CN115876088A - 基于数字孪生的高铁轮轴3d测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法及装置。涉及机械测量技术，该方法基于激光标定装置实现，激光标定装置包括两个V型夹具、两个激光器、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件，每个V型夹具由一组基准工件进行定位，两个二维移动模组分别设置于一个机架内，二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个激光器置于一个二维移动模组上，激光器凭借水平轨道和竖直轨道在竖直平面上移动，该方法包括：首先在虚拟空间中进行基准坐标确定，再根据基准进行实际物理坐标换算，最后驱动二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将激光器移动至实际物理坐标的位置进行标定。解决了现有技术中人工操作误差大、效率低、成本高的问题。

Description

基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法及装置

技术领域

本发明涉及机械测量技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法及装置。

背景技术

随着数字化、信息化浪潮席卷全球，现代数字化智能制造正不断替代工业领域传统经济生产模式。高铁轮轴是高铁动力传动***和承载***的重要组成部分，高铁轮轴具有重量大（单个轮轴的重量计以吨计量）、作业时高速旋转等特点，保障其加工制造精度和质量是决定高铁动力传动***综合性能和安全运行的关键因素，因此需要在加工制造中准确的确定出高铁轮轴的最优加工余量。

多年以来，一直由人工完成高铁轮轴最优加工余量的标定，具体过程为：操作人员首先测量大型轴胚的尺寸数据，再根据尺寸数据确定轴胚两端面的中心点，最后以两端中心点连线为轴线进行切削、打磨等成型工艺。人员操作得到的测量结果往往是不准确的，选择的中心点连线难以保证加工余量最优，且人工测量效率低、成本高、浪费轴胚材料等缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中人工进行轴胚测量，效率低、成本高、准确度低且浪费材料的缺陷，从而提供一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法及装置。

为解决上述技术问题，本发明公开实施例至少提供一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法及装置。

第一方面，本发明公开实施例提供了一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，所述方法基于激光标定装置实现，所述激光标定装置包括两个V型夹具、两个激光器、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件，每个所述V型夹具由一组基准工件进行定位，两个所述二维移动模组分别设置于一个所述机架内，所述二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个所述激光器置于一个所述二维移动模组上，所述激光器凭借所述水平轨道和所述竖直轨道的带动在竖直平面上移动，所述方法包括：

基准坐标确定过程：将标定轴的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，所述标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于所述标定轴的两端，获取三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件，得到标定轴、标定杆和基准工件的点云数据，将所述点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系；

坐标计算过程：取下所述标定轴，将高铁轮轴轴胚的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，两个机架分别置于所述高铁轮轴轴胚的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚和基准工件映射到所述数字孪生虚拟空间中，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标；

激光器移动过程：基于所述第一坐标驱动所述二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将所述激光器移动至所述第一坐标的位置。

可选地，在坐标计算过程中，所述在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标包括：以点-切面距离函数计算有向加工余量；根据所述有向加工余量确定高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

可选地，在坐标计算过程中，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标之前，所述方法包括：在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面；从第一视角点生成搜索到的指定点或指定面的第一几何信息编码；从不同视角点寻找所述指定点或指定面的不同几何信息编码；根据所述指定点或指定面的不同几何信息编码建立不同视角点云数据间点匹配对应关系；根据不同视角点云数据间点匹配对应关系进行多视角拼接重建数字孪生虚拟空间。

可选地，在坐标计算过程中，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标之前，所述方法包括：基于RANSAC策略对重建后的数字孪生虚拟空间进行误匹配滤除。

可选地，在坐标计算过程中，在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面之前，所述方法包括：通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间。

可选地，对点云

，计算曲面规范型的目标函数为：

，其中 Z 为待求的规范型点集向量组，E 为n阶方阵，P为点云集合，J为旋转矩阵。

可选地，所述通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间包括：对点云Pn 进行采样，得到点云Pm ，利用采样后的点云Pm 构造n阶方阵E 对应的m×n低阶矩阵C，低阶矩阵C 是由n阶方阵 E 的部分列/行向量构成；基于低阶矩阵 C 重建待求的高阶矩阵E，拟构造目标函数

