CN113409464B - 一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，包括步骤为：S1、将电极零件进行固定，且在电极零件上粘贴有若干靶标座；S2、采用激光跟踪仪和光学三维扫描仪，对电极零件可视部分外形进行点云扫描测量，扫描电极零件的整体轮廓；S3、将扫描得到的电极零件整体轮廓的点云数据导入逆向工程软件进行处理，并将绘制出的轮廓合成实体。本发明通过在电极零件上固定公共靶标转站点将接触式高精度单点测量和非接触式点云扫描两种测量方式完美结合到了一起，通过反射球测量控制网点，进行转站，实现在两次设站状态下，两次点云扫描的数据可以以很小的误差整合到一个坐标系下，是目前测量仪器领域最新技术的应用。

Description

一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法

技术领域

本发明涉及逆向工程测量技术领域，特别是关于一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法。

背景技术

在加速器领域，SSC分离式回旋加速器是运行超过30年以上的实验装置，其中回旋扇叶之间的电极产生的电场对高能粒子束流具有进行偏转的作用，要求极高的加工精度。

由于设计年代久远，70年代没有CAD软件(计算机辅助设计软件)都是人手工绘图，有些图纸也已经丢失，现在需要对这些老旧零件进行复制测绘，但是电极产品表面曲面和圆弧过多，直接使用普通测量工具很难得到零件整体的形状，而且加速器运行后的零件，物体表面存在放射性，会残留人眼看不到的放射性辐射剂量，人员长时间接触零件会对身体造成损伤，所以使用非接触式测量方案是最合适的，在此基础上考虑采用逆向工程技术来还原整个电极壳体零件的外形轮廓。

目前世面上主流使用的逆向工程扫描仪器，通过固定标准球转站方法测量两站数据的拟合精度都大于0.05毫米，没有公共转站点时，一般使用点云拟合拼接的方法来对两次测量的数据进行整合，但是这种通过纯软件处理的方法误差很大，一般大于0.10毫米。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，通过在电极零件上固定公共靶标转站点将接触式高精度单点测量和非接触式点云扫描两种测量方式结合，有效提高拟合数据精度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，包括步骤为：

S1、将电极零件进行固定，且在电极零件上粘贴有若干靶标座；

S2、采用激光跟踪仪和光学三维扫描仪，对电极零件外形进行点云扫描测量，扫描电极零件的整体轮廓；

S3、将扫描得到的电极零件整体轮廓的点云数据导入逆向工程软件进行处理，绘制出电极零件轮廓实体模型。

进一步地，上述步骤S1的过程包括：

将被扫描的电极零件固定在地面；

在电极零件通视良好的表面上采用502胶水贴若干个靶标座，所述若干个靶标座作为电极零件的公共转站点。

进一步地，上述步骤S2的过程包括：

S21、在电极零件外距离约2米处架设激光跟踪仪，激光跟踪仪连接光学三维扫描仪和工作站电脑；

S22、对电极零件的第一位置姿态进行扫描测量；

S23、当电极零件的第一位置姿态的所有轮廓都扫描完毕后，使用SMR反射球测量公共靶标点，得到转站点数据；

S24、移动电极零件翻身，将电极零件移动到第二位置姿态固定，保证靶标点翻身后还能够被仪器发出的激光通视；

S25、激光跟踪仪重新设站，先通过SMR反射球测量公共靶标点，并通过点组最佳拟合功能将仪器恢复到第一位置测量状态的坐标系，扫描第二位置的电极零件外形轮廓点云数据；

S26、电极零件整体扫描完成后，保存点云数据。

进一步地，所述步骤S3的过程包括：

S31、将点云进行预处理；

S32、将点云数据面片化，构建三角形面片；

S33、对构建的三角形面片进行领域分割，通过面片的领域构建基准要素，并将三角形面片进行正交化对齐，通过截取面片的轮廓线绘制出各个特征轮廓，并进行实体绘制，完成建模；

