（机械电子工程专业论文）基于反求的数控加工刀具轨迹的路径规划.pdf

沈阳j 二业大学硕士学位论文 摘要 几何造型和刀具运动轨迹的生成是实旌数控加工的两大关键技术，其中几何造型是 数控刀具轨迹的基础，而零件数控加工的准确性则只能在合理的刀具轨迹的前提下才能 予以保证。刀具轨迹规划的合理与否，不仅直接关系到切削效率、加工精度、加工干 涉，而且还影响机床的动力性链及刀具的使用寿命。 目前，在生产实际中刀具轨迹的路径规划完全通过人机交互的方式手工完成，过分 依赖工程师的经验：各种工艺参数以及工程数据也只能凭借工程师的经验和手册，未能 实现自动化。 本文主要根据生产实际中的需要，针对自由曲面迸行刀具轨迹的路径规划，并以沈 阳华晨金杯汽车公司的海狮面包车某覆盖件为样件进行研究。 应用反求工程的原理，利用我院实验室l kg 9 0 c s l 5 1 0 8 三坐标测量机，对自由曲 面的实物样件进行表面数据的采集，得到大量、散乱的点云数据。通过i m a g e w a m 软件 对点云进行处理，去掉噪声点，采用基于四边域参数曲面的重构技术，构造出自由曲 面。 对自由曲面的走刀模式进行了较深入的研究，其中包括行切走刀模式、环切走刀模 式、螺旋走刀模式，重点研究了行切走刀模式。根据换行时的加减速、加工时匀速的特 点，以加工效率为目标，建立了刀具时问数学模型。采用c + + b u i l d e r 软件编制数学模 型的程序，读取商用c a d c a m 软件的刀位源文件，计算刀具轨迹加工时间，实现了 走刀方向的自动优化。 针对粗加工建立刀具轨迹规划系统，赋予计算机知识的推理能力，把自由曲面规则 化，根据形状特征和工艺特征自动优化刀具轨迹。 刀具轨迹规划系统的建立，将弥补商用c a d c a m 软件依赖人的经验的缺点，为 我国c a d c a m 软件的国产化奠定基础。 关键词：刀具轨迹，走刀模式，反求工程 沈阳t 业大学硕十学位论文 t o o l - p a t hp r o g r a m m i n g b a s e do nr e v e r s e e n g i n e e r i n g i nn c m a c h i n i n g g e o m e t r y m o d e la n d g e n e r a t i o n o f c u t t e r p a t h a r ct w o k e yt e c h n o l o g i e sf o rn cm a c h i n i n g i nt h et w o t e c h n o l o g i e s , g e o m e t r y m o d e li st h eb a s ef o rc a l c u l a t i n gc u t t e rp a t ha n dt h ea c c u r a c y o fn c m a c h i n i n go n l yd e p e n d s o nt h er a t i o n a lc u t t e rp a t h t h ea p p r o p r i a t ep l a n n i n go fc u r e r p a t hn o to n l yd i r e c ti n f l u e n c es t o c k - r e m o v i n ge f f i c i e n c y , m a c h i n i n gp r e c i s i o na n dm a c h h f i n g i n t e r f e r e n c eb u ta l s oi n f l u e n c et h ed y n a m i cp e r f o r m a n c eo f m a c h i n et o o la n do p e r a t i n gl i f eo f c 眦e r a t p r e s e n t , t o o l - p a t hp r o g r a m m i n gi sa c c o m p l i s h e db y m a n u a lm a n - m a c h i n ea l t e r n a t i o n c o m p l e t e l y a n d e x c e s s i v e l yd e p e n d s o nt h ee x p e r i e n c eo f a 1 9 i n e e r s ，t h ed i v e r s i f i e dp r o c e s s i n g p a r a m e t e r sa n dt h ee n # n e e r i n gd a t aa l s od e p e n d o i lh a n d b o o k sa n de x p e r i e n c eo f e n g i n e e r s ， a n dt h ea u t o m a t i z a t i o nc a nn o tb ea c h i e v e d b a s e do nt h en e e do f a c t u a lp r o d u c f i o mt h ep a p e rs t u d i e sam a s t