车辆工程毕业设计（论文）-乘用车钣金件逆向设计及快速成型制作【全套图纸】.doc

黑龙江工程学院本科生毕业设计第 1 章 绪 论全套图纸，加1538937061.1 课题背景在生产制造领域中，离不开产品的开发和设计。传统的产品设计是从概念设计开始，然后绘制草图、建模、分析、模型修正直到最终产生满足要求的图纸，投入生产。但是在很多情况下，没有产品的原始图纸和设计数据，只有样件或实物模型，比如由于制造的限制或者为了获取最优的产品性能，已有的设计经常要在车间进行改进，这样的调整通常没有在 CAD 模型中反映出来，这就需要应用逆向方法更新已有的几何模型。广义的逆向工程（又称为反求工程）是一个复杂的系统工程，包括形状逆向、工艺逆向和材料逆向等。目前，大多数有关逆向工程的研究主要集中在几何形状方面，因此狭义上讲，逆向工程是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量资料采用三维几何建模方法将产品样件转化为数字化模型的过程。相比于传统的正向设计思想，逆向工程大大缩短了产品的开发周期，提高了生产效率。经过查阅许多相关资料，指导老师细心的指导，以及本人的努力研究，进行了反复的推敲及多次的修改，得出以下设计成果，由于本设计中涉及有许多以前未学过的知识，加上时间仓促，而且水平有限，设计中仍然存在许多错误和不足，恳请各位老师批评指正。1.2课题研究的目的及意义 光学扫描系统和三坐标测量机（CMM）是逆向工程中广泛使用的数字化设备，二者的组合使用满足了逆向工程中对实物数字化的高精度、高效率的应用需求。多传感组合测量系统的出现，也为这种组合提供了硬件基础和支持。现有的逆向建模方法主要还是针对同密度、同精度的同类测量数据的。为了满足现代数字化系统对逆向工程模型重建方法提出的新要求，弥补现有逆向工程建模方法和软件的不足，本文研究了基于光学扫描和 CMM 测量数据的模型重建方法及其关键技术。 快速原型制造领域里，逆向工程已经变得必不可少。通过对快速制造原型产品的精确测量和建模，找出原始设计不足，可以不断更新产品原型，实现产品的高效创新设计。实物零件的数字化是逆向工程的第一步也是关键的一步，需要通过特定的测量设备和测量方法获取被测件表面离散点的几何坐标数据。实物数字化的精度、完整性、效率等直接影响着整个逆向工程的质量和效率。目前广泛应用的实物数字化方法主要有以三坐标测量机 CMM(Three Coordinate MeasuringMachine)为代表的接触式测量和以光学扫描系统为代表的非接触式测量。接触式测量方式获取数据的特点是：稀疏、精度高，但是对于逆向工程中 CAD 模型未知的复杂零件的数字化效率较低。光学扫描系统由于无需逐点测量，能快速获取海量数据点，数据密度大，可以辨识模型的细节，在逆向工程中应用日益广泛，但是精度比 CMM 低很多，特别是作为一种光学测量传感器，只能测得可见表面的数据，对于曲率变化大的凹陷表面及深孔、洞等几何特征无法获取测量数据，这些都影响了其在实际工程中的应用。接触式和非接触式测量方法自身的局限性限制了它们在实物数字化中的应用，多传感器组合测量系统基于硬件把二者集成到了一个数字化系统中，不仅扩大了应用范围，而且在指定数据精度、密度、处理时间上更具有灵活性，这也为逆向工程中的模型重建方法提出了新要求和新思路。1.3 课题研究现状 逆向工程中模型重建的基本流程为：通过实物数字化，获取实物表面的测量数据；再对这些数据进行预处理，包括多视拼合、孔洞修补、数据精简、数据去噪、三角剖分等，其中三角剖分为可选操作；然后把测量数据分割为对应不同特征面的数据子集，最后进行曲面重建，在曲面模型基础上进一步构建CAD 模型。1.3.1 实物数字化技术 实物数字化与工业中的产品质量检测的最大不同是被测件的 CAD 模型是未知的，而且要求识别被测件的所有特征以获取完整的几何信息用于模型重建，而不是检测局部的精度是否符合公差要求，这就对测量设备的自动化程度及数字化性能要求更高。开发高精度、快速的数字化测量系统和测量软件，如何根据几何外形选取不同的测量方法和测量路径，一直是实物数字化技术的主要研究对象。在 20 世纪 90 年代高速数字化技术引入之前，三坐标测量机一直是逆向工程中的主要三维实物数字化工具。三坐标测量机采样精度高，可达零点几个微米，应用三坐标测量机高精度的提取被测件的几何特征信息，是 CAD 模型重新创建的基础。但是如果被测件形状复杂，不仅需要采集大量的数据点，而且需要精细的路径规划以确定和优化测头移动方向、数据采集的位置，应用三坐标测量机则非常耗时。在逆向工程中，高精度表面的重构需要获取高精度的点，CMM 的使用必不可少。随着技术上的发展，出现了具有扫描式测量模式的三坐标测量机，维持了测头与被测对象的接触，能简单的跟随零件的轮廓测量，一定程度上提高了测量速度，但是一次完全测量是不可能的，而且要求技术人员相当有经验，对于表面轮廓未知的逆向工程中，必须限速，避免碰撞，而且扫描速度越快，精度越低。基于 CAD 的测量是三坐标测量软件的发展热点之一，这种测量依靠三维 CAD 模型导入测量软件进行检测，这样做的优点是不需要额外的图纸，理论值可以直接捕获，更可以进行测量仿真、路径规划、测头干涉检查等，但在逆向工程中，CAD 模型是未知的。