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1. Automatic evaluation of machining allowance of precision castings based on plane features from 3D point cloud (link)
基于三维点云平面特征的精密铸件加工余量的自动评估
在制造和工程领域中，”余量”（allowance）是指在设计和加工过程中预留的额外尺寸或空间。它是为了确保零件或构件在加工、装配或使用过程中具有适当的尺寸和功能而留下的一小部分额外材料或尺寸。
在精密铸件加工中，余量是指在制造铸件时，将模具的尺寸设计得稍大一些，以便在冷却和固化后，铸件能够达到设计要求的尺寸和几何形状。余量通常考虑到材料的收缩、热变形和加工误差等因素，以确保最终产品具有所需的精度和质量。
因此，”余量”在这篇论文中指的是通过自动评估方法来确定精密铸件加工过程中所需的额外尺寸或空间。这种自动评估方法可以帮助制造者准确地确定加工余量，以确保最终产品符合设计要求。
2 加工余量计算的流程
- 通过低通滤波的方法对点云进行预处理，移除噪声点
- 利用PCA将两个点云进行粗定位
- 通过改进的平面拟合和合并算法分别提取两个点云上的局部平面特征
- 借助提取的局部平面信息进行精确定位
- 计算各点处的加工余量
3.1 两个点云的粗定位
- 用两个模型的中心点，将模型平移到相同的位置；
- 利用PCA获得特征向量 $\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3$ ，组成旋转矩阵 $\mathbf{R} = [\alpha_1, \alpha_2, \alpha_3]$ 后，将两个模型初步旋转到一个相似的方向。
3.2 精细定位
在评估精密铸造加工余量时，由于铸造工艺和加工余量的存在，测量的点云和CAD点云并不完全相同。 两个点云的结构和外观通常有所不同。 也就是说，边缘、角点等简单特征可能出现在 CAD 点云中，但不存在于测量点云中。 使用这些简单的特征来配准两个点云几乎是不可能的。 然而，平面特征通常可以在其他点云中找到其对应的特征，从而用于精确配准。 它是一种基于特征的配准，因此具有高效、稳定的性质。
- 平面拟合
- 将点云沿x/y/z轴方向分成若干个长方体单元
- 在每个单元内拟合平面
- 先用最小二乘，计算线性回归平面
- 如果平面内点到该平面的平均距离小于阈值（如2mm）则将其视作一个平面
- 根据平面距离与法线方向偏差拼接相邻单元的平面
- 平面边界修正，重新检查未拟合成平面的单元
- 平面特征匹配：包括面-面距离、点-面距离、面-面夹角、面-面形状比、面-面尺寸比，其中
- 面-面形状比：两个面做PCA之后，比较其两个较大特征值的比例关系（长宽比）
- 面-面尺寸比：沿主特征方向上点云距离极值的比例关系
- 分别计算CAD数模点云与扫描点云的特征匹配结果，并按如下规则进行筛选：
- 排除夹角过大的匹配结果；
- 对其他结果，计算上述五个特征组成向量的范数；
- 选出每组最小范数的匹配，标记为匹配成功。
- 根据匹配的平面信息进行精细定位
- 主平面（包含更多点的平面）定位：通过Householder变换旋转两个点云，使得主平面的法向量重合；
- 限制姿态定位：在固定主平面法向量不变的情况下调整点云姿态，通过最小二乘，确定一个2D平面上的旋转矩阵，使得两个点云匹配到的特征向量残差最小，此时点云完成了精细定位；
- 姿态调整：通过用户手动调整或者自动调整，将对齐的点云在空间坐标系中保持一个适合的位置。
- 余量估计：通过拟合待测点附近另一点云上的邻接点曲面，计算待测点沿着经过的法向量到曲面的切平面距离，将这个距离视作加工余量。