]
进一步的，内外孔轮廓间的距离h此处定义为内外孔轮廓所在平面间的距离，具体计算方式如下：过拟合圆锥面的顶点作与外孔轮廓所在平面垂直的辅助直线，辅助直线与内孔轮廓所在平面的交点为p1＝(x1,y1,z1)，过p1点作一个与外孔轮廓所在平面plane1平行的辅助平面plane3；根据几何关系，窝深h为平面plane1和平面plane3之间的距离。
[0050]
可以理解的是，上述第二方面的有益效果可以参见上述第一方面中的相关描述，在此不再赘述。
[0051]
综上所述，本方法通过一次装夹获得锪孔的三维几何形貌，实现锪孔轴线偏角、锪孔锥角、锪孔内外孔直径和锪孔深度等参数的快速测量。
[0052]
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0053]
图1为本发明实施流程图；
[0054]
图2为检测锪孔工件所用的设备示意图；
[0055]
图3为采集到的不同角度的原始锪孔点云，其中(a)是线激光采集到的包含锪孔上表面和锪孔圆锥面点云，(b)是变焦显微技术采集到的锪孔圆柱面和锪孔圆锥面点云；
[0056]
图4为点云滤波和精简的具体算法流程；
[0057]
图5为经过滤波和配准拼接后的点云；
[0058]
图6为经过拟合的锪孔上表面和锪孔圆锥面两曲面的交线；
[0059]
图7为经过拟合的锪孔圆柱面和锪孔圆锥面两曲面的交线；
[0060]
图8为经过步骤s4-s7后提取的内外孔轮廓；
[0061]
图9为步骤s8-s9用于计算锪孔参数的几何关系示意图。
[0062]
其中：1.z轴移动台；2.线激光测量仪；3.y轴移动台；4.x轴移动台；5.待测零件；6.摆转台；7.物镜；8.镜筒；9.工业相机。
具体实施方式
[0063]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0064]
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
[0065]
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
[0066]
还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合，例如，a和/或b，可以表示：单独存在a，同时存在a和b，单独存在b这三种情况。另外，本发明中
字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
[0067]
应当理解，尽管在本发明实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述预设范围等，但这些预设范围不应限于这些术语。这些术语仅用来将预设范围彼此区分开。例如，在不脱离本发明实施例范围的情况下，第一预设范围也可以被称为第二预设范围，类似地，第二预设范围也可以被称为第一预设范围。
[0068]
取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时”或“当
……
时”或“响应于确定”或“响应于检测”。类似地，取决于语境，短语“如果确定”或“如果检测(陈述的条件或事件)”可以被解释成为“当确定时”或“响应于确定”或“当检测(陈述的条件或事件)时”或“响应于检测(陈述的条件或事件)”。
[0069]
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
[0070]
本发明提供了一种锪孔参数检测方法，使用线激光和变焦显微技术扫描锪孔工件，获取工件锪孔的三维点云数据；对采集到的点云数据进行滤波和拼接，得到包含锪孔上表面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的点云；对锥面和上表面点云进行拟合获得曲面方程，求解锪孔圆锥面方程和上表面方程联立的方程组，得到上表面和锪孔锥面的交线，即为外孔轮廓；拟合外孔轮廓得到所在平面方程及外孔半径；对锪孔圆柱面进行拟合获得曲面方程，求解锪孔圆柱面方程和锪孔圆锥面方程联立的方程组，得到锪孔圆柱面和锪孔圆锥面的交线，即为内孔轮廓；拟合内孔轮廓得到所在平面方程及内孔半径；计算锪孔的轴线偏角；求取锪孔的窝深；本发明方法利用线激光和变焦显微技术相结合的方式采集锪孔点云，可针对不同尺寸的孔型进行检测，解决了线激光由于反射光线被挡而难以采集到锪孔圆柱面点云数据的问题，同时也避免了传统接触式测量方式在测量过程中对锪孔工件的损伤，可以提高实际生产中的检测效率和检测精度，减少人员工作量，实现全检。可高效准确的获得锪孔的相关参数，包括锪孔的内外径、锪孔轴线偏角、锪孔锥角以及锪孔窝深。
[0071]
请参阅图1，本发明一种锪孔参数检测方法，包括以下步骤：
[0072]
s1、使用线激光测量仪扫描锪孔工件，获取包含锪孔邻域平面和锪孔圆锥面的三维数据；
[0073]
