（化工过程机械专业论文）车灯逆向造型辅助功能二次开发.pdf

墒尊 逆向工程中三维数据测量的精确性直接决定了产品逆向造型的准确性，为 了提高产品造型的精度，就需要不断地消除或者减小产生测量数据误差因素的 影响，而其中比较重要的一个影响因素是测量工具产生的误差。三坐标测量机 是逆向工程中较为常用的三维数据测量工具之一，在使用该测量工具进行测量 时，除测量机本身存在的制造误差影响测量数据的精度外，产生测量误差的另 一个主要因素就是测量机基准定位误差。而产生基准定位误差的原因主要是当 前基准定位方式的高难度操作性和不合理性，为了改变这种状况，提高测量数 据的精确性，就需要对测量机基准定位方式进行修正。 逆向工程中另一个比较重要的环节就是把测量数据转化为产品的c a d 模 型。而由测量型值点进行产品建模过程中，由于测量数据较多，产品形状较为 复杂，导致了产品逆向建模时不但对工程师逆向造型技术和经验要求较高，而 且工程师的劳动强度较大，产品的造型效率低下，严重影响了产品的开发周 期。为了解决这些问题，就需要对当前逆向造型技术进行改善。 针对逆向工程中测量机基准定位精度不高的问题，我们提出了使用规则几 何体几何中心作为定位基准点的方法，通过测量几何体上有限个点来计算得到 几何体的几何中心，并把该几何中心作为测量机的定位基准点，采用的几何体 包括双立方块、圆柱体和球体等。并把该方法推广到测量数据的重定位整合 中，使用三个或者多个规则几何体作为数据重定位基准点进行三点定位数据整 合和全方位定位数据整合，从而收到了较好的效果。 针对汽车车灯逆向建模中存在的若干问题，我们在三维造型软件u g 环境 下，利用其二次开发语言o p e ng r i p ，根据车灯逆向造型的经验，采用合理有 效的数学模型，对u g 造型功能进行了二次开发，从而解决了车灯逆向建模中存 在的若干问题，实现了车灯逆向建模的自动化，大大提高产品造型的效率，缩 短了产品开发的周期。开发的逆向建模程序包括若干个相互独立的应用程序和 一些比较常用的子程序，其中有自由曲线的迭代拟合、车灯反射器配光面的自 动拟合、条纹配光面的快速逆向建模、最小二乘法拟合直线、实体距离检验、 曲线的调节等。本文详细阐述了程序开发过程中每种模型的数学建模原理、编 程思路和步骤、遇到的困难及解决这些困难的理论基础和具体算法，并通过实 例验证程序算法的正确合理性。 关键字：逆向工程二次开发汽车车灯 a b s t r a c t i nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，3 dd a t am e a s u r e m e n ta c c u r a c yd i r e c t l yd e t e r m i n et h e a c c u r a c yo fp r o d u c tr e v e r s ef o r m ，s os o m ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ev e r a c i t ys h o u l db e i m p r o v e d ，o n eo ft h ei m p o r t a n tf a c t o r si st h em e a s u r e de r r o r c o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e sa r et h em o s t l yu s e dm e a s u r i n gt o o l ，i tw o u l db r i n ga no r i g i nr e f e r e n c e l o c a t i n ge r r o rb e s i d e st h ee r r o rb r o u g h tb yt h em a n u f a c t u r i n ge r r o r t h em a i nr e a s o n o ft h eo r i g i nr e f e r e n c el o c a t i n ge r r o ri st h ed i f f i c u l to p e r a t i o na n dt h eu n r e a s o n a b l e m e t h o d i no r d e rt oi m p r o v ev e r a c i t yo f t h em e a s u r e dd a t a , s o m em o d i f i c a t i o ns h o u l d b ed o n et ot h em e t h o do f t h eo r i g i nr e f e r e n c el o c a t i n g o n eo f t h ei m p o r t a n tp r o c