（化工过程机械专业论文）三坐标测量数据预处理系统20的研究与开发.pdf

浙江大学硕士学位论文内容摘要 内容摘要 逆向工程c a d 技术一般以三坐标测量设备的输出数据为原始信息来源，并 咀此为基础完成产品的建模和制造。然而，受被测产品的定位、尺寸、障碍处 理、表面物理属性、变形等因素的影响，三坐标测量数据不能直接用于逆向造 型。因此，逆向工程中的一个重要环节就是三坐标测量数据的预处理。 目前流行的c a d 系统具备一定的数据预处理功能，如：去除明显噪音点、对 称基准重建、重定位整合等。但是，由于该类软件并非钊对逆向工程而开发， 因此在预处理时，不能很好地满足产品逆向造型的需求，主要表现在三个方面： 一、缺少专用模块，操作步骤复杂：二、模块功能不全，处理能力有限；三、 过多依赖人工，无法保证精度。 为了提高后续开发的产品质量，结合在该技术领域积累的丰富经验，我们 研究开发了一个专用的三坐标测量数据预处理系统，其主要功能如下： ( 1 ) 数据转换。根据c a d 系统的通用数据交换标准，i g e s 格式，实现了多种 类型三坐标测量机与c a d c a m 系统的数据双向交换。 ( 2 )数据整合。将多次重定位测量下的数据整合在一个坐标系中。由丁二整合的 过程基于刚性变换的原理，因此避免了因重定位而引起的扭曲变形。 ( 3 )数据处理。利用转换矩阵，实现了产品对称基准的无误差积累重建，有效 地控制了重建的精度；根据产品变形的五种基本形式，实现了产品变形的 软件矫正。 ( 4 )数据保存。为了便于操作人员对产品特征的判断，输出到屏幕的只有轮廓 点，但在最后的保存阶段，独特的保存机制将根据对轮廓点的处理结果对 扫描点进行同步处理。 实践表明，通过对该系统的使用，三坐标测量数据预处理的效率和质量都 有明显提高。 关键字：三坐标测量数据转换整合变形矫正 浙江大学硕士学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t g e n e r a l l y , i nt h ec a dt e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，d a t ac o m ef r o mt h e t h r e ec o o r d i n a t e sm e a s u r i n gm a c h i n e ( c m m ) a r et h es o u r c eo f o r i g i n a li n f o r m a t i o n ， a n dt h em o d e l i n ga n dt h em a n u f a c t u r eo ft h ep r o d u c t sa r eb a s e d0 nt h e m h o w e v e r , c m md a t ac a nn o tb eu s e dd i r e c t l yi nt h em o d e l i n gb e c a u s eo ft h eo r i e n t a t i o n ， d i m e n s i o n ，o b s t r u c t i o nh a n d l i n g ，s u p e r f i c i a lp h y s i c a lp r o p e r t ya n dd i s t o r t i o no ft h e p r o d u c t sb em e a s u r e ds o ，p r e h a n d l i n go ft h ec m md a t ai so n eo ft h em o s t i m p o r t a n ts t e p si nr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h e p r e s e n tp o p u l a rc a ds y s t e m sc a l ld e a lw i t hc m m d a t at os o m ee x t e n t ，s u c h a s id e l e t en o i s yp o i n t s ，r e b u i l ds y m m e t r i c a lb e n c h m a r k ，d a t ac o m b i n a t i o n b u t ，s i n c e t h es o f t w a r e sw h i c hh a v es u c hf u n c t i o n sa r en o tb ed e v e l o p e df o rr e v e r s ee n g i n e e r i n g s p e c i a l l y ，t h e yc a n n o tm e e tw i t ht h en e e d so fr e v e r s em o d e l i n gn i c e l y t h em a i n r e a s o n sl i ea s ：f i r s t ，l a c ko fs p e c i a lm o d u l ea n di sh a r dt oo p e r a t e ；s e c o n d ，m o d u l e f u n c t i o n sa r ei n c o m p l e t ea n di t s c a p a b i l i t i