将规范型的计算转换为低阶矩阵M。

第二方面，本发明公开实施例还提供一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置，包括：

激光标定装置，包括两个V型夹具、两个激光器、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件，每个所述V型夹具由一组基准工件进行定位，两个所述二维移动模组分别设置于一个所述机架内，所述二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个所述激光器置于一个所述二维移动模组上，所述激光器凭借所述水平轨道和所述竖直轨道的带动在竖直平面上移动；

基准坐标确定模块，用于将标定轴的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，所述标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于所述标定轴的两端，利用三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件，得到标定轴、标定杆和基准工件的点云数据，将所述点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系；

坐标计算模块，用于在取下所述标定轴后，将高铁轮轴轴胚的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，两个机架分别置于所述高铁轮轴轴胚的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚和基准工件映射到所述数字孪生虚拟空间中，在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或面，并对搜索到的点或面进行几何信息编码，以点-切面距离函数计算有向加工余量，根据所述有向加工余量确定高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标信息；

激光器移动模块，用于基于所述第一坐标驱动所述二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将所述激光器移动至所述第一坐标的位置。

第三方面，本发明公开实施例还提供一种计算机设备，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行上述第一方面，或第一方面中任一种可能的实施方式中的步骤。

第四方面，本发明公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述第一方面，或第一方面中任一种可能的实施方式中的步骤。

本发明的实施例提供的技术方案可以具有以下有益效果：

设计激光标定装置，基于激光标定装置利用3D扫描将实际待加工的大型轴胚高精度的映射到虚拟空间中，在虚拟空间中计算出最优的加工余量方案，并将最优加工余量方案反馈给物理空间中进行加工操作，提高了测量/定位/加工精度、加工效率并降低了人工成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了本发明公开实施例所提供的一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的流程图；

图2示出了本发明公开实施例所提供的激光标定装置结构示意图；

图3示出了本发明公开实施例所提供的另一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的流程图；

图4示出了本发明公开实施例中空间坐标示意图；

图5示出了本发明公开实施例所提供的一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置的结构示意图；

图6示出了本发明公开实施例所提供的一种计算机设备的结构示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附发明内容中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

实施例1

如图1所示，本发明公开实施例所提供的一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的流程图，该方法基于激光标定装置实现，如图2所示，激光标定装置包括两个V型夹具2、两个激光器4、两个二维移动模组（图中未示出）、两个机架和两组基准工件3，每个V型夹具2由一组基准工件3进行定位，两个二维移动模组分别设置于一个机架内，二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个激光器置于一个二维移动模组上，激光器凭借水平轨道和竖直轨道的带动在竖直平面上移动，其中，二维移动模组的实现由本领域技术人员根据工程需要设计，此处不再赘述，该方法包括：

S11：基准坐标确定过程：将标定轴的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于标定轴的两端，获取三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件3，得到标定轴、标定杆和基准工件3的点云数据，将点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系。

S12：坐标计算过程：取下标定轴，将高铁轮轴轴胚1的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，两个机架分别置于高铁轮轴轴胚1的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚1和基准工件3映射到数字孪生虚拟空间中，在数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

S13：激光器移动过程：基于第一坐标驱动二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将激光器移动至第一坐标的位置。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计激光标定装置，基于激光标定装置利用3D扫描将实际待加工的大型轴胚高精度的映射到虚拟空间中，在虚拟空间中计算出最优的加工余量方案，并将最优加工余量方案反馈给物理空间中进行加工操作，提高了测量/定位/加工精度、加工效率并降低了人工成本。

实施例2

如图3所示，本发明公开实施例所提供的另一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的流程图，该方法基于激光标定装置实现，激光标定装置包括两个V型夹具2、两个激光器4、两个二维移动模组（图中未示出）、两个机架和两组基准工件3，每个V型夹具2由一组基准工件3进行定位，两个二维移动模组分别设置于一个机架内，二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个激光器置于一个二维移动模组上，激光器凭借水平轨道和竖直轨道的带动在竖直平面上移动，该方法包括：

S31：基准坐标确定过程：将标定轴的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于标定轴的两端，获取三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件3，得到标定轴、标定杆和基准工件3的点云数据，将点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，如图4所示，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系，图中示出，标定轴5、基准工件6、标定杆7、坐标系中的激光器8。

