（机械设计及理论专业论文）逆向工程与快速原型技术的研究及其在注塑产品快速设计中的应用.pdf

太腺理【大学硕士研究生学位论文 逆向工程与快速原避技术的研究 及其在注塑产品快速设诗中的应用 摘要 作为一种新产品开发和消化、吸收先进技术的重要手段，逆向工程和快速 原型技术可以胜任吸收外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计 开发模式，运用逆向工程对现有零件中所需盼凡何特征和结构特征进行继承， 再在此基础上进行创新设计；将所设计好的产品利用快速原型技术快速生成测 试样件，对新产品进行设计装配，可制造性等方面的评估，从而迅速对所设计 的产品进行修改，为产品最终制造。次性成功提供可靠保证。因此，对逆向工 程和快速原型技术的研究具肖重要的借鉴意义。 本文主要对逆向工程和快速原型技术及其在注塑件产品快速设计中的应 用进行了研究。论文的主要研究工作成果为： 论文是以注塑产品的开发设计为着眼点，逆向工程和快速原型技术为手 段，对快速反求设计的关键1 生技术进行系统研究。 在研究数据采集技术各种测量方式的技术原理及基本特点的纂础上，对三 维测嫠仪的检测路径、测量方法、处理方法进行研究探讨，提出了基于特，鹾线 的测量方法和基于点云对齐的多次采集法，实现了基于c m m 的简单型面及自 由曲面的数据快速采集方式。 分析了各种溺量数据的差异，探讨了数据预处理技术，基于i m a g e w a r e 软 件对逆向数据处理技术的通用性处理方法进行了深入地探讨和研究，在此基础 太原理工大学硕士研究生学位论文 上分析了c m m 和扫描测量方法的点云处理的异同及处理方法。 依据常用豹c a d 建模软件特点，提出了不问测量数据垂句p r o 鹰软件建模 方法。综合研究三维c a d 模型的精度、光顺度评价方法，如基于曲率的评价， 基于高光线评价等多种曲面评价方法。 对快速原型的相关技术进行了磷究，对其现除段在模型评价中的地位做了 定位。通过对注塑模具的相关知识、基于p r o e 的注塑模具设计流程及e m x 模架调用方法的系统探讨，具体提出了注塑模具的设计方法和工艺路线。 最后，透过对产品零件的快速反求设计试验，从而验证了基予逆向工程技 术和快速原型制造技术在产品的快速设计的应用可行性、快速性及准确性。因 此，论文的研究对实现产品快速开发设计及制造业信息化有重瑟的意义。 关键词：逆向工穰，快速原型技术，c m m ，数据测量，注塑模具，快速没计 i i 太原理r 大学硕 ：宄生学位论文 r e s e a r c ho fr e v e see n g l n e e r i n g r a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n di t 7 sa p p l y l n g i nt h er a p i dd e s i g no ft h ep l a s t i cp a r t s a b s t r a c t a sak i n do fi m p o r t a n c em e a n s ，t h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yw h i c hc a nb ec o m p e t e n tf o ra b s o r ba n yf o r e i g nt e c h n i q u e o rf r u i t s ，c a nd e v e l o pn e wp r o d u c t sa n dd i g e s ta n da b s o r ba d v a n c e de x o t i c t e c h n o l o g y t h e i ra p p l i c a t i o nc h a n g e dt h et r a d i t i o n a ld e s i g n a n dd e v e l o p m e n t 。p a t t e r no fp r o d u c t s u s i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yi n h e r i tn e e d e d g e o g r a p h i c a la n ds t r u c t u r a lf e a t u r e so fc u r r e n tp a r t s ，a n da f t e rt h i sp r o c e s sg e t i p n o v a t i o nd e s i g n t e s tp a r t sa r ep r o d u c e du s i n gd e s i g n e dp r o d u c t sw i t hr a p i d p r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ，t h e ng i v ed e s i g na s s e m b l a g ea n dm a n u f a c t u r ef e a s i b i l i t y e v a l u a t i o n ，e t c d e s i g n e dp r o d u c t sa r em o d i f i e df a s ta n ds u p p l yr e l i a b l eg u a