（机械设计及理论专业论文）基于3d模型的船体分段检测系统的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 分段尺寸检测是船体建造精度控制的重要环节。在船体分段施工现场使用全站仪采 集实物特征点坐标，在计算机三维可视化环境中将其与设计模型的对应点进行比对，是 现代数字化造船所采用的船体分段检测模式。这一检测技术的研究与应用将能有效地缩 短造船周期，提高生产质量与效率。 提出了基于3 d 的船体分段检测系统总体设计方案，选择三维可视化组件h o o p s 作为 开发平台，对系统的运行模式及功能模块进行设计。依据h o o p s 图形数据结构的特点， 设计出交互创建点的三种操作方式，实现运用分割逼近算法捕捉分段模型中不规则曲 线，采用投影算法和分割逼近法求曲线与平面的交点。在计算偏差的预处理环节中，通 过两点轴或三点轴变换的方式获得图形变换矩阵，对刚体的运动参数进行估算，进而实 现点的连接。为了最大限度地减小定位误差，建立了以自适应精准匹配为目标的优化设 计数学模型，并给出了求解方法。最后，利用o l e 组件技术，设计并实现了偏差报告自 动生成与输出功能。 目前基于上述设计方案的船体分段检测系统的软件雏形已经完成，试运行表明系统 总体设计方案合理、设计技术路线选择恰当，为下一步实施船体分段模拟搭载奠定了基 础。 关键词：点群配准；h o o p s ；三维可视化；精度管理 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fh u l lb l o c kd e t e c t i o ns y s t e mb a s e do n3 d m o d e l a b s t r a c t s e g m e n ts i z ed e t e c t i o ni sa ni m p o r t a n ts t e pi nt h eh u l lc o n s t r u c t i o np r e c i s i o nc o n t r 0 1 u s e d t h et o t a ls t a t i o nt or e a l i z et h ea c q u i s i t i o no ff e a t u r e p o i n t sc o o r d i n a t ei nh u l l b l o c k c o n s t r u c t i o n s i t e ，c o m p a r e di t 谢t ht h ec o r r e s p o n d i n gp o i n t s o f d e s i g n m o d e li n t h r e e d i m e n s i o nv i s u a l i z a t i o ne n v i r o n m e n t ，t h i si sah u l lb l o c kd e t e c t i o nm o d ea d o p t e db y m o d e md i g i t a ls h i p b u i l d i n g r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o ni nt h i sd e t e c t i o nt e c h n o l o g yw i l lb ea b l e t oe f f e c t i v e l yr e d u c et h es h i p b u i l d i n gc y c l e ，a n di m p r o v e q u a l i t ya n de f f i c i e n c y p r o p o s e dt h eg e n e r a ld e s i g ns c h e m eo fh u l lb l o c kd e t e c t i o ns y s t e m ，c h o o s e3 dv i s u a l c o m p o n e n th o o p s a sd e v e l o p m e n tp l a t f o r m ，d e s i g n e dt h es y s t e mr u n n i n gm o d ea n df u n c t i o n m o d u l e a n a l y z e dt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh o o p sg r a p h i c a ld a t as t r u c t u r e ，d e s i g n e dt h r e et y p e s o fc o n t r o lp o i n ti n t e r a c t i o nc r e a t i n gp a t t e r n s ，a p p l i e ds e g m e n t a t i o na p p r o x i m a t i o n a l g o r i t h mt o i m p l e m e n tp i c k i n gu