e sa r el i m i t e d ；t h i r d ，r e l yo nw o r k e r st o o m u c h ，c a n n o te n s u r et h ep r e c i s i o n s s o ，w eh a v ed e v e l o p e das p e c i a lp r e h a n d l i n gs y s t e mf o rc m m d a t ab a s e do n d e e ps t u d y f o l l o w sa r et h em a i nf u n c t i o n so fo u rs y s t e m ： ( 1 ) d a t at r a n s f o r m i m p l e m e n tb i l a t e r a ld a t ae x c h a n g eb e t w e e ns e v e r a lk i n d so f c m ma n dc a d c a ms y s t e m s ( 2 ) d a t ac o m b i n a t i o n ，c o m b i n a t et h ed a t aw h i c ha r e i nt h ed i f f e r e n tc o o r d i n a t e s y s t e m si n t oo n ec o o r d i n a t es y s t e m ( 3 ) d a t ap r o c e s s i n g a u t o m a t i cf i n dt h es y m m e t r i c a lb e n c h m a r k so ft h ep r o d u c t s ； s o f t w a r er e c t i f i c a t i o no f t h ed i s t o r t i o n so f t h ep r o d u c t s ( 4 ) d a t as a v i n g a tt h ed a t as a v i n gs t e p ，t h es c a nd a t aa l s oc a nb es a v e da f t e rb e i n g p r o c e s s e di nl i n ew i t l lt h ep r o c e s so f o u t l i n ed a t a p r a c t i c es h o w st h a tt h ee f f i c i e n c ya n dt h eq u a l i t yo fp r e h a n d l i n go fc m m d a t aa r ei m p r o v e do b v i o u s l yb yu s i n go u rs y s t e m k e y w o r d ：c m md a t at r a n s f o r mc o m b i n a t i o n r e c t i f y i n g 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 内容提要：叙述了逆向工程在产品开发中的重要地位，及其关键技术和 应用领域；研究了当前三坐标测量数据预处理中存在的问题；总结了三 坐标测量数据预处理系统1 ，0 版( 即，p r e - h a n d l i n gs y s t e mf o rc m md m a - 1 0 ，简写为p s c d - 10 ) 的开发现状和不足：指明了本论文的选题意义 和主要工作。 1 1 引言 1 1 1 产品的开发模式 在生活水准与消费能力日益提高的今天，只有高品质与少量多样的产品才 能获得消费者的青睐，因此，如何缩短时间将产品制造出来，已成为现代每个 工程师必备的技巧。 长久以来，传统的工业产品开发都遵循严谨的研发程序，从功能的确认与 规格的制定开始，来构思产品的零部件需求，再出各个组件的设计、制造以及 检验零部件组装、检验全机组装、性能测试程序来完成。这种开发模式可称之 为顺向工程( f o r w a r de n g i n e e r i n g ) 【l 】，它适用于比较规则的解析外形零件的模具 设计。 然而，随着工业技术的提升，任何通用性产品在消费者高品质的要求下， 功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。产品不单要求在功能上先 进，其外观造型也必须能吸引消费者的注意，在近年来3 dc a d 软件的带动 下，工业设计( c a d ) 的领域已逐渐受到重视口j 。 工业设计多着重于产品的外观造型，在顺向工程的流程中已不是传统的机 械工程师所能胜任，取而代之的是所谓的“逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) ”。 目前，大多数有关“逆向工程”问题的研究都集中在几何形状，即重建产品实 物的c a d 模型方面，在这一意义下，“逆向工程”可定义为：“逆向工程”是 与将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。 