（农业电气化与自动化专业论文）基于点云切片技术的喷枪轨迹获取方法研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 喷涂机器人目前已广泛应用于车身内外表面的喷涂，但由于汽车 工业中的喷涂作业是一个技术要求非常高而且相当复杂烦琐的过程， 所以如何更好更快地生成喷枪运动轨迹以及提出更好的喷枪轨迹优 化算法和控制策略是近年来喷涂机器人研究领域所关注的热点。 本文提出了基于点云切片技术的喷枪轨迹获取方法，对其中的关 键技术进行了探讨，具体开展了以下几项工作： i 介绍了喷涂机器人的研究现状和发展趋势，对喷涂机器人轨迹 优化的意义和背景作了简要的阐述，并对喷涂机器人离线编程系统作 了初步研究。 2 讨论了点云数据预处理的方法；深入研究了点云切片的相关算 法，包括：切片厚度确定、切片数据的分离、切片数据计算和多义线 构建等，实现了点云模型的均匀切片；对截面数据的预处理方法进行 了研究，包括：截面数据精简、离散曲率估算和截面数据分段等。 3 介绍了喷枪轨迹数学模型以及喷枪路径和喷枪轨迹获取的一 些方法。包括对点云切片截面有效数据点进行平均采样，得到喷枪在 工件表面的喷涂路径；计算采样数据点在法线方向的偏移量，这些偏 移量数据点系包含的信息就代表了喷枪的轨迹参数( 位置和方向) 。 4 建立了算法的原型系统，结合实例演示了从数据获取与预处 理、点云切片、喷枪轨迹提取以及喷枪轨迹演示的全过程，对相关算 法进行了验证。 关键词：机器人，点云切片，轨迹获取，逆向工程 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ei n t e r n a t i o n a la n dd o m e s t i cm i dl a c q u e ra n ds u r f a c el a c q u e rp a i n t i n gl i n e s ， p a i n t i n gr o b o th a sb e e nu s e di na u t o - b o d y si n n e ra n do u t e rp a i n t i n g ，b u tp a i n t i n g r o b o t sp a i n t i n gp r o c e s si sv e r yc o m p l i c a t e d ，a n dm u l t i f o l df a c t o r sc a ni n f l u e n c et h e p a i n t i n ge f f e c t s s o i tb e c o m eaf o c u st h a th o wt oa d v a n c eb e t t e rt r a j e c t o r y o p t i m i z a t i o na r i t h m e t i ca n dc o n t r o ls t r a t e g i e si nt h er e c e n ty e a r s i nt h i sp a p e r ，t h er e s e a r c hi sa b o u tt h eg e n e r a t i o no ft h es p r a y i n gr o b o tt r a j e c t o r y b a s e do nt h ep o i n tc l o u ds l i c i n ga n dt h er e l a t e dk e yt e c h n o l o g i e sa r ed i s c u s s e di nt h i s d i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa r ea sf o l l o w s ： f i r s t l y , t h es i g n i f i c a n c ea n db a c k g r o u n do ft r a j e c t o r yo p t i m i z a t i o no np a i n t i n g r o b o ta r ee x p a t i a t e d ，a n dt h eo f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e mo fp a i n t i n gr o b o ti s s t u d i e de l e m e n t a r i l y s e c o n d l y ，t h ep r e p r o c e s s i n gm e t h o d so fp o i n tc l o u da r ed i s c u s s e d t h er e l a t i v e a l g o r i t h m so fp o i n tc l o u ds l i c i n ga r ed e e p l yr e s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h ed e t e r m i n a t i o no f s l i c i n gt h i c k n e s s ，t h ec h o