pi r r e g u l a rc u r v e si nh u l lb l o c km o d e l ，a d o p t e dp r o j e c t i o na l g o r i t h ma n d s e g m e n t a t i o na p p r o x i m a t i o na l g o r i t h mt og e tt h ei n t e r s e c t i o no fc u r v ea n ds u r f a c e i nt h es t e p o fd e v i a t i o np r e t r e a t m e n t ，a c q u i r e dt h eg r a p h i ct r a n s f o r m a t i o nm a t r i xt h r o u g ht w op o i n t sa x i s a n dt h r e ep o i n ta x i sc o n v e r s i o n , e s t i m a t e dr i g i dm o t i o n p a r a m e t e r s ，a n dr e a l i z e dt h ec o n n e c t i o n o fp o i n t s i no r d e rt om i n i m i z et h ep o s i t i o n i n ge r r o r ，e s t a b l i s h e do p t i m i z a t i o nd e s i g nm o d e l t a r g e t i n go na d a p t i v er e g i s t r a t i o n ，a n da p p l i e dt h es o l u t i o n a tl a s t ，d e s i g n e da n di m p l e m e n t e d t h ef u n c t i o no fg e n e r a t i n ga n do u t p u td e v i a t i o nr e p o r ta u t o m a t i c a l l yb yo l e c o m p o n e n t t e c h n o l o g y r i g h tn o w ，t h es o f t w a r ep r o t o t y p eo fh u l lb l o c kd e t e c t i o nb a s e do nt h ed e s i g ns c h e m e a b o v ei sa c c o m p l i s h e d ，t r i a lo p e r a t i o ns h o w st h a ts y s t e mg e n e r a ld e s i g ns c h e m ei sr e a s o n a b l e ， t e c h n o l o g yr o u t ei sa p p r o p r i a t e ，l a y st h ef o u n d a t i o nf o rv i r t u a lh u l lb l o c ka s s e m b l i n g k e yw o r d s ：p o i n tg r o u pr e g i s t r a t i o n ；h o o p s ；t h r e e d i m e n s i o n a lv i s u a l i z a t i o n ； p r e c i s i o nm a n a g e m e n t i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：瑾孟至里超豳垦盐金整盈】歪血邂! l 盘垒色自塑遮立刍塞迎 作者签名： 盆旌日期：丝型g 年_ - 陛月l 日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：毽王鲤退型咝盛垒塾逻f 叁宜邈煎丑圣塞业 作者签名 导师签名 日期：兰当年_ ，- 日 日期：丝生年巳月j 厶日 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1课题研究背景和意义 随着经济全球化进程的加快和科技的发展，制造业企业面临着日益加重的市场压 力。在这种市场化的形势下，企业必须不断加快产品的更新换代的速度，产品的快速交 付和良好的质量成为企业加强自身竞争力的重要手段。制造企业必须借助当今科技的发 展不断革新生产技术和工艺，达到在这种激烈的市场竞争中占有市场的目的。制造源于 设计，科技的发展丰富了人类的工程设计手段，制造水平的提高使人类的设计蓝图成为 现实。作为设计与制造之间的纽带之一，物理量的检测在工业产业中占据着不可替代的 地位，而检测是保证产品质量的基本手段。随着产品功能和外形的复杂性的提高，加工 过程中对产品精度的要求也日益提高，如何有效的进行产品尺寸的精度检测与管理成为 人们研究的一个热点。 传统的精度检测，往往是通过安装定位结构使得待测零件与模板检具合理定位，再 对零件制造精度进行评定。