1.3.2 数据预处理由于实物表面几何形状和测量技术的制约，都不可避免的会引入数据误差，有时会还会出现，数据冗余、有无法测量的盲区和缺口等问题，这时就需要通过数据预处理技术对测得数据进行噪声处理、孔洞修补、精简等操作，以期获得完整和精确的数据点便于后期的模型重建。(1) 噪声处理 数据的噪声处理通常采用滤波的方法，常用的滤波方式有高斯、平均和中值滤波，也有拉普拉斯法和平均曲率法等。正确去除噪声数据的同时，并很好的保持原有数据的几何特征是噪声处理的难度所在。(2) 孔洞修补 孔洞修补的方法可以分为基于三角网格的方法和基于散乱点数据的方法两种。基于三角网格的方法首先要把网格模型中的孔洞提取成多边形，对孔洞多边形进行三角剖分，再采用网格光顺的方法，调整新增三角片顶点的位置，以完成点云数据的修补。基于散乱点数据的方法需要根据孔洞周围的局部离散点建立一张曲面片，通过曲面上采样点的方法填补孔洞部位缺少的点。(3) 数据精简 数据精简主要是针对光学扫描获取到的高密度数据点而言的。通过数据精简可以去除大量的冗余数据，提高后续算法的运行效率。不同类型的点云可以采用不同的精简方式。规则点云的数据精简方法比较成熟，如等间距均匀简化、等量缩减、弦偏差法等等。(4) 多视拼合 数字化过程中，很多时候无法一次获得被测件的完整数据集，为了构建几何模型，必须先将这些不同坐标系下的多视点数据变换到同一个坐标系下，这个过程就叫做对齐（也称多视拼合、配准等）。数据对齐主要有两种方式，一种是利用专用测量装置实现直接对齐，另一种是事后的数据处理对齐。利用专用测量装置实现直接对齐的方法使用精密的定位和装夹系统改变扫描设备和被测件的相对位置和方向，如旋转工作台、关节臂。事后的数据处理对齐又可分为基于特征的对齐和对数据的直接对齐两种方法。基于特征的对齐，需要先对各视图数据的局部特征造型，再以几何特征（如点、线、面）为基础实现数据整体对齐。这种方法对齐过程快捷，但是对没有明显几何特征的零件或一个特征被分割在不同的视图中，由于缺乏完整的拓扑和特征信息，局部造型困难，则无法对齐。1.3.3 数据分割在逆向工程中，样件表面往往不能由一张曲面构成，因此需要将测量数据预先分割成属于不同曲面片的数据子集，以便后续的曲面模型重建。数据分割方法可分为基于测量的分割和自动分割两种方法。基于测量的分割对测量人员的水平和经验要有一定要求，需要测量人员根据实物外形特征将外形曲面分为不同子曲面，并对曲面的轮廓、孔、槽边界等特征进行标记，以指导测量路径规划，最后把不同曲面特征数据分别保存输出。这种方法适用于接触式测量和曲面特征明显的样件。自动分割方法又分为基于边和基于面两种基本方法。基于边的分割方法一般先要找寻突变点，如法矢突变、曲率突变或更高阶的微分特性突变的数据点，以突变点为边界点相连接形成连续边界曲线，最后利用边界曲线引导分割过程。该方法由于对边界的确定仅用到边界的局部数据，易受噪声影响，而且噪声点处的法矢和曲率不连续，容易被识别为边界点；提取边界线时，容易产生错误的边点跟踪，难以保证封闭区域的生成。基于面的分割方法是目前较为常用的分割方法，一般以聚类和区域生长法为基础，其思想就是将相互邻接、具有相似特性（如曲率值、法矢夹角）的点划分为同一区域，边界可以通过区域间的交线获得。1.3.4 曲面重建 曲面重建是逆向工程的关键技术之一，其目的就是要构造出能满足精度和光顺性要求，并且光滑、连续的曲面模型。实体模型中常用的边界表示法也需要封闭的边界表面。在模型重建之前，如果能了解构成表面的曲面片类型，在此基础上选择适合的数据处理手段和曲线、曲面拟合方案，会使模型重建更加准确、快速，贴近设计意图。解析曲面是描述 CAD 模型的重要组成，在机械工程中应用非常广泛，零件精度要求较高的接触面和定位面通常由解析曲面组成，如孔、凸台、锥面等。事实上，85%的机械零件都可以应用解析曲面描述。1.4 课题的主要研究内容及研究方法1.4.1研究内容（1）对象数字化：指利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件或数据库的方式存储。（2）对象模型的重构：根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值监测后，对模型进行逼近调整和优化。（3）对象分析：指将模型和设计表征用于产品的表面分析、有限元分析和工艺分析，并将分析结果以文件或数据库的方式存储起来，以被其他模块调用。（4）对象加工：根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重构的CAD模型是否满足所要求的精度或其他试验性能指标的要求。1.4.2拟解决的问题（1）查找相关CMM设备及反求工程资料；（2）对工件数据采集的方法；（3）将点云拟合为模型的方法；（4）在CATIA软件平台上建立零件的等比例物理模型，并试编程；（5）利用ansys软件对钣金件进行有限元分析；（6）一定比例快速成型。1.4.3 研究方法 研究技术路线如图1-1所示。样品三维数据测量数据处理CAD曲面重建外形修饰CAM产生NC文件逐层产生STL文件模具加工R.P.