i c eo fs l i c i n gd i r e c t i o n ，t h ec a l c u l a t i o no fs l i c i n gd a t a ，t h e r e c o n s t r u c t i o no fp o l y - l i n e sa n de t c ，s ot h a tt h eu n i f o r ms l i c i n go fp o i n tc l o u di s c o m p l e t e d t h e n ，t h ep r e p r o c e s s i n gm e t h o d so fc r o s s - s e c t i o n a ld a t aa r es t u d i e d ， i n c l u d i n gd a t ar e d u c t i o n ，d i s c r e t ec u r v a t u r ee s t i m a t i o na n dc o n v e xh u l lc a l c u l a t i o n t h i r d l y ，i n t r o d u c et h em a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es p r a yg u nt r a j e c t o r ya n dt h e o b t a i nm e t h o d so ft h es p r a yg u nt r a j e c t o r ya n dp a t h i n c l u d i n gc r o s s - s e c t i o ns l i c eo f t h ep o i n tc l o u dd a t ap o i n t sf o rt h ea v e r a g ee f f e c t i v es a m p l eo b t a i n e dt h es p r a yg u n s p r a yp a t h c a l c u l a t i o nt h eo f f s e to fs a m p l ed a t ap o i n t si nt h en o r m a ld i r e c t i o n ，t h e i n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nt h eo f f s e td a t ap o i n t si st h et r a j e c t o r yp a r a m e t e r s ( p o s i t i o n a n do r i e n t a t i o n ) o ft h es p r a yg u n f i n a l l y , t h ep r o t o t y p es y s t e mo ft h ea l g o r i t h mi sd e s i g n e dt ov e r i f yi t sf e a s i b i l i t y a n dv a l i d i t y t h ep r o c e s so ft h ed a t aa c q u i s i t i o na n dp r e p r o c e s s i n g ，p o i n tc l o u d s l i c i n ga n dt h eg e n e r a t i o no ft h es p r a y i n gr o b o tt r a j e c t o r yi sd e m o n s t r a t e db ya n e x a m p l e k e y w o r d s ：r o b o t ；p o i n tc l o u ds l i c i n g ；g e n e r a t i o no ft r a j e c t o r y ；r e v e r s e e n g i n e e r i n g i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密幽。 学位论文作者繇磅菇镟 签字日期：珈刀年乡月9 日 j 。 新虢叁l ：玄、妥 签字日期：m 年占月可日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：碑搬 日期：知圻年彩月9 e l 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 国内外喷涂机器人发展及应用概况 喷涂机器人是一种非常重要的先进涂装生产装备，在喷涂过程中，能避免危 害工人健康，提高经济效益( 如节省油漆) 和喷涂的质量，并且具有可编程能力， 在国内外广泛应用于汽车等产品的涂装生产线。 喷涂机器人之所以具有这些优点与人们能对机器人进行离线编程是分不开 的，早在上世纪8 0 年代，人们首次提出了对机器人进行离线编程，并设想计算 机图形化仿真机器人的工作过程。1 9 8 6 年，a k l e i n 1 】把此项技术应用于喷涂机 器人，并提出基于c a d 的喷涂机器人离线编程系统。同样，借助此系统用户可 以交互式设计和仿真喷枪( 杯) 与机器人的运动轨迹。 