调整工件角度，使工业相机可以拍摄到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面，利用变焦显微装置拍摄多组包含不同角度锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的图像序列。
[0074]
请参阅图2，将待测工件放置在检测平台上，检测平台主要由线激光测量仪、变焦显微采集装置和四轴平台组成，四轴平台为x-y-z三轴移动和一轴转动。检测平台底座上装有x轴移动台4和z轴移动台1，x轴移动台4上装有y轴移动台3，y轴移动台3上装有摆转台6，摆转台6上安装有夹具，用于固定检测零件5；线激光测量仪2和变焦显微采集装置均安装在z轴移动台1上，变焦显微采集部分由物镜7、镜筒8和工业相机9组成。
[0075]
采集时，移动x轴移动台4上装和y轴移动台3使待测锪孔至线激光测量仪2下方，旋转摆转台6使零件待侧面水平，沿y轴方向水平扫描后获得包含某个锪孔上表面和锥面的点云；移动x轴移动台4上装和y轴移动台3使待测锪孔至物镜7下方，将摆转台6旋转一定角度，
再微调x轴移动台4上装和y轴移动台3使工业相机9恰好可以拍摄到锪孔圆锥面和部分圆柱面，通过变焦纤维采集装置拍摄一组图像序列。
[0076]
需要说明，线激光扫描时，扫描方向根据锪孔位置而定，本实例中沿y轴方向水平扫描仅为说明，但不仅限于此；此外为验证本方法的可行性，仅调整了一次拍摄角度，事实上通过多次调整角度拍摄恢复出的锪孔圆柱面点云越完整，后面拟合锪孔圆柱面的精度会越高。
[0077]
s2、三维点云恢复；
[0078]
通过对线激光采集的数据进行转换即可得到锪孔邻域平面和锪孔圆锥面的三维点云，如图3(a)所；对于利用变焦显微采集的图像序列，选择合适的聚焦评价函数对每组图像序列每个像素点的聚焦值进行评估，获得相应的聚焦评价函数曲线，再对每个像素点的聚焦评价函数曲线进行极值搜索和深度插值，获得每个像素点的精确深度值，恢复出锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云，如图3(b)所示。
[0079]
s3、点云滤波和拼接；
[0080]
请参阅图4，将同一个锪孔使用线激光扫描和变焦显微技术采集到的点云数据进行滤波，由于利用线激光和变焦显微采集的两片点云坐标系在空间内有所变化，因此需要对滤波后的点云进行粗、精配准。通过配准获得两片点云之间的变换矩阵t，该矩阵由旋转矩阵r和平移矩阵p构成，对变焦显微采集的点云坐标利用式(1)进行变换，即可得到每个点通过变换后在线激光采集坐标系中的坐标，实现测量点云的坐标统一，然后将变换后的点云和线激光采集到的点云进行拼接，获得较为完整的包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云。
[0081]
x-y-z为变换后的点云坐标，x
’‑y’‑
z’为变换前的点云坐标。
[0082][0083][0084][0085]
s4、拟合圆锥面和上表面；
[0086]
请参阅图5，将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云。请参阅图6和图7，利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合，获得圆锥面的顶点坐标(xa,ya,za)、轴线的方向向量(n
x
,ny,nz)和锥角α，因此得到圆锥面方程f1(x,y,z)：
[0087][0088]
利用ransac算法拟合上表面点云，得到上表面的平面方程f2(x,y,z)。
[0089]
a1x+b1y+c1z+d1＝0。
[0090]
s5、提取外孔轮廓；
[0091]
联立圆锥面方程f1(x,y,z)和上表面方程f2(x,y,z)，方程组的解即为外孔轮廓点。利用ransac算法拟合外孔轮廓点，即可得到外孔半径等有关参数，由于外孔轮廓点是两曲面产生的交线，该轮廓线既在上表面上，又在圆锥面上，所以上表面的方程即为外孔轮廓点所在平面plane1的平面方程：
[0092]
a1x+b1y+c1z+d1＝0
[0093]
需要说明的是此处用于拟合上表面的点云为锪窝外孔轮廓附近区域的点云，不宜过大，否则会对拟合精度造成一定影响。
[0094]
s6、拟和圆柱面；
[0095]
利用ransac算法拟合步骤s3中分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标(x0,y0,z0)、轴线的方向向量(m,p,q)和圆柱体半径r，因此得到圆柱面方程f3(x,y,z)：
[0096]
。
[0097][0098]
s7、提取内孔轮廓；
[0099]
联立圆锥面方程f1(x,y,z)和圆柱面方程f3(x,y,z)，方程组的解即为内孔轮廓点，如图7中黑色轮廓线所示。利用ransac算法拟合内孔轮廓点，即可得到内孔半径等有关参数以及内孔所在平面plane2的平面方程：
[0100]
a2x+b2y+c2z+d2＝0
[0101]
