基于Imageware软件的大型筒体毛坯的信息处理方式

　中图分类号：TP31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）03-0180-02
　　0 引言
　　某集团公司大批量大型筒体产品件需在6.3M以上立车上进行加工，由于任务量大，机床数量有限，致使大型立车一直在满负荷运作下也不能满足生产需求。现阶段筒体类零件的划线、找正工作主要在机床上进行，一般需花费2天左右时间。课题组通过认真研究，设计制造了大型筒体类零件划线专用工装，将划线工序移至划线平台上，采集数据大约需2小时左右，如何简单、快速地将采集到的数据转换为立车找正所用数据，是本文主要解决的问题。
　　1 数据采集及处理流程
　　将划线工装放置于两端面已见平且立放的筒体上端面，筒体毛坯位于以划线工装为基准的圆柱坐标系中，采集的数据为毛坯采集点在圆柱坐标系中的相对位置，通过软件拟合及编程数据处理，得到找正所需数据。
　　1.1 数据采集 通过科技攻关，成功设计出筒体类零件毛坯找正用划线工装，内外径测量臂可绕支架轴线旋转，在长度可调测量臂外端部挂一铅垂线，根据筒体直径合理调节臂长，保证旋转一周无干涉。圆周方向间隔45°进行测量，在轴线方向间隔200～300进行测量，测量原理示意图如图1所示。利用此工装，工程技术人员可以方便的对筒体类零件毛坯进行测量。通过分别对筒体内外壁的测量，可得到各测量位置处铅垂线到毛坯表面的径向距离，并将此数据记录于专用测量表中。
　　1.2 数据处理流程 为了准确的反映毛坯实际状况，首先将划线工装采集到的圆柱坐标系中的数据转换为直角坐标系中的坐标，然后基于Imageware软件对转换点云数据进行圆柱拟合，并利用MATLAB软件编程计算，得到立车找正用数据。
　　2 数据处理
　　2.1 基于MATLAB软件的坐标转换 划线工装所采集数据为各测量位置处测量臂垂线到毛坯表面的径向距离，为了便于三维软件的后续处理，需将其转换为空间直角坐标系中点的坐标。基于MATLAB软件，通过编程即可实现坐标的转换[1]。
　　划线工装采集到的n点径向距离数据，记为一维数组D=[d1，d2，…，dn]，每点的高度记为Hi，测量臂的半径记为R（内外壁测量时半径不同），水平面内测量臂与X轴的夹角记为？兹i。对于所测任意一点，已知垂线到毛坯表面di、高度Hi、半径Ri，角度？兹i。该点的坐标可表示为：
　　xi=（R±di）cos（？兹i）yi=（R±di）sin（？兹i）zi=Hi（1）
　　对于（1）式，当该点位于内圆柱表面时，取R+di；当该点位于外圆柱表面时，取R-di。这就得到了某点的坐标[xi，yi，zi]，其中i=1，2，…n。
　　2.2 基于Imageware的点云数据处理
　　2.2.1 软件简介 逆向工程（Reverse Engineering，RE）也称反求工程，它是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等，最后制造出产品的过程。
　　ImageWare作为逆向工程的造型软件，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能，可以处理几万至几百万的点云数据，根据这些点云数据构造的曲面具有良好的品质和曲面连续性。
　　ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据误差以及平面度、圆度等误差[2]。
　　2.2.2 圆柱拟合 将基于MATLAB软件计算所得点的坐标导入ImageWare软件中，采用最小二乘法拟合出圆柱面及其轴线，通过拟合，可得到如下相关数据：
　　拟合圆柱轴线方程：
　　■=■=■（2）
　　2.3 基于MATLAB软件数据输出
　　2.3.1 点到直线的距离 点M0（x0，y0，z0）为直线L上任一点，向量V=（m，n，p）为直线L的方向向量，点M1（x1，y1，z1）到直线L的距离为d为：
　　d=■（3）
　　其MATLAB程序为：
　　>> d=norm（cross（M1-M0，V））/norm（V）
　　2.3.2 点到平面的距离 点M1（x1，y1，z1）到平面π ： Ax+By+Cz+D=0 的距离为：
　　d=■（4）
　　其中n={A，B，C}为平面π的法向量，M0为平面上的任一点。
　　其MATLAB程序为：
　>> d=abs（dot（n， M1-M0））/norm（n）
　　2.3.3 数据输出 在距离下端面H处圆周上取已测量的0°、90°、180°、270°四点，坐标为：
　　Xi=[xi，yi，zi]，（i=1，2，3，4）
　　通过编程计算，可输出如下立车找正用数据：
　　各点的相对高度：
　　Hi=hi-min（hi）（i=1，2，3，4）（5）
　　各点到拟合圆柱轴线的距离：
　　di（i=1，2，3，4）（6）
　　2.4 输出数据使用简介 根据划线工装操作说明，MATLAB数据输出所取已测量的0°、90°、180°、270°四点，已在零件上通过打样冲眼及记号笔标记的方法作好标识。操作者根据此四点的相对高度，在立车旋转工作台相应位置上摆放对应高度的垫块或调铁，根据四点到拟合轴线的距离，粗调卡爪半径，待零件吊装于工作台后，复查找正数据，进行微调操作，最后卡紧零件，按工艺及图纸要求进行加工。
　　3 算例分析
　　3.1 数据测量 本次对某型号筒体内外壁分四层测量，每层间隔45°，共测得64组数据。
　　筒节毛坯：内孔直径测量两处：分别4600mm，4550mm；壁厚测量三处：分别620mm，580mm，570mm；筒节高测量两处：分别3200mm，3180mm。
　　划线工装：工装支撑钉半径：2590mm；外圆臂半径：2995mm；内圆臂半径：2150mm。
　　筒节高度：3200mm。
　　3.2 点云数据处理 将测量数据通过MATLAB转换，得到各点的直角坐标系坐标，并导入ImageWare软件中，通过拟合，得出圆柱轴线方程：
　　■=■=■（7）
　　3.3 MATLAB数据输出 在距离下端面140的圆周上取0°、90°、180°、270°四点，坐标为：
　　X1=（3125，0，3040），X2=（0，3235，3040），
　　X3=（-3175，0，3040），X4=（0，-3046，3040）。
　　通过编程计算，求得各点的相对高度：
　　H=[45.038，0，119.0591，160.9188]
　　各点到拟合圆柱轴线的距离：
　　d=[2859.1076，2847.4264，2854.0623，2826.8335]
　　3.4 输出数据使用 操作者在立车旋转工作台十字方向分别距中心约2859、2847、2854、2826远的位置放置高度约为45、0、119、161的调铁，吊装零件时，将零件的0°、90°、180°、270°方位点对应到相应的调铁 处，复查找正数据，进行微调操作，最后卡紧零件，按工艺及图纸要求进行加工。
　　4 总结
　　针对划线工装所采集到的圆柱坐标系中的数据，基于Imageware及MATLAB软件对点云数据进行处理，最终输出立车找正所需数据，解决了离散点数据最小二乘法的拟合难题。整个数据处理时间约为2分钟，极大节约了立车找正时间，对今后此类零件的加工具有重要的参考价值。
　　参考文献：
　　[1]周开利，邓春晖主编.MATLAB基础及其应用教程.北京：北京大学出版社，2007.3
　　[2]单岩，谢斌飞编著.Imageware逆向造型技术基础.北京：清华大学出版社，2006.2.
　　.机电工程技术，2009（11）.