实际上任何产品的问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科 学、技术的继承和应用借鉴，逆向工程在只有产品原型或实物模型的条件下， 对产品零件进行生制造，它和传统的仿制技术的最大区别在于：逆向工程通过 重构产品零件的c a d 模型，可对原型进行修改和再设计，以达到设计创新、产 品更新的目的；而仿制是最低层次上的逆向。因此，逆向工程技术是消化、吸 收先进技术，进行新产品开发、设计和创新的重要技术手段。对于具有复杂见 曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要设计方式，如汽车、摩托车的外形 覆盖件等。 图1 1 是对顺向和逆向两种开发模式的比较： 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 图1 1 顺向工程与逆向j 二程 1 1 2 逆向工程及其关键技术 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代后期出现在先进制造领域里的新技术【j j 。 最初，日本人应用逆向工程对竞争对手的产品进行改进，以便避开艰苦的 原型设计阶段。所谓再设计过程，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行 初始化，然后，拆开产品，逐分析单个零件的组成、功能，装配公差和制造 过程。进行这些处理的目的，就是要完全理解产品的制造过程，并以这种理解 为基础，生产出更好的产品。 最近几年，为了缩短开发周期，美国和欧洲已经逆向设计了一些强有力的 逆向工程处理和开发工具。这些工具与一些国家的工业发展相关联。在这些国 家里，产品工程师机临着直接通过样品对零件进行再生产的问题。制造用于旧 设备的备件、旧工具的复制品或者对外国许可证的产品进行再设计，从而提供 个全新的外观，所有这些，都是成功采用逆向工程的范例。强大的逆向工程 处理专业软件，正赋与逆向工程新的意义。现在，应用计算机采集零件的几何 尺寸，用3 d 形式显示出来，能够方便地进行设计和修改，还可以测试它的工程 性能，对其加工和检测周期进行仿真。 在逆向工程中，首先对产品( 物理模型或原型) 进行数字化，然后利用 c a d 系统得到产品的c a d 模型，再根据设计与制造的具体约束，最后派生出定 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 义的产品或新的产品嗍。其开发流程图如图1 2 ： 图1 2 逆向工程中的产品开发 逆向工程技术主要涉及以下三个方面【5 j ： ( 1 ) 产品原型数据获取技术 在r e 技术中，c a d 模型数字化是最为关键的一步。只有获取正确的测量数 据，才能进行误差分析和曲面比较，并进一步实现c a d 建模和曲面重构。 数字化设备主要分为接触式和非接触式两大类：非接触式是随着近年来光 学和电子元件的广泛应用而发展起来的。由于其测量过程是利用光学方法进行 的，从而对被测物体的表面提出了定的要求。表面反光或全黑的物体都不适 合于光学方法进行测量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技 术来保证测量的顺利进行。非接触测量一般具有较高的测量速度，不会划伤被 测零件。三坐标测量机( c m m ) 是接触式数字化设备的典型代表，和非测量方 法相比，c m m 虽然在数字化速度上比较低，但是它具有较高的测量精度，在要 求的数字化精度范围内，选用不同精度的数字化设备将影响到重构c a d 模型时 拟合曲面所采用的方法m j 。 ( 2 ) 曲线和曲面的光顺处理 大多数逆向工程软件所产生的曲面的质量都依赖于两个因素，即，模型或 被扫描部件的质量和数字化数据的质量。在实际生产中，这两方面通常都达不 到现有的质量水准。由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信 息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺处理。光顺是一个工程 概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数 学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线；而顺跟是人的主观感觉评价。对于 平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线连续、没有多余拐点、曲率变化均 匀。在逆向工程设计中，曲线的光顺调节十分重要。扫描或拟合得到的曲线一 般很难保证其光顺性，为了构造一条光顺的插值曲线，需要修正原型值点的序 列，利用软件的相关功能模块进行调节。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 零件原型测量数据的分割 物体表面测量数据的分割方法一般可以分为两类，一类是基于边界分割 法，一类是基于区域分割法。其中，基于边界的分割法首先估计出测量点的法 向矢量或曲率，然后根据将法向矢量或曲率的突变处判定为边界的位置，并经 边界跟踪等处理方法形成封闭的边界，将各边界所围区域作为最终的分割结 果。由于在分割过程中，只用到边界局部数据，以及存在微分运算，因此这种 方法易受到测量噪声的影响，特别是对于型面缓变的曲面，该方法将不再适 用。基于区域的分割法是将具有相似几何特征的空间点划为同一个区域，由于 这种方法分割依据具有明确的几何意义，因此是目前罗为常用的分割方法。 