经过步骤s4～s7后得到的内外孔轮廓点如图8所示。
[0102]
s8、计算外孔轮廓所在平面plane1的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角即为锪孔圆锥面的轴线偏角；
[0103]
夹角具体为：
[0104][0105]
s9、由拟合的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，求得内外孔轮廓间的距离h，即为窝深。具体步骤如下：
[0106]
s901、请参阅图9，过拟合圆锥面的顶点作与外孔轮廓所在平面垂直的辅助直线，辅助直线与内孔轮廓所在平面的交点为p1＝(x1,y1,z1)。
[0107]
过p1点作一个与外孔轮廓所在平面plane1平行的辅助平面plane3，则该平面的方程为：
[0108]
a1x1+b1y1+c1z1+d
′
＝0。
[0109]
s902、根据几何关系，窝深为平面plane1和平面plane3之间的距离，即：
[0110][0111]
在本发明的一种锪孔参数检测方法中，所述方法不仅适用于飞机蒙皮锪孔的参数检测，也适用于其他需要精确提取点云边缘来计算锪孔参数的工件。
[0112]
本发明再一个实施例中，提供一种锪孔参数检测系统，该系统能够用于实现上述锪孔参数检测方法，具体的，该锪孔参数检测系统包括采集模块、处理模块、外孔轮廓模块、内孔轮廓模块以及角度距离模块。
[0113]
其中，采集模块，获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；
[0114]
处理模块，将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；
[0115]
外孔轮廓模块，将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；
[0116]
内孔轮廓模块，利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；
[0117]
角度距离模块，计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。
[0118]
本发明再一个实施例中，提供了一种终端设备，该终端设备包括处理器以及存储器，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，所述处理器用于执行所述计算机存储介质存储的程序指令。处理器可能是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor、dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等，其是终端的计算核心以及控制核心，其适于实现一条或一条以上指令，具体适于加载并执行一条或一条以上指令从而实现相应方法流程或相应功能；本发明实施例所述的处理器可以用于锪孔参数检测方法的操作，包括：
[0119]
获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。
[0120]
本发明再一个实施例中，本发明还提供了一种存储介质，具体为计算机可读存储介质(memory)，所述计算机可读存储介质是终端设备中的记忆设备，用于存放程序和数据。
可以理解的是，此处的计算机可读存储介质既可以包括终端设备中的内置存储介质，当然也可以包括终端设备所支持的扩展存储介质。计算机可读存储介质提供存储空间，该存储空间存储了终端的操作系统。并且，在该存储空间中还存放了适于被处理器加载并执行的一条或一条以上的指令，这些指令可以是一个或一个以上的计算机程序(包括程序代码)。需要说明的是，此处的计算机可读存储介质可以是高速ram存储器，也可以是非不稳定的存储器(non-volatile memory)，例如至少一个磁盘存储器。
[0121]
可由处理器加载并执行计算机可读存储介质中存放的一条或一条以上指令，以实现上述实施例中有关锪孔参数检测方法的相应步骤；计算机可读存储介质中的一条或一条以上指令由处理器加载并执行如下步骤：
[0122]
获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。
[0123]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0124]
样件为三个规格的锪孔，锪孔锥角设计为120
°
，内孔直径设计为4mm，窝深设计为3mm，轴线偏角设计为0
°
。
[0125]
对样件用三坐标测量机进行测量，获得的检测数据数如下表所示：
[0126][0127]
利用本方法对该样件进行测量，拟合得到的数据如下表所示：
[0128][0129]
根据本组结果可以看出规格的4个孔锥角误差和轴线偏角误差在1
°
以内，孔径误差均在0.2mm以内，且实现了锪孔窝深的测量。