r a n t e e t oo n e o f f s u c c e s so f f i n a lm a n u f a c t u r e t h e r e f o r et h es t u d yo f r e v e r s ee n g i n e e r i n g a n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya r ev e r ys i g n i f i c a n t t h es t u d yo ft h i st h e s i si sc o n c e n t r a t e do nt h er e s e a r c ho fh er e v e r s e e n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n di t sa p p l i c a t i o ni n t h er a p i d d e s i g no f t h ep l a s t i cp a r t s 。t h em a i n r e s e a r c hc o n t r i b u t i o n sa r e nt h i st h e s i ss t u d i e so nk e yt e c h n o l o g i e so fr a p i dr e v e r s e d e s i g nb y i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 u s i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yt h r o u g ht h e d e s i g np r o c e s so fp l a s t i ci n j e c t i o np r o d u c t 。 2 ) b a s e d o ns t u d y i n gw i t ht h ef e a t u r ea n dt h e o r yo fd a t am e a s u r i n g ，t h i s t h e s i sd i s c u s s e sd e t e c t i n gp a t h ，m e a s u r i n gm e t h o da n do p e r a t i o no f t h r e e d i m e n s i o n m e a s u r i n gm a c h i n ea n di n t r o d u c e st h em e a s u r em e t h o db a s e do nf e a t u r el i n ea n d t h em e t h o do ft i m e sm e a s u r eb a s e do np o i n t sc l o u da r r a n g i n gt oa c h i e v er a p i dd a t a g e t t i n go nc m ms i m p l es u r f a c ea n df r e es u r f a c e 3 ) t h et h e s i sa n a l y s e st h ed i f f e r e n c eo fs e v e r a lm e a s u r i n gd a t aa n d d i s c u s s e st h ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y g e n e r a ls e t t l e m e n tm e a n so fr e v e r s ed a t a t r e a t m e n tt e c h n o l o g yb a s e do ni m a g e w a r es o f t w a r ew e r ed i s c u s s e da n dr e s e a r c h e d d e e p l y ，o nt h eb a s i so ft h a tt h ed i f f e r e n c e so fp o i n t sc l o u da n dt r e a t m e n tm e a n s b e t w e e nc m ma n ds c a nm e a s u r i n gw e r ea n a l y z e d 4 ) a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e r i s t i c so fo r d i n a r yc a ds o f t - w a r e ，t h e d i f f e r e n tm e a s u r e m e n ts t y l eo ft h em o d e l i n gm e t h o di np r o e n g i n e e rs o f t w a r e w a sb r o u g h tf o r w a r d t h et h e s i ss t u d i e dt h ep r e c i s i o no ft h r e e d i m e n s i o nm o d e l a n dt h