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浙江大学学报(工学版)  2021, Vol. 55 Issue (5): 905-916    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.011
机械工程     
基于点云和设计模型的仿真模型快速重构方法
蔡君1(),赵罡1,2,于勇1,3,*(),鲍强伟1,戴晟1
1. 北京航空航天大学 机械工程及自动化学院,北京 100191
2. 航空高端装备智能制造工信部重点实验室,北京 100191
3. 北京市高效绿色数控加工工艺及装备工程技术研究中心,北京 100191
A rapid reconstruction method of simulation model based on point cloud and design model
Jun CAI1(),Gang ZHAO1,2,Yong YU1,3,*(),Qiang-wei BAO1,Sheng DAI1
1. School of Mechanics and Automation, Beihang University, Beijing 100191, China
2. Key Laboratory of Aeronautics Smart Manufacturing, Beihang University, Beijing 100191, China
3. Beijing Engineering Technological Research Center of High-Efficient and Green CNC Machining Process, Beijing 100191, China
 全文: PDF(1861 KB)   HTML
摘要:

随着产品装配质量要求的不断提高,为了在CAD模型仿真试验中快速且准确地表达零件实际加工质量,提出基于点云和设计模型的仿真模型快速重构方法. 采用“一面两孔配准”方法,将零件实测点云数据配准到设计模型上;根据设计模型边界提取出曲面重构所需的控制顶点;采用非均匀有理B样条(NURBS)方法对控制顶点进行曲面拟合;根据仿真需求,结合边界表示法(BREP)和构造实体表示法(CSG)实现模型表面的局部和快速替换. 在CATIA中开发基于实测点云数据和设计模型的仿真模型快速重构模块,和基于可拓展标记语言(XML)和特征完全匹配的数字预装配模块. 以某航空企业典型零件和舱门预装配为例,验证该方法的重构精度和效率及其在预装配仿真中的高效性和准确性.

关键词: 点云重构点云配准点云提取非均匀有理 B 样条(NURBS)曲面替换    
Abstract:

The high fidelity of CAD model in simulation test has been unsatisfied with the continuous improvement of product assembly quality requirements. A rapid reconstruction method of simulation model based on point cloud and design model was proposed in order to express the actual machining quality of parts quickly and accurately in the simulation experiment. The method of "one-plane and two-hole registration" was adopted to register the measured point cloud data to the design model. The control vertices in the boundary of the design model were extracted for surface reconstruction. Non-uniform rational B-spline (NURBS) method was used to fit the surface. The partial and efficient replacement of the model surface was realized, which combined boundary representation (BREP) and constructive solid geometry (CSG), with the simulation requirements. A rapid reconstruction module based on actual measured point cloud and design model, and a digital preinstalled module based on extensible markup language (XML) and fully features matched, were developed in CATIA. The reconstruction accuracy and efficiency of the proposed method, as well as its high efficiency and accuracy in the simulation of preassembly, were verified by taking a typical part of an aviation enterprise and assembly of aircraft door as examples.

Key words: point cloud refactoring    point cloud registration    point cloud extraction    non-uniform?rational?B-spline?(NURBS)    surface replacement
收稿日期: 2020-04-29 出版日期: 2021-06-10
CLC:  TP 391  
基金资助: 工信部2017民用飞机专项科研技术资助项目
通讯作者: 于勇     E-mail: 15600260806@163.com;yuyong@buaa.edu.cn
作者简介: 蔡君(1994—),男,硕士,从事数字化飞机装配研究. orcid.org/0000-0001-7516-6353. E-mail: 15600260806@163.com
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蔡君
赵罡
于勇
鲍强伟
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引用本文:

蔡君,赵罡,于勇,鲍强伟,戴晟. 基于点云和设计模型的仿真模型快速重构方法[J]. 浙江大学学报(工学版), 2021, 55(5): 905-916.

Jun CAI,Gang ZHAO,Yong YU,Qiang-wei BAO,Sheng DAI. A rapid reconstruction method of simulation model based on point cloud and design model. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2021, 55(5): 905-916.

链接本文:

http://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2021.05.011        http://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2021/V55/I5/905

图 1  “一面两孔配准”点云配准流程
图 2  点云和模型上局部坐标系构建
图 3  目标点的坐标系转换
图 4  NUV面上构建均匀网格框
图 5  基于BREP/CSG的曲面替换流程
图 6  数字化预装配仿真流程
装配信息 提取的元素
零件 零件的装配顺序
零件间约束关系 约束类型、约束值、被约束的几何要素
三维标注 尺寸、公差、基准、关联的几何要素
零件的加工特征 特征类型、设计参数、构成的几何要素
表 1  装配信息提取
图 7  用XML文档记录装配信息
形状特征组合 匹配参数
旋转面+平面 旋转轴+平面中心
旋转面+球面 旋转轴+球心
2个旋转面+拉伸面 2旋转轴+拉伸方向+拉伸起点
3个球面 3球心
2个球面+平面 2球心+平面中心
球面+2个平面 球心+2个平面中心
球面+平面+拉伸面 球心+平面中心+拉伸方向
表 2  形状特征组合与匹配参数
组件 型号 组件 型号
系统硬件 Intel(R)Core(TM)
i5-6500 CPU @3.2 GHz(16 G)
设计工具 CATIA V5R18
操作系统 Windows 7,64 bit 开发环境 RADEV5R18
开发语言 C/C++ 函数库 CAA V5R18
开发工具 VS 2005 ? ?
表 3  组件开发环境与工具
图 8  基于CAA开发的设计模型重构界面
图 9  测试零件实测点云数据
参数 取值 参数 取值
尺寸 147×80×310 mm 光源 14束激光线
扫描速率 480000点/秒 分辨率 0.02 mm
工作距离 300 mm 工作温度 ?10°~40°
测量范围 0.1~8.0 m 测量精度 0.02 mm
表 4  PTS-HS717激光手持三维扫描仪技术参数
图 10  一面两孔配准示意图
图 11  点云分割效果
图 12  点云精简效果对比
图 13  重构的NURBS曲面
图 14  NURBS曲面替换
图 15  模型的传统重构流程
图 16  模型的改进重构流程
方法 传统重构方法用时/s 本研究重构算法用时/s
点云配准 192.3 28.6
点云提取 37.4 5.8
曲面重构 5.7 12.0
曲面替换 235.8 5.6
合计 471.2 52.0
表 5  不同重构方法的用时对比表
图 17  重构算法偏差分析
关键零件精度 指标
蒙皮外形轮廓度 $ \leqslant $0.25 mm
边框垂直度 $ \leqslant $0.40 mm
主轴孔的同轴度 $ \leqslant $0.40 mm
表 6  舱门装配的关键零件精度要求
图 18  舱门装配模型
图 19  轻量化后的XML文档
图 20  重构前、后的模型对比
图 21  零件替换后的XML文档
图 22  侧壁重构后的舱门装配体
图 23  舱门装配体的干涉分析
统计项 零件数量/个 占用内存/kB 装配体模型重构用时/s 精度检测用时/s 装配精度/mm
蒙皮轮廓度 边框垂直度 主轴同轴度
轻量化前 97 47022 243.2 6.5 0 0 0
轻量化和模型替换后 16 8237 50.3 6.7 0.27 0.31 0.38
工厂检测 97 ? ? 7200.0 0.29 0.34 0.37
表 7  舱门预装配各项数据统计
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