S34、对完成建模的电极零件模型进行精度分析，若模型精度满足设定要求，则将模型以设定格式输出实体模型。

进一步地，所述步骤S31的过程包括：将电极零件点云数据保存为.TXT文件导入到Geomagic Design逆向设计软件中，首先对扫描数据进行杂点消除，采样和平滑处理，并将白光漫反射采集到的杂点全部剔除，将点数按比率细化为设定比例内。

进一步地，所述步骤S32的过程包括：将电极零件点云构建为三角面片，对整体三角面片进行修补，填补孔洞，尖锐部分进行平滑处理，通过面片体的法线方向确定电极零件的内侧或外侧区域。

进一步地，所述步骤S34的过程包括：通过软件的色差图对比绘制的电极零件模型与点云数据偏差，并对存在超过设定误差的地方进行修改。

进一步地，所述激光跟踪仪采用Leica AT960激光跟踪仪。

进一步地，所述光学三维扫描仪采用LAS-XL扫描测头。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明通过在电极零件上固定公共靶标转站点将接触式高精度单点测量和非接触式点云扫描两种测量方式完美结合到了一起，通过反射球测量控制网点进行转站，实现在两次设站状态下，两次点云扫描的数据可以以很小的误差(≤0.05毫米)整合到一个坐标系下，是目前测量仪器领域最新技术的应用；

2、本发明将多种三维数字化技术统一应用到工程实践中，包括光学数字化点云扫描技术，通过激光反射原理测量三维空间单点技术，点云数字化处理技术及三维CAD实体建模技术等有序整合应用；

综上，本发明可以广泛应用于回旋加速器电极零件的测量中。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在整个附图中，用相同的附图标记表示相同的部件。在附图中：

图1为本发明实施例的工作情景，使用Leica AT960激光跟踪仪搭配LAS-XL扫描测头对电极零件两个姿态进行扫描的过程；

图2为本发明实施例的逆向工程对扫描数据进行处理的效果示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。文中描述的方法步骤、过程、以及操作不解释为必须要求它们以所描述或说明的特定顺序执行，除非明确指出执行顺序。还应当理解，可以使用另外或者替代的步骤。

尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。

为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“上面”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。

本发明实施例提供的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，通过使用激光跟踪仪搭配三维光学点云扫描***，对回旋加速器内的电极零件：电极外壳和/或电极极头进行逆向测绘，包括步骤为：

S1、将例如电极外壳1进行固定，在电极外壳1上粘贴若干靶标座，通过在电极外壳1上固定粘贴金属靶标座，保证电极外壳在两个位置姿态下激光跟踪仪都可以使用反射球测量到公共靶标点。

具体地，如图1所示，将需要被扫描的电极外壳1固定在地面，在电极外壳1的一个通视良好的表面上，采用502胶水粘贴四个靶标座(以此为例，不限于此，靶标座的个数根据实际需要进行选用)，要求四个靶标座的位置尽量分散，离电极外壳1平面边缘越近越好，四个靶标座作为电极外壳1的公共转站点，相对距离越远，计算出来的六个自由度越精确，具***置根据实际需要进行选择，在此不做限定。

S2、采用激光跟踪仪2和光学三维扫描仪3，对电极外壳1可视部分外形进行点云扫描测量，扫描电极外壳1的整体轮廓。其中，使用SMR反射球测量粘好的四个靶标点，得到激光跟踪仪2转站的靶标点，移动电极外壳1翻身后固定，测量四个靶标点，恢复第一次测量的控制网坐标系，再次扫描电极外壳1的另一部分可视外形。

具体地，在电极外壳1可以大约2米外架设Leica AT960激光跟踪仪2，激光跟踪仪2连接LAS-XL光学三维扫描测3头和工作站电脑。仪器预热后，开始对电极外壳1进行扫描工作。扫描时要尽可能地扫描到电极外壳1的整体轮廓以及主要细节的部分，例如法兰，管道，槽口，尽可能的扫描到多的点云，大的平面和曲面要至少保证80％的表面被扫描到。