快速成型模具成型产品复制图1-1 技术路线图第2章 逆向工程的理论基础和关键技术2.1 逆向工程的理论基础“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也称反求工程(Reverse Engineering)，反向工程。它是是将己有产品模型或实物模型转化为工程设计模型，在此基础上对己有产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计。广义的逆向工程一般分为实物反求、影象反求和软件反求，这里主要讨论实物(产品)反求。随着计算机技术特别是计算机辅助几何设计的理论和技术的发展，及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化，“逆向工程”在现代工业生产设计制造中已越来越显出其重要作用。实物反求，首先通过测量扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后充分利用成熟的CAD/CAM技术快速、准确地建立实体数学几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品设计产品的过程这种实物测量反求技术现已广泛用于产品改进及创新设计，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，提高了产品的设计效率，是快速消化、吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段，已成为逆向工程的主要内容。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已经成为CAD/CAM系统中一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。2.2 逆向工程中的曲面测量技术曲面测量技术是逆向工程技术中重要的组成部分，是通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转化成离散的几何点坐标的数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因此，高效、高精度的实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计与逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP/CNC之间扮演着桥梁的角色。测得数据的质量事关最终模型的质量，直接影响到整个工程的效率和质量。因此，如何取得较佳的物体表面数据，是逆向工程中的一个主要研究内容。2.2.1 曲面数字化测量方法 目前，曲面数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。典型的接触式测量方法是三坐标仪测量法。非接触式测量法按其原理不同，可分为光学式和非光学式。其中，光学式包括三角形法、结构光法、激光干涉法等，非光学式包括CT测量法等。接触式与非接触式测量系统特点分析：（如表2-1） 表2-1接触式与非接触式测量系统的特点对比优点缺点接触式测量系统1、准确性及可靠性高。因接触式探头发展已有几十年，其机械结构与电子信号已经相当成熟2、与工件的反射性无关。接触式为探头直接触工件表面，故与工件表面颜色、曲率关系不大。3、适合做一般基本几何形状侧量:接触式测量头(或划针)固固定定定在测量仪上，可用于车身逆向工程中基准的制作，车身坐标系的找正。1、为了保证测量，往往需要制作被测件的夹具，费用较高。2、不当的操作可能损伤被测件表面。3、探头因接触造成磨损，为了保证精度，需经常校正。4、测量速度慢，效率低。5、一些工件内圆角较小，可能用探头无法测量。6、对于复杂的三维曲面，用球头测量曲面修正较困难。7、接触式探头与工件接触力大小及探头变形会对测量结果有影响。非接触式测量系统1、不必做探头半径修正：激光光点位置即为工件表面位置。2、测量速度非常快速：不必像像接触探头逐点进行量测。3、软工件、薄工件、不可接触的高精度工件可直接测量。1、测量精度较低，因非接触式探头大都为光光位置传感器来检测，目前精度不高，均为=0.02mm。2、易受颜色及曲率限制，因非接触式探头大。多以光反射或光散射方式获得信号，故易受工件表面的反射性影响。3、杂音信号的处理，光位置传感器易受环境光线及杂干涉，故杂音信号较高。4、非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取样，对边缘测量，凹孔测量等均难以处理。2.2.2 三坐标仪测量法三坐标仪统称为坐标测量机CMM(Coordinate Measuring Machine)，是一种典型的三维几何量精密测量设计。在测量过程中，将被测物体置于三坐标机的测量空间，由计算机控制着测头以一定测量力接触被测工件表面，并按规定的方向运动。同时启动数据采集软件，计算并存储测头在测量机坐标系中所处的瞬时位置、探针接触被测工件的方向等，当被测工件表面全部数据采集完毕，即被测工件己全部数字化后，计算机启动数据处理软件进行测头检验及坐标系转换等处理，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。