1 1 3 逆向工程的应用”1 在制造业领域内，逆向工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实 物模型转换为c a d 模型： ( 1 ) 尽管计算机辅助设计技术( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能日益 强大，但目前还无法满足些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土 或泡沫模型代替c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换 为c a d 模型。 ( 2 ) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价， 最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算 得到美观的真实尺寸的c a d 模型。 ( 3 ) 由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能 完全由c a e 来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形式，如在模具制造 中经常需要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将 最终符合要求的模具测量并反求出其c a d 模型，在再次制造该模具时就可运用 这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具 制造成本。 ( 4 ) 目前在国内，出于c a d c a m 技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的 情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用 c a d c a m 技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为c a d 模型，继而在 c a d 模型基础上设计模具。 ( 5 ) 艺术品、考古文件的复制。 f 6 ) 人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。 ( 7 ) 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需 首先建立人体的几何模型。 ( 8 ) 在r p m ( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e ，快速原型制造) 的应用中，逆 向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原型产 品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多 次迭代可使产品完善。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 1 2 数据预处理 逆向工程中的测量数据量大，扫描的数据点可达数十万，而且扫描的数据 点具有离散性。为了有效地利用这些测量数据进行c a d 建模，必须对数据点云 进行必要的预处理。 数据预处理的目的是为了获得正确的数据信息，生成相应格式的数据文件 ( 女n i g s 、d x f 、v d a 、u g 格式、c i m a t r o n 格式、p r o e 格式等) 并与u g 、p r o e 、 c a t i a 等著名工程软件进行数据交换，以便用它们进行3 d 模型重构瞵j 。 1 2 1 数据管理 1 2 1 1 数据格式转换 最新的三坐标测量机带有通用的数据转换处理器，能将测量数据转换为 c a d c a m 系统所能识别的i g e s 格式，但此类数据转换程序仅仅适用于该类型 的测量机和某一固定型号的c a d c a m 系统，而且转换功能单一，往往需要逐 个输入待转换的测量数据文件名，转换完成的i g e s 文件中所有的空间点往往处 于同一图层，空间点显示颜色单一，给产品造型工作带来困难。而且，目前我 国企业使用的三坐标测量机大多未更新换代，为配合c a d c a m 的使用，需要 自己设计数据转换程序。 针对以上问题，在分析多种测量机输出数据格式和各种c a d c a m 系统所 识别的i g e s 格式的基础上，实现了测量机数据文件转换为i g e s 格式文件的转换 接口。该接口适用于目前市场上流行的各种接触式测量机和各类c a d c a m 系 统，并满足于数据格式的逆转换。同时，为了识别不同类型的测量数据，提供 了i g e s 数据自动分色分层的功能。 1 2 1 2 数据同步保存 多数情况下，要识别一个产品的特征，只需要观察它的轮廓线。例如，观 察一个长方体时，其轮廓线内的表面点数据完全可以不考察。由于本项目的目 标是对产品的特征进行处理，所以，没有必要考察轮廓内部点( 称为扫描点) 。 特别是对于具有复杂轮廓的产品，如果将所有的数据点都输出到屏幕，显示的 结果会十分繁杂，不利于观察和处理特征。 比较好的解决方案是只输出必要的轮廓点，然后记录对轮廓点的处理过 程，在最后保存处理结果的过程中，对未输出屏幕的扫描点进行同步处理。 1 2 2 数据处理 1 2 2 1 重定位整合 在产品的外形测量过程中，往往不能在同一坐标系将产品的几何数据一次 测出。