一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法及系统

摘要

本发明涉及工业产品设计优化领域，具体涉及一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法及系统，所述包括以下步骤：设计步骤；试制步骤；测量步骤；对照步骤；所述测量步骤包括：利用扫描模块得到扫描数字模型；利用三坐标测量机得到点测坐标，修正扫描模型；所述对照步骤包括：将设计数字模型和修正数字模型叠合，进行布尔减运算，计算法向距离偏差；基于法向偏差的的正负和绝对值得到偏差彩色云图；本发明通过点测坐标修正激光测绘模型，快速准确地获取试制样品的数字模型，通过误差彩色云图将其与设计模型进行对比，使设计人员可以快速知晓模型各部分在加工中的偏差量，便于及时调整设计，提高了设计的合理性和产品的生产精度，便于设计模型的快速迭代。

说明书

技术领域

本本发明涉及工业产品设计优化领域，具体来说，涉及一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法及系统。

背景技术

传统工业设计一般是首先通过手工制图，然后根据设计图制作木模或油泥模型作为样品，根据实体模型上修改设计图，最后批量生产；随着CAD、CAM技术的发展，现在的工业设计通常会采样pro/E、SW等软件进行建模，然后利用工业软件生成机床的加工代码，直接用于生产。

工业产品的传统设计流程一般包括：1.1绘图设计、1.2试制放样、1.3手工修形、1.4设计定稿、1.5开模、1.6批量生产等步骤；随着CAD、CAM技术的发展，设计、修形、定稿等步骤可以在数字化模型上完成，设计流程简化为：2.1数字化建模、2.2CNC代码生成、2.3试制及测量、2.4数字化模型修改、2.5批量生产等步骤。

由于数控机床存在运动间隙、刀具抖动和定位误差等，试制得到的样品与数字化模型之间必然存在制造误差，在完成试制后，设计人员需要利用游标卡尺、激光扫描仪、三坐标测量机等设备，对样品进行测量，而在修改数字化模型时，设计人员通常会根据工程规范或经验，通过加入误差量或调整公差上下限的方法来弥补制造误差。

由此可见，数字化模型仅仅是使起到了替代纸质设计图的作用，数字化模型无法帮助改善设计数字模型与试生产的样品之间的数字化智能衔接。具体包括以下问题：

问题1：设计环节与试制环节相分离，对于制造误差，仍然需要根据工程规范或经验来手动弥补，不同工程技术人员可能由于经验的差异，选取不同的误差量，从而造成产品一致性不佳，特别是对于涉及装配步骤的多元件生产，可能出现装配适配性不佳的问题；

问题2：在样品测量阶段，游标卡尺和激光扫描仪存在精度不高的问题，而三坐标测量机需要进行多次单点测量，通过多个测量点拟合出数字模型，测绘点越多，则拟合精度越高，存在测量效率较低的问题。

发明内容

1.要解决的技术问题

针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法及系统，其优点在于，能够快速准确地获取试制样品的数字模型，通过误差彩色云图将其与设计模型进行对比，使设计人员可以快速知晓模型各部分在加工中的偏差量，便于及时调整设计，减少了样品试制的次数，提高了设计的合理性和产品的生产精度，便于设计模型的快速迭代优化。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案：

