CN114693879B - 基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，在零件的一个端面进行四点标记，通过手机对标记后零件进行拍照并将图片导入三维重建软件，生成零件三维模型；将三维模型和目标标准模型进行比对，调整模型之间的位置，当两个模型位于最大重合度时或直至目标标准模型接近零件三维模型内部可加工最大尺寸时，确定交点；通过夹角和圆心间关系确定三维模型的加工中心，并在零件上进行加工中心标记。本发明不需要昂贵的三维扫描设备，采用手机拍图即可在车床加工现场进行大型零件找正，大大减少了人工调整零件的过程，提高生产效率。找正原理简单且更加直观方便，对工程技术人员的专业技术水平要求不高，成本低、操作简便。

Description

基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法

技术领域

本发明涉及先进数字化装配制造与自动化领域，具体涉及一种便捷快速经济的大型锻造零件辅助找正方法。

背景技术

在车床上加工较大锻造零件(直径达三米左右，长度20米左右)时，传统的找正方式是操作者靠目测及经验，这种方法掺杂了很多人为因素，因而增加了许多不确定性，操作者技能水平的高低对找正结果起着决定性的作用，并且零件尺寸很大，调整起来耗时耗力，其最大的缺点是不易将工件中心线与车床卡盘垂直，不垂直的工件在高速旋转过程中会产生周期性的离心力，周期性的离心力传递给卡爪会导致卡爪与工件在接触面上产生滑移，久而久之，卡爪磨损加剧，加工过程中工件容易松动。如不能及时发现并停机，工件有甩出、掉落的危险，对操作人员和设备的安全都是极大的隐患。

虽然通过图像技术，我们可以将零件模型在计算机中进行分析。但是由于较大锻件的直径和长度限制，利用工业三维扫描仪构建大型锻件的图像并不现实，也没有针对较大锻件的专业三维构建设备能够利用。同时，利用现有的工业级三维扫描装备，不仅造价昂贵，且对技术人员的要求较高，无法适用于锻造现场。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，操作简便、安全可靠且成本低廉、能够在现场就地完成精准找正过程并快速找正，且对工程技术人员的专业度要求不高，有利于锻造现场推广和适用。

本发明所采用的技术方案是：

一种基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于至少包括如下步骤：

步骤1：图像采集：在实体锻造零件其中一个端面用水平仪划两条相互垂直的标记直线，并将标记直线与零件端面边缘交点按顺时针方向记为四个标记点，采用手机全方位拍照获取零件图像；

步骤2：三维模型重建：利用获取的零件图像进行三维构建，得到具有标记点的零件扫描模型；

步骤3：模型比对：根据目标零件形状，构建与零件扫描模型内核最大形状相匹配的三维标准体模型，并确定三维标准体模型的轴心和轴线，把三维标准体模型装入到零件扫描模型中，调整三维标准体模型位置以无限逼近重合于零件扫描模型，当两个模型位于最大重合度时或直至目标三维标准体模型接近零件扫描模型内部可加工最大尺寸时，将内部三维标准体模型的轴线与外部零件扫描模型端面的交点记录下来；

步骤4：零件表面标记：在将所述交点与零件扫描模型的端面上邻近的两个所述标记点分别连线，测量各连线与相邻的两条标记直线各自的夹角；以实体零件上的两条标记直线为基准，通过标记直线与邻近的连线间的夹角，在实体零件1端面标记出加工中心点位置。

上述技术方案中，步骤1中，当大型锻造零件为圆台体或圆柱体时，在零件的其中任一个轴向端面确定标记点。

上述技术方案中，步骤2-3中三维模型重建和模型比对均采用CATIA软件进行。

特别的，步骤1中采用CATIA软件生成三维模型,导出为包括stl的通用模式。

上述技术方案中，步骤3模型比对中，如目标三维标准体模型嵌入零件扫描模中无法找到合适位置，则调整目标三维标准体模型直径，重复将零件扫描模型与目标三维标准体模型进行模型比对，直至三维标准体模型接近零件扫描模型内部可加工最大尺寸。