ee v a l u a t i o nm e t h o do fs m o o t h n e s s ，f o ri n s t a n c e ，b a s e do nt h ee v a l u a t i o no f c u r v a t u r ea n db a s e do ne v a l u a t i o no f h i g h l i g h tl i n em e t h o d ，e t c 5 ) t h et h e s i ss t u d i e dt h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g ya n dl o c a t e dt h e s t a t u so fm o d u l ee v a l u a t i o na tp r e s e n t b a s i n go nt h er e l a t i v ek n o w l e d g eo f i n j e c t i o nm o u l da n dt h eg e n e r a lf l o wo fd e s i g ni n j e c t i o nm o u l d i np r o e n g i n e e r a n dt h er e s e a r c ho fu s i n gm e t h o do fe m xm o u l df l a m e ，t h em e t h o do fd e s i g n i n g p l a s t i ci n j e c t i o nm o u l da n dp r o c e s sr o u t ew e r eb r o u g h tf o r w a r di np a p e r 太原理工大学硕十研究生学何融文 f i n a ll y ，a r a p i dr e v e r s e d e s i g ne x p e r i m e n to fp r o d u c tv a l i d a t e dt h e f e a s i b i l i t y 、r a p i d i t ya n dp r e c i s i o no ft h er a p i dd e s i g n sb a s e do nt h er e v e r s e e n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y t h e r e f o r et h es t u d yo ft h e s i si s v e r ys i g n i f i c a n tt or e a l i z i n gt h er a p i dd e v e l o p m e n ta n dd e s i g no fp r o d u c ta n d m a n u f a c t u r ei n f o r m a t i o ne n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ；r a p i dp r o t o t y p i n g t e c h n o l o g y ；c m m ；d a t a m e a s u r e m e n t ；p l a s t i ci n j e c t i o nm o u l d ；r a p i dd e s i g n 声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在指导教师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成采。对本文的磷究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的 法律责任由本人承担。 论文作者签名：倒坠笙日期：趔! 尘j 生 关于学位论文使用权的说明 本人完全了解太原理工大学有关保簧、使用学位论文的规定，其 中包括：学校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印 件；学校可以采用影印、缩印或其它复捌手段复制并保存学位论文； 学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为目的， 复制赠送和交换学位论文；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容保密学位论文在解密后遵守此规定) o 签名：型l 坠蔓日絮：副! ( ，型二 导师签名：2 獬 导师签名：生翌：塑日期i 礁! i ：上! 竺 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1背景 第一章绪论 随着我国加入世贸组织，全球经济一体化的发展，必然会对我国传统工业的体制 产生巨大的冲击。必须改革传统的运行模式，来适应市场。要参与国际竞争，就必须 在信息交流的形式和手段与国际接轨，加强我国各个行业市场经济竞争机制，而科技 成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的主要手段。事实证明，科学技术成果 的引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速增长的战略措旆。