单从模板检具的使用一方面就会增加产品的制造成本，影响 产品的开发和生产周期，更为重要的是使用模板检具对产品进行精度检测所得的检验结 果受过多的认为因素的影响，所得的测量结果难以科学、直观的进行定量表达，对焊接、 冲压等加工方式或是装配过程引起的变形难以实施评价。传统的检测方式有如下缺点： 精度检测的全过程需要人的主观参与，评定的结果因人而异，检测周期长而且精度低； 手工操作进行精度检测难以与自动控制系统或质量管理系统进行信息交流；有些精度管 理的待测定点往往不是在工件实体上的点，而是通过面或线的延展得到的点，这样的点 更难以测量。所以，随着现代测试技术的发展，学术界和工程界的人们都努力试图采用 先进的测量技术对加工件的精度进行测量和评定。 制造业对现代测量技术的需求和计算机技术的迅猛发展，推动了逆向工程的产生与 发展。逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 作为虚拟工程与敏捷制造的一项重要技术，指 的是从已有零件或产品出发，利用各种数字化技术重新构造原形c a d 模型的过程。它 的出现改变了传统产品设计( 即产品的正设计) 中从图纸到实物的设计模式，将现代坐 标测量设备作为产品设计的前置输入装置，结合快速成型制造技术( r a p i dp r o t o t y p e m a n u f a c t u r e ) ，形成产品设计制造的闭环系统，可有效提高产品的快速响应能力，丰富 几何造型方法和产品设计手段，并己广泛应用于机械、航空、汽车、家电等领域1 2 圳。 基于3 d 模型的精度检测系统实际上是将逆向工程的思想应用于船舶精度检测领域中， 它改变了传统的精度检测以c a d 模型为指导在分段上直接进行测量。而是从测定点的 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 三维坐标出发，逆向的在计算机中回溯出现场分段的点云数据，并与设计分段比较得到 分段的制造偏差。这是一种检测思维的转换，改变单纯获得二维的尺寸数据的测量方式， 直接获取三维坐标点对精度进行评价。这样可以最大限度的避免尺寸丈量中测量仪器带 来的误差，而且可以极大的提高精度检测的工作效率。船体的分段检测系统是这种测量 技术在船体分段检测中软件的应用，在三维可视化环境中实现了船舶分段的制造误差的 虚拟检测，在软件的后续发展中，可以进一步开发分段的虚拟搭载功能，实现分段在船 台的预切割。 1 2 精度管理相关技术及背景 1 2 1 船舶精度管理 四十年代初，当工业界掀起质量管理活动时，学术界就开始探索公差与配合在造船 中的应用。五十年代，苏联成功的运用船体建造与修正技术进行造船，日本开展统计质 量管理法与群众性质量管理活动相结合。六十年代，预修整与质量管理技术进一步得到 发展和应用。七十年代，结合生产设计，采用p d c a 循环系统，实现从分段制造到上船 台的全面精度控制。八十年代，日本成功地应用计算机技术开发了补偿系统。该系统以 大量现场实测数据为基础，运用数理统计方法，根据实地条件归纳总结热收缩变形规律， 使之能为零部件、分段给定一个可靠的补偿量与船台装配的调整量，以满足构件、分段 及船台搭载焊接所产生的热收缩变形量，此外，还建立了船体零部件热收缩补偿量的子 系统。九十年代，日本开发成功m o n m o s 测量系统，由测量仪和数据控制终端组成， 其原理为三角测量法，用近红外线测量分段两边的距离和夹角来实现船体的数据测量。 美国在九十年代初也曾推出一种用于船舶建造中测定尺度及变形的系统。芬兰以当地的 船厂为实验基地，经过工艺分析和钢料加工装配研究，推出精度控制管理体系a c m a n ， 该尺寸控制总系统能分析测得的结构数据，通过计算机分析和模拟能确定两个相邻结构 的装配准确性和接口配合情况，将分析结果显示在幕上。a c m a n 主要用于船体零部件、 分段和总段、船体结构测量，也可用于测量和调整船体的精度，监控焊接变形，通过信 息分析改变焊接顺序或工艺，以及外构件( 货舱盖、轴的托架吊杆、舰门等) 上船安装时 与船体连接处的接口精度等。a c m a n 继续研究的重点在于型钢、钢板弯曲和成型时的 精度控制】。 如果将影响精度管理水平的因素分为三部分：机械化程度：船舶精度控制技术；精度 管理技术，则影响精度管理水平的三方面是相互影响，彼此协调，互为统一的。如果将 精度管理水平比作计算机，则机械化程度相当于计算机的硬件，船舶精度控制技术相当 大连理工大学硕士学位论文 于计算机的软件，而精度管理活动相当于对计算机的操作。机械化程度和船舶精度控制 技术是基础，如果机械化进步程度与其他方面脱节，则精度管理活动难以实施和提高。 精度管理是建立在机械化程度及船舶精度控制技术的基础上，并使这两方面的技术目的 得以实现的必由之路。船体制造领域对船舶精度控制系统的研究主要指船体建造精度管 理。所谓船体建造精度管理，广义上的来讲，是以船体建造精度标准为基本准则，通过 科学的管理方法与先进的工艺技术手段，对船体建造进行全过程的尺寸精度分析与控 制，以达到最大限度减少现场修整工作量，提高工作效率，降低建造成本，保证产品质 量的目的【4 】。