e rp i e c ew h i c h c o m e sf r o m h a i s em i c r o b u sm a d ei ns h e n y a n gb r i l l i a n c ej i n b e ia u t o m o b i l el i m i t e dc o r p o r a t i o na i m i n ga t t h et o o l - p a t hp r o g r a m m i n go f f r e es u r f a c e b a s e d0 1 1t h et h e o r yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dt h r e e c m m ，t h ep a p e rg a t h e r sm a n y d a t a f r o mt h ef r e es u r f a c eo f t h es a m p l e p a r ta n d 咖p o i n t s c l o u d w i t hh n a g e w a r es o f t w a r e ，t h e n o i s e p o i n t si se l i m i n a t e d t h e n ，f r e e s u r f a c ei sf o n n e d b y r e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e t h ed i s s e r t a t i o ns t u d i e st h ef e e d p a t t e r no f f i e cs u r f a c ed e e p l y , i n c l u d i n g l i n e a rf e e d p a t t e r n ， c i r c u l a rf e e dp a t t e r na n d g y r o i d a l f e e d p a r e r n , a n d t h el i n e a rf e e d p a t t e r n i se m p h a s i s a i m i n ga t 1 1 i g hm a c h i n i n ge f f i c i e n c y ，t h em a t h c a n a t i c a l m o d e lo f t i m ei sf o u n d e do ht h eb a s eo f a c c e l e r a t e o rd e c e l e r a t eo f c h a n g i n gl i n ea n ds m o o t hs p e e di nt h ec o t l r s eo f m a c h i n i n g u s i n gc + + b u i l d e r s o f t w a r e ，t h ep r o g r a mo f m a t h e m a t i c a lm o d e l ，i sw o r k e do u t i tc a nr e a dt h es o t h - c ef i l eo f c u t t e rp o s i t i o nf r o mc o m m e r c i a lc a d c a ms o f t w a r ea n dc a l c u l a t e sm a c h i n i n gt i m eo f t o o l p a t h u l t i m a t e l y , t h ea u t o - o p t i m i z a t i o no f c u t t i n g o r i e n t a t i o ni sa c h i e v e d 2 沈阳工业大学硕士学位论文 a i m i n g a tr o u g hm a c h i n i n g , t h ep a p e rf o u n d st o o l p a t hp r o g r a m m i n gs y s t e ma n dm a k e s c o m p u t e r h a 谵。- t h ec a p a b i l i t yo f i n t e l l e c t i v ed i s c u r s i o n ，m a k e sf r e es u r f a c et ob er e g u l a ra n d a u t o o p t i m i z e st o o l p a t ha c c o r d i n g t ot h ec h a r a c t e ro f s h a p ea n dt e c h n i c s t o o l - p a t hp r o g r a m m i n gs y s t e m w i l lm a k eu pt h e d i s a d v a n t a g e t h a tt h ec o m m e r c i a l c a d c a ms o f t w a r ee x c e s s i v e l yd e p e n d su p o ne n g i n e e r t h i sf o u n d st h eb a s eo fm a k i n g c a d c a ms o f t w a r eh o m e m a d e k e yw o r d s ：t o o l - p a t h ，f e e d m o d e l ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g 3 独创性说明 本人郑重声明：所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中做了明确的说明并表 示了谢意。 