对于引进的技术如 何进行使用、消化吸收、创新，从而在此基础上发展出具有自主知识产权的先进的产 品，并逐步形成整套的民族产业。这对于迅速缩小我国和发达国家的技术差距，具有 十分重要的意义。 作为一种新产品开发及吸收先进技术的重要手段，逆向工程和快速原型技术可以 胜任仿制、开发外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式，大 大缩短了产品开发的时间周期，提高产品研发的成功率。逆向工程以先进产品、设备 实物为研究对象，利用c a d c a m 等先进技术、制造技术来进行对产品复制、仿制 乃至新产品开发的一种技术手段。快速原型制造技术是集c a d 、数控技术、材料科 学等一体的技术，它可以自动、快速地将设计思想物化为具有一定结构和功能的原型 或直接制成零件，从而对产品进行快速评价、修改以响应市场的需求，从而提高企业 的竞争能力。对逆向工程和快速原型制造技术的运用，能使产品的研制周期缩短百分 之四十以上，极大的提高了生产率和市场竞争能力，这对于我国实现外来先进技术本 土化具有十分重要的意义。 总之，逆向工程和快速原型制造技术是我们消化吸收外来成果的，缩短开发周 期的途径之一，对于具有自由曲面的产品尤为明显。目前逆向工程和快速原型技术广 泛应用于航空航天、汽车、工艺品、玩具等行业，在这些行业的产品研发、设计和制 造中具有重要理论和实际意义。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 逆向工程概述 1 2 1 逆向工程的定义 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，称之为正向工程( 或 顺向工程) 。而所谓的逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) ，也称逆向工程、反向工程等， 起源于精密测量和质量检验，是将已有实物模型或产品模型转化为工程设计的c a d 模型，并在此基础上对已有实物或者产品进行分析、改造、再设计的过程，是己有设 计基础的再次设计，是集测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的 综合应用技术。 随着现代计算机技术和测试技术的发展，利用c a d c a m 技术、先进制造技术 来实现产品实物的逆向工程成为了可能，也越来越成为c a d c a m 领域的一个研究 热点。现己广泛地应用于产品改进、创新设计，特别是具有复杂曲面外形的产品，它 极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度，是消化、吸收先进技术而创造和开 发各种新产品的重要手段。 1 2 2 逆向工程的结构体系及现状 i - 趣亟恒+ 宅一 太原理工大学硕士研究生学位沦文 逆向工程中的关键技术是数据采集、数据处理和模型的重建。”1 1 ) 数据采集 数据采集是逆向工程的第一步，其方法的好坏直接影响到是否能准确、快速、完 整地获取实物的二维、三维几何数据，直接影响到重构的c a d 实体模型的质量，并 最终影响产品的质量。一般使用三坐标测量机或激光扫描测量装置来获取零件原型表 面离散点的几何数据。 2 ) 数据处理 对于获取的一系列外型面点数据在进行c a d 模型重建前，必须进行格式转换、 噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等数据处理。对测量数据按 其几何特征进行分割成相对单一的块状点云，来构建零件的原型特征线、面。 3 ) 模型重构 将处理过的测量数据导入c a d 系统，依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的 c a d 模型。实际上，因原始数据的获取方式、三维重构的支撑环境、三维重构方法 和目标的不同，其理论依据、技术路线、算法和工作内容有较大差异，这是值得注意 的地方。 对于逆向工程中的三个关键技术也可归纳为数字化方法与技术、曲面造型技术和 c a d 模型重建技术。如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集，直是逆向工 程的主要研究内容之一。复杂曲面的c a d 模型重建是逆向工程模型重建研究重点， 曲面模型则是复杂曲面产品逆向工程的几何建模的重点。目前，主流的两种曲面构造 方案是1 ) 以b 样条或n u r b s 曲面为基础的曲面构造方案：2 ) 以三角b e z i e r 曲面为 基础的曲面构造方案。 逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术，进入2 0 世纪9 0 年代以 来，该技术己经成为制造业研究的热点，取得了大量的研究成果。世界上比较著名的、 功能比较齐全的c a d c a m 系统相继开发出各自的逆向处理模块，如u n i g r a p h i c s 、 p r o e 等，也有大量的专用的逆向处理软件推出，如l m a g e w a r e 、c o p y c a d 、r a p i d f o r m 等，这些软件都大大加速了逆向工程的普及与发展。同时，由于理论和科学技术的限 制，目前软件的数据处理技术和造型技术仍不完善，这是由于大多数软件是针对具体 的应用开发的，数据处理往往通用性差，往往要借助于几个软件才能实现产品的快速 开发与制造。