狭义上来讲，仅指船体建造阶段中的精度管理，而不包括设计阶段实施的 精度措施。依据生产的阶段性，可将船体精度控制技术分为两部分：产品设计阶段运用的 精度控制措施。依据精度管理的目的及实现的方式，可将船体精度控制技术分为：计算补 偿量，处理误差分配，并制订精度标准：对生产现场产生的精度问题进行分析、处理。产 品设计阶段的精度管理主要包括：计算结构的误差传递规律，并决定零部件及结构的许容 误差：补偿量的确定，加工工艺方法等【5 0 】。船体建造阶段的精度管理包括：零件) j n - r 中的 精度管理：组立分段制造阶段的精度管理；分段合拢中的精度管理。其中分段合拢是建造 中精度控制的瓶颈问题，有待于进一步研究。 船舶生产中，对精度的追求是在保证船舶精度满足规范及船东要求的前提下，提高 工作效率，降低建造成本。运用优化理论与方法，可将其描述为有约束的优化问题， 1 2 2 船舶虚拟制造 ( 1 ) 虚拟制造技术 虚拟现实技术( v r ) 是随着计算机技术、信息技术和网络技术的发展相结合而产生 的。虚拟现实技术旨在提供人与计算机交融的环境。在一个由计算机系统构造的模拟现 实世界的数字化多维空间中，获得人与环境相互作用的各种信息，模拟进行各种创造性 的活动，从而不必在一个的实际环境中耗费时间和资源。虚拟设计是虚拟制造技术在设 计方面的具体应用，即在真实产品加工之前，通过实施有效的产品设计方法和手段，建 立产品的功能和结构信息模型：同时对产品的结构、功能、性能进行仿真，作为对设计的 指导和对用户需求的预评估。虚拟制造是利用信息技术、仿真技术、计算机技术对现实 制造活动中的人、物、信息及制造过程进行全面的仿真，以发现制造中可能出现的问题， 在产品实际生产前就采取预防措施，从而使产品一次性制造成功，来达到降低成本、缩 短产品开发周期，增强产品竞争力的目的。船舶虚拟现实设计是虚拟技术在船舶设计中 的应用，对船舶研制过程实现两个层次的虚拟过程：是设计阶段使用户能够参与，达到 预先体验产品性能的目的：二是制造系统层次上强调对生产制造性能进行有效的评价。 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 船舶虚拟现实设计通过建立船舶产品数字信息来模拟实现船舶的并行设计和初步 的虚拟建造，实现船体建造、栖装、涂装一体化和设计、制造、管理一体化。虚拟设计 也可使船舶设计的各个阶段和多个专业操作在同一数据库同时进行，在计算机系统中先 “造”一艘“完整的船”，再协调整个设计与生产过程。虚拟设计不仅能提前发现和解决实 船建造中出现的问题，还为生产管理和系统管理提供充分的科学依据，以防止浪费，避 免失败，以达到无余量造船，确保建造成功；还可分析船舶的航速、强度、抗风浪能船体 舱室分段虚拟建模方法研究力、施工和人员状况、模拟排除故障等：减少传统方法的大量 繁琐的重复计算，从而大大提高设计效率缩短设计周期，并且提供网上发布功能，实现 协同设计与制造瞵j 。 ( 2 ) 大型船舶设计制造软件 t r i b o n 船舶设计建造信息系统 该软件是模块化设计软件，每一个模块都是由造船专家与软件设计人员共同开发。 它包括的模块有生产设备、船体、设备、基座、风道、电缆、内装等。该系统设置的 产品模型数据库和信息交换平台可以储存整艘船的设计和建造方案，并通过外部p d m 系统进行信息交换，使参与同一项目的设计建造所有人员实现信息共享。其应用范围 涵盖船舶设计、建造直至完工交船的各个专业和各个阶段。采用t r i b o n 信息系统设 计建造船舶，可使设计单位、船厂节约大量的时间和成本。在基本设计阶段，其良好 的协调功能，可使船舶内部设计与外部设计同时进行；在详细设计阶段，该系统能高 效地处理加工具体船型所需要的全部信息和文件；在零部件加工和装配阶段，其高质 量的加工信息，可将设计工作最大限度地转移到生产环境中。目前国内几大船厂，如 大连新船重工有限责任公司、广州广船国际股份有限公司、江南造船有限责任公司、 上海外高桥造船有限公司等都安装了瑞典t r i b o ns o l u t i o n s 公司的t r i b o n 系统。 t r i b o n 在全球己有2 0 0 余家用户。 美国p t c 公司的c a d d s5 系统 c a d d s5 系统是一个通用的机械三维设计软件，具有功能齐全、真三维造型、数 据库开放等一系列优点。该软件造型手段丰富，尤其是曲线、曲面功能齐全。使用面 非常广泛，几乎涉及了机械设计和分析的各个领域，能够满足用户的多种需求，如曲 面造型、管系布局设计、暖通工程设计、电缆布放、板金、数控加工、模具设计、运 动学分析、强度分析、热流场分析等。其广泛应用于飞机、汽车、化工、电力、船舶 及大型水轮机组等行业的三维数字化原理、生产设计和加工工程，特别在韩国和法国 大连理工大学硕士学位论文 的一些造船企业，该软件应用较为普及。其参数化和非参数化设计模块以其能够更加 准确地满足现代工业生产的“虚拟化”设计要求，已经引起了船舶设计人员的重视。 西班牙s e n e r 公司的f o r a n 系统 在船舶设计和建造中，从开始的方案设计、初步设计和送审设计，直到详细的施 工设计，f o r a n 都是赖以降低成本、提高生产效率的主要工具。 