1 9 8 9 年，g d u e l e n 等人进一步探讨了离线编程技术，将之用于静电喷涂中， 且提出表面为雕塑面的工件上电场分布数学模型，进一步扩大了其应用范围。 1 9 9 1 年，s u k h a ns u h l 2 1 等人在总结他人成果的基础上，研制成功集软、硬 件于一体的喷涂机器人离线编程系统( i r p s ) 样机，此系统能够完成物体建模、 参数设置、自动轨迹生成，分析仿真和硬件驱动诸多功能。其轨迹优化方法是通 过求解以漆膜厚度均匀性和喷漆时间之间的加权为目标泛函极值问题，自动生成 喷枪的最优轨迹。 随后，j k a n t o n i o 3 1 和r r a m a b h a d r a n 4 】贝0 具体讨论了喷枪( 杯) 轨迹的优化 问题，提出了以工件表面上每点的漆膜厚度与整个表面漆膜平均厚度之间的方差 为目标泛函，并考虑了喷枪( 杯) 的空间路径、速度曲线、移动方式、开口角等 参数对喷涂效果的影响，在此基础上探讨了加入喷涂过程中的约束条件后，用数 值方法求解优化轨迹的可能性，使喷涂机器人离线编程技术进一步实用化。 近年来，z a k i i5 j 等人使用工件扫描方法获得工件的c a d 数据后，探讨了喷 涂机器人三维空间轨迹的设计方法。2 0 0 2 年，c h e n l 6 】等人使用三角划分的方法 对工件进行造型，利用平面上的喷涂模型对涂层重叠区域宽度进行优化后，生成 喷枪空间路径，并在曲率变化较小的曲面上实现了沿指定空间路径的喷涂机器人 喷枪轨迹的优化。 2 0 0 3 年，a t k a r 7 】等人指出起始喷涂轨迹的选取以及喷涂间距的测量方法对 江苏大学硕士学位论文 涂层厚度的一致性、系统的循环次数和涂料利用率的影响，提出利用 g a u s s b o n n e t 定理对工件表面进行分片的方法进行喷涂轨迹规划。 2 0 0 4 年，s h e n g i s 等人提出使用曲面分片的方法实现在复杂曲面上的喷涂作 业，并通过建立带约束条件的优化目标函数，完成复杂曲面的分片工作。同年， c h e n 等通过实验的方法推出平面上的涂层累积速率模型后，建立了曲面上的空 气喷涂数学模型。 2 0 0 5 年，s h e n g 9 j 等人提出了复杂自由曲面上的喷涂机器人喷枪路径规划方 法，通过建立优化目标函数来设计喷涂机器人喷枪的路径模式和走向，从而为复 杂自由曲面上的喷涂机器人轨迹优化研究奠定了基础。 我国对于喷涂机器人喷涂轨迹方面的研究起步较晚，并且研究的深度和广度 也不及国外，喷涂机器人及编程系统的技术水平也较低，在实际使用中的效果也 不理想。现在国内企业基本上还是引进国外喷涂机器人，这些喷涂机器人能基本 满足目前涂装生产线的工艺要求，但核心技术严格保密，且在喷涂作业中仍存在 很多不足：喷涂机器人离线编程系统只能将整个喷涂轨迹分成有限段( o na b b 公 司的高压静电喷涂机器人为6 4 段) 直线轨迹，每段直线上喷涂时各个参数均保持 常量，在曲面上喷涂时会使涂层厚度差异较大，无法达到最佳喷涂效果。例如， 在圆环形平面上就不能获得较好的喷涂效果，在球面上喷涂则效果更差。对于形 状更为复杂的工件，由于法拉第屏蔽效应的影响，电力线分布不均匀，在工件的 小块凸起或凹陷部位，喷涂质量更是难以保证，往往需要采取人工补喷。 正是看到喷涂机器人在推广和应用上的巨大潜力，江苏大学率先开展了对喷 涂机器人喷枪轨迹优化和离线编程方法的研究工作，如对喷涂机器人离线编程系 统的组成与结构进行了分析和探讨，建立了喷涂机器人喷枪( 杯) 漆流场分布的 数学模型和喷涂的涂料沉积方程；构建了评价喷涂效果的目标泛函，着重分析了 影响喷涂效果的多种因素，深入探讨了最优轨迹设计问题( o t p p ) ，导出了o t p p 目标泛函并给出其约束条件，以及在此基础上提出沿指定空间路径的o t p p 及一 般约束条件下的o t p p ，以正方形工件和圆锥形工件等典型几何面为例，对整个 喷涂过程进行了计算机仿真，涵盖了喷涂机器人离线编程的大部分理论问题。 另外，清华大学智能技术与系统国家重点实验室的冯川、孙增圻于2 0 0 3 年 根据物理模型采用了一种简化的数学模型来描述在喷炬流场中的涂料流量分布 2 江苏大学硕士学位论文 函数，并从上述函数出发，进一步得到了喷涂的涂料沉积方程【l o l ，然而该理论主 要是用于喷釉技术，并不能适用于一般的喷涂技术。 2 0 0 6 年，西安理工大学机械自动化研究所的张永贵博士等人针对实际生产 中喷涂机器人空气喷枪喷雾的形状，提出一种新的涂层厚度分布函数椭圆双 卢分布模型，并通过实验验证了该模型的有效性，从而为喷涂机器人离线编程系 统提供了一个新型的更为实用的空气喷涂模型l 。 同年，张永贵博士等人针对平面工件表面的喷涂作业，建立了喷枪喷炬模型， 对喷枪运动路径的参数进行优化后，再从机器人动力学角度出发，以路径中最大 关节力矩和最小为目标，对喷枪路径进行优选i i 2 1 。 应当指出，虽然目前对机器人离线编程系统的研究工作取得了很大进展，但 现阶段，国内外的喷涂机器人喷枪轨迹生成主要还存在以下问题： ( 1 ) 现阶段的喷枪轨迹自动生成研究是针对不同外形的工件采用不同的方 法建立喷涂过程中涂料的空间分布模型并确定喷涂作业的优化目标，然后采用适 当的算法求解目标函数的极值，并自动生成能产生最佳喷涂效果的喷枪轨迹。