当所有轮廓都扫描完毕后，佩戴手套使用SMR反射球测量公共靶标点，得到转站点数据。移动电极外壳1翻身，将电极外壳移动到第二位置姿态固定，激光跟踪仪2重新添加仪器设站，保证四个靶标点翻身后还能够被通视。激光跟踪仪2重新设站，先通过SMR反射球测量四个公共靶标点，通过点组最佳拟合功能将仪器恢复到第一个测量状态的坐标系下，扫描第二站的外形轮廓点云数据，这样第二站扫描的点云和第一站的点云默认为在一个坐标系下，两站扫描数据可以完美贴合，转站拟合误差控制在0.05毫米以内。第二站状态下扫描电极外壳1剩下的轮廓，整体扫描完成后，保存数据，此方法转站精度高，不需要对两次测量的点云数据进行额外处理。

S3、如图2所示，将两次扫描得到的电极点云数据导入逆向工程软件进行处理，将所有绘制出的轮廓通过布尔运算合成一个实体，该实体可以导出到其他主流三维CAD软件里直接使用也可以用于数控加工，具体过程为：

S31、将点云进行预处理，包括：去噪，细化，按按比率稀疏测量点等操作以及删除杂点等

具体地：将测量软件里保存的电极点云数据保存为.TXT文件导入到GeomagicDesign逆向设计软件中，首先对扫描数据进行杂点消除、采样和平滑处理，将白光漫反射采集到的杂点全部剔除，由于点云数据量巨大，几百万个点，按比率细化为10％以内，这样可以减轻计算机分析计算的负担。

S32、将点云面片化，构建成三角形面片，将三角形面片进行正交化对齐，通过截取面片的轮廓线绘制出被扫描件的各个特征轮廓。

具体地，将电极外壳点云构建为三角面片，对整体三角面片进行修补，填补孔洞，尖锐部分进行平滑处理，让面片体看起来形状圆滑立体起来，翻转面片法向，注意面片体的法线方向，确定电极外壳1的内侧或外侧，如果方向错误需要手动将其翻转过来。面片处理完成后通过面片体构建零件截面形状进行建模。

S33、分割领域、基准对齐及绘制模型：对建立好的面片进行领域分割，通过面片的领域构建基准要素，建模之前要将整个面片体找正对齐，让零件的放置位置方向和设计软件的坐标系方向对齐且平行。

具体地，观察电极外壳1的几个表面，除了一个大弧面是曲面外，其他平面都是曲率很小的平面，可以作为构建零件的基准。对面片体进行领域分割操作，此操作会根据面片体曲率将整个面片体分割成很多的独立的区域，可以看到大的平面基本是分割成一个比较大的面片体领域和若干小的面片体领域，将之合并。构建理论平面，通过这些面片体的数据进行最小二乘法最佳拟合，构建两个小侧面，一个顶面，一个背面。两个小侧面构建对称面，对称面和背面相交得到一条交线，交线和顶面相交得到一个原点。通过软件的手动对齐命令，指定三个面交点为坐标系原点，顶面法向为坐标系+Y方向，中分面为坐标系+X方向。移动并对齐设计坐标系中心，在三个基准面绘制面片草图，面片草图可以将草绘方向指定深度的截面线投影在草绘面上，设计者可以直接通过截面线描绘出零件的外形轮廓，可能会遇到点云扫描数据不全，造成投影截面线中断或者失真的情况，可根据实际需要，对尺寸进行划整，例如：草绘线可能和坐标系不正交，可以手动约束它为水平或者垂直；草绘的尺寸不是整数，例如某个圆的直径为Φ35.09，可以将其划整为Φ35，因为原始模型在设计时肯定会考虑接近整数的尺寸，逆向工程再设计要考虑到当时初始设计者的意图。为了以后重复加工的规整性。通过拉伸，旋转，扫描等功能将整个零件实体全部绘制出来，最后将所有绘制的特征进行布尔运算合并成为一个整体，建模工作完成。