[0130]
综上所述，本发明一种锪孔参数检测方法及系统，通过一次装夹获得锪孔的三维几何形貌，实现锪孔轴线偏角、锪孔锥角、锪孔内外孔直径和锪孔深度等参数的快速测量。
[0131]
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为了描述的方便和简洁，仅以上述各功能单元、模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能单元、模块完成，即将所述装置的内部结构划分成不同的功能单元或模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。实施例中的各功能单元、模块可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中，上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。另外，各功能单元、模块的具体名称也只是为了便于相互区分，并不用于限制本技术的保护范围。上述系统中单元、模块的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
[0132]
在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
[0133]
本领域普通技术人员可以意识到，结合本发明中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
[0134]
在本发明所提供的实施例中，应该理解到，所揭露的装置/终端和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置/终端实施例仅仅是示意性的，例如，所述模块或单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通讯连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通讯连接，可以是电性，机械或其它的形式。
[0135]
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
[0136]
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
[0137]
所述集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施
例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(read-only memory，rom)、随机存取存储器(randomaccess memory，ram)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等，需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括是电载波信号和电信信号。
[0138]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0139]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0140]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0141]
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

技术特征：
1.一种锪孔参数检测方法，其特征在于，包括以下步骤：获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云数据；将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。2.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，使用线激光测量仪扫描锪孔工件，获取包含锪孔邻域平面和锪孔圆锥面的三维数据；调整工件角度，使工业相机拍摄到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面，利用变焦显微装置拍摄多组包含不同角度锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的图像序列；对于利用变焦显微采集的图像序列，选择对应的聚焦评价函数对每组图像序列每个像素点的聚焦值进行评估，获得相应的聚焦评价函数曲线，再对每个像素点的聚焦评价函数曲线进行极值搜索和深度插值，获得每个像素点的精确深度值，恢复得到锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云。3.