上述技术方案中，大型锻造零件直径在0.5米到3米。

上述技术方案中，大型锻造零件的长度在5米到20米。

上述技术方案中，所述大型锻造零件为至少具有圆柱体、圆台体或圆锥体结构的零件。

上述技术方案中，所述大型锻造零件为至少具有部分回转加工结构的长轴状锻造体。

上述技术方案中，还包括工作台标记步骤：用手机对工作台全方位拍照，确保拍摄工作台全貌，将图片导入三维建模软件，得到工作台三维模型；在工作台三维模型中找到工作台回转中心，并在工作台上标记。

上述技术方案中，还包括零件吊装找正步骤：将零件吊装以垂直放置到工作台上，使零件端面加工中心与工作台回转中心对齐。

由此，本发明提供了一种基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，通过手机对零件进行拍照取样，将图片导入三维重建软件，生成三维模型；将导出的模型和目标标准模型进行比对，调整模型之间的位置，找到加工中心；在零件上进行标记。

相对于现有技术，产生的有益效果是：

避免了大型长轴锻件人工找正的不精确问题和安全问题，提高了找正精度和安全性。利用手机和常用软件找正，大大减少了人工调整零件的过程，提高生产效率。

不需要昂贵的三维扫描设备，采用手机拍图扫描零件并导入常用的CATIA软件即可在车床加工现场进行零件扫描模型构建。

找正原理简单且更加直观方便易于实现，将零部件内部可加工的最大尺寸的回转体作为标准模型去与扫描模型比对，通过标准模型轴线与扫描模型交点以及夹角测量即可在实体零件上进行一对一的现场标记，对工程技术人员的专业技术水平要求不高，仅仅需要简单的回转体三角形知识即可找正并进行现场标记。

找正操作便捷易于实现，不需要专业的三维图像扫描装置，成本低且精度有保证，有利于现场推广和普及。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明实施例的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法流程图。

图2为本发明方法扫描所得工作台三维模型图。

图3为实施例1扫描所得待测圆柱体锻件零件三维模型图。

图4为实施例1目标加工所得标准零件三维模型图。

图5为实施例1中两个三维模型装配位置示意图(靠近过程中)。

图6为实施例1中两个三维模型装配位置示意图(继续嵌入中)。

图7为实施例1中两个三维模型装配位置示意图(嵌入比对到合适位置)。

图8为实施例1的圆台体锻件零件实体表面标记点示意图。

图9为根据本发明实施例2扫描所得待测圆台锻件零件的三维模型图。

图10为实施例2目标加工所得标准零件三维模型图。

图11为实施例2中两个三维模型装配位置示意图(靠近过程中)。

图12为实施例2中两个三维模型装配位置示意图(继续嵌入中)。

图13为实施例2中两个三维模型装配位置示意图(嵌入比对到合适位置)。

图14为实施例2的圆台体锻件零件实体表面标记点示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。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。

基于本发明实施的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法包括如下步骤：

步骤1图像采集：在实体零件其中一个端面用水平仪划两条相互垂直的标记直线，并将标记直线与零件端面边缘交点按顺时针方向记为四个标记点，采用手机全方位拍照获取零件的图像。要保证用手机对零件进行全方位无死角拍照，确保拍照清晰度。

步骤2三维模型重建：利用获取的图像进行三维构建，得到具有标记点的零件扫描模型；

步骤3模型比对：根据目标零件形状，构建与零件扫描模型内核最大形状相匹配的三维标准体模型，并确定三维标准体模型的轴心和轴线，把三维标准体模型装入到零件扫描模型中，调整三维标准体模型位置以无限逼近与零件扫描模型重合，将最大重合度时内部三维标准体模型的轴线与外部零件扫描模型端面的交点记录下来；

步骤4零件表面标记：在零件扫描模型的端面，将所述交点与邻近的两个所述标记点分别连线，测量各连线与相邻的两条标记直线各自的夹角；以实体零件上的两条标记直线为基准，通过标记直线与邻近的连线间的夹角，在实体零件1端面采用水平仪标记出加工中心点位置。

还包括：用手机扫描工作台得到工作台模型和工作台回转中心，并在工作台上标记；具体为：将工作台边缘四等分，在工作台边缘顺时针方向标记四点，以便于生成模型之后更好定位工作台位置，之后用手机对工作台全方位拍照，确保拍摄工作台全貌，将图片导入三维建模软件，得到工作台三维模型。在工作台三维模型中找到工作台回转中心，并在工作台上标记。