其原因主要有：一、产品尺寸超出测量机的行程；二、测量探头没能触 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 及产品的反面：三、产品补测时的重定位。这时就需要在不同的定位状态 ( 即，不同的坐标系) 下测量产品的各个部分，称为产品的重定位测量。在造型 时，需要将这些数据变换到同一坐标系中，这个过程称为重定位数据的整合。 对于复杂或较大的模型，测量过程中常需要多次定位测量，最终的测量数据就 必需依据一定的转换路径进行多次重定位整合，把各次定位中测得的数据转换 成个公共定位基准下的测量数据。 1 2 2 2 变形矫正 由于原型产品变形、装夹定位和测量的误差，经三坐标测量后得到的数据 已经不能正确反映产品的几何形状。 在所有的误差中，以产品变形引入的误差最大，也最难解决。目前针对这 些变形的解决方法多是通过简单的装夹矫正，其具体步骤为： ( 1 ) 确定基准点，将产品装夹在测量平台上： ( 2 ) 观察产品外形，矫正变形区间( 对某些工件，需制作专用夹具) ； ( 3 ) 测出当前定位状态下的产品数据，如果不能一次得到所有数据，则进行 多次重定位测量； ( 4 ) 将测量数据导入c a d c a m 软件，检验矫正结果； ( 5 ) 若检验不合格，重复2 4 步操作，直到满意为止。 由上面的矫正步骤可以看出装夹矫正的缺点有： ( 1 ) 视变形情况，需进行多次重复测量，测量数据的利用率低； ( 2 ) 装夹矫正的能力有限，不能完全消除变形，而且可能引入新的变形： ( 3 ) 对于某些产品，需要定制特专用的夹具，增加了生产成本； ( 4 ) 矫正与检测在两个系统中，非“所见即所得”，矫正效率较低。 因此，装夹矫正不能很好地满足实际需要，特别是对于那些精度要求比较 高的产品。于是，我们提出改进方案，其步骤如下： ( 1 ) 确定基准点，将产品装夹在测量平台上： ( 2 ) 测出当前定位状态下的产品数据，如果不能一次得到所有数据，则进 行多次重定位测量； ( 3 ) 测量数据输出至三坐标测量数据预处理( p r e - h a n d l i n gs y s t e mf o rc m m d a t a ，简写为p s c d ) 系统，矫正与检测交互进行，直至满意为止。 在改进方案中，最烦琐的装夹和测量步骤只进行一次，而且软件矫正不存 在外力约束，因此可以提高矫正的效率和质量。 1 2 2 3 对称基准重建 逆向工程中涉及到的多数产品都具有对称特性，在产品设计过程中，设计 人员通常是先构建一个对称基准( 轴或平面) ，然后完成对称特征的二维绘图或 三维造型。 对称基准是产品最基本的几何特征之一，但在设计和制造过程结束后，产 品的基准信息往往不能在产品上被直接准确地反映出来。对实物测量造型而 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 言，基准需要通过测量数据进行识别和重构，如果单纯地对测量点进行曲面拟 合来得到产品数据模型，则由于原型产品制造、测量及造型的误差，得到的最 终模型不能确保其对称性。 因此，对具有几何对称特征的产品，模型重建的方法应是先重建对称基准 面，造型时完成产品的一半模型，然后通过对称平面镜像得到实物另一半模 型，这样重建的模型具有完全对特的特性。 在逆向工程中，现有的c a d c a m 软件均未提供专用的功能用于对称基准 重建。因此，重建工作完全依赖于造型人员手工进行。工作的基本方法是依靠 对特征对称轮廓线的各向视图反复作镜像比较，据此予以相应调整，同时记录 下调整过程。当完成对特征对称轮廓线的对称基准重建时，以记录下的调整过 程作用于其它的测量数据，从而实现所有测量数据的对称基准重建。但由于原 型产品在加工制造过程中有误差，测量过程中存在装夹变形、测量误差等，这 些都将引入复杂的不对称因素，给对称基准重建工作造成极大的困难。 鉴于此，针对不同的精度要求，设计开发出手工重建基准的方法。为配合 该方法，专门设计了一个重建工具箱，以方便地实现测量数据空间变换、空间 镜像比较，极大地简化了重建过程，并能达到满意的重建精度。 1 3 p s c d 一1 0 的开发现状与问题 p s c d 1 o 是在w i n d o w sn t 9 8 的平台上，采用v i s u a lc + + 6 0 开发完成 其实现的基本功能如下： ( 1 ) 数据格式转换 多对多转换，且适用于各种型号的测量机和各；种c a d c a m 软件； 自动规范文件存放，按照不同的数据格式( 测量数据格式、中间数据 格式、i g e s 数据格式) 以及不同的产品和部件的数据，自动实现文件的分 类存放； 按测量数据类型( 如边界线、扫描线等) ，i g e s 数据自动分色分层， 使逆向造型更为方便； 数据格式的逆向转换，即i g e s 数据向测量数据的转换。 ( 2 ) 重定位整合 根据三点定位原理，利用刚性变换矩阵，将多次定位下的测量数据整合以 一个坐标系中。整个变换过程为刚性变换，产品不会发生扭曲变形。系统 根据文件命名规则，搜索和建立路径，全自动完成重定位整合。 ( 3 ) 对称基准重建 通过功能重构，提供专门的手工对称基准重建工具箱，有效控制误差的积 累，并在此基础上实现对称基准的自动重建。 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 p s c d - 10 的界面友好，各种功能搭配台理。