S32：坐标计算过程：取下标定轴，将高铁轮轴轴胚1的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，两个机架分别置于高铁轮轴轴胚1的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚1和基准工件3映射到数字孪生虚拟空间中，通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间，在数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面；从第一视角点生成搜索到的指定点或指定面的第一几何信息编码；从不同视角点寻找指定点或指定面的不同几何信息编码；根据指定点或指定面的不同几何信息编码建立不同视角点云数据间点匹配对应关系；根据不同视角点云数据间点匹配对应关系进行多视角拼接重建数字孪生虚拟空间，基于RANSAC策略对重建后的数字孪生虚拟空间进行误匹配滤除，在数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

S33：激光器移动过程：基于第一坐标驱动二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将激光器移动至第一坐标的位置。

在一些可选实施例中，S32中，在数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标可以通过但不限于以下过程实现（图中未示出）：

S321：以点-切面距离函数计算有向加工余量。

S322：根据有向加工余量确定高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

在一些可选实施例中，对点云

，计算曲面规范型的目标函数为：/>

，其中 Z 为待求的规范型点集向量组，E 为n阶方阵，P为点云集合，J为旋转矩阵。

在一些可选实施例中，S32中，通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间可以通过但不限于以下过程实现（图中未示出）：

S323：对点云Pn 进行采样，得到点云Pm ，利用采样后的点云Pm 构造n阶方阵E 对应的m×n低阶矩阵C，低阶矩阵C 是由n阶方阵 E 的部分列/行向量构成。

S324：基于低阶矩阵 C 重建待求的高阶矩阵E，拟构造目标函数

将规范型的计算转换为低阶矩阵M。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计激光标定装置，基于激光标定装置利用3D扫描将高铁轮轴轴胚1加工前的测量和定位映射到了基于点云的数字孪生虚拟空间中，将虚拟空间和物理空间通过基准工件3进行坐标系的一一对应，通过激光器的位置标定算法将虚拟空间轮轴的坐标信息、物理空间轮轴的坐标信息、激光器的坐标信息进行一一映射，从而实现在虚拟空间中计算测量，在物理空间中精准定位的目的，将实际待加工的大型轴胚高精度的映射到虚拟空间中，在虚拟空间中计算出最优的加工余量方案，并将最优加工余量方案反馈给物理空间中进行加工操作，提高了测量/定位/加工精度、加工效率并降低了人工成本。

实施例3

如图5所示，本发明实施例还提供一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置，包括：

激光标定装置51，结合图2，包括两个V型夹具2、两个激光器4、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件3，每个V型夹具2由一组基准工件3进行定位，两个二维移动模组分别设置于一个机架内，二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个激光器置于一个二维移动模组上，激光器凭借水平轨道和竖直轨道的带动在竖直平面上移动。

基准坐标确定模块52，用于将标定轴的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于标定轴的两端，利用三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件3，得到标定轴、标定杆和基准工件3的点云数据，将点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系，坐标系参照图4。

坐标计算模块53，用于在取下标定轴后，将高铁轮轴轴胚1的两端分别由一个V型夹具2支撑并固定，两个机架分别置于高铁轮轴轴胚1的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚1和基准工件3映射到数字孪生虚拟空间中，在数字孪生虚拟空间中搜索指定点或面，并对搜索到的点或面进行几何信息编码，以点-切面距离函数计算有向加工余量，根据有向加工余量确定高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标信息。

激光器移动模块54，用于基于第一坐标驱动二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将激光器移动至第一坐标的位置。

在一些可选实施例中，如图5中虚线部分所示，坐标计算模块53包括：

有向加工余量计算子模块531：以点-切面距离函数计算有向加工余量；

第一坐标确定子模块532：根据有向加工余量确定高铁轮轴轴胚1中轴线的两端点在数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

在一些可选实施例中，对点云

，计算曲面规范型的目标函数为：/>

，其中 Z 为待求的规范型点集向量组，E 为n阶方阵，P为点云集合，J为旋转矩阵。

在一些可选实施例中，坐标计算模块53还包括：

数字孪生虚拟空间重建子模块533，在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面；从第一视角点生成搜索到的指定点或指定面的第一几何信息编码；从不同视角点寻找所述指定点或指定面的不同几何信息编码；根据所述指定点或指定面的不同几何信息编码建立不同视角点云数据间点匹配对应关系；根据不同视角点云数据间点匹配对应关系进行多视角拼接重建数字孪生虚拟空间。