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，滤波和拼接具体为：将同一个锪孔使用线激光扫描和变焦显微技术采集到的点云数据进行滤波，对滤波后的点云进行粗、精配准；通过配准获得两片点云之间的变换矩阵t，变换矩阵t由旋转矩阵r和平移矩阵p构成，对变焦显微采集的点云坐标进行变换，得到每个点通过变换后在线激光采集坐标系中的坐标，实现测量点云的坐标统一，然后将变换后的点云和线激光采集到的点云进行拼接，获得包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云。4.根据权利要求3所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，对变焦显微采集的点云坐标进行变换如下：进行变换如下：进行变换如下：
其中，x-y-z为变换后的点云坐标，x
’‑
y
’‑
z’为变换前的点云坐标。5.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，圆锥面方程f1(x,y,z)：上表面的平面方程f2(x,y,z)：a1x+b1y+c1z+d1＝0其中，a1，b1，c1，d1为上表面拟合的平面方程的四个待求系数，且上表面所在平面的法向量表示为(a1,b1,c1)，x
a
,y
a
,z
a
为圆锥面的顶点坐标，n
x
,n
y
,n
z
为轴线的方向向量，α为圆锥顶角。6.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，圆柱面方程f3(x,y,z)：其中，x0,y0,z0为圆柱面轴线上一点坐标，m,p,q为轴线的方向向量，r为圆柱半径。7.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，夹角具体为：其中，a1，b1，c1为上表面所在平面的法向量，n
x
,n
y
,n
z
为轴线的方向向量。8.根据权利要求1所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，获得内外孔轮廓间的距离h具体为：s901、过拟合圆锥面的顶点作与外孔轮廓所在平面垂直的辅助直线，辅助直线与内孔轮廓所在平面的交点为p1＝(x1,y1,z1)，过p1点作一个与外孔轮廓所在平面plane1平行的辅助平面plane3；s902、根据几何关系，窝深h为平面plane1和平面plane3之间的距离。9.根据权利要求8所述的锪孔参数检测方法，其特征在于，窝深h为：其中，d
′
为辅助平面plane3所在平面的平面方程中的常数项，d为上表面所在平面的平面方程中的常数项，a1，b1，c1为上表面所在平面的法向量。10.一种锪孔参数检测系统，其特征在于，包括：采集模块，获取锪孔工件包含锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维坐标数据，对三维坐标数据进行转换得到锪孔邻域平面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的三维点云；处理模块，将同一个锪孔采集到的点云数据进行滤波和拼接；外孔轮廓模块，将拼接后的点云进行分割，得到上表面点云、锪孔圆锥面点云和锪孔圆柱面点云；利用ransac算法对锪孔圆锥面点云进行拟合得到圆锥面方程，利用ransac算法拟合上表面点云得到上表面方程；联立圆锥面方程和上表面方程，利用ransac算法拟合外孔轮廓点，提取外孔轮廓；内孔轮廓模块，利用ransac算法拟合分割出的锪孔圆柱面点云，获得圆柱面轴线上一
点坐标、轴线的方向向量和圆柱体半径，得到圆柱面方程；联立圆锥面方程和圆柱面方程，利用ransac算法拟合内孔轮廓点，得到内孔轮廓；角度距离模块，计算外孔轮廓所在平面的法线和圆锥面轴线方向向量的夹角，作为锪孔圆锥面的轴线偏角；由得到的内外孔轮廓所在的平面方程、圆锥面的顶点坐标和计算得到的轴线偏角，获得内外孔轮廓间的距离。

技术总结
本发明公开了一种锪孔参数检测方法及系统，使用线激光和变焦显微技术扫描锪孔工件，获取工件锪孔的三维点云数据；对采集到的点云数据进行滤波和拼接，得到包含锪孔上表面、锪孔圆锥面和锪孔圆柱面的点云；对锥面和上表面点云进行拟合获得曲面方程，求解锪孔圆锥面方程和上表面方程联立的方程组，得到上表面和锪孔锥面的交线，即为外孔轮廓；拟合外孔轮廓得到所在平面方程及外孔半径；对锪孔圆柱面进行拟合获得曲面方程，求解锪孔圆柱面方程和锪孔圆锥面方程联立的方程组，得到锪孔圆柱面和锪孔圆锥面的交线，即为内孔轮廓；拟合内孔轮廓得到所在平面方程及内孔半径；计算锪孔的轴线偏角；求取锪孔的窝深。提高实际生产中的检测效率和检测精度。效率和检测精度。效率和检测精度。


技术研发人员：李兵 薛张峰 李磊 陈磊 辛美婷
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/8/31