而 不同表面形状工件的涂料空间分布模型的研究远未成熟，所以由此自动生成的喷 枪轨迹并不能满足喷涂要求。 ( 2 ) 在喷涂汽车、飞机、船舶等大型产品时，会遇到许多大面积复杂的自 由曲面。对此通常采取的策略是对曲面进行分片，再根据这些曲面片来生成喷枪 轨迹。而大量的曲面分片计算会影响轨迹生成的时间，不能有效得提高生产效率。 因此如何更快更加精确的利用计算机自动寻找出能产生最佳喷涂效果的喷 枪运动轨迹是今后有待进一步探讨的领域。 1 2 喷涂机器人离线编程系统简介 喷涂机器人离线编程系统是利用计算机图形学的成果，建立起机器人及其工 作环境的几何模型，再利用一些规划算法，通过对图形的控制和操作在离线的情 况下进行轨迹规划。通过对编程结果进行三维图形动画仿真，以检测编程的正确 性，最后将生成的代码传到机器人控制柜，以控制机器人运动完成给定的任务。 机器人离线编程系统是机器人编程语言的拓广，通过该系统可以建立机器人 和c a d c a m 之间的联系，设计一个喷涂机器人离线编程系统应具备以下几点： 江苏大学硕士学位论文 1 ) 所编程的工作过程的知识； 2 ) 机器人和工作环境的三维实体模型： 3 ) 机器人几何学、运动学和动力学的知识； 4 ) 基于图形显示的软件系统，可进行机器人运动的图形仿真； 5 ) 轨迹规划和检查算法； 6 ) 传感器的接口和仿真，以利用传感器的信息进行决策和规划； 7 ) 通信功能，以完成离线编程系统所生成的运动代码到各种机器人控制柜 的通信； 8 ) 用户接口，以提供有效的人机晃面，便于人工干预和进行系统操作。 针对上述机器人离线编程系统的结构，喷涂机器人离线编程系统的结构主要 包含以下六大模块：物体造型模块、参数设置模块、喷枪轨迹生成模块、机器人 运动轨迹生成模块、分析仿真模块和机器人程序生成模块( 如图1 1 ) 。下面对 其功能以及各模块问的关系作简单介绍。 1 物体造型模块 这是系统整个流程的第一步，一般采用计算机辅助几何软件( c a g d ) 对物 体进行造型，喷涂作业中经常遇到的各种喷涂件，其表面一般是雕塑面也称为自 由曲面，可由多种方法对这种表面造型：c o o n s f e r g u s o n 法、b e z i e r 法、b 样条 法及其衍生n u b ( 非均匀b 样条) 法和n u i b ( 非均匀有理b 样条) 法或者他 们之间的任意组合。此外对于平面或规则曲面，可直接写出其表达式。对于自由 曲面，可采用三角划分的方法对曲面进行造型。可以通过标准图形接口( 如i g e s ) 直接把其他c a d 系统的c a d 数据转换过来或者通过扫描直接获得物体数据。 经过造型后，系统c a d 数据库中就存放了物体的c a d 数据，为喷枪轨迹生成 的模块提供了工件数据信息。 4 江苏大学硕士学位论文 图1 - i 喷涂机器人离线编程系统结构图 f i g 1 1s p r a y i n gr o b o to f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e ms t r u c t u r ed i a g r a m 2 参数设置模块 用于指定喷枪的张角、涂料速率通量、喷涂距离、需要的涂层厚度、允许的 涂层厚度偏差、喷涂时间等参数，然后被传送到喷枪轨迹生成模块。 3 喷枪轨迹生成模块 这个模块主要是喷枪轨迹的生成与优化，它是整个系统的核心。首先根据前 两模块所传来的数据与喷涂过程中各种参数，针对不同外形的工件采用不同的方 法建立喷涂过程中涂料的空间分布模型并确定喷涂作业的优化目标，然后采用适 当的算法求解目标函数的极值，并自动生成能产生最佳喷涂效果的喷枪轨迹。用 户还可以在此模块中设定喷枪走向，然后由此模块对其进行参数优化，输出一条 优化的喷枪轨迹。 4 机器人运动轨迹生成模块 本模块的主要功能是根据机器人逆运动学原理，将上模块所生成的喷枪运 动轨迹( 或机器人手臂末端工具运动轨迹) 转换成机器人各关节的运动轨迹，从 江苏大学硕士学位论文 而为分析仿真模块提供机器人的运动数据。 5 分析仿真模块 本模块是根据前面各模块所传来的工件c a d 数据、各种参数、喷枪轨迹和 机器人的运动轨迹，图形化显示喷枪沿某一指定路径喷涂时工件表面的涂覆情 况，并以列表形式给出工件表面上涂层的平均厚度及其偏差数据，也可以用等高 线配以不同色彩的方式在计算机屏幕上显示出涂料的空间分布效果图。在此过程 中用户可以检查机器人各关节的运动是否满足其约束条件，是否发生机械手碰撞 工件的情况，以便反复修改喷枪参数、路径，最终得到最佳的喷涂效果，从而可 以将机器人的运动轨迹写入轨迹数据库，提交机器人程序生成模块。 6 机器人程序生成模块 该模块主要是把离线编程的源程序编译为机器人控制系统能够识别的目标 程序，通过通信接口下载至目标机器人控制柜，驱动机器人去完成指定的轨迹运 动。 1 3 本课题研究的目的和意义 喷涂机器人的喷涂效果与物体表面形状、喷枪参数等诸因素有关。对于诸如 汽车、电器及家具等产品，其表面的喷漆效果对质量有相当大的影响。产品表面 的色泽一定程度上取决于涂层厚度。涂层应有足够的厚度以遮盖底漆或工件表面 本身所具有的原始色泽。如果表面上的涂层厚度不能保持一致，产品表面会产生 溶剂的凸起引起表面不光洁。