在一些可选实施例中，坐标计算模块53还包括：

误匹配滤除子模块534，基于RANSAC策略对重建后的数字孪生虚拟空间进行误匹配滤除。

在一些可选实施例中，坐标计算模块53还包括：

数字孪生虚拟空间刚性转换子模块535，通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间。

在一些可选实施例中，坐标计算模块53还包括：

矩阵构造子模块536：对点云Pn 进行采样，得到点云Pm ，利用采样后的点云Pm 构造n阶方阵E 对应的m×n低阶矩阵C，低阶矩阵C 是由n阶方阵 E 的部分列/行向量构成；基于低阶矩阵 C 重建待求的高阶矩阵E，拟构造目标函数

将规范型的计算转换为低阶矩阵M。

为了便于读着理解，下面对本发明实施例中涉及对一些具体实现方式进行详细阐述。

1-1装置的基准坐标位置的标定

根据高铁轮轴要求的成品尺寸制造一个橡胶材质的标定轴。将该标定轴放置在本发明装置的V型夹具2上。

结合图4，以4个基准工件3的中心点作为原点建立基准坐标系XYZ。建立二维移动模组的移动坐标系为XsYsZs。

在标定轴的端面上随机安装9个标定杆，利用3D扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件3，得到标定轴、标定杆和基准工件3的点云数据，该点云空间为数字孪生的虚拟空间。在虚拟空间中，将标定轴、标定杆和基准工件3视作一个刚体。虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系，因此点云中测得的坐标即为物理空间中对应的坐标。

因此通过虚拟空间输出9个标定杆在基准坐标系的坐标信息

。通过二维移动模组的移动，令激光器分别在9个标定杆上打点并记录9个点在移动坐标系中的坐标信息/>

，x、y、z为基准坐标，x_k为第k个标定杆的x轴坐标，y_k为第k个标定杆的y轴坐标，z_k为第k个标定杆的z轴坐标，k=1、2、3......、9，x_sk、y_sk、z_sk为第k个标定杆上点坐标。

标定如下式所示：

；

；/>

；

将

和/>

带入上式：

；

利用最小二乘算法求解转换参数R和M，完成激光器的坐标标定，a、b、c、d为转换参数矩阵中的转换参数，X、Y、Z为转换参数矩阵变量。

1-2获取基于点云的数字孪生虚拟模型

激光器的坐标标定之后，此时标定的激光器位置即为激光器的零点位置。将标定轴取下，将待加工的高铁轮轴轴胚1固定在V型块夹具上。利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚1和基准工件3映射到基于点云数据的虚拟数字孪生空间中，此时将高铁轮轴轴胚1和基准工件3视为一个刚体，保证了都在基准坐标系下，同时保证了虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系，因此点云中测得的坐标即为物理空间中对应的坐标。

点云三维曲面规范性重建：在基于点云的数字孪生虚拟空间中，搜索特殊点或面，并对这些点或面的几何信息编码。通过这些点的几何编码信息寻找在其他视角点云中相匹配的几何描述，建立不同视角扫描数据间的匹配对应关系，辅助多视角拼接重建，并基于RANSAC（Random Sample Consensus，），是根据一组包含异常数据的样本数据集，计算出数据的数学模型参数，得到有效样本数据的算法，策略进行误匹配滤除，从而进行三维曲面重建。建立刚性映射空间：通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性映射空间转换到刚性映射空间。对点云

，计算曲面规范型的目标函数

，其中 Z 为待求的规范型点集向量组，E 为n阶方阵，P为点云集合，J为旋转矩阵，其计算复杂度为O(n2)。部件点云规模常为千万级，易出现难以求解E的情况。为此，首先对点云Pn 进行采样，利用采样后的点云Pm 构造E 对应的m×n低阶矩阵C，C 是由矩阵 E 的部分列/行向量构成。然后基于矩阵 C 重建待求的高阶矩阵E，拟构造目标函数/>

该函数将规范型的计算转换为低阶矩阵M的计算。在最小化目标函数时，可对C 的前m 行构成的方阵进行特征值分解，忽略特征值较小的部分元素，以此兼顾计算稳定性和精度。

1-3最优加工余量计算

以点-切面距离函数计算有向加工余量，再以余量非负为约束，建立面向加工的点云匹配模型，利用高斯牛顿优化方法求解。通过映射计算余量的方式易产生跳动的加工点，先计算加工点的位置信息，然后建立相邻加工点之间的微分运动关系，在余量非负的情况下，根据微分运动逐步光顺，最终得到精确的加工方案。