还包括：在此基础上，将零件吊装到工作台上，且将零件端面加工中心与工作台回转中心对齐以找正零件中心。

实施例1(如图2-8)：

针对本方法，实例1的零件1为直径约3000mm，长16000mm的锻造圆柱体，目标加工一个直径2800mm，长15500mm的标准圆柱体，具体实施步骤如下：

用手机扫描工作台2，具有夹具定位件21，将工作台边缘四等分，在工作台边缘顺时针方向标记四点，以便于生成模型之后更好定位工作台位置，之后用手机对工作台全方位拍照，确保拍摄工作台全貌，将图片导入三维建模软件，得到工作台三维模型。在工作台三维模型中得到工作台回转中心22，并在工作台2上标记，如图2所示。

在零件1其中一个端面用水平仪划两条相互垂直的直线，并将直线与零件1端面边缘交点按顺时针方向记为A,B,C,D四点，用手机围绕零件1进行全方位拍照，将所得照片传入电脑中的三维重建软件，本实例采用RealityCapture进行三维重建，将所得零件扫描模型100导出到三维软件之中，如图3所示具有相互垂直直线AC和BD的零件扫描模型100，本实例三维软件采用CATIA；

如图4所示，根据目标待加工零件尺寸，建立目标尺寸圆柱体模型并标记出该圆柱体轴心和轴线；先绘制一个直径2800mm，长度15500mm的标准圆柱体作为圆柱体标准模型110，并将圆柱体标准模型110的轴心和轴线111在零件表面标记出来。接下来如图5,6,7所示，将两个模型(圆柱体标准模型110和零件扫描模型100)一起导入到CATIA装配模块中，固定零件扫描模型100位置，调整圆柱体标准模型110的位置与零件扫描模型100尽量重合，将在最大重合位置下圆柱体标准模型110的轴线111与外部模型端面的交点O标记，并将此交点O与零件扫描模型100端面的A,B,C,D四点中的任意相邻两点相连形成具有夹角的两条连线，测量各连线与相邻的两条标记直线各自的所夹角度，以便于在零件实体表面标记出加工中心位置；如图8所示，本实例选取A,B两点，标记的交点为O点，测出AO和AC的夹角a、以及BO和BD的夹角b，由于AC和BD为事先标记的直线，所以这两条直线在零件扫描模型100或零件1上的位置已知，故以AC和BD为基准，通过AO和AC的夹角a、以及BO和BD的夹角b即可在扫描模型100或零件1表面标记出加工中心O点位置；

如所绘制圆柱体标准模型110的圆柱体尺寸无法找到合适位置，则调整圆柱体直径，重复将零件扫描模型100与圆柱体标准模型100进行比对，直至圆柱体标准模型100接近零件扫描模型100内部可加工最大尺寸。

实施例2(如图9-14)：

针对本方法，实例2的零件3大端直径约2000mm，小端直径约1700mm，高12000mm的锻造圆台体，目标加工一个大端直径1850mm，小端直径1550mm，高11000mm的标准圆台体，具体实施步骤如下：

用手机扫描工作台2，具有夹具定位件21，将工作台边缘四等分，在工作台边缘顺时针方向标记四点，以便于生成模型之后更好定位工作台位置，之后用手机对工作台全方位拍照，确保拍摄工作台全貌，将图片导入三维建模软件，得到工作台三维模型。在工作台三维模型中得到工作台回转中心22，并在工作台2上标记，如图2所示。

在零件3其中一个端面用水平仪划两条相互垂直的直线，并将直线与零件端面边缘交点按顺时针方向记为E,F,G,H四点，用手机围绕零件3进行全方位拍照，将所得照片传入电脑中的三维重建软件，本实例采用RealityCapture进行三维重建，将所得零件扫描模型300导出到三维软件之中，如图9所示，本实例三维软件采用CATIA；