f o r a n 系统可以应用在所有的船型的设计和建造，而且不受船舶尺寸的限制，同 时f o r a n 可以根据用户的特定需求进行个性化定制。f o r a n 为造船的全过程提供了 集成化的解决方案，提供初步设计和基本设计，包括船型尺寸、船体结构设计、机械和 舱室电气设计，支持关系型数据库，可进行数据交流，并提供建造策略。所有功能可在 分布式工作环境下、应用并行工程的概念完成。f o r a n 的成功用户包括了1 3 0 多个造 船厂和设计所，分布在欧洲、亚洲、北美和南美洲【9 】 1 2 3 基于点群模型的数字化检测技术 基于点云模型的数字化检测过程是指通过比较实物工件与设计模型的点云数据，得 n - - 者之间的偏差数据。实物工件上离散数据的获取和配准是是实现检测中模型重建的 基础，也是进行误差分析、曲面比较等分析工作的前提。基于点云模型的数字化检测流 程分为t 实体自由曲面的数字化；点云数据的预处理；点云数据模型与三维数据 模型的配准；偏差的定量精度分析；偏差结果的表达【1 0 。2 1 。基于点云模型的数字化 检测的工作流程如图1 1 所示。 图1 1 数字化检测分析流程 f i g i 1a n a l y s i sf l o wo fd i g i t a ld e t e c t i o n 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 这种复杂面的数字化检测都是以采集模型表面的点云数据并实物模型表面数字化 开始，对获取的点云数据进行去噪，采样，平滑，分块等预处理工作。模型表面的数字 化检测的目的是为了反映实物模型与三维模型的偏差，所以对其点云数据的预处理应更 好的保证实物表面的形状特征信息和数据的准确性。为了计算面的偏差，就需要对点云 数据进行分块，但由于三维模型已知，所以其分块的本质不是为了重构曲面，而是为了 提高表面偏差的计算效率。 数字化检测的关键技术包括【1 2 1 4 】： ( 1 ) 实物采集点的数字化 工程应用中，大多数表面数据的采集都是使用接触式三坐标测量仪( c m m ) 进行 采样取点，由于实物模型已经存在，所以这种点的采集属于主动式采集。在对精度要求 高的机械零件质量中，c m m 被大量用于特定位置的检测。另一种方式是非接触测量， 其特点是测量速度较快，主要用于大型工件，锻压模具，注塑模具等对精度要求不高的 零件检测中。非接触测量方法无法直接运用三维模型的信息，因而属于被动测量。非接 触测量不需要进行测头半径补偿，并可测量易碎，不可接触零件：不足之处是精度较差。 但质量控制中的模型表面数字化方面要求速度快，精度高，另一方面要求数据点的密 度大。学者d b r u j i c 通过大量m o n t ec a r l 模拟分析得出一个结论：与较高精度测量很小 数量点相比，较低精度测量大量数据点更能实现精确的配准和检测，其检验结果的可信 度更高。在某些大型工件的加工企业，尤其是船舶制造企业，由于工件体积庞大，对仪 器的精度要求较低，并且使用接触式三坐标测量仪( c m m ) 进行采样取点在时间和操 作上都是不可行的，所以对这些工件多数采取非接触式的方法进行表面点云的采集。本 文所采用的点群数据是由全站仪得到的。 ( 2 ) 点云数据与三维模型的配准 基于点云数据的模型数字化检测中，核心环节就是测量点云数据和三维模型的归一 化配准。点云数据与三维c a d 模型分别处于不同的坐标系空间。常用的配准方法有两 种：基于特征的方法和特征匹配( b e s tf i t ) 方法。对于些复杂型面产品，其构成主要 由曲面组成，往往缺乏准确的结构特征来描述其组成，在这方面广泛应用的解决方法是 最优匹配方法。最优匹配所采用的基本算法是i c p ( i n t e g r a t i v ec l o s e s tp o i m ) 算法，在 这个算法系列中，最大的系统消耗是计算任一空间点与距其最近曲面的判断以及最近曲 面上对应点的确定，这样问题对于海量散乱的点云数据尤为突出。就此国内外许多研究 者提供的各式各样的i c p 改进算法，但这些方法都无法从根本上解决海量点与参数曲面 的距离求解等高消耗的计算过程。造成这一过程的费时低效的另一个原因是点云数据的 大连理工大学硕士学位论文 无序性( 散乱性) 这对测量物体的特征与轮廓的提取、片面分割、法矢量计算等都带来 了许多问题。这个问题的解决国内外学者多从系统即测量硬件与软件集成的角度来解决 的，无疑这是一个较好的途径。 ( 3 ) 点云数据的分块归属处理 复杂型面模型的检测中对点云数据的分块是为了更好的计算设计模型与实物模型 的偏差。目前对这一问题的研究的主流方法是基于点云曲率分布的分块方法，但此方法 多用于逆向工程的点云数据分块以建立光滑的三维c a d 模型，而真正用于基于检测的 点云数据分块策略的研究工作并不多。 ( 4 ) 偏差结果的显示 偏差结果的显示可以使用户对检测的偏差有直观方便的了解，使用户对实物与三维 c a d 模型之间的偏差一目了然。而且需要使检测及过以多种形式表示出来，如针对技术 部门应采用便于交流的表格式结果，针对检测工程师应采用直观的偏差分布的点云偏差 向量或点云偏差色斑图。如何有效的表达和显示是其关键所在。 