签名：墨豳 日期： 关于论文使用授权的说明 泓j 忡 本人完全了解沈阳工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论 文。 虢翩虢维嗍一 沈阳工业大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 引言 随着科学技术日新月异，自由曲面的应用越来越广泛，自由曲面主要应用于模具、 汽车以及航空领域等形状复杂的零件。汽车覆盖件特点为：由轮廓尺寸较大的空间自由 型曲面组成；由大量空间自由曲面片经光顺拼接而成；形状复杂。尺寸精度和表面质量 要求高。包含自由曲面的零件一般应用3 轴或5 轴数控机床完成型面的加工。自由曲面 数控加工编程的主要任务是计算加工走刀过程中无干涉过切刀位点，多轴加工时还要给 出刀轴矢量。 刀具轨迹生成过程可划分为三个阶段1 】： ( 1 ) 在给定的零件几何模型和加工要求下，规划刀具路径； ( 2 ) 刀具干涉检查； ( 3 ) 生成适合特定机床的g 代码。 本文主要研究的是第一阶段，如何能够自动规划出合适的刀具轨迹路径。 由于自由盐面应用在汽车覆盖件上比较多，我们以沈阳华晨金杯汽车公司海狮面包 车某覆盖件为样件进行研究。汽车覆盖件模具的型面加工通常应用商用c a m 软件进行 数控编程，刀具轨迹路径规划完全通过人机交互的方式手工完成，过分依赖工程师的经 验，这样数控程序的质量不稳定，工艺设计缺乏计算机辅助功能以及优化过程。因此我 们希望尽可能地赋予计算机知识的推理能力，像人类专家那样根据加工要求与自己的知 识、经验使加工过程自动优化。 目前，自由曲面常用反求工程的原理获得。反求工程也称逆向工程，是以设计方法 学为指导，以现代设计理论、方法、技术、为基础，运用各类专业人员工程设计的经 验、知识和创新思维，对已有的新产品进行解剖、深化和再刨造，是已有设计的设计 【2 】创新是反求工程的灵魂【34 】。广义的反求工程包括几何形状反求、工艺反求和材料 反求等多个方面是一个复杂的系统工程【5 1 口随着全球市场竞争加剧，反求工程技术广泛 应用到各种领域如家电、汽车、玩具、医疗、航空等行业，反求工程的突出特点是，能 沈阳工业人学硕士学位论文 大大缩短产品的开发周期，这样就改善了企业的技术水平、提高生产率和增强经济竞争 力。本文主要针对反求工程中的几何形状进行反求，获得满意的自由曲面。 1 2 国内外的现状 一种较好的刀具轨迹生成方法，不仅应满足计算速度快，占用计算机内存少的要 求，更重要的要满足切削行间距分布均匀、加工误差小且分布均匀、走刀步长分布合 理、加工效率高等要求1 6 l o 目前，有关数控加工刀具轨迹生成的算法很多，主要有：基于a p t ( 觚叮一 b a s e d ) 的刀具轨迹计算方法、多面体刀具轨迹计算方法、等参数线加工方法、截面 线加工方法、等残留高度( c o n s t a n ts c a l l o p - - h e i g h t ) 法川。对于组合曲面的n c 加工刀 具轨迹的生成算法，文献【8 】提出了一种基于c a r t e s i a n 坐标的加工方法一最高点法， 其缺点是得到的刀具轨迹不是平面的，且计算量大；文献 9 】在文献【8 】的基础上提出了 种基于c s g 模型的方法，这种方法只是在求刀触点数据( c c - - d a t a ) 上进行了简 化，而在求刀位点数据( c l - - d a t a ) 上与文献 8 】没有什么区别，得到的刀具轨迹也不 是平面的；文献d o 提出了一种基于多面体模型的方法，得到的刀具轨迹是平面的，但 要用迭代算法，而迭代初始点的确定是比较困难的，且迭代的稳定性差；文献 1 1 提出 了一种偏置曲面法，该方法首先对加工曲面进行偏置处理，定义曲面边界的偏置趋线， 然后用一组导动平面去截偏置曲面，得一组交线，通过对交线进行上包络处理，可生成 刀具轨迹。文献【1 1 】总结上面已有算法的基础上，以球头刀为例提出了一种组台曲面 n c 加工刀具轨迹的生成算法。 无论刀具路径是由哪一种方法产生的，最后刀具路径都是通过一系列的直线逼近 的。曲线的直线段逼近是通过逼近误差控制步长来实现的，而相邻的两条路径的行间距 由残留高度来控制。由于自由曲面的复杂性，所以刀具轨迹优化一直是数控编程研究的 一个热点【1 2 】。 走刀模式的确定，一直是凭借技术工程人员的经验进行选择，目前常用的走刀模式 包括：平行走刀( 行切) 、等高外形走刀、曲面流线型走刀，射线状走刀、螺旋走刀、 残料清角。自由曲面数控加工中广泛应用的刀具轨迹拓扑结构有行切走刀模式、环切走 刀模式以及螺旋走刀模式。