此外，由于该系统规模较小， 系统中传输的数据类型较少，同时也为了保证软件开发的可靠性，它采用挂接 式结构，即，将系统的核心算法部分按功能分成若干个模块，系统运行到某一 阶段时就调用相应的功能模块。其总体结构如图1 - 3 所示： 图1 - 3p s c d 1 0 总体结构图 p s c d io 的运行情况良好，其三大功能，即，数据转换、重定位整合、对 称基准重建，已经完全满足逆向工程的造型需要。但是，做为三坐标测量数据 预处理的第一代产品，还存在着以下的几点不足： ( 1 ) 由于该系统的开发平台是w i n d o w s ，因此在显示图形时，只能以二维视 图显示。作为三维图形的处理软件，这种局限的弊端十分明显。通常，在 w i n d o w s 平台上开发三维图形软件十分困难，所以，有必要选择种不 同的开发工具，以实现图形的三维显示。 ( 2 ) 部分功能不符合人机工程。如，为了观察图形的轮廓，常常需要对视图进 行平移操作，而该系统在设置时， 位，因此当产品的轮廓较大( 如， 取绝对值2 0 r a m 作为视图的移动时的单 2 m ) 或较小( 如，2 0 m m ) 时，会出现 浙江大学硕士学位论文第一章绪论 移动“缓慢”或“飞快”的现像。 ( 3 ) 部分内部程序编写不合理，导致程序运行速度缓慢。如，轮廓点在显示 时，是调用w i n d o w s 中绘制圆的函数来完成的，因此，如果屏幕上有 5 0 0 0 个点，当这些点在视图上有移动，需要刷新时，系统就要调用5 0 0 0 次 绘制圆的函数。无疑，这将增大系统的负荷，在屏幕上直接表现为轮廓点 的闪烁。 ( 4 ) 不合理的系统内存分配，导致系统的处理能力有限。为了方便编写程序， p s c d 一1 o r 用静态分配内存的方式，即，在程序运行的初始化阶段，就必 须确定最大的读入轮廓点数( 本系统取为2 0 0 0 0 个点) 。这种静态分配的优点 是编写方便，程序运行可靠：但是，它的缺点同优点一样明显，即，降低 了系统的处理数据时的效率和能力：多数情况下，读入的点数不足1 0 0 0 0 个，会浪费宝贵的内存资源；而当读入的点数超出时，系统又不能正常工 作，限制了系统的处理能力。 ( 5 ) 由于原型产品变形、装夹定位和测量误差等，经三坐标测量后得到的数据 有时已经不能正确反映产品的几何形状，因此需要对这种产品的数据进行 变形矫正，但是p s c d 1 o 中并没有提供这一重要功能。 1 4 本论文的选题意义和主要工作 1 4 i 选题意义 现在所采用的先进制造方法是将产品设计、机构性能分析、n c j 3 h 工及三维 检测等过程融为一体，即根据制造厂商接受的工件型面数据，计算机完成设计 并自动生成n c 指令，通过n c 机床完成产品的制造。这种借助n c 机床和三坐标 测量机不离开加工中心就可以实现产品尺寸精度检测的方法，可以大幅度缩短 生产周期，提高加工精度，己成为逆向工程实施的一个重要领域。 尽管对逆向工程技术的研究已经取得了相当大的进展，但从实际应用出 发，仍有一些基本问题有待于解决。数据预处理是逆向工程中的关键环节，它 的结果将直接影响到后期模型重构的质量和效率，p s c d 一1 0 正是针对数据预处 理而开发的第一代软件产品。 p s c d 1 o 主要提供了三大处理功能：数据转换、重定位整合、对称基准重 建。实践表明，这些功能的开发是成功而有效的。但是，该软件也存在一些问 题( 见本章第3 小节) 需要解决，而且，p s c d - 1 o 软件的程序编写存在不规范、 继承性差、代码注释缺乏等问题，如果不及时解决这些问题，将给软件的升级 换代造成不可估量的负面影响。 综上所述，为了提高逆向工程中数据预处理的效率，本文将继承p s c d 一1 0 浙江大学硕士学位论史一第一章绪论 的核心思想，开发出第二代产品，即，p s c d 2 0 。 1 4 2 主要工作 本文的工作主要有两部分： 一、开发p s c d - 2 0 由于升级的版本是真正的三维图形处理软件，虽然和旧版本有功能上有相 同之处，但是它们基于的原理通常并不相同，因此，新系统的开发必须从底层 开始一步一步建立，其开发步骤主要有： ( 1 ) 在众多的三维开发工具中，选择o p e n g l 作为本系统开发工具，并在v i s u a l c + 拍0 的开发环境中构造出系统的三维框架。 ( 2 ) 1 哿p s c d - 1 0 的核心功能移植到新系统中。可移植的功能主要是与图形无关 的模块，即，数据转换和重定位整合模块。这两个模块都是外挂型模块， 当程序运行到相应的阶段时，直接调用它们即可。 ( 3 ) 在新的开发环境中实现并完善原有的功能。 ( 4 ) 增加新功能，主要是变形矫正和同步保存。 二、撰写p s c d 一2 0 的系统文档 系统的文档主要有六部分 ( 1 ) 源程序代码的注释 ( 2 ) 计划任务书； ( 3 ) 设计说明书； ( 4 ) 需求规格说明书； ( 5 ) 软件技术文档； ( 6 ) 软件使用说明书。 浙江大学硕士学位论文第二章p s c d 2 0 的功能原理 第二章p s c d 2 0 的功能原理 i = i 容提要：介绍了多对多数据转换的工作原理；对于多次测量的点数 据，可以通过刚性变换实现数据的整合：在数据处理上，详述了对称基 准重建和变形矫正的功能原理；本软件将点数据分成轮廓点和扫描点两 部分，扫描点在屏幕上直接处理，轮廓点在保存阶段才同步变换。 2 1 数据转换 在产品的逆向工程中，c a d c a m 系统利用测量机提供的数据，重建产品 的几何模型，在修改、创新的基础上，生成数控加工程序，控制数控机床和加 工中心加工得到产品。