现阶段逆向工程技术研究和应用存在问题有：。” 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 】) 对实物外型的测量仍存在误差和遗漏，基于实物几何特点进行路径规划，达 到最佳路径仍是寻求的目标。测量数据采集的快速性、易处理性也有待进一步 研究。 2 ) 复杂曲面重建技术，尤其是多个子曲面拼合而成的组合曲面，对于曲面模型 兼容问题有待改善。 3 ) 对曲面光顺和精度保证，模型精度的评价等都有待进一步研究。 4 ) 测量工具的使用、测量范围存在的局限性和复杂性。 1 3快速原型制造技术概述 1 3 1快速原型技术的定义 快速原型制造技术2 0 世纪8 0 年代起源于日本，很快发展到美国和西欧，并取得 进一步的发展。快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g y ) 简 称“r p m ”，是将原型( 或零件、部件) 的几何形状、所选材料的构造和有关的组合 信息建立数字化描述模型，将这些信息输出到计算机控制的机电控制制造系统进行材 料的“添加”，从而制造出成品的加工过程。”1 快速原型制造技术已成为制造业企业 新产品开发服务的一项关键共性技术，对促进企业产品、缩短新产品开发周期、提高 产品竞争力有积极的推动作用。 快速原型制造技术实质上是材料累加法的新发展，它的基本原理如图1 2 ，是依 据计算机上构造的三维设计模型，对其进行分层切片得到各层截片轮廓数据，计算机 依据数据信息控制激光器有选择性地通过激光进行固化树脂或切割箔材或烧结粉末 ( 或通过喷嘴喷射粘接剂或热熔材料) 等，形成一系列的具有微小厚度的薄层，并逐 步迭加成三维实体，从而制造出所设计的新产品样件、模型或模具。 图1 2 快速原型技术原理 f i g l 2 r p mr a d i c a l p r i n c i p l e 快速原型制造技术的添加成型工艺突破了传统的成型方法，通过快速、自动成型 4 太原理： 大学硕士研究生学位论文 系统与计算机数据模型相结合，一切由c a d 模型直接驱动成型，其主要的技术特征 即是成型的快速性和敏捷性。 1 3 2 快速原型制造技术现状 目前，快速原型制造技术的实现方法有很多，在技术较为成熟，应用较广的主要 有立体印刷成型( s l a ， s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ) 、层合实体成型( l o m ， l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ) 、选域激光烧结( s l s ，s e l e c t e dl a s e rs i n t e r i n g ) 、 熔融沉积制模( f m d ，f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ) 等。“ 快速原型制造技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新 途径。与传统的设计制造技术相比，它具有很多独特的优势和特点。快速原型技术的 一个主要特点是可以快速、准确地形成形状复杂的产品模型或模具，增强了复杂产品 和复杂模具生产的一次成功率。 现在快速原型制造技术与其他的先进设计和制造技术的结合越来越密切，完善制 造工艺、系统与c a d 等软件的接口，制定统一的数据交换标准，提高成型速度和精 度，降低系统价格和成本、开发新材料和扩大应用领域等都是快速原型制造技术的研 究焦点。快速原型制造技术与三维坐标测量机、三维激光扫描、工业c t 相结合可以 快速实施逆向工程。 1 4本论文的选题意义及主要研究内容 1 4 1 选题的意义 逆向工程就是在现有实物的基础之上求出其三维c a d 模型，通过测量实物模型， 再对测量数据的处理，可以获取三维实体模型，找出产品设计中的不足，重新设计， 重新制造，使产品更加完善。 快速原型制造技术原理是对三维c a d f j g 子模型进行分层切片处理，得到一系列的 二维截面轮廓，然后用激光束或其它方法切割、固化或烧结某种状态材料，得到一层 层的产品截面并逐步叠加成三维实体。 逆向工程与其下游工程快速原型技术的结合，为产品的开发设计提供了新的有效 捷径，对实现产品的快速开发及仿制提供了可靠地保证。新产品的开发主要分为两类： 一类是在原有产品基础上的改进，可以运用逆向工程对现有零件的所需的特征进行继 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 承，再实现对产品的创新设汁；另一类是全新的开发，根据零件的设计要求进行设计， 特别对些注重外型的零件，通常是绘制出设计草图、制造出泥模，再进行修改设计， 传统的方法通常难以实现对泥模外型面的准确测量，在此可利用逆向工程对修改好的 泥模模型进行仿制。将完成设计的产品利用快速原型技术快速生产测试样件，对新产 品进行外观形状、装备及可制造性等方面的评估，为产品最终制造的成功提供可靠的 保证。 注塑产品在生活中应用广泛、更新速度快，相对而言多为复杂的外观形状。通过 逆向工程与工程快速原型技术对此类产品进行开发设计可以提高开发速度、设计难度 及成功率，从而对降低成本、加强市场竞争力。因此，对基于逆向工程和快速原型技 术在注塑产品开发设计进行研究具有重要的实践意义。 