2.2.3 三坐标测量机原理三坐标测量机是一种高效率的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于生产发展的需要，即高效率加工机床的出现，产品质量要求进一步提高，复杂立体形状加工技术的发展等都要求有快速、可靠的测量设备与之配合；另一方面也由于电子技术、计算机技术及精密加工技术的发展，为三坐标测量机的出现提供了技术基础。经三十多年的发展，它不但能测绘形状复杂的轮廓，而且能直接为数控绘图机和数控机床制备数控纸带，成为一种模型量数字化的转换设备，从而越来越被人们所重视。2.2.4 三坐标测量机的结构和系统作为一种侧量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并且将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器(标尺)，利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外，测量机还具有数据自动处理和自动检测等功能，需要由相应的电气控制系统与计算机软件硬件实现。具体结构和系统如下图2-1所示：CMM测量主机显示装置接口计算机主机3D测量头终端绘图仪打印机键盘伺服控制图2-1 三坐标测量机的结构和系统三坐标测量机的结构(如下图2-2)的主要组成部分有测头、台面、轨道、测长装置及计算机等。三坐标测量机一般都具有互成直角的三个测量方向，水平纵向运动为x方向(即X轴)，水平横向运动为Y方向(即Y轴)，垂直运动为z方向(即z轴)。测头通常装有10到5个端部为球形的探针。x，y，z三个坐标方向上的三组导轨相互垂直并可做相对运动，载有工件的台面和测头分别装在不同的导轨上，因此测头可相对工件做空间三维运动。每组导轨上均有计量测头在坐标系中所处三维坐标值的测长装置。三坐标测量机分为主机、测头、电气系统三大部分：1）主机(1)框架结构指测量机的主体机械结构架子。它是工作台、立柱、桥框、壳体等机械结构的集合体。(2)标尺系统重要组成部分，包括线纹尺、精密丝杠、感应同步器、光栅尺、磁尺及光波波长及数显电气装置等。(3)导轨：实现二维运动，多采用滑动导轨、滚动轴承导轨和气浮导轨，以气浮导轨为主要形式。气浮导轨由导轨体和气垫组成，包括气源、稳压器、过滤器、气管、分流器等气动装置。(4)驱动装置：实现机动和程序控制伺服运动功能。由丝杠丝母、滚动轮、钢丝、齿形带、齿轮齿条、光轴滚动轮、伺服马达等组成。(5)平衡部分：主要用于Z轴框架中，用以平衡Z轴的重量，使Z轴上下运动时无偏重干扰，Z向测力稳定。(6)转台与附件：使测量机增加一个转动运动的自由度，包括分度台、单轴回转台、万能转台和数控转台等。图2-2 三坐标测量机基本结构2）三维测头三维测头即是三维测量传感器，它可以在三个方向上感受瞄准信号和微小位移，以实现瞄准和测微两项功能。主要有硬测头，电气测头、光学测头等。测头有接触和非接触式之分。按输出信号分，有用于发信号的触发式测头和用于扫描的瞄准式测头、测微式测头等。3）电气系统(1)电气控制系统：是测量机的电气控制部分，具有单轴与多轴联动控制、外围设备控制、通信控制和保护与逻辑控制等。(2)计算机硬件部分：包括各式PC机和工作站。(3)测量机软件：包括控制软件与数据处理软件。可进行坐标变换与测头校正，生成探测模式与测量路径，还用于基本几何元素及其相互关系的测量、形状与位置误差测量、齿轮、螺纹与凸轮的测量、曲线与曲面的测量等，具有统计分析、误差补偿和网络通信等功能。(4)打印与绘图装置：根据测量要求打印出数据、表格、绘制图形等。2.2.5 工件坐标系和机器坐标系三坐标X，Y，Z等轨在三个坐标方向相互垂直，并可相互运动。被侧零件置于三坐标工作台上，由于工件的基准面的摆放不可能与机器坐标完全一致，其次，为了计算工件各几素元素的公差，还需要建立子坐标系。为了准确量和计算工作的几何元素，每次测量时都必须建立工件坐标。因此，工件坐标系的测量点在不同坐标系之间的转换，是三坐标测量和计算中最基本的运算。 图2-3 工件坐标系和机器坐标系如图2-3所示，测量机的三个坐标轴X，Y，Z构成机器坐标系MCS，为描述被测零件的几何元素位置，建立工作坐标系WCS。工作坐标系WCS中的某点口可写成三维列向量，该点在机器坐标系MCS中也可用只维列向量口表示，即：分别表示同一点在两个坐标系WCS和MCS中的坐标。工作坐标系WCS相对机器坐标系MCS的位置和方向(位置)可用坐标变换来表示，WCS的坐标原点的位置向量为：WCS的x轴、y轴和z轴方向的单位向量分别为：根据点在工件坐标系WCS中的位置，求其在机器坐标系MCS位置，可用坐标变换公式：公式（2-1）相当于旋转变换和移动变换的复合。变换前后的坐标关系为：公式中，是，的一次项(齐次)和非齐次项，之和，一次项的系数表示旋转变换，非齐次项则代表移动变换。2.2.6 三坐标测量机的测头系统以及测头补偿三坐标测量机的测量系统主要部件是测量头。三坐标机的精度、功能和效率受测头的影响很大。