这样的过程已形成设计制造过程的数字闭环系统，在该 系统中，三坐标测量机和c a d c a m 系统的数字信息交换，即，三坐标测量数 据转换成c a d c a m 系统能够识别的数据格式，是其中的关键。 2 1 1 格式分析 每个c a d c a m 系统都有自己的数据文件，文件的格式与系统内部的数据 模式密切相关。目前市场上流行的c a d c a m 系统内部产品模型的数据结构和 格式各不相同，极大地影响了设计和制造部门、企业与企业之间的数据传输和 程序接口的自动化。同样，也给c m m ：和c a d c a m 的数据通讯带来困难，因此 迫切需要实现数据交换文件格式的标准化。 目前已制定了几个主要的数据交换标准，如i g e s 、s t e p 等格式；还有一 种尽管不是标准，但由于c a d 系统的使用者众多，形成了事实上的企业标准， 最为典型的是a u t o c a d 的d x f 图形数据交换文件。除此之外，为方便不同系 统的数据转换，一些商品化的c a d c a m 系统都各有多个数据交换接口，如 p r o e 系统就具有i g e s 、s t e p 、d x f 、s e t 、v d a 、p d g s 、c d r s 、e c a d 、 n e u t r a l 等多种输入、输出转换格式。 s t e p 标准是国际标准化组织规定的i s o 标准，是唯一能够描述和支持产品 所有定义信息的交换标准，目前仍在发展和完善中。在c m m 与c a d ，c a m 系统 的数据传输中，由于c m m 得到的数据主要是物体表面的坐标点数据，尽管 i g e s 格式在实际应用中仍存在一些问题，但由于c m m 的数据简单，通过i g e s 格式转换较简单，而且几乎所有国际上知名的c a d 系统都配置了i g e s 接口，是 c a d c a m 系统之间图形信息交换的一种规范。 2 1 1 1 i g e s 格式标准 i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g e ss p e c i f i c a t i o n ) 是在美国国家标准局的倡导 下，由美国国家标准协会( a n s i ) 组织波音公司、通用电气公司等共同商议制定 的，1 9 8 0 年初公布第一版，以后不断修订，1 9 9 0 年发展到第五版，并且已经成 浙江大学硕士学位论文第二章p s c d - 2 0 的功能原理 为事实上的国家标准。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其它信息组成， 可以处理c a d c a m 系统中的大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交 互图形标准。因此，i g e s 数据转换接口已经成为所有c a d c a m 系统的必备模 块。 i g e s 文件格式分为a s ci i 格式和二进制格式两种。前者便于阅读，后者适 于处理大容量文件。其中，前者又有固定行长( 每行8 0 个字符) 格式和压缩格式 两种。常用的c a d c a m 系统，如u g 、p r o e 、g r a d e 等，都可将产品的几何 信息以固定行长的i g e s 格式存放。 i g e s 分为五或六段，分别为：标记段( f l a g ) 、开始段( s t a r t l 、全局段 ( g l o b a l ) 、元素索引段( d i r e c t o r ye n t r y ) 、参数数据段( p a r a m e t e r d a t a ) n 结束段( t e r m i n a t e ) 。每段若干行：每行8 0 个字符，前7 2 个字符为 该段的内容，第7 3 个字符为该段的字母代号，第7 4 8 0 个字符记录该行在该段 的行号。下面对各段作一些简单的介绍： ( 1 ) 标记段：i g e s 格式文件中，该段一般不存在。但当文件格式为二进制或压 缩的a s ci i 格式时，文件中分别以标记符号b 或c 表示； ( 2 ) 开始段：内容和形式都是自由的，但至少有一行记录； ( 3 ) 全局段：参数无固定格式，可由任意行组成。主要是对转换文件的描述， 如参数分隔符、记录分隔符、图形文件名； 口i g e s 版本等，其内容和顺序有 明确的规定； ( 4 ) 元素索引段：提供实体元素几何信息的位置索引和该元素的其它属性信 息。由两行组成，每行分l o 个区，各区占8 个字符，因而每个元素的索引 段由2 0 个区，即1 6 0 个字符组成； ( 5 ) 参数数据段：记录每个元素的几何数据。根据每个图形元素参数的多少， 决定它将有几行。其中每行前6 4 个字符为几何数据区，第6 5 个字符为空， 从第6 6 至1 第7 2 个字符记录浚元素索引数据在索引数据段的起始位置，第7 3 个字符为字母“p ”，序号占用从第7 4 到第8 0 个字符； ( 6 ) 结束段：文件最后一行。其前3 2 个字符里，分别用8 个字符记录开始段、全 局段、元素索引段和参数数据段的字母代号和各段的总行数。从第3 3 至f j 第 7 2 个字符为空。最后8 个字符为结束段的字母代号和行数。 2 1 12 测量机格式分析 目前市场上测量机的样式各不相同，其数据格式也不尽相同。但是，它们 之间有一定的规律可循。