e s s e si np r o d u c t sr e v e r s ee n g i n e e r i n gi st r a n s f o r m i n g t h em e a s u r i n gd a t at op r o d u c t sc a dm o d e l s b e c a u s eo fl a r g en u m b e r so fm e a s u r e d d a t aa n dc o m p l e xs h a p eo ft h ep r o d u c t ，t h ep r o d u c t sr e v e r s em o d e l i n gn o to n l yn e e d s g o o dc o m m a n do fm o d e l i n gs k i l l sa n dp l e n t yo fm o d e l i n ge x p e r i e n c e ，b u ta l s ot h e w o r ki st i r i n ga n di n e f f i c i e n t t h u sa f f e c tt h ep e r i o do f e x p l o i tn e wp r o d u c t s ，a n dn e w m o d e l i n gm e t h o di sn e e d e d i no r d e rt oi m p r o v et h ee r r o rb o u g h tb yo r i g i nr e f e r e n c el o c a t i n g ，w ei n t r o d u c ea n e wm e t h o dt h a tu s i n ge n t i t y sc e n t e ra st h eo r i g i np o i n t t h i sm e t h o du s e sm a n y p o i n t so nt h es u r f a c eo ft h ee n t i t yt oc a l c u l a t ee n t i t y sc e n t e r , a n dt h ec e n t e rc a nb e u s e da st h eo r i g i np o i n t t h ee n t i t yi n c l u d et w oc u b e s 、c o l u m n 、s p h e r ea n ds oo n t h i sm e t h o dc a na l s ob eu s e di nd a t a sr e l o c a t i n gp r o c e e d ，u s i n gt h r e eo rm o r e e n t i t y sc e n t e r sa st h eo r i g i np o i n t sc a ni m p r o v et h em e a s u r e dd a t a sv e r a c i t yg r e a t l y i no r d e rt oe l i m i n a t ep r o b l e m si nm o t o rl a m p sr e v e r s em o d e l i n g ，w ee x p l o i t m a n ya u t o - m o d e l i n gp r o g r a m s ，w h i c hu n d e rt h ee n v i r o n m e n to f3 ds o f t w a r eu ga n d i t ss e c o n d a r ye x p l o i tl a n g u a g eo p e ng r i p t h e s ep r o g r a m sb a s eo nr e v e r s em o d e l i n g e x p e r i e n c ea n dr e a s o n a b l ei n c l u d i n gg e o m e t r i cc o n s t r u c t i o n ，a n dc a r lm a k et h e p r o c e e do fm o t o rl a m p sm o d e l i n ga u t o m a t i c ；a l s oc a r li m p r o v et h ee f f i c i e n c yo f l a m p sm o d e l i n g t h e s ep r o g r a mi n c l u d ec u l - v e f i t g r a d u a l l y 、m o t o rl a m p s c e v e r b