三坐标测量头按测量方法的不同，可以分为接触式和非接触式两种，按结构分又有机械式、光电式和电子式三种。目前用得比较广泛的是电感式测头。(1)触发式测头特点及测头半径补偿图2-4 软测头结构原理：目前普遍使用的是软测头（如图2-4）它是NC技术发展的产物。这种测头的出现，划时代地促进了机动型、NC型和CNC型的发展。其大量使用的是开关式发讯测头，该类测头品种类型很多。这类测头的作用原理是当测头触球与被测工件接触时。向测量主机发出采样脉冲信号，通过测量主机定位系统锁存此时测头触球球心的三个坐标值，以此来确定触球与工件接触点的坐标。这类测头由于其固有结构的制约，存在“各向异性”、“开关行程”、“开关行程分散性”、“复位死区”等误差。尽管人们想尽办法，提出多种改进方案去减少各自误差，但效果并不明显，而且往图2-4往顾此失彼。半径补偿特性：这类测头由于工作原理的限制，在对复杂曲面测量中还会产生原理性不定系统误差，如图2-5所示。在对复杂表面进行触测时，触测起始方向与轮廓接触点法线方向不可避免地存在着一个触测角a。触测时，CMM在接到测头发出的信号脉冲时，锁定的是触球球心的坐标值，而我们想测得的是曲面轮廓L实际触测点的坐标:在把球心坐标换算成实际触测点坐标时，要修正触球半径r的影响。当触测角a=0时，这种修正是容易的，只要减掉触球半径;在各坐标轴上的投影就可以得到实际触测点坐标了。但绝大多数情况是a不等于0，并且不知其值的大小，此时，我们只能得到计算测量点的坐标，因而产生如图2-5所示的t与n的误差。t=r sin a,n=r(1-cos a)。对复杂曲面来讲，由于a的变化是复杂的，因而t和n就是不定的，软件修正也十分困难。这是这类测头难以克服的缺点之一。 图2-5 半径补偿当前采取的一种处理办法是在被测点附近，触测三点，得到一个微分平面，以这个微分平面的法线方向作为触测点的法线方向，从而得到触测角a。这种处理方式，除了测量效率低，软件复杂外，精度也低，特别是当被测表面曲率变化较大时。为了提高求取曲面法线方向的精度，从数学观点看，要把微分平面取得起小越好。但当取得很小时，CMM的定位误差和测头的测微误差，将起明显作用，使求取的微分平面法线方向误差更大。同时测量时间更长。（2）扫描式测头特点及测头半径补偿随着CMM的发展，要求测头能适应高度自动化的测量，并能提供更高重复精度。扫描式测微测头他叫万能三维测头)出现了。这种测头的重复性误差0.1nm，它的出现使CMM的测量精度和自动化效能提高到一个崭新的水平。这类测头的技术关键是能否提供一种无摩擦无间隙的，灵敏度高、运动直线性好的三维微导轨系统。这种三维微导轨系统为平行四边形弹性导轨系统己有多种方案.它们的结构示意图如图2-6所示。图2-6 万能三维测头测头结构:它采用了三层平行四边形弹性导轨形式，每层由两片弹簧悬吊，图中1为X向，2为Y向，3为Z向。由于Z向导轨是水平安放，下面两层的自重将使其向下偏移，故采用三组弹簧加以平衡。可调弹簧8通过上方的螺旋升降机构，靠调整电机5转动螺杆6使螺母套7升降，改变其拉力，用以平衡变换触杆时的重量。弹簧4、9用以平行测头X、部件的自重，以保证轴位移的精确。触杆坐上可以安装五个触杆，即X、Y向各两个，Z向一个，并用快速紧装置锁紧，每个触头都可以进行三向触测，并都有编号。由于测量时是计共同的零点进行触测的，每一个触球都用同一标准钢球标定，然后将其触杆和触球直径值输入计算机，换算成公共零点，存于存储器中，测量时可根据用的触球进行计算。在每层导轨中都设置了电感位移传感器，当触球触测到件时自动发出测头的零位信号或偏差信号，由计算机接收并存储测量数据。测量原理：它在触测工件三个方向的导轨簧片都是放松的，触头触及被表面时，如果不考虑滑动摩擦影响，测量力的方向总是与被测表面触测点的线方向相一致。如果测头的力学特性是各项同性的，那么测头的偏移方向与所受触测力的方向亦即触测点的法线方向是一致的，这个特性可用下式表达：n=x+y+z。其中n为被测表面触测点的法线方向向量，亦即为触球偏球方向向量。X，Y，Z是三个正交的微型弹性导轨所模拟的直角坐标系的轴的方向向量，其模(大小)由各自方向上的传感器给出。这样，只要在安装测时保证CMM的X、Y、Z各轴的方向与测头的x、y、z各轴的方向相一致，则在触测时，触球中心的坐标就被唯一地确定了(X+x，Y+y，Z+z)，又由于此时测表面触测点的法线方向向量n是已知的，如图2-7中触测角也就成为已知的这样，我们从己知的触球中心的坐标来精确求测点的坐标就变得十分容易了。扫描式测头是当今世界上无以轮比最优秀的测头，它使CMM对任意曲测量的计算机软件要简单得多，而触球半径的修正精度(即从己知的触球中心标求取被测表面触测点坐标)又提高许多倍。扫半径补偿特性：扫描式测头具有上述优秀的工作特性，其先决条件是在各坐标轴方向上力学各向同性，否则力合成三角形与运动合成三角形将不是相似三角形，使触球的偏移方向与测量力方向(亦即被测表面触测点法线方向)不重合也带来原理误差。为分析方便，我们先来研究X-Y平面内，X方向与Y方向的情况。X-Z和X-Z平面内的情形是一样的。如图2-7所示：测量力方向就触测点的法线方向，分别为在X方向和Y方向的分力它们组成合成三角形。