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反求工程在快速成形技术中的应用反求工程在快速成形技术中的应用applicationofreverseengineeringinrapidprototyping华中平技大学(430074)滕功勇王从军黄树槐【摘要】根据在零件复制,复杂设计及概念设计中不可缺少的反求技术与快速成彤技术的结合应用,介绍j反求数据采集的几种方法.分析1在快速成形技术中反求数据的两种处理方式,列出了在实际应用中所采取方案的数据结构和主要的算法过程及应用实例关键词快速成形反求工程零件复制截面轮廓曲线keywordsrapidprototyping,reverseengineering,partcoping,sectionalprofilecurvelin敏捷制造技术对产品的推陈出新的速度,对商家在竞争非常激烈的情况下把握商机,起着越来越重要的作用.而快速成形技术和反求工程作为敏捷制造技术的重要分支,为人们实现产品概念设计与复杂设计担任着重要角色.快速成形技术对所加工零件的几何形状无特别要求,可以将给定的数据还原成实体模型,固此我们只要将一定格式的数据输入快速成形系统,即可获得所要的实体模型.而反求工程则是一种对普通仪器难以测量,表面形状很不规则,不易设计的零件模型,艺术品,文物模型等进行数据提取极其有利的工具.二者的结合可实现零件的快速复制,还可通过cad重新建模并加以修改,或调整快速成形工艺参数,实现零件模型的变异复制.反求过程中采集数据的手段很关键,首先介绍几种三维数据采集的测量技术,并结合快速成形技术,针对各测量技术,分析比较对采集数据进行处理的两种途径,采用本文所述的方案的数据结构,主要算法过程及应用实例.三维数据采集的几种方法1.接触式测量机械式三坐标测量是一种应用比较广泛的三维测量方法,测量精度高,容易操作,不过测量速度较慢,测得的数据点少,不能用rp直接还原成原型件模型.测量时,可根据零件模型特征选择测量位置及方向,测得特征点数据,然后根据特征点数据求得几何元素的特征尺寸(如外形尺寸,半径,曲率等),再利用特征曲面上的轮廓线特征点在三维造型软件(如pro/e,ug,autocad等)上重新建模.再根据需要进行一定的修改,以stl格式输出到快速成形系统中制作原型件.五坐标测量仪可测得所测点的法矢.曲面重构过程中,进行三角网格划分后,在三角网格的每个三角形上构造bb曲面片时,必须事先给出每个顶点上的法矢,而原先只能用估算的方法给出,必要时再进行调整,固而五坐标测量仪的出现使曲面的精确重构变得更容易实现2.三维激光数字化仪测量此种测量方法是继接触式三坐标测量之后发展迅速的一种激光扫描测量技术其测量速度快,不需接触零件表面,数据点密集,目前精度可达0.05mm,适于大尺寸外部曲面复杂的零件模型的测量.测量时,被测件除了形状特征外,其色彩特征也可同时采集录入计算机.不过,对于细深孔底部,突变的台阶等不能被激光照射到的部位,激光扫描仪则测不到数据,从而造成有用数据丢失,另外其对零件表面的色泽和粗糙度有敏感性.3.逐层扫描测量继激光扫描之后兴起的逐层扫描测量技术被认为是rp生长型制造的逆过程,主要有工业ct,mri(核磁共振)和自动断层扫描测量这种测量方法可对零件表面和内部结构进行精确测量,所测得的数据点密集,完整.并包含了所测零件的拓扑结构.自动断层扫描测量的基本原理是:用数控系统控制铣床或磨床,按一定的厚度去掉被测零件的一层,然后用光电转换装置摄取片层二维图像,经过图像处理获取片层三维轮廓的边界数据.每层厚度可由切削头进给范围(0.010.5mm)确定.此种测量方法测量速度快,测量数据准确,可以测取内部尺寸.由于其采取的是破坏性测量,故显然不适合要求不可损伤的测量件(如文物等)的复制.26.新技术新工艺热加工技术利用工业ct和mri技术,则不必破坏被复制2002年第1期件,即可直接获取物体的截面数据.不过数据准确度没有自动断层扫描测得的高.测量数据的两种处理方式根据各测量方法所采集数据的特点及实际要求.在快速成形技术的应用中,可采取相对有效的数据处理方式.目前的处理方式有间接法,直接法.l间接法间接法就是利用所测得的数据先重构还原成cad模型,然后根据实际需要对cad模型进行修改,调整,转换成stl格式文件,或者对所采集的散乱数据进行三角剖分,得到sti格式文件,再输入快速成形系统,由系统所带切片软件对stl文件进行切片处理,获取切片层的轮廓曲线数据,从而制成原型复制件.其处理过程可描述如图l所示图11可接数据处理法接触式测量法测得的数据点多为特征点.用cad软件(如pro/e,ug等)根据特征,可以将所测得的数据点重构成cad模型,然后按图1所示步骤得到复制的原型件模型.激光扫描测量获取的数据点密集,可通过反求软件处理获得曲面模型,经过修整,得到所需的cad模型,再按照图1步骤得到原型件模型.逐层扫描测量所得的数据点密集,完整,还包含了零件点,线,面连接关系及几何分量大小等的拓扑结构,同样可以通过反求软件获得曲面模型,转换成stl软件,输入快速成形系统得到原型件模型.2.直接法.根据快速成形精度要求,切片处理要求数据点比较充足,且每层厚度一般为0.020.5mm.以保证复制的原型件模型失真度在允差范围内,这样复制才有意义.由于通过cad模型转换成sti,文件时.数据量骤然增加,而且stl格式文件本身有着天然的缺陷,这就要求后续的切片处理有较高的纠错,容错能力,对计算速度也有影响.如果直接将测得的数据转换成片层轮廓曲线数据,则相对转换成sti文件而言.数据量小,运算速度快,绕过stl文件转换所产生的诸多问题,是一种比较好的数据处理方式.激光扫描测得的数据点密集,测量精度也可达到制造快速原型件的精度要求,故由激光扫描测量所采集的数据可采用图2所示直接数据处理法.匿图2直接数据处理法逐层扫描测量是快速成形技术的数据采集过程,其采集的数据是由一层层零件截面的轮廓线数据点组成,而且层厚可达0.omm,完全满足快速成形系统的切片精度要求,因此亦可采用直接数据处理法.但是,接触式测量则由于测得的数据点少,很难满足快速成形系统的切片精度要求,若采用此直接数据处理法,将会导致严重的失真算法步骤我们所采取的算法过程主要如下:1_输入采集的空间散乱数据点集,对此点集按z坐标进行预排序.得到对应每个坐标的平面点集;2.对每个平面点集按x坐标(或y坐标)再进行预排序,得到对应的平面顶点表;3.对每个平面顶点表进行处理,确定内外环.然后对每个环进行曲线拟合.得到实际加工所需顶点链表;4.输出数据(以c2dpoint,c2dring结构形式)到快速成形系统,进行零件复制.结语我们采用数据直接处理法.在hrp快速成形系统中进行了某零件模型与作过修改的复制的原型件模型复制,效果良好反求工程是复杂形状零件复制的非常有利的工具,与快速成形技术结合起来,采用适当的测量方法和数据处理方式,将会在产品系列设计,改型以及实物模型复制等方面有着良好的应用价值.参考文献1.朱心雄等.自由曲线曲面造型技术北京:科学出版社2.sartajsahni.d8tastructure,algorithms,andapplication