在进行自由曲面的数控加工时如何确定一种合理的走刀模 2 沈阳t ：业大学硕士学位论文 式，一直是人们不断探讨的热点。目前大型的商用c a d c a m 软件如u n i g r a p h i c s 软件 是这一技术发展得比较成功的软件之一，它起源于美国麦道飞机公司，以c a d c a m c a e 一体化而著称，目前已广泛应用于航空、航天、汽车、通用机械等领域。其 c a m 模块尤其出色，在同类软件中处于绝对领先地位，它提供了一种交互式编程工 具，可计算生成精确可靠的刀具加工轨迹，是一个功能强大的计算机辅助制造模块。目 前，这一技术已成功应用于模具及零件的制造过程，为企业带来了极高的加工质量及可 观的经济效益。但他们都存在共同的缺点时，人为干预比较严重，自适应性和柔韧性比 较差，针对它的缺点我们试图去研究一种刀具轨迹规划系统，减少人为的干预，实现真 正的自动化。 当今，由于自由曲面的型面形状比较复杂，想对它进行轨迹优化是一件很困难的事 情。目前，人们也只是针对一些具体的自由曲面进行成批生产时，为了节约人力和物 力、提高效率进行了优化规划和自动选择。 针对目前的情况以及生产实际的需要，我们试图去研究一种刀具轨迹规划系统，减 少人为的干预，实现真正的自动化。 1 3 课题的来源 本课题主要是根据生产实际中的需要，摆脱依赖人的经验设计，以生产效率为目 标，对自由曲面的走刀模式进行分析，优化走刀方向，计算行切走刀加工时间，建立一 个刀具轨迹规划系统，根据几何信息和工艺信息，判断出合理、优化的走刀模式，弥补 商用c a d c a m 的不足。根据我院实验室的设备，英国l k 公司的三坐标测量机 ( g 9 0 c s ) 和美国的h a a s 数控加工中心，对此课题进行研究。 1 4 课题的主要内容 首先，获得自由曲面，主要做了以下工作： ( 1 ) 利用反求工程的原理，通过三坐标测量机，对自由曲面的实物样件进行表面 数据的采集，得到大量的、散乱的“点云”数据。 ( 2 ) 通过i m a g e w a r e 软件对“点云”进行处理，利用睦面的重构技术，构造出自 由曲面：本课题主要是采用以n u r b s 益面为基础的四边域曲面的构造方案进行曲面的 重构。 3 沈阳工业大学硕+ 学位论文 其次，对自由曲面刀具轨迹的路径规划进行了较深入的研究，主要做了以下工作： ( 1 ) 要想获得理想的路径，首先对走刀模式进行分析，重点研究行切走刀模式、 环切走刀模式、螺旋走刀模式的特点。 ( 2 ) 对行切走刀模式中行切方向进行了优化，根据换行时的加减速，加工匀速的 特点，建立刀具时间模型，计算出走刀时间。 ( 3 ) 利用c + + b u i l d e r 软件，对数学模型进行实现，读取商用c a d c a m 软件的刀 位源文件，自动优化走刀方向。 最后，由于使用商用c a d c a m 系统进行数控编程时，完全人机交互的方式手工 完成，过分依赖工程师的经验、过多的人为干预。本文针对这点，建立了刀具轨迹规划 系统，主要做了以下工作： ( 1 ) 由于自由曲面的无规律性，根据高斯曲率，把自由曲面规则化。 ( 2 ) 工艺参数的研究，粗加工、精加工工艺参数的确定。 ( 3 ) 把规则化的自由曲面与工艺参数进行匹配，确定合理的走刀模式。 ( 4 ) 利用c + + b u i l d e f 软件建立刀具轨迹规划系统。 工作流程如图1 1 所示。 沈刖工业大学硕士学位论文 图1 1 工作流程圈 沈阳工业大学硕士学位论文 2 基于l kg 9 0 c s l 5 1 0 8 型三坐标测量机数据测量 2 1 反求工程中自由曲面表面测量方法 自由曲面的测量是实现自由曲面零件设计制造与形状检测的关键步骤。目前根据被 测物的c a d 模型是否已知，可将自由曲面的测量分为c a d 模型已知的测量和c a d 模 型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的策略也有所不同。前者主要是为了检验 和保证产品的精度要求；而后者主要是根据测量所获得的零件表面的测点数据实现曲面 重建，以便利用c 越) c a m 技术进行模型修改、零件设计、数控加工指令的生成及误 差分析等处理。我们主要研究的是后者。 逆向工程中自由曲面的测量方法主要有三种：一是传统的接触式测量法，如三坐标 测薰法：二是非接触测量法i 如投影光栅法、激光三角形法、全息法、深度图象三维测 量法；三是逐层扫描测量法，如工业c t 法、核磁共振法( m r i ) 、自动断层扫描法 等，如图2 1 所示旧。 图2 1 测量方法分类 接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。利用 三坐标测量机进行测量的优点是：噪音低、精度高、操作容易、抗干扰性好、成本低、 6 沈阳工业大学硕七学位论文 重复性好等等。但是它的测量速度慢、效率低，测量时测头接触实物表面，测头容易划 伤样件，由于接触压力的存在，对于某些质地柔软的零件必然会产生较大的测量误差， 并且测头半径三维补偿仍然存在。另外，其数据不能用r p ( 快速原型制造) 直接还原 成原型件模型4 j 。 