一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：设计步骤，包括：S1.1：设计人员基于产品需求进行数字化建模，生成设计数字模型；S1.2：在设计数字模型上确定1个原点O，以及n个参考点，a1、a2、……、an；S2：试制步骤：生产人员基于设计数字模型，生成CNC刀具轨迹文件，加工得到试制样品；S3：测量步骤，包括：S3.1：利用扫描模块，可以是激光扫描仪，扫描试制样品，得到扫描数字模型，所述扫描数字模型包括原点O的扫描原点坐标Os(x,y,z)，以及n个参考点的扫描参考点坐标As1(x,y,z)、As2(x,y,z)，……，Asn(x,y,z)；S3.2：利用点测量模块，可以是三坐标测量机，对试制样品上的原点O和n个参考点进行测量，得到点测原点坐标Oc(x,y,z)和点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)；S3.3：用点测原点坐标Oc(x,y,z)的三坐标值分别减去扫描原点坐标Os(x,y,z)的三坐标值，得到三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz，将三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz加到点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)的x、y、z值上，得到修正参考点坐标，将扫描数字模型上的所有n个参考点的扫描参考点坐标替换为修正参考点坐标；S3.4：采样B样条法或最小二乘法对替换坐标后的扫描模型表面进行平滑化处理，得到修正数字模型；S4：对照步骤，包括：S4.1：在计算机内，将修正数字化模型平移至其原点与设计数字模型的原点重合，使设计数字模型和修正数字模型叠合；S4.2：对设计数字模型和测绘数字模型进行布尔减运算，并计算出设计数字模型上的所有点，在法向上与测绘数字模型的距离偏差；S4.3：如果测绘数字模型的某一点在设计数字模型的外表面以内，即加工时存在过切，则定义距离偏差为负；反之，如果测绘数字模型的某一点在设计数字模型的外表面以外，即加工时存在欠切，则定义距离偏差为正；S4.4：在修正数字模型上，以黄色标记欠切点，以红色标记过切点，颜色RGB值与法向距离偏差的绝对值正相关，即欠切或过切量越大，则黄色或红色越深，得到偏差彩色云图。

进一步的，在步骤S4之后，还包括以下步骤：S5：迭代步骤：设计人员根据偏差彩色云图对设计数字模型进行修改，再次进行试制，重复步骤S1至步骤S4。

进一步的，所述步骤S1.2具体是指：将设计数字模型的外表面划分为n+1个网格，取各网格的几何中点，分别作为1个原点O和n个参考点，a1、a2、……、an。

进一步的，所述n+1个网格的面积相等，即，将设计数字模型的外表面划分为面积相等的n+1块网格。

进一步的，在加工过程中，记录各网格的加工时间；计算所有网格的加工时间的平均值，以平均值为基准，计算各网格的加工时间偏差，低于平均值的，以负数标记加工时间偏差，以绿色标记该网格；高于平均值的，以正数标记加工时间偏差，以蓝色标记该网格；颜色RGB值与加工时间偏差的绝对值正相关，即，加工时间偏差的绝对值越大，则绿色或蓝色越深；得到加工时间云图。

一种用于实施所述智能制造用工业产品设计建模过程优化方法的系统，其特征在于：包括：建模模块，用于数字化建模，生成设计数字模型，并确定数字模型上的原点和参考点；代码生成模块，用于根据计数字模型，生成CNC刀具轨迹文件；CNC机床，用于根据CNC刀具轨迹文件，加工得到试制样品；扫描模块，用于扫描试制样品，生成扫描数字模型；点测量模块，用于对试制样品上的原点和参考点进行单点测量；修正模块，用于根据测量模块给出的原点和参考点的坐标数据，对扫描数字模型进行修正，得到修正数字模型；对照模块，用于根据设计数字模型和修正数字模型，生成偏差彩色云图。

进一步的，所述建模模块为计算机，储存有3D建模软件，所述3D建模软件具体为Pro/E、Solidworks、UG、CATIA或Inventor中的任一种。

进一步的，所述扫描模块为激光扫描仪；所述点测量模块为三坐标测量机。

进一步的，所述CNC机床包括计时模块；所述建模模块在生成设计数字模型之后，将设计数字模型的外表面划分为面积相等的n+1块网格，所述n+1块网格的几何中心分别作为1个原点O，以及n个参考点；所述计时模块用于记录CNC机床加工每个网格所用的时间。