一方面，涂层过厚的地方在使用过程中会有皲裂倾 向；另一方面会导致油漆的浪费，因此应该尽量减少工件表面涂层厚度的差异， 同时，当需要喷涂成千上万的产品时，减少每一个工件表面的油漆量，从经济角 度而言，潜在的利润相当大( 特别是汽车，飞机等大型产品) 。 喷涂机器人的编程中最普遍的方法是“人工示教法”。示教时使机器人手臂 运动的方法有两种，一种是用示教盒上的控制按钮发出各种运动指令；另一种是 由工人握住安装有固定喷枪的机器人前臂进行喷涂实验，同时由控制机器人的计 算机记录下机器人各关节参数的变化，使得机器人随后能独立地重复沿原先的轨 迹运动。这种轨迹记忆再现方法是一种连续路径控制方式，这种方法简单易行， 但存在不可克服的缺点： 6 江苏大学硕士学位论文 ( 1 ) 喷枪轨迹是凭工人的经验和大量的实验获得的，由于喷涂效果( 如涂层 厚度的均匀性、喷涂时间等) 与物体表面形状及喷枪参数等诸多因素有关，因此 单凭人工经验无法选择出最佳喷涂轨迹，所以喷涂效果最多只是人工水平； ( 2 ) 大量的喷涂费时、费力、费物，涂料大量消耗也加重了环境污染，在喷 涂大面积工件( 如汽车车身) 时，表现得尤为突出； ( 3 ) 人工示教过程中，机器人不能使用，且工人处于有害环境中。 而利用喷涂机器人离线编程方法，可以根据工件的c a d 数据、各种所需参 数、喷枪( 杯) 轨迹和机器人的运动轨迹，图形化显示喷枪( 杯) 沿其一指定路 径喷涂时工件表面的涂覆情况，并以列表形式给出工件表面上漆膜的平均厚度及 其偏差数据，也可以用等高线配以不同色彩方式在计算机屏幕上显示出油漆的空 间分布效果图。在此过程中，用户可以检查机器人各关节的运动是否满足其约束 条件，是否发生机械手碰撞工件情况，以便反复修改喷枪( 杯) 参数、路径，最 终能产生最佳喷涂效果的喷枪( 杯) 运动轨迹。喷涂后的工件表面涂层厚度均匀， 光洁度高，当喷涂大面积的工件时，能有效地减少每一个工件表面的油漆量，同 时也降低了喷涂过程中的环境污染。 近年来，随着各国对环保和劳保的日益重视，同时也为了进一步提高产品质 量和生产效率，人们开始寻求喷涂机器人离线编程方法，期望利用计算机自动寻 找出能产生最佳喷涂效果的喷枪运动轨迹，再将这条轨迹最终转换成机器人的运 动程序。 1 4 本课题的研究内容 本课题来源于2 0 0 6 年江苏省高技术研究项目( b g 2 0 0 6 0 2 3 ) 。虽然喷涂机器人 在工业应用中已经相当广泛，但是汽车工业中的喷涂作业却是一个技术要求非常 高而且相当复杂烦琐的过程。喷涂质量的好坏不仅与周围的环境有关，而且与喷 涂过程中喷枪本身的技术指标( 如喷嘴大小、喷射压力以及涂料粘度等) 、各类 工件表面的几何形状，喷枪的路径，喷涂距离等因素密切相关。鉴于以上因素， 本文在总结江苏大学和国内外这些年来在喷涂机器人方面研究的成果的基础上， 提出了基于逆向工程中点云切片技术的喷枪轨迹生成技术，对点云切片、截面数 据处理、切片轨迹生成、获取等关键技术进行深入研究。图1 2 为该技术的流程 7 江苏大学硕士学位论文 图。 图1 - 2 基于切片技术的轨迹生成流程图 f i g 1 2b a s e do nt h es l i c i n go ft h ep a t hg e n e r a t i o nf l o wc h a r t 全文共分六章，具体安排如下： 第一章简要介绍了国内外喷涂机器人的发展及应用概况，并简单介绍了喷涂 机器人离线编程系统的构成，最后给出了本学位论文课题研究的目的、意义以及 主要研究内容和章节安排。 第二章介绍了逆向工程的基本概念和几种常用的三维表面数据采集方法：讨 论了点云数据预处理的一般方法，包括：异常点( 误差点) 处理、数据插补、数 据平滑、坐标变换与数据精简。 第三章首先对点云模型的截面数据获取方法进行了研究，详细阐述了点云切 片算法，给出了切片厚度计算、平面与点云求交、截面数据排序等的详细算法； 接着详细研究了截面数据的预处理方法，包括截面数据精简、离散曲率估算以及 基于特征点发截面数据分段等，以减小截面数据的误差，使后续的喷枪轨迹提取 更准确。 第四章介绍了喷枪轨迹数学模型以及喷枪路径和喷枪轨迹获取的一些方法。 喷枪轨迹包括了喷枪的位置和方向。对经过精简、平滑以及分段处理后的点云切 片截面有效数据点进行平均采样，即可得到喷枪在工件表面的喷涂路径。计算采 样数据点在法线方向的偏移量，这些偏移量数据点系包含的信息就代表了喷枪在 喷涂过程中所在运行曲面上的轨迹参数( 位置和方向) 。 第五章介绍了原型系统的主要功能、基本框架和模块组成，给出了点云切片 类、截面数据预处理类的定义；以原型系统为平台，通过对脸盆状物体从数据获 取与预处理、点云切片、喷枪轨迹提取以及喷枪轨迹演示的过程，对算法进行了 验证。 第六章在总结全文的工作和创新点的基础上，指出基于点云切片技术的喷枪 轨迹获取方法需要进一步研究和解决的问题。 8 江苏大学硕士学位论文 第二章逆向工程技术与测量数据预处理 2 1 逆向工程的概念 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称为反求工程、反向工程等，是 指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方 法，重构实物的c a d 模型，从而实现产品设计与制造的过程【1 3 】。