e r a t o ra s t i g m a t i s ms u r f a c ef i ta u t o m a t i c a l l y 、a s t i g m a t i s mv e i n sm o d e l i n g 、 l i n ef i t 、d i s t a n c ec h e c k o u t 、c u r v ea d j u s ta n ds oo n w ew i l li n t r o d u c ee v e r y p r o g r a m s i nd e t a i l s i n c l u d i n gg e o m e t r i cc o n s t r u c t i o n 、m o d e l i n gp r i n c i p l e 、 d i 佑c u l t i e sa n dt h et h e o r e t i cb a s i ct os o l v et h ed i 茄c u r i e s e x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h e s ep r o g r a m sc a ng r e a t l yi m p r o v em o d e l i n ge f f i c i e n c ya n ds h o r t e nt h ep e r i o do f e x p l o i tn e wp r o d u c t s k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n gs e c o n d a r ye x p l o i t a t i o n m o t o rl u m p 2 第一章绪论 第一章绪论 本章擒要：本章简要介绍了逆囱工程及其应用背景，分毒蓐了遴向工程中静 一个蓬要环节测量数据预处理中基准定位和蘑定位，说明了车灯遴离 造烈二次开发的应用背景及在车灯逆向造型在实践中的重要性，阐述了本 文的研究思路、研究内容及章节安排。 l 。1 弓i 言 在产品的开发和制造过程中，有许多产品不是由计算税辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ，c a d ) 模型描述的，设计和制造者需疆从实物样件获取产品数学 模型，进而开发出同类的先进产晶或者复制出原件产品，这种技术就是逆向工程 ( r e v e r s e e r t g i a e e r i n g ，r e ) ，又称反囱工程或髫反求工程“l j 。它以先进 产品设备鹃实物、软 孛( 包括图纸、程乎、技术文件等 或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，废用现代设计方法学原理、生产工稳学、材料学和有关专妲知识 进行系统地分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产 品【”。逆向2 1 2 程作为掌握技术的种手段，可使产品研制周期缩短4 0 以上，极 大地提高了生产率1 3 】，因此有祷栩当广泛的应用领域，包括模具制造业、玩具业、 游戏业、电予娃、鞋业、离尔夫球娩、艺术业、医学工程及产品造型设诗等领域。 霞前所滋瓣逆向工程主要是针对现有工 孚( 样赫或模型) 利用3 d 数佼位测 量仪器( 如三艇标测量机，激光测鬣仪等) 准确、快速的将轮廓坐标测羹得到， 并加以建模，经过曲线编辑、修改后，传至一般的c a d c a m 系统进行曲面重 构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成i g e s 或s t l 数据，由此产生刃具躲n c 加工枫剁作 荠惹摸其，或者送到快速成型枧( r a p i d p r o t o t y p i n g ) 将样菇模型潮佟爨来，此浚程称为逆囱工程，奶图1 1 掰示。 车汀遵囱造型辅劲功麓二旋齐发 图1 1 逆向工程流程图 产品逆向工程包括【4 1 形状反求、工艺反求和材料反求等，当前应用最广的是 形状反求。在安际应用中形状反求工程主要用于以下几个方面：薪零件的设计， 主要焉予产熬鹪改型或贫型设计；毫骞零 牛的复制，褥现原产晶的设计j 敖圈； 磨损或损坏零 孛瓣还原：数字讫模型麓检测及模鍪的毙较。 实际应用中，产品逆向工程中形状反求主要通过以下步骤来实现1 5 j ：数据采 集，数据处理，c a d 三维模型的建立，产品功能模块模拟及再设计，后处理等。 数据采集：采用测量仪器采集样品或者模型的轮廓点，采集点的标准是应用 采集的数据点应该能够还原样品或蠢模型懿形状。 数据处理：有数据测量彼采集豹溅给数据是不可以慧犊建于建立三雅模黧熬， 需要对其进行平移、旋转、控 唪、弯曲、扭转等变形矫芷，使其能更加穗礴的反 应工件的形状。