3.有益效果

相比于现有技术，本发明的优点在于：

(1)本方案中，采用激光扫描仪快速获取试制样品的扫描数字模型，再用三坐标测量机对扫描数字模型上的原点和参考点进行单点测量，基于测量数据对扫描数字模型进行修正；激光扫描仪的原理也是测量大量光点的坐标，效率高但精度低，三坐标测量机的精度高但效率，本申请将二者结合，首先用激光扫描仪获得大量足以生成模型的光点坐标，然后以少量精准的参考点坐标对模型或光点坐标数据组进行修正，可以在保证测量精度的前提下，极大地提高工作效率；

(2)本方案中，通过检测试制模型来确定加工误差，将加工误差纳入设计流程，可以帮助设计人员了解加工设备的精度等级，提前知晓产品在批量生产时可能存在的误差量，进而在设计时，通过优化设计，例如提高公差等级等方式，进行误差管理；

(3)本方案中，通过对比试制样品的模型与设计模型，并生产误差彩色云图，帮助设计人员直观地看出哪些区域相对于其他区域更容易出现误差增大的问题，可以提前在模型上对难加工区域进行设计优化；

(4)本方案中，将模型划分为加工面积相等的网格，对各网格进行加工计时，并输出彩色的时间偏差云图，帮助设计人员直观地看出，哪些区域存在加工时间长、效率低的问题，进而可以提前进行设计优化；

(5)本方案中，利用CNC机车试制模型并反馈至设计环节，设计人员完成修改后，可以再次进行试制和测绘，实现了全程自动化，提高了产品设计的迭代速度，避免了批量生产时可能出现的超误差问题。

附图说明

图1为本发明所述方法的逻辑流程图；

图2为本发明所述系统的组成结构图；

图中标号说明：

A、计算机；B、CNC机床；C、试制样品；D、激光扫描仪；E、三坐标测量机。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，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。

请参阅图1-2，本申请根据具体情况，可以有不同的具体实施方式：

具体实施例1：

一种智能制造用工业产品设计建模过程优化方法，包括以下步骤：

S1：设计步骤，包括：

S1.1：设计人员基于产品需求进行数字化建模，利用计算机A生成设计数字模型；

S1.2：在设计数字模型上确定1个原点O，以及n个参考点，a1、a2、……、an；

S2：试制步骤：生产人员基于设计数字模型，生成CNC刀具轨迹文件，将刀具轨迹文件传输至CNC机床B，加工得到试制样品C；

S3：测量步骤，包括：

S3.1：扫描建模：利用扫描模块，可以是激光扫描仪D，扫描试制样品，得到扫描数字模型，所述扫描数字模型包括原点O的扫描原点坐标Os(x,y,z)，以及n个参考点的扫描参考点坐标As1(x,y,z)、As2(x,y,z)，……，Asn(x,y,z)；

S3.2：点测量：利用点测量模块，可以是三坐标测量机E，对试制样品上的原点O和n个参考点进行测量，得到点测原点坐标Oc(x,y,z)和点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)；

S3.3：模型修正：用点测原点坐标Oc(x,y,z)的三坐标值分别减去扫描原点坐标Os(x,y,z)的三坐标值，得到三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz，将三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz加到点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)的x、y、z值上，得到修正参考点坐标，将扫描数字模型上的所有n个参考点的扫描参考点坐标替换为修正参考点坐标；

S3.4：平滑化：采样B样条法或最小二乘法对替换坐标后的扫描模型表面进行平滑化处理，得到修正数字模型；

S4：对照步骤，包括：

S4.1：模型叠合：在计算机内，将修正数字化模型平移至其原点与设计数字模型的原点重合，使设计数字模型和修正数字模型叠合；

S4.2：误差测算：对设计数字模型和测绘数字模型进行布尔减运算，并计算出设计数字模型上的所有点，在法向上与测绘数字模型的距离偏差；如果测绘数字模型的某一点在设计数字模型的外表面以内，即加工时存在过切，则定义距离偏差为负；反之，如果测绘数字模型的某一点在设计数字模型的外表面以外，即加工时存在欠切，则定义距离偏差为正；