与传统的设计 制造方法不同，逆向工程是在只有产品模型或实物模型，而没有产品的设计图纸 或图纸不完整的前提下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品或轮廓外形 的表面数据，然后通过点云数据处理，曲线创建，曲面创建，从而建立起数学模 型，然后再将这些模型和表征用于产品的设计，制造的过程。传统的产品实现通 常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程( 或顺向工程) ， 而产品的逆向工程是根据零件( 或原型) 生成图样，再制造产品【1 4 l 。 2 2 逆向工程的体系结构 逆向工程的基本过程是先对已有的外来产品或实物模型，通过各种测量途径 ( 如用坐标测量机( c m m ) 、狈t j 得的原始数据，或是对产品进行断层扫描，切片后再 采用工业c t 扫描、扫描仪扫描，或数字照相等方法来获得零件的断层图像) 得 到产品的数字信息，接着对这些图像数据进行一系列处理之后再进行特征识别， 然后利用这些已识别出的特征信息，借助商品化的几何造型软件进行实体造型形 成零件的三维实体模型，再通过对重构的实体模型进行改进，在此基础上构造和 设计出性能更好的新产品，以便于后续实现技术c 编程加工或r p ) 的实施。一 般可分为四个阶段： ( 1 ) 数据获取 通常采用三坐标测量机( c m m ) 或激光扫描等测量装置来获取零件表面点的 三维坐标值。由手持式数字化系统和激光扫描仪获得的实物外形轮廓的数据点称 为“点云”，包含更多实测物体信息的大容量、高密度点云则被称为“海量数据 点云。 9 江苏大学硕士学位论文 ( 2 ) 数据处理 对获取的数据进行一系列数据处理( 如数据拓扑结构的建立、数据滤波、数 据精简、特征提取与数据分块等) 。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被 分割特征相对单一的块状点云。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何 特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。 ( 3 ) 产品原型c a d 模型的重建 将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面模型的拟合，形成曲面片。 并通过各曲面片的求交与拼接获取零件原形表面的c a d 模型。 ( 4 ) 重建c a d 模型的检验与修正 根据获得的c a d 模型加工出样品，检验重建的c a d 模型是否满足精度或 其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计 要求。 一个完整的逆向工程流程，主要包括数据获取、数据处理、曲面重构三个主 要部分。逆向工程的整体框架模型如图2 1 所示。 图2 - 1 逆向工程的整体框架 f i g 。2 1t h eo v e r a l lf r a m e w o r ko fr e v e r s ee n g i n e e r i n g 在本研究中，我们不需要建立待喷涂物体的c a d 模型，只需要采用逆向工 程中关于数据获取和数据处理的技术，通过对预处理后的点云数据进行切片处 理，提取切片截面轮廓线作为喷涂机器人的喷枪轨迹。所以下面只介绍关于数据 获取和数据处理方面的一些内容。第三章再介绍点云切片的一些相关内容。 l o 江苏大学硕士学位论文 2 3 数据获取 实物样件三维数据获取是通过特定的测量设备和测量方法获取实物表面离 散点的几何坐标数据。数据采集方法，主要分为物体外形轮廓测量的接触式测量 和非接触式测量；物体内部结构和外形轮廓测量的破坏和非接触不破坏式四大 类，根据测量方式的不同，数据采集方法可分为接触式测量、非接触式测量以及 逐层扫描式测量三类【1 5 】，如表2 1 所示。 表2 1 三维数据测量方式 1 a h l e2 1m e a s t a r e m e n tm e t h o d so ft h et h r e e d i m e n s i o n a ld a t a 数据测量方式 接触式i非接触式逐层扫描式 旨熏瓤霉卧t 吲盛c m m 臁匿霭稠军配t 怿l 箍 三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 是广泛采用的接触 式测量设备，利用测量机上的探头逐点捕捉被测物体表面数据，然后再由软件按 一定的评定准则计算出几何元素的尺寸、形状和相对位置等。c m m 按照其结构 的不同可分为桥式、悬臂式、龙门式和测量臂式等；根据探头的工作原理主要分 为触发式、连续式和光学式。目前接触式测量技术发展的重要趋势是采用非接触 的探头，来弥补接触式探头的不足，如易于划伤被测物体表面、无法测量柔性物 体等【l6 。三坐标测量机具有测量精度高、适应性强的特点；但测量速度较慢，需 要人工干预。 非接触式测量根据测量原理的不同，有光学测量、超声波测量、电磁测量等 方式。较为成熟的是光学测量方法，有投影光栅法、激光三角法、光照模型法、 激光测距法和数字全息法等。激光三角法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种 方法，利用光学的三角形原理，将光源聚焦并以预定的角度投射到被测物体的表 面上，由c c d 摄像机接受该表面的漫反射光，由已知角度和距离，利用三角形 解法计算被测物体表面的坐标信息。