如图10所示，先绘制一个大端直径1850mm，小端直径1550mm，长度11000mm的圆台体，并将圆台体的轴心和轴线311在零件表面标记出来作为圆台体标准模型310。接下来如图11,12,13所示，将两个模型(圆台体标准模型310和零件扫描模型300)一起导入到CATIA装配模块中，固定零件扫描模型300位置，调整内部圆台体标准模型310的位置，将内部圆台体标准模型310调整到一个合适的位置以尽量与零件扫描模型300，将此时内部标准圆台的轴线与外部模零件扫描模型300端面的交点标记出，并将此交点与零件表面的E,F,G,H四点中的任意相邻两点相连，测量出各连线与之前标记直线各自的所夹角度，以便于在零件实体表面标记出加工中心位置，如图14所示，本实例选取E,F两点，轴心为O点，测出EO和EG的夹角e及FO和FH的夹角f，由于EG和FH为事先标记的直线，所以这两条直线在零件3或零件扫描模型300上的位置已知，故以EG和FH为基准，通过EO和EG的夹角e及FO和FH的夹角f即可在零件扫描模型300表面标记出加工中心O点位置。由于零件3实体与零件扫描模型300一比一实体构建，从而可以按照零件300扫描模型上的O点位置在实体零件3上确定加工中心O点。

如所绘制圆台体尺寸无法找到合适位置，则调整圆台体标准模型中圆台体直径，重复嵌入到零件扫描模型中，直至接近零件扫描模型内部可加工最大尺寸。

可以理解的是，对于圆锥体或其他形状大型锻件，也可以适用于本方法来找正。类似的形状可以延伸为至少具有圆柱体、圆台体、圆锥体结构任一部分的锻件，或者是至少具有长轴状回转加工结构的大型零件均可以采用本方法找正。

本发明针对的大型锻造零件直径在0.5米到3米，优选为2到3米。本发明大型锻造零件的长度在2米到20米。当然，并不是说只有直径2到3米的大型锻件可以适用本方法，在直径0.5米左右的小直径锻件或长度更短(如4-8米)的锻件也可以适用此方法。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于至少包括如下步骤：

步骤1：图像采集：在实体锻造零件其中一个端面用水平仪划两条相互垂直的标记直线，并将标记直线与零件端面边缘交点按顺时针方向记为四个标记点，采用手机全方位拍照获取零件图像；

步骤2：三维模型重建：利用获取的零件图像进行三维构建，得到具有标记点的零件扫描模型；

步骤3：模型比对：根据目标零件形状，构建与零件扫描模型内核最大形状相匹配的三维标准体模型，并确定三维标准体模型的轴心和轴线；将三维标准体模型装入到零件扫描模型中，调整三维标准体模型位置以无限逼近重合于零件扫描模型，当两个模型位于最大重合度时，将内部三维标准体模型的轴线与外部零件扫描模型端面的交点记录下来，或当三维标准体模型嵌入零件扫描模型中无法找到合适位置，则调整三维标准体模型直径，重复将零件扫描模型与三维标准体模型进行模型比对，直至三维标准体模型接近零件扫描模型内部可加工最大尺寸，将内部三维标准体模型的轴线与外部零件扫描模型端面的交点记录下来；

步骤4：零件表面标记：在将所述交点与零件扫描模型的端面上邻近的两个所述标记点分别连线，测量各连线与相邻的两条标记直线各自的夹角；以实体锻造零件上的两条标记直线为基准，通过标记直线与邻近的连线间的夹角，在实体锻造零件端面标记出加工中心点位置。

2.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于步骤1中，当大型锻造零件为圆台体或圆柱体时，在零件的其中任一个轴向端面确定标记点。

3.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于步骤2-3中三维模型重建和模型比对均采用CATIA软件进行。

4.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于大型锻造零件直径在0.5米到3米。

5.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于大型锻造零件的长度在5米到20米。

6.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于所述大型锻造零件为至少具有圆柱体、圆台体或圆锥体结构的零件。

7.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于所述大型锻造零件为至少具有部分回转加工结构的长轴状锻造体。

8.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于还包括工作台标记步骤：用手机对工作台全方位拍照，确保拍摄工作台全貌，将图片导入三维建模软件，得到工作台三维模型；在工作台三维模型中找到工作台回转中心，并在工作台上标记。

9.根据权利要求1所述的基于三维重建技术的大型锻造零件辅助找正方法，其特征在于还包括零件吊装找正步骤：将零件吊装以垂直放置到工作台上，使零件端面加工中心与工作台回转中心对齐。

Images