如果X方向与Y方向导轨的刚度相同(多向同性)，则触球的运动合成三角形与力合成三角形为相似三角形，触测角a相同，如图2-7中所示的Y如果X方向与Y方向导轨的刚度不同，则在，作用下，触球在调方和在Y方向将不按力合成三角形的比例移动。例如，当Y方向的刚度比X方的刚度大时，Y方向位移将减小，如图2-7所示的Y。这时X与Y方向位移的合成位移n(即触球的真正位移)，将不再与触测点的法线方向n一致，从而带来原理误差。测扫描测头的平行四边形弹性导轨.结构和它的先进的工作原理为力学各向同性提供了可能，三坐标测量机在每次开机和更换测头时都对测头的X，Y，Z方向的配重及传感器零位进行教正，因此，能够消除如图2-7所示的这项原理性不定系统误差，使CMM能够高精度高速度地实现对复杂曲面的扫描测量，并且最大程度地消除测头半径的补偿误差。图2-7 万能三维测头半径补偿2.3本章小结本章主要参考了逆向工程的理论基础和关键技术，为后续的设计做好铺垫。第3章 钣金件的测量思路方法和过程3.1 测量的总体思路和主要方法零件数字化对于平面钣金件，即为钣金件轮廓测量，从而获取轮廓数据。目前测量方法和工具多种多样，但各有其优缺点，选择具体测量方法及工具时应根据实际情况而定。由前一章可知，目前测量方法主要有接触式和非接触式之分，接触式测量方法的主要特点是测量精度较高，测速较低;而非接触式测量方法则测速高，测量精度较低。所以在选择测量方法和工具时主要从测速和测量精度两方面考虑。对于精度要求比较高的选用接触式测量方法，对于精度要求较低的大面积实物，则宜用非接触式测量方法。鉴于本例中的反求对象一钣金件有较高的传动精度要求，因此在选择测量工具时，主要以测量精度为主进行选择，如前介绍可知，目前测量精度较高的测量工具为接触式的三坐标测量仪(简称CMM)，所以在本课题中选用CMM对钣金件进行测量。不同的三坐标测量仪其本身的测量精度也不同。精度较高的三坐标测量仪其本身精度可达到，但若计及各种干扰因素，如测量方法、测量环境条件、机器发热、测量人员操作方法及技术等，将导致测量精度很大程度的降低。本人曾咨询过有关测量技术人员，据介绍，仪器本身精度为级的测量工具，如三坐标测量仪，在实际测量时，其精度可能降低为10-2级精度。三坐标测量机(CMM)作为一种高效率的精密测量仪器，广泛应用在机械制造、仪器制造、电子工业、航空和国防各部门。特别适合于测量箱体类零件、模具、精密铸件、汽车外壳、发动机零件、凸轮及飞机型体等带空间曲面的零件。本课题对钣金件测量使用的是由德国Carl Zeiss 的carmet水平臂式。主要指标：定位精度为0.005mm，分辨率为0.001mm。下面简单介绍一下钣金件轮廓的测量思路及方法：用三坐标机测量与常规测量方法对工件几何尺寸和形状进行测量，有很大区别，常规方法一般需独立进行测量，特别是在工件形状的测量中，对工件的调整要求很苛刻，往往比实际测量还费时。如在平板上测量平面度，需要调整被测表面最远三点，使其与平板等高。与常规方法不同的是，三坐标机可同时测量尺寸和形状。三坐标机测量时，把被测对象作为离散点的集合，对不同的被测量对象和要求，通过测量从该集合中采集数目不等的若干离散点以代替该被测对象，经过计算确定被测对象的尺寸和形状。测量件在车辆上安装位置如图3-1所示：图 3-1 测试件安装位置钣金件不同于一般工件，钣金件又钢板冲压焊接而成，所以无需对钣金件全方位测量，只需测量一表面后期添加料后即可。钣金件实行钣金件廓点云扫描反求来得到钣金件的轮廓点云图然后在相关反求工程软件的配合运用下反求出钣金件的轮廓曲线最后得到钣金件轮廓实体和运动规律曲线。对钣金件轮廓进行测量时，主要可分为以下几个步骤：（1）测量前，首先要将探针在标准球上校准，以消除由于环境条件变化所产生的探针半径误差对测量结果的影响。（2）根据钣金件的设计或工艺基准找正钣金件轴坐标系，并把钣金件轴固定在工作台上。测量时只要工件能保持稳定即可，对工件的装夹和调整几乎没有要求。（3）钣金件轴稳定后，及可对其进行测量则最后得到钣金件轮廓的离散数据点坐标值。测量步长越小，获取数据值越多，则实物信息越详细，但费时越多。若测量步长过小，则由于测头本身的测量半径，可能在测量时带入较大的测量误差，所以在测量时应选取合适的测量步长。钣金件轮廓的测量步长主要是根据对精度需要及测量头半径值共同考虑进行选取。（4）钣金件轮廓测量结果的精度主要取决于三坐标测量机的精度，与钣金件轴的放置无关，因而与原始钣金件的实际情况更为接近。（5）测量所得到数据可传到后处理器(如加工中心)，为CAD/CAM提供准确可靠的数据，或将其转换为igs格式文件等再进行其他处理。测量数据值可用直角坐标形式或极坐标形式表示。这里钣金件轮廓的测量数据值主要直角标形式表示，即以X，Y，Z三坐标表示。3.2 测量的过程测量之前首先是对工件的安装放置，上面已经对放置方法进行了分析，放置完成后测量开始。在下面的测量过程中的功能只争对本次测量中运用到的功能和按钮进行了讲解。3.2.1 测头标定在测量时首先我们进行的是测头的标定。对回转体的测量来说， 由于工件形状的原因，很难用一个固定测头完成所有采点。为避免测头与工件的“干涉”，测头的安装部位具有旋转机构，可以自动旋转也可以手动调整测头方位。测杆的长度也是可以改变的。