光学测量方法具有测量速度快、精度高的特 点，可以测量柔性样件；但最大的缺点在于无法测量含有内部孔洞的物体。 随着工业c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y , i c t ) 技术的发展，断层扫 描技术也在三维测量中取得了应用，弥补了其它测量方式不能获取物体内部空腔 江苏大学硕士学位论文 数据的不足。断层扫描技术可分为i c t 测量、核磁共振测量和层去图像法等。前 两种方法存在测量精度低，不能满足r p 制造的要求；层去图像法虽能解决这一 问题，但测量方法是破坏性的，不适合任意物体的测量。 2 4 点云数据预处理 实物的外形数据是通过坐标测量机获得的，一方面，无论是接触式的数据测 量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和 实物边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏 离原曲面。同时由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测 量盲区和缺口，给后续的切片带来影响。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量 时会产生海量的数据点，如果直接对海量数据点进行切片处理，大量的数据进行 存储和处理会成为不可突破的瓶颈，所以需要在切片前对数据进行处理1 1 7 1 。 点云( p o i n tc l o u d ) ，也称为海量数据，是三维空间中数据点的集合，具有 大规模、高密度的特点。根据测量点的分布情况，测量数据可分为两类：截面测 量数据( 规则点) 和散乱测量数据( 散乱点) 。针对不同类型的测量数据，其预 处理方法有所不同，本文的点云预处理方法主要针对后者，这一过程包括：异常 数据去除、数据插补、数据平滑、坐标变换与数据精简等。 2 4 1 异常点( 误差点) 处理 异常点( 误差点) 处理是从数据点集中找出可能存在的坏点和跳点。 跳点 也称失真点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成， 对人工手动测量，还会由于操作误差如探头接触部位错误使数据失真。如果在同 一截面的数据扫描中，存在一个点与其相邻的点偏距较大，我们可以认为这样的 点是跳点，判断跳点的方法有直观检查法、曲线检查法以及弦高差法等。 对于散乱测量数据而言，其拓扑关系散乱，执行光顺预处理十分困难，最简 便的方法是通过图形显示人工交互判趔1 8 l ，将偏差较大的异常点和存在于屏幕 上的孤点从测量数据中剔除。 1 2 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 数据插补 由于实物拓扑结构以及测量机的限制，方面在实物数字化时会存在一些探 头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中经常存在经剪裁或“布尔减”运 算等生成的外形特征，如表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时 就会出现数据“空白”现象，这样的情况使逆向建模变得困难，一种可解决的方 法是通过数据插补的方法来补齐“空白”处的数据，最大限度获得实物剪裁前的 信息，这将有助于模型重建工作，并使恢复的模型更加准确。目前应用于逆向工 程的数据插补方法主要有实物填充法、曲线、曲面插值法和造型设计法【1 9 】。 ( 1 ) 实物填充法 实物填充法须在数据测量之前进行，是用一种填充物将被测物体表面的凹 边、孔及槽等区域填充，使填充表面尽量平滑、与周围区域光滑连接。填充物可 以选择生石膏，加水将孔或槽的缺口补好，固化后再开始测量。这种方法简单、 易行，但对被测物体具有破坏性，不宜广泛采用。 ( 2 ) 曲线、曲面插值法 曲线、曲面插值法是利用己知测量数据拟合得到曲线或曲面，再离散形成点 列或点阵来补充空白区域。这种方法主要用于插补区域面积不大、周围数据信息 完整的场合。其中曲线插补主要适用于具有规则数据点或采用截面扫描测量的曲 面，而曲面插补既适用于规则数据点也适用于散乱点【2 0 】。 ( 3 ) 造型设计法 造型设计法是在模型重建过程中运用c a d 软件或逆向造型软件的曲面编辑 功能，如延伸( e x t e n d ) 、连接( c o n n e c t ) 和插入( i n s e r t ) 等功能，根据实物外形曲 面的几何特征，设计出相应的曲面，再通过裁剪，离散出须插补的曲面，得到测 量点。这种方法主要用于实物中的缺口区域难以用实物填充的场合。 】3 江苏大学硕士学位论文 曲原始数据点 ， ，i ， ，l ， ，、 j ，、 2 4 3 数据平滑 b 1 高斯滤波 j 等一 c ) 平均滤波 m 中值滤波 图2 2 三种常用的滤波方法比较 f i g 2 2t h r e ec o m m o n l yu s e dm e t h o d so ff i l t e r i n g 在数据采集过程中，受到各种人为或随机因素的影响，测量结果不可避免地 含有噪声。