1 2 4 国内现状 国内各船舶公司、研究所和高校也积极从事船舶先进制造技术的研究，例如：原中国 船舶工业总公司开展了由传统造船向现代造船模式转换的专项研究：沪东造船集团的“计 算机辅助造船信息集成系统研究”；由广州广船国际股份有限公司、上海交通大学、船舶 工艺研究所三方联合研究的国家经贸委重点创新项目“船舶集成制造技术等。近年来， 国内多数大型造船企业、设计院和大学等研究机构相继引进国外大型船舶设计制造集成 软件t r b i o n 、c a d d s s 、c a t i 刀e n o v i a 等。上海交通大学还成立了相应的船舶制 造仿真研究室，专业从事船舶制造仿真技术的研究。 1 3 论文的主要内容和组织结构 1 3 1 课题来源及研究内容 本文研究的课题来源于某船舶重工公司与c a d 及网络技术研究所设计合作开发的 船体分段检测系统。该公司提出在三维模型上实现设计模型与实物分段尺寸误差分析的 需求，以实现对船舶分段的精度管理。选择h o o p s 浏览软件作为开发平台，在其基础 上实现精度管理控制点的定义和标注。并提出实物采集点群与设计模型的精配准，使设 计人员直观的观察出船体分段的制造偏差。 考虑到船厂精度检测部门协调作业和业务拓展的需求，本系统应具有通用性，易操 作性及良好的耦合性。精度管理人员可以方便的定义控制点和读取现场采集的数据文 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 件，并通过手动或自动的方式实现实物采集点群与设计模型的精配准，在对比模型上的 控制点上生成偏差向量，使得分段的制造偏差直观的展现在模型上，最后调用o f f i c e 组 件实现管理点校对表格的输出。课题的研究涉及到h o o p s3 d 组件技术、点群数据的与 c a d 模型的精配准、数据库技术、m f c 面向对象编程及设计模式等方面的内容。 1 3 2 论文的组织结构 第一章绪论。引出基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现的选题背景，分 析了实现船体分段检测系统的相关技术。介绍了基于点群模型的数字化检测技术，比较 了逆向工程和数字化检测中的点群预处理技术的异同。然后对虚拟制造在船舶业应用的 研究现状进行了描述。最后提炼出基于3 d 模型的船体分段检测需要解决的问题及本文 研究的内容。 第二章系统的架构及总体设计。对系统功能进行总体设计，确定了系统的设计目 标和基本功能。解释了系统的运行模式，即如何对船体分段进行检测。设计了系统的总 体构架及技术路线最后对点的创建模块和偏差统计模块做了概要设计。 第三章点的创建。对现有的3 d 浏览软件进行拓展开发，在其原有功能的基础上实 现在船体分段模型上对控制点进行创建和标注。根据用户的操作习惯提供三种点的创建 方式：鼠标自动捕捉、线面相交求交点和以曲线长度求交点。 第四章点群图像配准。在现场测量数据的基础上实现控制点与测定点的连接与配 准。建立数据配准的优化数学模型，将问题转化为多目标优化问题进行求解，实现模型 的精配准。 第五章系统关键问题的实现。阐述了系统实现过程中涉及到的关键技术的实现。 介绍了系统实现偏差可视化和控制点属性可视化的实现方法。设计偏差报告的书面表达 的解决方案，对分段偏差以w o r d 的形式进行输出。最后介绍系统与现场实现数据交 互的方法。 结论对本文论述的成果做了总结，指出了系统存在的问题，并对其未来的发展做 出展望。 大连理工大学硕士学位论文 2 系统架构和总体设计 2 1 系统需求分析及目标 2 1 1需求分析 船舶建造有别于一般的机械制造，它是一个按照设计的船体型线图和结构图，经过 放样、号料、加工、装配和焊接等系列工序的生产过程。像普通的机械制造一样，建 造过程中所用的钢材都要经过预处理、加工成零件、组装成部件，再进行分段、组装、 上船台装配与焊接等工序，最后才形成一个完整的船体。但是它也有其特殊之处，相对 与一般的机械制造，它有以下特质： ( 1 ) 船体制造的工序很多，所以在建造过程中误差会随着制造的深入而变得很大。 ( 2 ) 由于船体分段尺寸很大，其允许的形状误差、尺寸误差会比普通的机械制造 工件误差绝对值大，但与工件尺寸相对值很小。所以尽管尺寸大，造船问题反而属于超 精密结构的建造问题。 ( 3 ) 船体建造过程中的变形情况，比一般的机械a n t 复杂的多，包括划线、切割、 冷热加工、焊接以及吊装过程中的各种变形情况【1 4 】。 ( 4 ) 尺寸和建造工序的原因要求分段的力n - r _ 可能在空中、室外内交叉、冷热交替 的环境下进行，这使得工件的变形难以预测和控制。 以上的特点充分表明要使a n - r 的零部件的几何形状、尺寸和位置都处于可控状态是 相当复杂的。如何有效的进行精度管理，缩短搭载周期是当前造船业必须尽快解决的重 大瓶颈问题。针对上述问题，提出在3 d 浏览软件上实现对船体分段进行精度管理的需 求。并对系统在以下几方面提出需求。 ( 1 ) 控制点的定义 本系统利用h o o p s 图形丌发组件，以船舶工业为背景，对现有的3 d 浏览软件进 行拓展开发，在其原有功能的基础上实现在船体分段模型上对控制点进行定义和标注。 根据用户的操作习惯提供三种点的定义方式：鼠标自动捕捉、线面相交求交点和以曲线 长度求交点。 ( 2 ) 点群配准 在3 d 分段检测环境下，分段的精度管理控制点与现场测定之间的坐标系经常会出 现不一致的情况。尤其是现场测定点所组成的分段点群的位置和摆放姿态往往与设计分 段的设计位置和摆放姿态不一致。在这种情况下，需要调整分段点群的位姿，使分段点 群和设计模型统一到个总体世界坐标的位罱方向。 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 ( 3 ) 偏差可视化 偏差结果的可视化是船舶分段检测系统与不同客户对象进行交流的桥梁，计算机上 的可视化的实质就是运用计算机图形学和图像处理技术，将偏差检测计算过程中产生的 偏差数据及计算结果转化为图像，并在平面上显示出来进行交互处理，其核心就是三维 模型上点坐标的可视化。对于船舶分段检测而言，偏差结果的标识牌和偏差向量表示是 偏差计算结果可视化的一种主要的图形显示方式。 ( 4 ) 偏差报告输出 偏差报告是船体分段控制点坐标、位置偏差的表列，它是精度管理部门和现场船体 制造车间及船体设计部门的纽带。由于船体分段的偏差分析不仅应用在某一时刻的特定 分段上，它还应该可以将一个时间段内的偏差数据收集起来。这样既可以对这一时间段 内的分段制造情况一目了然，还可以为之后的精度分析及补偿量计算工作提供数据支 持。偏差报告应该既能对单一的船体分段进行偏差显示的评估，也可以统计一段时间内 的所有分段的控制点的精度情况。 ( 5 ) 数据交互 三维设计模型上点的定义和标注的最终目的是为了与现场船台上的精度测绘点进 行坐标比对，这就需要分段检测系统与现场手持式设备之间有数据的交换。应选取一种 高效、安全的方式来进行数据的交互。 2 1 2 系统目标 3 d 模型的船体分段检测系统面向船舶企业的精度管理部门，对实用性要求很高， 为保证能被精度检测人员接受，系统的设计应遵循以下原则： ( 1 ) 面向应用：首先保证分段检测系统是一个有机的整体，各模块有相互联系， 协调解决校对表格生成及坐标统一管理问题；其次，各模块要能独立运行，能解决制造 精度检测中的具体问题。 ( 2 ) 以人为本：分段检测系统必须界面友好，符合精度管理人员的操作习惯，且 操作简单，易学易用，安装和维护方便。 ( 3 ) 完整性：分段检测系统各模块之间的交互以数据文件为中心，保证数据信息 的准确性、及时性和一致性。 ( 4 ) 开放性：分段检测系统应该具有良好的开放性，系统便于扩展，模块之间相 互操作及可移植性。 ( 5 ) 利用现有资源：分段检测系统应充分考虑船厂现有的软硬件环境和现有的现场 测量手段。 大连理工大学硕士学位论文 系统设计的总体目标是： ( 1 ) 将精度管理人员从复杂的重复性的工作中解脱出来，在计算机上实现对精度 控制点的快速创建和标注功能。 ( 2 ) 实现实物点群数据与三维c a d 模型的精配准，得出船体分段的建造误差，并 输出校对表格。 2 2 系统总体设计 2 2 1 系统基本功能 ( 1 ) 模型显示功能 分段检测系统是一个人机交互的过程，从点的定义、标注、控制点坐标的显示到点 群数据与c a d 模型的精配准，系统应随时保证用户能够观察、修改中间的结果，实时 编辑处理。用户的每一个指令，都能从显示器上及时得到反馈，用户不停的对三维模型 进行变换，从不同的角度观察模型，直到选取到合适的精度管理控制点。图形显示功能 不仅对模型的三维图像进行显示，还包括控制点坐标的可视化及偏差向量的显示。 ( 2 ) 输入输出功能 在分段检测系统中，精度管理人员需要参照有关精度管理的要求，不断的将定义的 管理点和与实物点群分析的偏差数据输入计算机内，经过计算机的处理，输出系统处理 的结果。在于现场作业的信息交流上，采用专用的自定义的x m l 格式进行数据传输。 ( 3 ) 存储功能 由于系统运行时，数据量很大，而且在点的定义和偏差统计中应用到的算法会生成 大量的中间数据，尤其是偏差统计中点群数据与c a d 模型的配置和曲线与面的交点运 算的计算量。为了保证系统能正常的运行，分段检测系统应该配置较大容量的存储设备， 支持数据模型在操作期间的计算要求。 ( 4 ) 交互功能 在该系统中，用户接口是用户与系统之间连接的纽带。友好的用户界面，是保证用 户高效而准确的完成复杂设计任务的必要条件。 2 2 2 系统运行模式 由于分段检测系统涉及到企业的多个部门，是设计部门与现场作业之间的纽带。协 调与各部门之间的信息交换关系是系统设计的重要组成部分。本文利用企业内部现有的 局域网络及手持设备的无线传输作为数据交换手段，在设计管理部门、精度管理部门及 现场作业三者之间形成信息流，具体的精度检测运行模式如下图所示 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 臣圃匝墅圆臣圈 l 望兰垒墨jil 堕墨篓型垒墨i 一 i竺苎篓量i j 凸酉囤圈 l 苎堕竺曼叁璺l f 毒幸 丰 订蚰 娶y 臣巫亘圆 鲤l i 脯刚一b 撼i 匝至煎堕 。强 l 现场数据采集l 强 觋场数掘叉艇 l 蒌i l 理场数据果氛j 图2 1 精度检测系统的运行模式 f i g 2 1o p e r a t i n gm o d eo fp r e c i s i o nd e t e c t i o n 图2 1 显示了系统的运行模式，设计人员、质量控制人员、公司领导和精度管理人 员在公司现有的局域网内部进行信息交互，而现场数据采集与精度管理部门的数据交换 采用无线传输的方式。