基于三維點云螺紋中軸線的擬合方法研究

謝張寧， 姜志華， 朱惠臣， 李智瑋， 雷李華,，孔 明， 王道檔， 張 波

(1. 中國計量大學計量測試工程學院，浙江杭州310018；2. 上海計量測試技術研究院，上海201203)

1 引 言

高精度螺紋規是精密機械、航天航空、石油化工、核電等領域中極為重要的基礎零部件，其幾何精度對裝配質量具有決定性影響[1]。現有的高精度測量方法眾多，但均是基于一維、二維的螺紋測量技術，無法獲取三維綜合參數，檢測結果難以反映實際精度，導致裝配質量不能準確控制。要改變“粗糙螺紋”生產的現狀，需要對三維螺紋測量儀器設備進行研究開發。

當前的三維測量方法在實際測量前，首先要實現機器坐標系MCS與工件坐標系WCS轉換[2]，在螺紋面的測量中，螺紋中軸線的準確測定對螺紋的后續測量至關重要。然而，在對螺紋規測量時，仍舊是依靠測量人員的經驗,手動調整螺紋規位置，然后進行后續測量。這種測量方法不僅增加了測量難度，也增大了測量結果的不確定度。

本文研究了一種能夠快速精準擬合螺紋中軸線的方法。在測量時，螺紋規放置在工作臺上進行調整，但是工件坐標系不可能與機器坐標系完全重合，所以要使用螺紋規的基準來建立工件坐標系。將測量儀器對準螺紋規上下底面的頂針孔實現定位，在機器坐標系MCS下，非接觸掃描得到的螺紋規外表面點云;經過隨機增量算法計算點云凸包，制成螺紋凸包點集;基于最小二乘的概念建立螺紋中軸線的擬合數學模型，得出中軸線的單位向量v(a,b,c);再基于單位向量得到螺紋底面中心A，坐標旋轉矩陣R，坐標偏移矩陣S;螺紋測量儀器根據上述參數得出工件坐標系。……