1 4 2 主要研究内容 本文通过基于逆向工程技术和快速原型制造技术在产品设计开发中的应用，针对 在应用中的问题进行探讨研究，选定产品注塑件，基于逆向工程技术和快速原型制造 技术对产品快速反求，实现产品到产品的快速设计，从而提高设计效率、准确性和缩 短产品的设计周期。论文的主要研究内容有： 1 、对各种数据采集技术测量方式的技术原理及基本特点进行了研究，在此基础 上，对三维测量仪的检测路径、测量方法、处理方法进行了探讨，提出了基 于特征线的测量方法和基于点云对齐的多次采集法，实现了基于c m m 的简 单型面及自由曲面的数据快速采集方式。 2 、针对逆向采集数据处理过程的关键问题进行论述。论文对数据的预处理方法 进行详细探讨，提出了误差点删除，采样精简的具体方法；基于i m a g e w a r e 软件的研究，总结出了数据处理富有特色的处理流程及方法。 3 、对常用的c a d 建模软件进行了对比，研究了基于p r o e 软件的建模方法及三 维c a d 模型的评价。对模型曲面的评价方法进行深入研究，如基于曲率的评 价、基于高光线的评价方法等等，并给出了有效地处理办法。着重对快速原 型的相关技术进行了研究，参与完成了快速成型替代材料的初步研究。 4 、对基于p r o e 的注塑模具快速设计关键技术进行了研究，通过对产品零件的 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 快速设计实验，验证了基于逆向工程技术和快速原型制造技术在产品的模具 设计中的快速性、准确性，这对实现产品模具开发设计及制造有着重要的实 践和指导意义。 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章产品数据采集技术研究 产品数据采集主要是通过数据的测量实现的，产品表面数据测量又称为产品表面 数字化，是通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点 坐标数据，基于这些数据就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。如何高效、 高精度地实现样件表面的数据采集，一直是逆向工程的研究的关键技术之一。 产品数据的采集是逆向工程的第一步，测得数据的质量好坏直接影响到实体 c a d 模型的重建，直接影响整个工程的效率和质量。采集数据的方法不同，处理的 数据的方法也有所不同，因此，数据的采集是逆向工程尤为关键的一步。 本章对产品数据采集的基本方法和原则进行探讨区别，结合后续的数据处理的方 法，从而确定采集数据的路径和采样频率，并对采集的数据进行基本分析，从而为后 续的数据处理和模型重建奠定基础。 2 1数据的采集方法 逆向工程中采集产品数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。不同 的测量方式决定了测量的精度、速度、经济性以及后续处理方式不同。逆向工程中物 体表面三维数据的获取方法主要分两大类：接触式和非接触式，其分类如图2 1 数字 化方法的分类所示。以下简要介绍几种常用的测量方法。 1 ) 三坐标测量机”1 三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 是2 0 世纪6 0 年代发展起 来的一种高效率的新型精密测量仪器。其原理是：将被测物体置于三坐标机的测量空 间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出 被测对象的几何尺寸、形状和位置。 三坐标测量机是一种广泛使用的接触式测量方法，其主要优点是测量精度高、适 应性强，测量精度可以达到0 5 微米，对工件表询的反射特性、颜色及曲率要求不 火，配合测量软件可快速准确地测量出物体的几何形状。但由于采用接触测量，整个 测量过程始终需要人工干预，对于获得数据还需进行基准归一化以及测头半径补偿， 因而不适于对自| | 曲面等需要大量采集数据点的三维面形进行测量。 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 三 角 形 法 表面数字化方法 非接触式接触式 光学式il 非光学式lf 触发式ll 连续式 结 构 光 法 图 到剧剖萋 图2 - i 数字化方法的分类 f i 醇ic l a s s i f yo f n o m i n a l i z a t i o nm e t h o d s 2 ) 非接触式激光三角形法“ 激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度 关系来计算零件表面点的坐标数据。非接触式激光三角形法根据入射光的不同，以三 角法为原理的测量方法可分为点光源测量、线光源测量和西光源测量三种。 非接触式激光三角形法由于其结构简单，又兼具速度的特点，因而得到广泛应用。 测量精度可达o o l m m 左右，采样速度可达每秒数万个点。 3 ) 结构光法”3 结构光法的基本原理是把一定模式的光源投影到被测件表面，受被测物体表面高 度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过解调变形光 栅影线，就可以得到被测表面的整幅图像上的三维坐标。其优点是测量的范围大、稳 定、速度快、成本低、携带方便易于操作。缺点是精度较低，对测量的物体有一定要 求。尽管如此，基于结构光法的测量设备被认为是目前测量速度和精度最高的扫描测 量系统。德国g o d 公司的a t o s 光学测量系统精度可达0 0 3 r a m 。 