目前国内专门用于测量数据处理的软件较少，一般的数据处理都 是在造型软件中进行的。 c a d 三维摸型豹建立：把测爨竣者处理爱的数据岛入到三维造型软转中避彳亍 三维模型的羹鞠，霞蔚梅建c a d 兰维模型使用较多舱软件包括：u g 、p r o ：e 、 c a t i a 、c i m a t r o n 、c d r s 、id e a s 等。 产品功能模块模拟及再设计：工件三维模型构建后，为了保证该工件i j - m 成 型后能够满足工程实际的需要，需臻对其进行计算机仿真模拟，以检验该产品各 项功能模块是否合格，合格则可进行后处理工作并投入生产，否则对产品进行再 设计。 后处理：主婺王俸是壶产品i g e s 或者s 睫格式麓c a d 三维模銎产生刀爨的 n c 加工机制作所需模具，或者送至快速成型机( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将样品模型 制作出来。 1 2 数据预处理 逆向工程中个重要环节就惹采嶷工件( 样品或者模型) 的三维表面数据， 即数据采集，目前应用最广的数据采集方法是采用三嫩标测量仪和激光三角形测 量法，采集数据的工具是三坐标测爨机，目前三维坐标测量机主要有 6 1 ： f 1 ) 枧械接触式坐标测量枫 祝被接触式袋栋溺量枫通过灏爨头与实物的接触获得箕坐标点的有窿点云数 据。 ( 2 1 光学坐标测量机 该测量机由光源照射实物，利用千涉条纹技术测出实物的形状，该数字成像 技术测量得到的是大批量、无序的点云数据。 第一章绪论 ( 3 ) 激光坐标测量机 激光坐标测量机由激光扫描实物，同时由摄像机录下光束与实物接触部位， 测量点云的密度由接触部位曲率大小决定，曲率越大点云密度也就越大，反之， 曲率越小点云密度也越小。根据接触部分的形状，分为点激光测量机、线激光测 量机和面激光测量机。 机械接触式坐标测量机的最大优点是成本低，所以目前应用较为广泛，图1 2 为各种机械接触式坐标测量机示意图。但这种测量机也存在着很多问题，比如测 量速度慢，不能对软质材料或者超薄形物体进行测量，测头直径大于间隙宽度时， 坐标点的采集就受到限制等。 桥式三坐标测量机单臂式三坐标测量机 图1 2 机械接触式坐标测量机 测量数据的精度是评价测量机好坏的重要指标，在使用测量机时，如何提高 测量机的测量精度就成为测量机用户较为关心的问题。就普遍使用的机械接触式 坐标测量机而言，测量数据的精度除了受测量机本身精度的影响外，还受到基准 定位点测量精度的影响，而测量机本身精度是有生产厂家的制造水平决定的，用 户无法对其进行改进。因此在测量机本身精度一定的情况下，提高测量机基准定 位点测量精度就成为提高测量数据精度的关键。我们针对机械接触式坐标测量机 当前基准定位存在的问题，提出了解决方案，从而可以提高基准定位点测量精度， 满足了企业对测量点高精度的需要，具有广泛的实际意义。为方便起见，以下机 械接触式坐标测量机都简称为三坐标测量机。 车灯逆向造型辅助功能二次开发 1 2 1 基准定位及重定位整合 作为一种测量仪器，三坐标测量机测量原理是将被测物体置于三坐标测量空 间，通过测量获得被测物体上各测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值， 经计算求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。 测量点的坐标时，三坐标测量机主要是通过比较被测量与标准量，并将比较 结果用数值表示出来作为测量值。在实际测量中，标准量就是测量机的坐标原点 即测量机的基准点，往往该基准点是固定在测量机测量范围内的一个固定点。当 被测物体较大或者需要测量被测物体的背面时，一次定位不能完全测量到物体的 全部数据，需要移动测量机的测量臂的位置，每移动一次测量臂，再进行测量前 需要重新测量同一个固定基准点的坐标作为该次测量值的参考坐标原点。因此在 实际测量中，一个被测物体完整数据的测量往往需要多次移动测量臂，相同的一 个基准点就需要经过相应的多次重新测量，因此每次基准点测量值的误差精度大 小将直接影响到测量物体上测量点数据的精度。 目前三坐标测量机基准定位普遍采用的方法是点定位，就是确定测量机测量 范围内的某个固定点作为定位基准点，每次改变测量位置后测量该基准点的坐标 作为测量值的参考坐标原点。确定参考坐标原点后，测量点的坐标是相对于该坐 标原点计算得到的。 实际测量中，经常需要多次定位产品，才能获得被测物体的完整数据，其主 要原因有n f 1 ) 产品尺寸超出测量机的行程； 偿) 测量机的探头不能触及产品的反面； 邝1 补测时需要重新定位。 这时就需要多次变换测头系统的参数或者改变零件摆放位置，来完成整个零 部件的测量。这种在不同的定位状态( 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，为了保持在不同测量状态下测量数据的一致 性，一旦改变了零件的测量状态，就需要将这些不同状态下测量的数据变换到同 一坐标系下，这个过程称为数据的重定位整合。 