非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，它利用某种 与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维信息，将一定的物理模拟量通过适当 的算法转化为样件表面的坐标点，其数据传递介质有激光、声波等，测头不接触待测物 体表面。相对于传统的接触式测量方法，它具有很多优点：非接触、扫描速度快( 可达 到1 0 0 0 0 个坐标点秒 1 5 1 ) 、扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。现代曲 面测量的研究已越来越集中在计算机视觉的无接触检测上【m 、17 。目前，应用光学原理发 展起来的三维形状测量方法应用最为广泛。 非接触测量虽然应用很广，但存在无法测量物体内部轮廓的致命缺陷。对于一些复 杂零件，不仅需要其外部轮廓数据，还需要内部轮廓数据，尤其是在快速原型技术中的 应用范围受到较大限制。为了解决这一问题，一个很好的方法就是利用c t 扫描和核磁 共振( m r j ) 技术，用c t 和m r i 可直接获取物体的截面数据。日本的n a k a i 和 m a r u t a n i 提出用c t 和m r i 扫描数据重构三维数据的算法；而美国的一个主要c a d 供 应商i n t e r g r a p h 已开发了一种能够把c t 扫描数据转换成i g e s 数据格式输出的软件。但 是用c t 和m r 获取的数据准确度太低，目前的最小层厚只能达到l m m ，用这种装置 是无法作出实用的机械零件的。此外，c t 和m r i 的成本高，对运行的环境要求也高， 再加上可测零件的尺寸和材料都有限，因而不可能广泛应用于三维物体轮廓测量。 每一种测量方法都有自己的特点，应结合被测工件的自由曲面的特点和测量要求， 选择合适的测量方式。由于在本课题的研究中，所要测量的实物样件属于硬质材料，没 有复杂内部型腔、只有少量的特征曲面的零件，结合实验室的具体条件，所以使用三坐 标测量机进行自由曲面的三维数据的采集工作。 2 2 三坐标测量机测量原理简介 三坐标测量机是近3 0 年发展起来的一种高效率的新型精密测量仪器，它广泛的应 用于机械制造、电子、汽车、和航空航天等工业中。它可以进行零件和部件的尺寸、形 沈阳1 ：业大学硕十学位论文 状及相互位茕检测，例如箱体、导轨、蜗轮和叶片、缸体、凸轮、齿轮等空间型面的测 量。由于它的通用性强，可实现空间点位的测量，可方便的测量出各种零件的三维轮廓 尺寸和位置精度，可快速、方便地进行数据处理与程序控制，能与柔性制造系统相连 接，可纳入自动生产线中，三坐标测量机已成为一类大型测量仪器，拥有“测量中心” 之称。随着软件技术的发展，三坐标测量机的发展已经向智能型测量机过渡【1 8 1 9 、2 们。 三坐标测量机法主要是利用三坐标测量机的接触探头( 有各种不同直径和形状的探 针) 逐点地捕捉样品表面数据。这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方法之 一。当探头上的探针沿样件表面运动时，样件表面的反作用力使探针发生形变。这种形 变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反应出来，其大小和方向由传感器测 出。经模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，经相关的处理得到所测量点的三维坐 标，只要测量机的测头能够接触( 或感受到) 的地方，就可以测出它们几何尺寸和相互 位置关系，并借助于计算机完成数据处理【2 “。采用该方法可以达到很高的测量精度( 士 o 5l lm ) ，对被测物体的材质和色泽一般无特殊要求，对于没有复杂内部型腔、特征几 何尺寸多、只有少量特征曲面的零件该测量方法非常有效。其缺点主要表现在：由于该 方法是接触式测量，易于损伤探头和划伤被测样件表面，不能对软质材料和超薄形物体 进行测量，对细微部分测量精度也受到影响，应用范围受到限制；始终需要人工干预， 不可能实现全自动测量：由于测头的半径而存在三维补偿问题；价格较高，对使用环境 有一定要求：测量速度慢，效率低。 三坐标测量机是基于三维坐标测量原理，从理论上讲，可实现对空间任意处的点、 线、面以及相互位置的测量，因为测量机一律将它们转化为点集的坐标测量。只要适当 地改变测量软件，就可以采集不同点的坐标；只要适当地变换数据处理软件，就可以按 不同的评定准则计算出不同几何元素的各种参数，可以说几乎是万能的。 2 3 自由曲面的测量过程 2 3 1 本课题使用的三坐标测量机 我院实验室的三坐标测量机l kg 9 0 c s l 5 1 0 8 ，为中型桥式精密型测量机【2 。 ( 1 ) l kg 9 0 c s l 5 1 0 8 主要配置见表2 1 。 