4 ) 工业c t 法” 工业c t 法是对被测物体进行断层截面扫描，以x 射线的衰减系数为依据，用数 学方法经过电子计算机的处理而重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立 物体的三维信息。该方法能实现对物体的无损测量，尤其能实现对内部结构的测量， 并对物体的材料没有限制，被认为是目前最先进的非接触式测量方法。缺点有系统的 9 太原理工大学硕士研究生学位论文 空间分辨率低、获取数据时间长、重建图像计算量大及设备造价昂贵。 5 ) 超声波法。 超声波测量法是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质变界表面 会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，计算出各面到零点的距离的 方法。该方法结构简单、成本较低。但测量速度慢，易受测量材料及表面特性的影响， 目前主要用于无损检测和壁厚测量。 6 ) 层析法1 层析法是一种直接由样件到模型的实用、可靠的方法，用于测量物体截面轮廓的 几何尺寸。该方法是将被测零件进行完全封装，进行逐层铣削，利用触发图像采集系 统进行轮廓提取，得到各个截面的内外轮廓的点的数据，组合成完整的零件的三维测 量数据。层析法的优点是能对有孔及内腔的物体进行测量，测量精度高，缺点是该方 法属于破坏测量。 以上不论哪种方法都有优弊，应该根据实际情况选用需要的测量方法进行测量， 对于如何尽可能完整、真实的测量出零件型面特征才是首要考虑的问题。 2 2数据采集的原则和路径规划 快速、完整的获取产品型面信息是产品数据采集的基本原则，也是产品数据采集 所要实现的目标。手动的数据采集注重于操作者的实际经验，由软件控制的采集需要 事先设计出测量路径。采取不同的测量路径、采集频率，会得到不同的采集结果，再 经过后续处理，往往建构出不同的c a d 模型。这种情况对于自由曲面的数据采集反 映尤为突出。然而，不论是手动测量还是自动测量，进行测量前的路径规划都是十分 重要的。 测量规划目的是精确而又高效地产品采集数据。精确是指所采集的样件数据能足 够反映样件的型面特征；高效是指能够正确描述样件特征的情况下，所花的时间尽量 少、路径尽量短和数据尽量少。测量路径的建立是为了有序、快速、高效地探测分布 在元素表面的各实际点的坐标，生成的方法分为：键盘输入、自学习式、仿照生成及 自动生成等几类。如何进行测量路径的优化，使测头能快速、安全、有效的遍历待测 曲面的检测区域是测量规划的关键问题，对于自由曲面尤为明显。 确定测量路径的基本准则是：沿着特征方向走，顺着法向方向采。根据测量样件 奎堕里三查兰堡主堑塞生堂焦堕茎 型面特征，可分为规则形状和自由曲面的数据采集规划。】) 对于规则形状的数据多用 精度高的接触式探头，依据数学定义规则形状所需的点信息进行采集规划。虽然形状 规则，在数学定义上所需要最少的点就可将特征表现出来，但加工、使用、环境等方 面的因素，也影响着样件的测量，要实现对其形位公差的描述，往往需要测量更多的 点，这是值的注意的地方。2 ) 对于非规则形状，统称为自由曲面，根据自由曲面数学 模型是否已知，自由曲面的测量可分为对已知曲面的测量和对未知曲面的测量。无论 数学模型是否已知，直接进行等间距扫描采样是一种简单易行的采样路径规划方法。 等间距扫描采样是简单易行的采样路径规划方法，根据采样定理，可以通过提高采样 频率( 缩小采样间距) 改善采样精度，但缩小采样间距将显著地降低数字化效率。因此， 研究如何在一定采样点数目下尽可能真实地反映曲面原始形状，或在给定采样精度下 选取最少的采样点，对提高自由曲面数字化精度和效率具有重要意义。 在基于形状特征的曲面数字化基础上，针对给定精度条件下基于形状特征的自适 应数字化采样规划方法有以下几种：“” 1 )已知曲面数学模型的测量规划 已知曲面测量规划的目的是在满足测量精度的前提下所测量的点尽可能的少，而 点分布的疏密也随曲面曲率的变化而变化，实现测量点的自适应分布。 ( 1 ) 基于形状特征的采样规划原理 ( 2 ) 给定采样点数目的自由曲面数字化自适应采样 ( 3 ) 给定采样精度的自由曲面数字化自适应采样 2 ) 未知曲面的测量规划 ( 1 )点光源激光测头速度控制仿形测量方法 ( 2 ) 基于有界曲率平面曲线局部有界性的速度圆矢量分解仿形测量方法 ( 3 ) 曲面三角自适应测量方法 以上的采样规划方法在参考文献中有详细论述，在此就不进行赘述了。 2 3 测量数据测头半径补偿方法 测头半径补偿一直是三维测量技术研究的一个重要问题，只有采用触发式测量方 式才需要进行测头半径的数据补偿。 、 测头半径补偿产生的原因是由于测头半径的影响，所得到的数据是测头球心的坐 奎堕堡三奎堂堡主笪塞竺堂堕笙苎 标而非测头触及的表面点坐标。若对球头半径进行忽略，将会带来数据补偿误差，使 得后续重建模型偏大于实物模型，当测量的精度要求较高时，应对测量数据进行测头 补偿。目前的c m m 测量中，采用的是二维自动补偿方法，即在测量时，将测量点和 测头半径的关系处理成二维情况，并将补偿计算编入测量程序中，测量时自动完成数 据的测头补偿。这种方法简化了补偿计算、自动简便，对于一些规则形状组成的表面 测量是精确的。对于一些由自由曲面组成的复合曲面，要进行精确测量，则要考虑三 维补偿。微平面法是其中一种实时三维补偿方法。微平面法是在测量点的小邻域内， 加测三个点来形成作为测量点的近似法矢n 。