通过在测量过程中随时旋转测头方位和增减测杆长度，可以完成所有位置的采点。这种随心所欲改变的测头状态，必须及时告诉程序，否则测量数据就没法保持统一。所以首先我们要进行的就是测头标定，而且在我们每次转动或则更换测头时都必须进行测头标定。 图3-2 测头校验对话框选择主菜单【测头与坐标系】下的【测头校验】或点击相应图标后得到如图3-2对话框。（1）测头名：是该测头的索引名，可以自己输入任何有实际意义的文字和字符。在打开对话框时，程序首先会自动产生一个缺省名。但是,对于校正的第一个测头,其索引名“Probe0” 不能改变。这是ZCR内部限制的。（2）A , B：是用户可输入的测头方位角，对于使用Renishaw带有转角指示的测座时，可将其角度指示值填入该编辑框内，便于识别。（3）测量值：测头标定的过程就是测球，对球的测量结果显示在这里， 包括球心坐标X,Y,Z； 测尖直径D；测球的形状误差Form。（4）测杆长度：该数据与空间误差补偿有关。测杆长度是指测座的旋转中心到测尖红宝石中心的距离。（5）误差控制：为避免标定误差过大,在这里输入一误差控制值(对应测头直径误差),当测完标准球上的4点后，程序立即计算,并将结果显示至 “测量值” 区域。若计算的误差小于该控制值,则自动完成该测头标定,并退出对话框,在命令行上显示成功提示。若计算的误差大于该控制值，则未完成，需重新采点。3.2.2 阶梯圆柱的测量 其次是圆柱的测量。虽然仪器本身具有圆柱的直接测量方法，但基于本实验的具体情况我们把它分解成了圆的测量、面和距离的测量三项来进行。（1）圆的测量 由于圆是平面元素，测量空间任意方位的圆，需要首先确定圆的投影面。ZCR软件用两种方法之一来确定投影面：一是要求你事先测一个平面(圆端面等)；二是使用你在圆周上测量的前三点自动确定平面。 为提高测量精度，测点应尽量在圆周上分布大一些。点取圆测量图标，或【元素测量】/【圆】；即进入测量窗口。圆的测量对话框如下图3-3所示。元素名称是该线元素的索引名，可以自己输入任何有实际意义的文字和字符。法方向法线方向有两种选择：缺省状态为，用测量的前三个点计算法方向；也可以指定为工作平面，以当前工作平面为基准面。本次测量的法方向都是采用的计算方式。并且前三点的采点顺序应遵循右手准则，以保证法向量的正确朝向。当用测头触测至少三点后, 按下【完成】按钮,即完成一个圆测量。按【连续测量】按钮将进入连续测圆状态，每当测头触测三点后，即自动完成数据处理，不须再操作键盘。图3-3 圆测量对话框在文本窗口和图形窗口上得到的测量结果。 而且在输出文本上，软件会自动列出了圆的中心线坐标和直径及其圆度的测量值、理论值和公差带。同时给出了基准面的方向矢量。（2）平面测量 点取平面测量图标，或选择【元素测量】/【平面】进入测量窗口。平面测量对话框如上图3-4所示。图3-4 平面测量对话框然后操作测量仪器进行面的测量，一个面至少需要测量3个点来确定测量出来的图形如图3-5所示。图3-5 平面测量界面平面的图形表示为多边形， 当测量点为3时是三角形，4点时是为四边形，依此类推。在本次实验中采用的是5点确定面的方法来提高测量精度的。（3）距离的计算距离计算的操作对话框如下图3-6所示： 图3-6 距离计算对话框然后在空间距离的下拉菜单中选择Z方向距离，然后选择先前测量好的圆柱的上下表平面后选择到的元素会出现在选择元素中，而后选择计算就在文本窗口上得到的测量结果如下图3-7所示： 图3-7 数据文本框最后得到整个圆柱的参数即可在制图软件中绘制出图形。3.2.3 钣金件轮廓的扫描选择【逆向工程】下的【点云采集开始】功能, 操纵测量机进行连续采点, 即可在图形域得到点元素. 再按下【点云采集结束】，取消反求采点。在点云的采集过程中应该注意的是点云采集应该尽量保持均匀，而且不能过度密集或稀少这样才能保持测量精度，一次测量尽量保持在一个平面上能为以后扫描曲线提高效率。采集到的点云是标准的AutoCAD 数据, 可以保存为 DWG或DXF格式文件。 在实习单位实施操作如图3-8（a）、（b）所示：（a）（b）图3-8（a）、（b）在实习单位实施操作3.3本章小结本章详细介绍了利用三坐标测量机对钣金件进行信息采集的过程。第4章 数据分析处理计算机模型重构，在本机构中为钣金件轮廓重建，即如何把一系列钣金件轮廓离散数据值重构成钣金件轮廓曲线，这就是曲线拟合问题。曲线拟合，即对测量数据点进行分析、处理，提取有效的数据信息，并将其根据一定方法重新生成曲线。下面分别介绍有关拟合的基本概念和方法。4.1基本概念介绍1）插值插值是函数逼近的重要方法。例如给定函数坟在区间a，b中互异n个点的值堆，i=1，2，n，基于这个列表数据，寻找某一个函数去逼近。若要求在处与相等，就称这样的函数逼近问题为插值问题，称为的插值函数，称为插值节点。也就是说，在n个插值节点处与相等，而在别处就用近似地代替称。在曲线、曲面中最常用的是线性插值和抛物线插值。2）逼近当型值点太多时，构造插值函数使其通过所有的型值点相当困难的。客观上看，由于过多的型值点也会有误差，也没有必要寻找一个插值函数通过所有的型值点。此时人们往往选择一个次数较低的函数，在某种意义上最佳逼近这些型值点。逼近的方法很多，最常用的有最小二乘法。