精度管理人员从设计人员获得分段设计模型，在模型上进行分段 控制点的指定，输出设计文件。现场操作人员获得设计文件，以设计文件为指导用全站 仪对分段控制点坐标进行采集，并将测定点群数据文件传回精度管理部门。精度管理人 员将测定点群数据与设计点群数据进行比较，输出偏差检测报告。精度管理部门收集的 数据和报告可以随时被质量控制部门和公司领导查看。 2 2 3 系统整体构架 船舶分段检测系统采用h o o p s 图形组件实现分段控制点的创建及偏差管理功能。 它可以从3 d 模型中提取几何元素，对船舶分段制造中对精度起重要作用的控制点进行 创建。现场数据采集之后，在分段控制模型上直接加载现场测量点群，通过粗配准和精 配准对现场测量点群位姿进行调整，进而得到分段的制造偏差。在系统的实现过程中， 加入大量用户交互及可视化元素，实现选取动态高亮和偏差的可视化。船舶分段检测系 引型引引引j引引引叫一 大连理工大学硕士学位论文 统按功能划分由控制点定义模块、偏差统计模块两大功能模块组成，系统整体构架如图 2 2 所示。 图2 2 系统的整体架构图 f i g 2 2 s y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a m 2 2 4 技术选型 ( 1 ) 编程思想 分段检测系统采用面向对象的设计方法o o p ( o b j e c t o r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) ，它使 用对象、类、继承、封装、消息传送和多态性等面向对象的思想进行程序设计。o o p 在计算机中采用对象模型表示客观世界，对象是构成系统的基本单位，由一组属性和操 作组成；属性用于描述对象的状态；操作则用于描述对象的动态特性。o o p 通过子类提 供类型的层次等级，子类继承其父类的各种特征( 属性和行为) ，并将自己的特征传递到 自己的子类中【1 5 】。 ( 2 ) 软件开发环境 分段检测系统的主要工具和技术有： 以w i n d o w sx p 为操作系统，m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i o6 0 为程序开发平台，h o o p s 3 d g s 为图形组件，m i c r o s o f ts q ls e r v e r2 0 0 0 为数据库系统软件，v c + + 6 0 为开发语言 对程序进行开发。 v c + + 6 0 基于3 d 模型的船体分段检测系统的设计与实现 v i s u a l c + + 6 0 是m i c r o s o f t 于1 9 9 8 年8 月推出的基于w i n d o w s 平台的集成编程环 境，是集编辑、编译、跟踪调试和系统优化为一体的软件开发平台，它采用面向对象技 术，提供可视化编程的功能，具有分布化、可编译、多平台等特点。v i s u a l c + + 6 0 提供 了多种数据库访问技术，常见的有o d b ca p i 、m f co d b c 、d a o 、o l ed b 、a d o 等； 它还提供了两套w i n d o w s 应用程序开发系统：一种是w i n d o w ss d k 的a p i ，另一种是 m f c 。这些特点使得v i s u a lc + + 6 0 成为开发人员首选的开发工具之一【1 6 1 。 s q l s e r v e r 2 0 0 0 s q l s e r v e r 2 0 0 0 是一个可伸缩、高性能的关系型数据库管理系统，与w i n d o w sn t 完全集成，以关系的方式组织数据，具有开放式的系统体系结构、丰富的编程接口和图 形化的用户界面。s q l s e v e r 2 0 0 0 的数据对象主要有：表、视图、索引、存储过程和触发 器等。 h o o p s 3 d a f ( h o o p s3 da p p l i c a t i o nf r a m e w o r k ) h o o p s 组件是建立在o p e n g l 、d i r e c t 3 d 等图形编程接口之上的更高级的应用程序 框架，由美国t s a 公司开发并由t s a 和s p a t i a l 公司负责发布和提供技术支持。它是一 个可视化的组件，它是建立在o p e n g l 、d i r e c t 3 d 等图形编程接口之上的更高级别的应 用程序框架。h o o p s 组件按功能可进一步分为h o o p s 3 d a f 、h o o p s s t r e a m 以及 h o o p s n e t 三子组件，其中h o o p s 3 d a f 组件是一个3 d 图形应用程序框架，采用了 保留模式的图形数据库和多渲染管道来管理和绘制图形对象；h o o p s s t r e a m 组件可以 用来对场景图形数据进行流化处理f jn 。 图2 3h o o p s 开发3 d 应用程序的框架 f i g 2 3 h o o p s - b a