S34、模型精度分析，若模型精度满足设定要求，则将模型以设定格式输出实体模型。

具体地，通过软件的色差图对比绘制的电极模型与点云数据的偏差，对误差大的地方进行修改，减小误差。

将绘制完成的电极模型转换为Step等标准格式。逆向后的模型精度不一定和扫描的数据完全吻合，需要进行自查，打开软件的精度分析界面，点击体偏差选项，可以看到软件显示一个色差图，来反映建模后的实体和初始的面片体之间的偏差，红色越深代表材料外偏差越大，蓝色越深代表材料内偏差越大，绿色代表在可接受的偏差范围内，可以选择0.3毫米，仪器的扫描误差大致在这个范围，如果零件表面显示绿色代表绘制的模型和原始数据符合，如果颜色偏蓝色或者红色就要复查绘制的问题，进行修改。需要注意的是，有些地方是点云数据没有扫描到的区域，会显示数据严重超差，要区分对待。模型精度验证没有问题后，可以将其输出转换为step，iges或者其他主流三维机械设计软件例如Solidworks，Catia等可以直接识别的格式。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于包括步骤为：

S1、将电极零件进行固定，且在电极零件上粘贴有若干靶标座；

S2、采用激光跟踪仪和光学三维扫描仪，对电极零件外形进行点云扫描测量，扫描电极零件的整体轮廓，包括：

S21、在电极零件外设定距离处架设激光跟踪仪，激光跟踪仪连接光学三维扫描仪和工作站电脑；

S22、对电极零件的第一位置姿态进行扫描测量；

S23、当电极零件的第一位置姿态的所有轮廓都扫描完毕后，使用SMR反射球测量公共靶标点，得到转站点数据；

S24、移动电极零件翻身，将电极零件移动到第二位置姿态固定，保证靶标点翻身后还能够被仪器发出的激光通视；

S25、激光跟踪仪重新设站，先通过SMR反射球测量公共靶标点，并通过点组最佳拟合功能将仪器恢复到第一位置测量状态的坐标系，扫描第二位置的电极零件外形轮廓点云数据；

S26、电极零件整体扫描完成后，保存点云数据；

S3、将扫描得到的电极零件整体轮廓的点云数据导入逆向工程软件进行处理，绘制出电极零件的实体模型。

2.根据权利要求1所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，上述步骤S1的过程包括：

将被扫描的电极零件固定在地面；

在电极零件通视良好的表面上采用502胶水粘贴若干个靶标座，所述若干个靶标座作为电极零件的公共转站点。

3.根据权利要求1所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述步骤S3的过程包括：

S31、将点云进行预处理；

S32、将点云数据面片化，构建三角形面片；

S33、对构建的三角形面片进行领域分割，通过面片的领域构建基准要素，并将三角形面片进行正交化对齐，通过截取面片的轮廓线绘制出各个特征轮廓完成建模；

S34、对完成建模的电极零件模型进行精度分析，若模型精度满足设定要求，则将模型以设定格式输出实体模型。

4.根据权利要求3所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述步骤S31的过程包括：将电极零件点云数据保存为.TXT文件导入到Geomagic Design逆向设计软件中，对扫描数据进行杂点消除、采样和平滑处理，并将白光漫反射采集到的杂点全部剔除，将点数按比率细化为设定比例内。

5.根据权利要求3所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述步骤S32的过程包括：将电极零件点云构建为三角面片，对整体三角面片进行修补、填补孔洞、尖锐部分进行平滑处理，通过面片体的法线方向确定电极零件的内侧或外侧区域。

6.根据权利要求3所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述步骤S34的过程包括：通过软件的色差图对比绘制的电极零件模型与点云数据偏差，并对存在超过设定误差的地方进行修改。

7.根据权利要求1～6任一项所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述激光跟踪仪采用Leica AT960激光跟踪仪。

8.根据权利要求1～6任一项所述的逆向测绘回旋加速器电极零件的方法，其特征在于，所述光学三维扫描仪采用LAS-XL扫描测头。

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