数据平滑目的是降低或消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征 提取效果。 数据平滑通常采用高斯( g a u s s i a n ) 滤波、平均( a v e r a g i n g ) 滤波、中值 ( m e d i a n ) 滤波算法。高斯滤波器在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较 小，故在滤波的同时能较好地保留原始数据的形貌；平均滤波器采样点的值取滤 波窗口内各数据点的统计平均值；中值滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点 的统计中值，对消除数据毛刺效果较好。滤波效果如图2 2 所示，实际应用时。 可根据“点云”质量和后续建模要求灵活选择滤波算法。 2 4 4 坐标变换 由于激光测量机或三坐标测量机( c m m ) 自身结构的不足，以及数据处理过 程的需要，在某些情况下需要对数据点云进行坐标变换。概括起来讲，大概有如 下两种情况需要对点云数据进行坐标变换：( 1 ) 为方便处理，实现x o y 平面与 单值曲面点云的最大投影面重合时，需对点云数据进行坐标变换。( 2 ) 在激光测 1 4 江苏大学硕士学位论文 量机对物体变化角度测量后，由于原始坐标已经变化，所以需对测量数据片族进 行坐标变换，以便进行数据拼合。 设己知坐标系a x ，y ，z ) 和坐标系b x ，】，z ) 的单位正交坐标矢量为 v = x ，y ，z 和w = x ，y ，z ) ，坐标原点分别为d ( x o ，v o ，z o ) 和0 ( x 07 】，o ，z o ) 。 分别定义与坐标系a x ，y ，z ) 和b x ，y ，z ) 相联系的测量数据片s 和s 上点为 b ，b 。固定坐标系b ，将彳 x ，y ，z ) 变换到与坐标系b x ，y ，z ) 完全重合， 首先要将a 的原点d 平移至d 。处，使两坐标原点完全重合，然后绕0 点旋转a 的坐标轴，使其与b 的坐标轴重合即可。对b 进行相同变换过程，即实现了数 据片s 和s 的坐标归一。这个过程可以表述为：岛= s b 见 这里s 一般取s = l 。 彤= r a b ( 2 一1 ) 其中伤为坐标平移矩阵，b = 如氐如为坐标旋转变换矩阵。 吃= 如= r , y = 如= 1o o1 o 0 o 0 c o s y - s i n y 0 0 s i n7c o s g00 00lo 0001 c o s f l1 s i n f l 0 01o0 s i n80 c o s f l 0 000l 1o0o 0c o s o f - s i n o f0 0s i n 口c o s o f0 00o1 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 坐标变换是图形处理的一个基本技术2 1 1 。坐标变换的理论依据是计算机图 一 一 一 o o 1 o 江苏大学硕士学位论文 形学，其中主要涉及的是矩阵变换，包括矩阵的求逆、矩阵的相乘等。坐标变换 处理对随后的点云切片提供了极大的方便。 2 4 5 数据精简 目前，激光扫描技术在准确，快速地获得数据有了很大发展，三坐标激光扫 描机在逆向工程数据测量有取代接触式三坐标测量机之势。但激光扫描测量每分 钟会产生成千上万个数据点，如直接对这些数据点进行造型处理，大量的数据进 行存储和处理也成了不可突破的瓶颈，整个造型过程要花很长一段时间，整个过 程也会变得难以控制。实际上并不是所有的数据点对模型的重建都有用，因此， 有必要在保证一定精度的前提下进行点云数据的精简。 常用的数据精简方法有：弦偏差法、采样法和网格法【2 列。弦偏差法通过给 定弦高误差限对有序点列进行简化，主要用于处理扫描线点云。采样法利用体包 围盒约束点云，将大包围盒分解成若干个均匀或非均匀的小包围盒，选取每个小 包围盒中最靠近中心的点来代替包围盒中的所有点，适用于具有简单曲面的点云 数据。洪军等结合这两种方法的优点，提出了一种同时基于角度弦高简化法与 包围盒法的数据精简方法，可以处理具有复杂特征的散乱测量数据。网格法通过 构建均匀或非均匀网格划分点云，将数据点纳入对应的网格中，选取每一网格的 中值点来代替网格中的其它数据点，实现数据精简。韩国的k h l e e 等提出了 一种适用于激光扫描数据的精简方法，包括均匀网格法和非均匀网格法【2 3 1 。非 均匀网格法又包括了单方向非均匀网格法和双方向非均匀网格法，较之均匀网格 法，不仅有效地减少了点云数据，所得的实物形状也更加精确，特别是在处理具 有变化尺寸的自由形状物体方面更加有效。 2 5 本章小结 本章首先介绍了逆向工程的基本概念和结构体系，对点云切片方法的前期 工作进行了详细研究，主要包括：数据获取、点云预处理。对于数据获取，介绍 了三维表面数据的测量方法；在点云预处理方面，针对点云数据的特点，分别从 异常点去除、数据插补、数据平滑、坐标变换和数据精简五个方面进行了讨论。 1 6 江苏大学硕士学位论文 3 1 点云切片 第三章切片截面数据获取与预处理 切片最先出现于医学研究当中，十七世纪光学显微镜的发明，为解剖学研究 向微观方向发展开辟了广阔的道路，把解剖学推进到组织和细胞的水平，将各种 组织制作成切片在光学显微镜下观察，从而得到了各种各样的医学图片，对医学 的发展起到了重大