下面以两个较为典型的接触式测量机的文件格式为例 进行说明，如表2 - 1 ： 表2 1 两个典型的测量机文件格式 浙江大学硕士学位论文第二章p s c d - 2 0 的功能原理 测量文件格式1测量文件格式2 线：p 1 1 e 2 xyz 线：p l l e 2 1 9 1 1 02 7 5 2 3 - 1 7 1 2 0 序号x 坐标 y 坐标 z 坐标 xyz lx = 1 9 1 1 0 y = 2 7 5 2 3z = 1 7 1 2 0 1 9 19 32 7 56 8 1 7 1 4 0 2x = 1 9 1 9 3 y = 2 7 5 6 8z = 1 7 1 4 0 xyz 3x = 1 9 2 5 】y 鼍7 5 4 lz = 1 7 1 6 6 1 9 2 5 12 7 54 1 1 7 i 6 6 4x = 1 9 3 1 8y = 2 7 49 1z = 1 7 2 o l xyz 5x = 1 9 37 7y = 2 7 43 lz = 1 7 32 3 1 9 31 82 7 49 1 - 1 7 2 0 1 xy z 6x = 1 9 66 1y = 2 7 33 0z = 1 7 30 6 1 9 37 7 2 7 4 3 l 一1 7 3 2 3 xyz 1 9 66 12 7 33 0 1 7 3 0 6 文件格式分析如下 ( 1 )文件格式l 由第一行可知，存放测量数据的文件名是p l 一1 e 1 l i n ( 该测 量机的输出文件名为+ l i n ) ，这里规定，其对应的i g e s 格式文件名为p 1 1 e 1 i g e s 。第二行对测量数据的存放顺序作了说明。只有从第三行开始， 文件按顺序记录了六个测量点的坐标值。 f 2 ) 文件格式2 该文件记录了四个空间点的坐标值，但每两个点的坐标值之 间存在一个无效行。 通过分析上面两种测量机的输出格式，可以总结出影响文件格式的六个主 要因素： ( 1 ) 测量机输出文件中的起始废行数：不同测量机输出文件的起始废行数并不 相同，上面两个文件的起始废行数均为2 ： ( 2 ) 是否存在行号：格式1 存在行号，格式2 不存在； ( 3 ) 测量点的坐标值是否隔行记录：格式l 没有隔行，格式2 隔行记录； ( 4 ) x 坐标值前的无效字符数：格式1 中有两个无效字符( “x ”和“2 ”) ，格式 2 中没有无效字符； f 5 ) y 坐标值前的无效字符数：格式1 中有两个无效字符( “y ”和“一) ，格式 2 中没有无效字符； ( 6 ) z 坐标值前的无效字符数：格式l 中有两个无效字符( “z ”和“一) ，格式2 中没有无效字符。 确定以上六个参数后，可以基本确定测量机的输出文件格式。但是，随着 新规格、新型号测量机的不断涌现，可能会出现新的文件格式，因此，识别测 量文件中有效数据的方法也应不断改进、提高。 浙江大学硕士学位论文第二章p s c d 2 0 的功能原理 2 1 2 格式转换 三坐标测量设备输出的数据通常需要在格式转换后，才能被主流c a d 系统 识别。虽然最新的三坐标测量机带有通用的转换接口，可以将测量数据转换为 i g e s 格式，但不同的c a d c a m 系统所能识别的i g e s 格式存在一定的差异，因 而它们只能适用于部分c a d c a m 系统，这往往给三坐标测量辊与c a d c a m 系 统的数据交换带来一定的困难：此处，目前国内企业所使用的三坐标测量机大 多未更新、换代，完全需要自己设计数据格式转换程序，根据测量机的输出文 件直接得到其对应的i g e s 格式文件。 假设测量格式与i g e s 格式各有m 和n 种，如果对它们进行直接转换，势必 会形成m n 种的多对多转换，如图2 1 ( a ) ： 图2 1 - 0 ) 多对多转换模式 多对多的转换模式既不利于统一管理，也不利于效率的提高，因此，我们 引入具有中间格式文件的转换模式，如图2 1 一( b ) ： 图2 1 一( h ) 具有中间格式文件的转换模式 浙江大学硕士学位论文一第二章p s c d - 2 0 的功能原理 由上图可以看出，中间格式处于测量机输出格式与i g e s 格式之间，起到连 接两种格式的作用，在新的转换模式下，其转换种类由原来的m n 种变为现在 的m + n 种，因此能够有效降低转换的复杂程度、提高数据转换接口的稳定性， 同时也方便对测量数据的处理。 为了实现具有中间格式的转换，还必须提供中间格式文件的格式：将中间 格式文件的命名规范为+ t x t ，其内容由两部分组成：测量点的个数和测量点 的坐标值。例如，表2 一l 中的文件p 1 一l e ll i n 所对应的中间格式文件为： 6 1 9 1 1 0 1 9 1 9 3 1 9 2 5 1 1 9 3 1 8 1 9 3 7 7 1 9 6 6 1 2 7 5 2 3 2 7 5 6 8 2 7 5 4 l 2 7 4 9 l 2 7 4 3 l 2 7 3 3 0 1 7 1 2 0 1 7 1 4 0 1 7 1 6 6 1 7 2 o l 一1 7 3 2 3 1 7 3 0 6 2 1 3 文件的规范管理 为了便于对不同产品、不同部件的各种类型文件( 测量数据文件、中间格 式文件, n g e s 格式文件) 的查找和访问，设计了如下所示的文件存放路径： ( 1 ) 测量数据文件：数据根路径m e a 、产品名部件名测量数据文件； ( 2 ) 中间格式文件：数据根路径t x t 产品名部件名测量数据文件： ( 3 ) i g e s 格式文件：数据根路径i