1-4定位、激光打点

在基于点云的数字孪生虚拟空间中计算得到最优加工余量方案后，得到该加工方案下的坐标信息，该坐标信息即为在虚拟空间中计算出的高铁轮轴轴胚1的中轴线两点的坐标信息（X1,Y1，Z1）(X2,Y2,Z2)。通过前述坐标转换，将该坐标信息转换为移动坐标系下的坐标（Xs1,Ys1，Zs1）(Xs2,Ys2,Zs2)，将该坐标信息给二维移动模组的控制器,该控制器通过坐标（Xs1,Ys1）(Xs2,Ys2)控制激光器移动至正确的位置，激光器对待加工的高铁轮轴轴胚1的端面进行激光打点完成打点定位。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计激光标定装置，基于激光标定装置利用3D扫描将实际待加工的大型轴胚高精度的映射到虚拟空间中，在虚拟空间中计算出最优的加工余量方案，并将最优加工余量方案反馈给物理空间中进行加工操作，可以精准的定位待加工的高铁轮轴轴胚1的中心轴位置，从而完成最优加工余量下的高铁轮轴成型，解决了传统方法中测量不准确、选择的中心点连线难以保证加工余量最优、人工测量效率低、人工成本高、浪费轴胚材料等缺陷，提高了对高铁轮轴的测量/定位/加工精度、加工效率并降低了人工成本。

实施例4

基于同一技术构思，本申请实施例还提供了一种计算机设备，包括存储器61和处理器62，如图6所示，所述存储器61存储有计算机程序，所述处理器62执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法。

其中，存储器61至少包括一种类型的可读存储介质，所述可读存储介质包括闪存、硬盘、多媒体卡、卡型存储器（例如，SD或DX存储器等）、磁性存储器、磁盘、光盘等。存储器61在一些实施例中可以是基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置的内部存储单元，例如硬盘。存储器61在另一些实施例中也可以是基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置的外部存储设备，例如插接式硬盘，智能存储卡（Smart Media Card, SMC），安全数字（Secure Digital,SD）卡，闪存卡（Flash Card）等。进一步地，存储器61还可以既包括基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置的内部存储单元也包括外部存储设备。存储器61不仅可以用于存储安装于基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置的应用软件及各类数据，例如基于数字孪生的高铁轮轴3D测量程序的代码等，还可以用于暂时地存储已经输出或者将要输出的数据。

处理器62在一些实施例中可以是一中央处理器（Central Processing Unit,CPU）、控制器、微控制器、微处理器或其他数据处理芯片，用于运行存储器61中存储的程序代码或处理数据，例如执行基于数字孪生的高铁轮轴3D测量程序等。

可以理解的是，本实施例提供的技术方案，设计激光标定装置，基于激光标定装置利用3D扫描将实际待加工的大型轴胚高精度的映射到虚拟空间中，在虚拟空间中计算出最优的加工余量方案，并将最优加工余量方案反馈给物理空间中进行加工操作，提高了测量/定位/加工精度、加工效率并降低了人工成本。

本发明公开实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行上述方法实施例中所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的步骤。其中，该存储介质可以是易失性或非易失的计算机可读取存储介质。

本发明公开实施例所提供的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的计算机程序产品，包括存储了程序代码的计算机可读存储介质，所述程序代码包括的指令可用于执行上述方法实施例中所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法的步骤，具体可参见上述方法实施例，在此不再赘述。

本发明公开实施例还提供一种计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现前述实施例的任意一种方法。该计算机程序产品可以具体通过硬件、软件或其结合的方式实现。在一个可选实施例中，所述计算机程序产品具体体现为计算机存储介质，在另一个可选实施例中，计算机程序产品具体体现为软件产品，例如软件开发包（Software DevelopmentKit，SDK）等等。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列（PGA），现场可编程门阵列（FPGA）等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，所述方法基于激光标定装置实现，所述激光标定装置包括两个V型夹具、两个激光器、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件，每个所述V型夹具由一组基准工件进行定位，两个所述二维移动模组分别设置于一个所述机架内，所述二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个所述激光器置于一个所述二维移动模组上，所述激光器凭借所述水平轨道和所述竖直轨道的带动在竖直平面上移动，所述方法包括：