S4.3：染色标记：在修正数字模型上，以黄色标记欠切点，以红色标记过切点，颜色RGB值与法向距离偏差的绝对值正相关，即欠切或过切量越大，则黄色或红色越深，得到偏差彩色云图。

在步骤S4之后，还包括以下步骤：

S5：迭代步骤：设计人员根据偏差彩色云图对设计数字模型进行修改，再次进行试制，重复步骤S1至步骤S4。

所述步骤S1.2具体是指：将设计数字模型的外表面划分为n+1个网格，取各网格的几何中点，分别作为1个原点O和n个参考点，a1、a2、……、an。

所述n+1个网格的面积相等，即，将设计数字模型的外表面划分为面积相等的n+1块网格。

在加工过程中，记录各网格的加工时间；

计算所有网格的加工时间的平均值，以平均值为基准，计算各网格的加工时间偏差，低于平均值的，以负数标记加工时间偏差，以绿色标记该网格；高于平均值的，以正数标记加工时间偏差，以蓝色标记该网格；

颜色RGB值与加工时间偏差的绝对值正相关，即，加工时间偏差的绝对值越大，则绿色或蓝色越深；得到加工时间云图。

一种用于实施所述智能制造用工业产品设计建模过程优化方法的系统，包括：

建模模块，用于数字化建模，生成设计数字模型，并确定数字模型上的原点和参考点；

代码生成模块，用于根据计数字模型，生成CNC刀具轨迹文件；

CNC机床，用于根据CNC刀具轨迹文件，加工得到试制样品；

扫描模块，用于扫描试制样品，生成扫描数字模型；

点测量模块，用于对试制样品上的原点和参考点进行单点测量；

修正模块，用于根据测量模块给出的原点和参考点的坐标数据，对扫描数字模型进行修正，得到修正数字模型；

对照模块，用于根据设计数字模型和修正数字模型，生成偏差彩色云图。

所述建模模块为计算机，储存有3D建模软件，所述3D建模软件具体为Pro/E、Solidworks、UG、CATIA或Inventor中的任一种。

所述扫描模块为激光扫描仪；所述点测量模块为三坐标测量机。

所述CNC机床包括计时模块；

所述建模模块在生成设计数字模型之后，将设计数字模型的外表面划分为面积相等的n+1块网格，所述n+1块网格的几何中心分别作为1个原点O，以及n个参考点；

所述计时模块用于记录CNC机床加工每个网格所用的时间。

具体实施例2：

在优选的具体实施例2中，步骤S1、S2、S3.1、S3.2均与具体实施例1相同，在S3.3：模型修正中，本实施按照以下方式开展：

S3.3：模型修正：用点测原点坐标Oc(x,y,z)的三坐标值分别减去扫描原点坐标Os(x,y,z)的三坐标值，得到三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz，将三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz加到点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)的x、y、z值上，得到修正参考点坐标；

计算机根据激光扫描仪的扫描结果生成扫描数字模型，根据修正参考点坐标在扫描数字模型上生成参考点，将扫描数字模型的外表面上与参考点对应的点，以均匀缩放的方式牵拉至参考点；然后按照步骤S3.4，采样B样条法或最小二乘法进行平滑化处理。

具体实施例3：

在优选的具体实施例3中，步骤S1、S2、S3.1、S3.2均与具体实施例1相同，在S3.3：模型修正中，本实施按照以下方式开展：

S3.3：模型修正：用点测原点坐标Oc(x,y,z)的三坐标值分别减去扫描原点坐标Os(x,y,z)的三坐标值，得到三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz，将三坐标偏差量Δx、Δy、和Δz加到点测参考点坐标Ac1(x,y,z)、Ac2(x,y,z)，……，Acn(x,y,z)的x、y、z值上，得到修正参考点坐标；

激光扫描仪的扫描结果以光电坐标的形式发送至计算机，三坐标测量机将参考点的光点坐标替换为修正参考点坐标，基于替换后的数据组生成数字模型；然后按照步骤S3.4，采样B样条法或最小二乘法进行平滑化处理。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。