，进行半径补偿。该方法适于复杂曲面的 测量手动和自动测量，缺点是加大了测量的工作量和测量时间。事后三维数据补偿方 法有三点共圆法、拟合法和三角面片法等等，补偿核心也是根据测量点的信息计算接 触点的法矢，具有计算繁琐、工作量大的缺点。1 目前，在进行一般测量时，基本上都在测量程序中选择是否进行补偿的方法，实 行二维自动实时补偿。只有高精度、高要求的情况下，才考虑采用三维补偿的方法。 2 4 基于三维坐标测量仪数据采集方法研究 2 4 1 三维坐标测量机应用 三维坐标测量机c m m 是一种广泛使用的接触式测量方法，分为触发式和连续式 两种。作为接触式的c m m 测量精度高，i b _ n 量效率较低，比较适用于高精度常规零 件的测量，特别是箱体类零件的测量。当然也能用于对曲线曲面的测量，但效率相对 较低。 作为先进的检测技术出现的三维测量技术的三坐标测量机，现在大体分为生产型 和精密型两大类型。前者能在车间等第一线上使用，使用环境要求较低，精度相对于 精密型的低；精密型主要应用在计量室，使用环境相对严格，如温度、湿度等，都有 严格要求。在工业界，三坐标测量机最初的应用是作为一种检测仪器，对零件和部件 的尺寸、形状及相对位置进行快速、精确检测。 随着三坐标测量机各方面技术的发展，特别是计算机控制的三坐标测量机的出 现，使之广泛应用于各类零件的自动检测量和测量，也广泛的应用于逆向工程中的第 一阶段：数据采集。现阶段三坐标测量机对简单、规则模型样件的数据采集，可通过 与2 i g 套的测量软件，直接由测量数据构建出c a d 模型的线和面，而不需经过逆向 】2 太原理工大学硕士研究生学位论文 软件处理测量到的点云。对于具有复杂结构和型面的零件，一般都需要通过专业的逆 向软件进行数据的处理。 虽然，三坐标测量机测量相对于传统的测量、检测工具具有高精度、自动检测的 优势，但对于规则、简单及精度要求不高，适合于传统方法测量的零部件，采用传统 方法为宜。三坐标测量机对测量带有内腔的零部件，由于受到测头、测杆的限制，具 有很大的局限性。 总之，应根据零部件的实际情况，将三坐标测量机和传统方法相结合，就能快速、 高效、准确的对零部件进行测量、检测。 2 4 2 基于c m m 的特征线测量方法 2 4 2 1 特征线测量方法概念和内容 三坐标测量机主要应用于对零部件的测量和检测，在本文着重于对三维模型重构 数据的采集，对于零部件的测量检验就不在此讨论了。接触式测量的三坐标测量机的 机械结构和电子系统都己比较成熟了，具有较高的准确性和可靠性，对于零件表面的 反射特性、颜色及曲率都基本无要求，配合测量软件，可快速、准确的测量出物体的 基本几何形状，如线、面、圆、圆球等等，相对于非接触式具有精度高、可靠等优点。 相对于非接触式测量的最大缺点就是接触式触发探头是采用逐点方式进行测量的，故 测量速度慢，要实现非接触式的海量测量基本上是不切实际的。本文针对触发式三坐 标测量机的缺点提出了基于零件特征线的测量方法。1 在逆向工程中，三维c a d 模型的重构是利用产品表面的散乱点数据，通过插值 或者拟合，构建一个近似模型来逼近产品原型。建模技术是c a d 系统的核心技术， 几何建模主要处理零件的几何信息和拓扑信息。几何信息一般是指物体在欧氏空间中 的形状、位置和大小，拓扑信息则是指物体各分量的数目及其相互间的联接关系。目 前常用的建模系统是三维几何建模系统，一般常用三种建模方式：线框建模、表面建 模和实体建模。 基于零件特征线的测量方法是针对三坐标测量机的高精度、速度慢的特点提出 的。该方法是对产品进行测量时，依据点一线一面一体的基本逆向原则和线框建模的基 本原理，即物体只通过棱边( 直线、圆弧、圆等等) 来进行描述，通过三坐标测量机 对其特征线进行规划采集，所需信息量少。由于没有面的信息，有些情况下信息不完 整、存在多义性，然而并不影响产品的改进开发。该方法的基本内容是：先对零件进 1 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 行分析，依据线框建模的原理，对零件特征进行拆分，即将其由实体虚构为线框模型， 由线框模型分化出线特征：边界轮廓线和表面棱线。对边界轮廓线和表面棱线进行测 量，这可以大大减少测绘的工作量，又可以得到零件的基本特征，从而实现对零件的 c a d 建模和设计，故该方法十分适宜于触发式三坐标测量机的使用。 2 4 2 2 特征线测量方法应用及评价 特征线的测量是建构在线框建模的基本原理上的，线框建模是最简单的建模系 统，通过对产品需继承的特征进行线框简化，经过c m m 对简化的特征线进行测量来 实现特征的继承。对于有些复杂特征进行线框简化时，不可避免的会产生局部信息的 丢失，这对不利于产品仿制，但不影响产品的开发设计。针对不同特征的零件反映出 来的情况有所不同，而特征由形状几何特征、尺寸公差特征和技术特征组成。在逆向 工程模型重建中，仅考虑与造型相关的形状几何特征，而且主要是构成产品模型的低 层几何体素及构造特征，如点、线、面等等。在c a d 模型表示中，组成零件的几何 外形如表2 一p 1 ，下面就两大类特征零件进行探讨： 表2 - 1产品几何外形组成 t a b l e 2 1p r o d u c tg e o m e t r yf o r m 产品几何外形 主要几何 次要几何 简单平面规则扫掠曲面自由形状曲面 平面移动扫掠四边拓扑 边混合顶点混合 二次曲面旋转扫掠不规则拓扑 圆环 1 ) 具有规则型面特征的零件 不同的零件具有不同的几何形状，但大多数是有一些规则的几何