8 沈阳：【业大学硕士学位论文 表2 1c m m 配置一览表 名称数量备注 1 机械本体1 套 2 l k 2 0 0 0 计空器1 套 硬 3 计算机1 台“奔腾l l i ”7 3 3 m h zp c w 访d o w s n t 4 惠普彩色喷墨打印机1 套h p a 4 纸打印机 5 p h i o m 测头组件1 套英国制造的r e n i s h a w 6 t p - 2 0 0 测头感应器组件1 套英国制造的r e n i s h a w 7 测针组件1 套英国制造的r e n i s h a w 件 8 接长杆组件1 套英国制造的r e n i s h a w 9 易损件 1 套l k 提供 1 0 g 1 球形校正规1 套巾2 0 1 l k c e m s 1 套 尺寸形位公差测量软件 2 工k v i s u a l c e m s 1 套用户友好操作界面 软 3 j x 3 d s i i l g1 套未知曲面兰维扫描软件 4 l ko i g i g r a p h 1 套扫描数据分析软件 5 工k c a 0 w i n d o w s 1 套c a i 基础软件( d i m s ) 6 c a m l 0s t n f a c e 1 套 曲面类零件验证测量软件模块 7 c a 姗g 甙m l 曲证 1 套几何体验证测量软件 件 8 c a m i o f r e e f o r m d i g i t i z i n g1 套反求工程软件 9 s p c 1 套 图形报告统计分析软件 1 0 l k t e m p e r a t u r ec o m p e n s a t i o n1 套l k 温度补偿软件 s o f h m ( 2 ) l kc ，9 t ) c s l 5 1 0 8 主要规格参数见表2 2 。 一9 沈刚工业大学硕十学位论文 表2 2 c m m 性能参数 x 轴 1 5 0 0 n m a 测量行程y 轴 1 0 0 0 m m z 轴 8 0 0 m m 测量精度( 2 0 2 c ) 空间测量不确定e = 2 o 十l ，3 0 0u m i s 0 1 0 3 6 0 - 2 国际标准 采集系统误差 r = 3 ，5u m 最大矢量速度 4 8 m m i n 最大矢量加速度 5 4 0 0 m r a i n 长度 2 5 0 8 r 工作台尺寸宽度 1 6 1 5 r m n 厚度 3 0 0 n n n 工作台最大承重1 7 1 8 k g 机器净重( 约)4 5 1 3 k g 长度 2 7 1 8 m m 设备轮廓尺寸宽度 1 8 8 2 r m - n 高度 2 9 6 i n m a 2 3 2 实际测量 在实际测量的过程当中。对于复杂曲面来说，由于数据量太大，采用手动测量方式 不但效率低，而且易出差错，因而适宜采用连续扫描测量方式【2 3 j 。连续扫描测量主要采 用三维微测头( p h l o m + 1 他o o ) ，因为t p 2 0 0 是一种高精度铡头感应器，通过三维变 形量可以给计算机提供瞬时受力情况，所以计算机能根据测头的受力情况调整对三坐标 测量机x 、y 、z 三轴马达的速度分配，使得微测头的综合变形量始终保持在某一定值 附近，即使测头与被澳4 样件基本保持恒力接触，从而自动跟踪工件表面轮廓形状的变 化。当测头上的测针沿着样件表面逐点运动时，通过反作用力使测针发生变形，通过传 感器传导与之相连的计算机上，计算机逐点记录、显示空间三维点的坐标( x ，y ， z ) ，再通过一系列的数学运算，求得所需的结果。其中，所得到的大量密集、散乱的 测量数据称之为“点云”，测量步骤如图2 2 所示口”。 1 0 沈日f 工业大学硕十学位论文 图2 2 三坐标测量机的测量步骤 ( 1 ) 测前准各 1 ) 被测样件必须在实验室里恒温8 小时以上，这样其温度与测量机温度基本保持 一致，保证热变形最小，用温度补偿软件可进行自动补偿，降低了测量时的一部分误 差，保证了测量精度； 2 ) 被测样件在测量前必须重新用酒精等溶剂彻底擦拭干净，这时因为被测样件表 面的灰尘、脏物会降低测量的准确性，其误差可以达到十几个微米，甚至达到几个微 米； 3 ) 机器恢复零位： 4 ) 校准标准球； 5 ) 选定探针并校正探针：选择探针时，最好使探针的半径小于被测样件表面的最 小曲率半径；也尽可能的减少探针的更换次数，这样不但能降低测量误差，而且还可以 提高测量效率。 ( 2 ) 测量 1 ) 测量前的路径规划对自由曲面零件的测量是实现自由曲面零件设计制造与形状 检测的关键步骤。两种测量方法，一种是c a d 模型已知的测量；另一种是c a d 模型 未知的测量。为了有效地实现对自由曲面零件的测量，就有必要对其进行合理的测量路 径规划。 c a d 模型已知的测量 理想的方法就是使测点分布的疏密随曲面曲率变化而变化，曲率越大，测点越密； 反之则越疏，从而较好地反映待测曲面的几何形状信息，实现测点的自适应分布。而如 何实现测点自适应分布，对c a d 模型已知曲面的研究较多，主要有：k a m 提出的几何 分解方法完成曲面形状检测的思想，采用“曲面一曲线一点集测点集”的分解次序， 实现从曲面到测点集的分解和曲面评价工作口扪。p a h k 等初步探讨了模具形面检测随曲 沈阳1 ：业大学硕士学位论文 率变化的布点方法f 2 6 1 ；k o s t e r 的布点准则是曲面的法线沿参数线以常速变化，根据切线 方向变化的速率实现了曲面采样点的自适应分布2 7 】：c h m e n q 对自由曲面的检测点数 确定进行了研究，提出检测点数的计算公式，认为检测点数和设计时给定的公差范围和 加工因素有关等。 目前，自由曲面测量时最常用的两种方法是矩形细分规划方法和三角面片测量规划 方法。 矩形细分规划方法，自由曲面的检测通常采用简单易行的等间距测量方法。