3）拟合拟合并不象上述的插值、逼近那样有完整的定义和数学表示，拟合是指在曲线、曲面的设计过程中，用插值或逼近方法使生成的曲线、曲面达到某些设计要求，如在允许的范围内贴近原始型值点或控制点序列;如使曲线、曲面看上去“光滑”、“光顺”等。4）拟合方法及效果判断光顺是拟合需达到的最终效果，则曲线拟合问题最终可归结为型值点曲线的光顺问题。在此较为系统地介绍有关光顺的基本概念和方法。其中包括曲线光顺的基本问题和曲线的光顺处理及判断。关于曲线光顺处理，需要解决两个基本问题：（1）什么样的曲线是光顺的，即光顺准则如何定义；（2）对于不光顺的曲线，采取何种光顺处理方法。什么样的曲线是光顺的?直观上来看，直线、圆弧、平面、柱面、球面等简单几何形状是光顺的，如果一条曲线拐来拐去、有尖点或许多拐点，或一张曲面上有很多皱纹、凸凹不平，则认为这样的曲线和曲面是不光顺的。此外，在船体数学放样中，通常认为在插值于给定型值点的所有曲线中，通过这些型值点的弹性木样条或弹性薄板是最光顺的，但很难给光顺下一个准确的定义，光顺性仍然是一个模糊的概念，这是因为光顺性涉及几何外形的美观性，难免受主观因素的影响，此外，在不同的实际问题中，对光顺性的要求也不同。因此，迄今为止对光顺性还没有一个统一的标准，在不同的文献中对光顺准则有不同的提法。但光顺性也有其客观性的一面，不同的文献中对光顺准则的提法虽有差异，但是有很多共同点。对于平面曲线，有如下的光顺准则：二阶参数连续(C2连续)，没有多余拐点，曲率变化较均匀，应变能较小。以上所讨论的都是局部光顺准则。需要说明的是，上述光顺准则仍然只是对平面曲线光顺性的一个大概的、定性的描述，在实际使用时还需对其作定量的描述。此外，不同的光顺方法中，所采用的光顺准则也不尽相同。4.2 数据处理4.2.1 钣金件原始扫描曲线的建立（1）在PTC中创建一个零件模块的新文件然后然后选择【插入】【独立几何】命令。（2）选择【插入】【共享数据】【自文件】命令。打开测得的钣金件轮廓点云图得到如图4-1（a）、（b）（c）、（d）所示的点数据图。（3）选择【编辑】【投影】命令。（4）在操控板中单击【参照】按钮，选择投影类型为“投影草绘”。（a）（b）（c）（d）图4-1 （a）、（b）（c）、（d） 钣金件轮廓扫描点云（5）单击【定义】按钮，选择基准平面TOP作为草绘平面，选择基准平面RIGHT作为Top参照平面，单击鼠标中键进入草绘器得到的点云投影图。（6）在草绘平面下运用创建样条曲线对投影点进行手动拟合，绘制出钣金件轮廓曲线然后运用【拉伸】按钮得到钣金件实体。4.2.2 复制扫描曲线创建型曲线（1）选择【插入】【独立几何】命令。（2）选择【几何】【曲线】【自由线】命令。（3）在【自动】菜单选择【点数目】命令。（4）系统提示：输入每条曲线必须有的点数目，输入12（5）选择钣金件轮廓曲线，单击鼠标中键即可得到型曲线。然后点击按钮完成。4.2.3 修改型曲线无论通过那种方法得到的型曲线，在大多数情况下，其效果都不是非常理想，还需要对其进行修改。可以通过下列方法之一来修改曲线：用曲线的控制多边形扭曲曲线；用曲线的型点扭曲曲线；将曲线拟合至指定的参照点。在本课题中，对凸轮轮廓曲线进行拟合时采用的主要是拟合选项修改曲线的方法，用曲线的控制多边形修改和用型点修改曲线作辅助方法。用拟合选项修改曲线的具体操作步骤如下：（1）单击按钮。（2）选择型曲线，弹出“修改曲线”对话框。（3）在“修改曲线”对话框中单击按钮。（4）在“精度”文本框中输入精度值。（5）要使用默认设置拟合曲线，可单击【拟合】按钮。（6）也可以设置参照点。要增加参照点，可以单击“参照点设置”选项组中的【添加参照点】按钮，并从该选项组的下拉列表框中选择其中之一：选取原始数据点作为参照；单击选取单个点作为参照；选取一基准点阵列作为参照。（7）在重新定义参照点是，选中“显示”复选框可以显示当前参照点。（8）单击选择箭头并选取参照点。（9）在“参照点设置”选项组中单击【删除参照点】按钮，并从该选项组的下拉列表框中选取其中之一：删除所有的点；删除选择的的单个点；删除选择的单个点；删除选择的基准点阵列。（10）单击选择箭头并选取参考点设置参考点。设置参照点后，可单击【拟合】按钮来再次拟合曲线。（11）使用“诊断”选现列表来启用所选分析的动态显示。（12）通过“约束”选项列表为边界增加约束条件。（13）单击按钮完成当前的修改，继续修改型曲线上其他点的位置。（14）单击按钮完成对该型曲线的修改。曲线的拟合效果主要由曲线的曲率图来初步判断，参考前述平面曲线拟合效果的判断方法，若曲线曲率图分布较均匀，没有多余拐点，则认为拟合曲线较光顺。曲线拐点数目的判断只能通过参考实物形状及拟合曲线曲率变化情况，进行比较分析而定。通过多次拟合分析后发现在钣金件轮廓曲线的修改中当拟合精度应从大到小逐渐提高时，曲线的拟合效果和光顺效果会越来越明显。所以曲线拟合时，在满足曲线光顺及保持曲线原始形状信息的条件下，尽可能选择较小的精度值，这样可以减小钣金件轮廓的反求误差。同时菜单中的其他曲线修改方式也可以示具体情况而定，在曲线拟合完成后运用其对曲线进行进一步的修改，如移动某一点的位置，对曲线进行局部的光顺，或改变曲线的斜率，曲率等，最终得到理想的钣金件轮廓曲线。钣金