基准坐标确定过程：将标定轴的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，所述标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于所述标定轴的两端，获取三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件，得到标定轴、标定杆和基准工件的点云数据，将所述点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系；

坐标计算过程：取下所述标定轴，将高铁轮轴轴胚的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，两个机架分别置于所述高铁轮轴轴胚的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚和基准工件映射到所述数字孪生虚拟空间中，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标；

激光器移动过程：基于所述第一坐标驱动所述二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将所述激光器移动至所述第一坐标的位置。

2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，在坐标计算过程中，所述在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标包括：

以点-切面距离函数计算有向加工余量；

根据所述有向加工余量确定高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标。

3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，在坐标计算过程中，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标之前，所述方法包括：

在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面；

从第一视角点生成搜索到的指定点或指定面的第一几何信息编码；

从不同视角点寻找所述指定点或指定面的不同几何信息编码；

根据所述指定点或指定面的不同几何信息编码建立不同视角点云数据间点匹配对应关系；

根据不同视角点云数据间点匹配对应关系进行多视角拼接重建数字孪生虚拟空间。

4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，在坐标计算过程，在所述数字孪生虚拟空间中计算高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标之前，所述方法包括：

基于RANSAC策略对重建后的数字孪生虚拟空间进行误匹配滤除。

5.根据权利要求4所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，在坐标计算过程中，在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或指定面之前，所述方法包括：

通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间。

6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，对点云

，计算曲面规范型的目标函数为：

，其中 Z 为待求的规范型点集向量组，E 为n阶方阵，P为点云集合，J为旋转矩阵。

7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法，其特征在于，所述通过计算不随曲面变形改变的规范型，将非刚性数字孪生虚拟空间转换到刚性数字孪生虚拟空间包括：

对点云Pn 进行采样，得到点云Pm ，利用采样后的点云Pm 构造n阶方阵E 对应的m×n低阶矩阵C，低阶矩阵C 是由n阶方阵 E 的部分列/行向量构成；

基于低阶矩阵 C 重建待求的高阶矩阵E，构造目标函数

将规范型的计算转换为低阶矩阵M。

8.一种基于数字孪生的高铁轮轴3D测量装置，其特征在于，包括：

激光标定装置，包括两个V型夹具、两个激光器、两个二维移动模组、两个机架和两组基准工件，每个所述V型夹具由一组基准工件进行定位，两个所述二维移动模组分别设置于一个所述机架内，所述二维移动模组设有水平轨道和竖直轨道，每个所述激光器置于一个所述二维移动模组上，所述激光器凭借所述水平轨道和所述竖直轨道的带动在竖直平面上移动；

基准坐标确定模块，用于将标定轴的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，所述标定轴设有指定数量的标定杆，两个机架分别置于所述标定轴的两端，利用三维扫描仪扫描标定轴、标定杆和基准工件，得到标定轴、标定杆和基准工件的点云数据，将所述点云数据构成的点云空间记为数字孪生虚拟空间，虚拟空间和物理空间的基准坐标系是一一映射关系；

坐标计算模块，用于在取下所述标定轴后，将高铁轮轴轴胚的两端分别由一个所述V型夹具支撑并固定，两个机架分别置于所述高铁轮轴轴胚的两端，利用三维扫描仪将高铁轮轴轴胚和基准工件映射到所述数字孪生虚拟空间中，在所述数字孪生虚拟空间中搜索指定点或面，并对搜索到的点或面进行几何信息编码，以点-切面距离函数计算有向加工余量，根据所述有向加工余量确定高铁轮轴轴胚中轴线的两端点在所述数字孪生虚拟空间中的第一坐标信息；

激光器移动模块，用于基于所述第一坐标驱动所述二维移动模组的水平轨道和竖直轨道，将所述激光器移动至所述第一坐标的位置。

9.一种计算机设备，其特征在于，包括：处理器、存储器和总线，所述存储器存储有所述处理器可执行的机器可读指令，当计算机设备运行时，所述处理器与所述存储器之间通过总线通信，所述机器可读指令被所述处理器执行时执行如权利要求1至7中任一项所述基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法。

10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，该计算机可读存储介质上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器运行时执行如权利要求1至7中任一项所述基于数字孪生的高铁轮轴3D测量方法。

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