但 为了保证测量精度就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低并增加了后续数 据处理的难度。 三角面片测量规划方法，矩形细分法虽然对测点分布和路径规划能安排的比较合 理，但是在接触式测量过程中，测头往往是按照微平面的法向量进行检测的，也就是说 测头要移到检测点所在那个面片的法向量上，然后进行测量，而该方法并未用到这个重 要参数，所以给测量和后续数据处理带来很多问题。三角面片法则可以较好地克服该问 题。 c a d 模型未知的测量 对于无法用数学模型描述的自由曲面测量，一般仍采用等间距行测法，即在测量区 域内按设定的测量进给间隔均匀布置相互平行的测量路径进行测量。而测量区域的设置 主要通过设定区域的x 、y 、方向的上、下边界( 即采用最小外接矩形包含测量区域) 的方法来实现的，这种方法所产生的实际颡4 量范围往往大于被测零件在x o y 平面上的投 影区域也就是说产生了不必要的测量空行程从而降低了测量效率。而且投影区域越不规 则，产生的不必要的测量区域面积往往越大，测量空行程越大。文献 2 8 提出采用简单多 边形精确逼近不规则测量区域，并在简单多边形自动剖分方法的基础上，给出了高效行 测法测量路径规划算法。相对于最小外接矩形设定测量区域的方法，采用简单多边形模 拟测量边界可以更加精确地描述实际被测区域特征，由此建立的测量路径规划算法可以 有效地减少甚至消除不必要的测量区域和空行程，从而提高了测量效率。 由于本课题使用的样件为汽车覆盖件上的一个部分，因此数学模型是未知的，我们 采用的测量方法是等间距行测法。 * 1 2 沈阳丁业大学硕士学位论文 当使用人工测量时，用手动方式选边界点确定测量区域使得在每一个测量区域内 曲率的变化不是很大，否则，在自动扫描时，容易造成不必要的死机等错误。实际测量 中，每个样件依据其表面曲率变化的不同，其测量区域的划分是不同的，应该保证测量 的完整性：另外，边界点的选取尽量密集一些，否则后续测量时，容易出现不必要的错 误，如可能出现扫描线超出了测量范围，甚至可能出现不必要的碰撞等错误。 2 ) 测量时如果不是非常肯定，需用慢速测量，这样即使有错误，发生碰撞，碰撞 力也会很小，不会损坏探针，也不会影响定位精度。 由三坐标测量机测得的沈阳华晨金杯汽车公司海狮面包车某覆盖件的表面数据如图 2 3 、2 4 所示。 图2 3 测量的二维“点云”圈 沈阳工业大学硕十学位论文 圈2 4 涌量的三雏。点云。圈 2 4 本章小结 自由曲面的表面测量方法，根据被测物的c a d 模型是否已知，将自由曲面的测量 分为c a d 模型已知的测量和c a d 模型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的 策略也不同。由于我们采用的海狮面包车某覆盖件c a d 模型是未知的，因此以c a d 模型未知的测量为研究对象。 c a d 模型未知的情况下，测量方法有很多种。由于三坐标测量机应用比较广泛， 本章从它的广泛用途到它的测量原理及它的优点都分别进行了阐述。 我院实验室的三坐标测量机l kg 9 0 c s l 5 ，1 0 8 ，为中型桥式精密型测量机。利用 l kc o o c s l 5 1 0 ，8 ，对沈阳华晨金杯公司海狮面包车某汽车覆盖件进行了现场测量，得 到了大量的、散乱的“点云”数据，为后续建模和刀具轨迹规划奠定了基础。 沈冈1 1 i 业大学硕二f ：学位论文 3 基于四边域参数曲面方案重构模型 3 1 自由曲面重构 3 1 1 反求工程中自由曲面重构的特点 ( 1 ) 曲面型面数据散乱且曲面对象边界和形状有时极其复杂，因而一般不便直接 运用常规的曲面构造方法，需要消除各种干扰因素，精简样点，采用有效的数据转换格 式，减少数据丢失和失真口9 1 。 ( 2 ) 三维测量数据的分割和拟合技术是逆向工程中重要内容 3 0 l 。对于含有自由曲 面的复杂型面，曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、 过渡、裁减等混合而成，因而要分块构造用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的， 一般首先按照原形所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，各个区域分别拟合 出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个 形体。这牵涉到有关曲面分割与拟合算法的有效性、效率以及误差问题。包括样点的特 征、数量、密度及来源对曲面拟合的影响，拟合参数曲面的延伸问题，初等曲面与自由 曲面的混合问题和求交算法，c a d 模型重构的约束条件等问题。 ( 3 ) 在反求工程中还存在一个“多视数据”问题p l l 。使用常用的接触式和非接触 式测量方法时，由于零件的复杂性和测量方法的限制，一次装卡可能不能获得所需的全 部数据，需要调整零件与测量系统的相对位置，从而导致了多次测量所得数据的坐标系 不统一。另外，为了保证数字化的完整性，各视之间还应有一定的重叠。如何对其进行 拼合，是一个重要的问题p 2 l 。 3 1 2 反求工程中的自由曲面重构技术 根据曲面拓扑形式的不同，目前反求工程中主要有三种自由曲面构造的方案：其一 是以b 样条或n u r b s 曲面为基础的四边域曲面构造方案；其二是以三角b e z i e r 曲面为 基础的三边域曲面构造方案：其三是以多面体方式来描述曲面物体”1 。 ( 1 ) 基于四边域参数曲面的重构方案此类曲面既不象单独的二次曲面那样简单， 也不象人面模型那样毫无规律。这类方法由于采用了通用的c a d 软件的曲面表示方 沈酹工业大学硕士学位论文 法，它成为到目前为止研究得最多的一类曲面重构方法，其中又以b 样条和n u r b s 曲 面最多。 在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面组合而 成( 如过渡、相交、裁剪等) ，因而只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型 的精度的。于是，人们采用多种不同的方法来处理数据的分块问题一种方法是四叉树方 法，该方法的优点是处理过程相对简单，便于实现计算机自动处理，缺点是没有考虑曲 面组成的特点，不能根据设计者的意图对曲面进行分割，在某些情况下分割会显得很不 合理m 】。另一种方法则是基于曲线网格，这种方法得到的特征网格比四叉树法得到的网 格能更合理地反映零件的结构特征，也更适合于下一步的曲面模型建立。但特征线的自 动寻找算法对测量数据的波动很敏感，进一步的修补也需要人工的参与。 针对n u r b s 曲面重构不适合于大规模散乱数据点的特点，人们做了大量的研究， 提出了许多有效的方法p 5 】。国际标准化组织( i s o ) 于1 9 9 1 年颁布了关于工业产品数据 交换的s t e p 国际标准，将b m r b s 方法作为定义工业产品何形状的唯一数学描述方 法，从而使n u r b s 方法成为曲面造型技术发展趋势中最重要的基础。 ( 2 ) 基于三边域曲面的重构方案基于三边域曲面的重构方案最适合表现无规则复 杂型面的物体，特别是人面、地貌等自然物体以及玩具等产品，基于特征线和自适应的 网格生成算法能保证最终生成的网格较好地适应原始曲面上不同部位对表述信息密度的 要求。这种方法的缺点主要是三角域在一般的c a d c a m 软件中不被采用。因此这类 反求工程系统还必须配备有向n u r b s 曲面转换的模块，在转换过程中不可避免地会丢 失一些信息，同时产生一定误差。另外三角化曲面有对模型的修改与再设计能力不足的 缺点。这些缺点都限制了它在实践中的应用。 目前，曲面重建技术的研究落后于测量技术的发展，特别是在软件实用化方面。虽 然出现了不少新的理论和算法，只要用于反求c a d 系统中，都会产生新的反求c a d 软件，但一方面有算法本身不够成熟，理论上还有待完善，另一方面是反求工程的应用 虽蓬勃发展迅猛，但刚刚起步不久，整体市场尚不够大，而涉及的领域却很广，用户需 求也多种多样，使得软件的商品化有一定困难如何解决速度和精度，易用性和可修改 性之间的矛盾，是曲面重建技术面临的主要问题p “。 1 6 沈阳工业入学硕十学位论文 3 2 席湖境蝴的自由曲面重构技术 本课题主要采用的是以b 样条或n u r b s 曲面为基础的四边域曲面构造方案。 n u r b s 方法的突出优点是：可以精确地表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学 形式表示规则曲面与自由曲面，而其它非有理方法无法做到这一点；具有可影响曲线曲 面形状的权因子，使形状更宜于控和实现；n u r b s 方法是非有理b 样条方法在三维空 间的直接推广，多数非有理b 样条曲线曲面的性质及其相应算法也适用于n u r b s 曲线 曲面，便于继承和发展。在以n u r b s 曲面为基础的曲面构造中，能够构造出作为标准 的n u r b s 曲面，并且其最终的曲面表达形式也较为简洁。它的缺点是由于建立在两次 优化计算基础上的曲面构造对曲面的光顺性难以保证、计算量也很大，而且曲线网格的 建立、分块等很难自动完成，需要较强的交互参与。其次曲面构造的精度较难控制，在 所介绍的算法中，往往是若不能满足要求，则必须从头开始重算，而且除o c s 模型 外，不能处理多视的拼合问题。 3 3 曲面生成过程 ( 1 ) 主要使用的手段本课题使用得主要是u g 公司的 m a g e w a m 软件， i m a g e w a r e 是逆向工程处理的先驱软件，是第一个完整的同时支持逆向工程解决方案和 c l a s s a 曲面解决方案的商业软件，自1 9 9 5 年推出商业化软件以来，一直被市场广泛采 用，是目前在这个领域最为知名和应用最广泛的软件。用户遍布航空航天行业、汽车行 业消费电子行业和通用机槭行业。在汽车行业的客户包括：f o r d 、g m 、d a i m l e r - b e n z c h r y s l e r 、b m w 、t 0 y o 诅、h y u n d a i 、v o l k s w a g e n 、h o n d a 、n i s s a r l 、m a z d a 、i s u z u 、 p e u g e o t 、a u d i 等著名企业f 3 7 1 。 ( 2 ) 主要的工作流程 1 ) 点的处理过程如图3 1 所示。 1 7 沈阳工业大学硕士学位论文 l 从模型中得到点的数据 上 读入点云的数据 上 i 把分散的点云数据对齐 上 清除不