1 3 汽车车灯逆向造型二次开发 1 3 1 应用背景 随着汽车工业的发展，各种款式的轿车不断涌现，汽车速度不断提高，对汽 车灯具设计的要求也越来越高，以前的设计方法是依靠个人经验和大量的实验， 一4 - - 第一章绪论 但这已经远远跟不上灯具设计需求的速度和越来越严格的车灯照明标准。因此国 外已有人利用计算机对汽车灯具进行仿真设计，从而大大加快了灯具的开发速度 【8 】。 汽车灯具因其与行车安全密切相关，故在国家汽车工业发展产业政策中确定 为第二类( 2 2 种) 主要配建零部件之一。灯具( 图1 3 为汽车前大灯) 结构比较 复杂，由灯泡、反射镜、配光镜三大部分组成，如图1 4 所示。 l e d 汽车灯具 氙气灯汽车灯具汽车前大灯 图1 _ 3 汽车前大灯 反射镜 9 】又称反光镜，其作用是最大限度地将灯泡发出的光线聚合成强光束， 达到照射距离远而明亮的目的。通常情况下，它由o 6 o 8 m m 的冷扎钢板冲压 或者玻璃、塑料制成，其内表面经精工研磨后镀铬或镀铝或镀银再抛光。 灯丝位于反射镜的焦点上，灯丝的绝大部分光线经反射镜发射后变成平行光 束投射远方，使光度增强几百倍甚至上千倍，从而确保前照灯的照明效果和照明 距离。 5 一 车灯逆向造型辅助功能二次开发 ( a ) 车灯系统示意图 ( b ) 车灯系统实物图 图1 4 带配光镜的车灯系统 配光镜又称散光玻璃，其作用使将反射光束进行扩散分配，使路段达到照明 均匀的目的。配光镜利用透明玻璃压制而成的棱镜和透镜的组合体，即形状比较 复杂，如图1 5 所示。 灯泡发射的光线经发射之后仍然有些分散，若没有配光镜，则不能使车前方 l o o m 内的路面各处都有良好而均匀的照明。为了弥补具有发射镜的前照灯由于 光束太窄、照明范围不大的缺点，通常采用配光镜。 前大灯配光镜 雾灯配光镜 图1 5 汽车车灯配光镜 1 3 2 车灯配光纹简介 由前所述，车灯【1 6 】通常由灯泡、反射镜和配光镜三部分组成，其中反射镜和 配光镜的作用是增强灯泡发射的光束的亮度和照明度。为了加强这一功能，车灯 反射镜和配光镜上通常分布各种各样不同的配光纹。 车灯配光纹的种类很多，其中有多自由曲面反射镜、阶梯直纹面配光纹、圆 弧面配光纹等，如图1 6 所示。 第一章绪论 配光纹种类不同，其对于车灯的配光作用也不相同。一般情况下，汽车的任 意一个车灯同时配置多种配光纹，即使是结构最为简单的侧转向信号灯也包含了 几种配光纹。 直纹配光面 车灯配光面片 图1 6 车灯配光纹 1 3 3u g 二次开发在车灯逆向造型中的作用 样条配光面 在汽车车灯新产品的研究开发过程中，逆向工程技术和思想越来越受到重 视。车灯产品的造型大致可以分为数据测量、三维建模和结构设计三个阶段。数 据测量阶段是利用三坐标测量仪对汽车车灯的每个部件进行测量，以获得所有部 件的三维坐标数据；三维建模阶段是利用测量的三维坐标数据，通过专业的三维 软件( u g 、c a t i a 等) 进行车灯产品造型：结构设计阶段是根据具体情况将车 灯产品的某些结构进行设计和改造。 由于汽车车灯存在种类和数量繁多的配光纹，对这些配光纹进行测量和建模 的工作量巨大，通常占据整个产品造型工作量的2 0 甚至更多。因此能否提高这 些配光纹的造型效率将直接影响汽车车灯新产品开发周期和开发成本。 虽然车灯配光为数据较多，当每种配光纹的建模都符合一定的规律，因此对 于手工造型的工程而言，这是一项枯燥和重复的工作。因此，若能对某种三维软 件进行菜单功能的二次开发，实现所有配光纹建模的自动化，则将极大地提高配 光纹的测量和造型效率，同时产生可观的经济效益。 车灯逆向造型辅助功能二次开发 而一些专业三维造型软件具有的用户自定义接口则为菜单功能的二次开发 提供了可能，u g 是这些具有二次开发接口的软件中的一个【1 2 j 。 u g 是u n i g r a p h i c s 的简称，它是通用的、功能强大的三维机械c a d c a m c a e 集成软件【1 4 1 。该软件能适应多种复杂的曲面造型和参数化实体造型，可以直观、 准确地反映零、组件之间的装配关系，是产品开发完全实现设计、分析、制造的 无图纸生产，并可使产品设计、工装设计和制造等工作并行开展，适用于各种产 品的设计与开发，因此广泛应用于汽车、航空、船舶、通用机械、电器和玩具等 行业。 u g 二次开发提供了两种语言模块( u g o p e ng r i p 、u g o p e na p i ) 和两种 辅助开发模块( u g o p e nm e n u s c r i p t 、u g o p e nu i s t y l e r ) 。其中应用最广的语言 模块是u g o r ，e ng r i p 1 3 l ，该模块具有外部高级开发语言接口，是u g 的内嵌语 言，能够实现强大的图形绘制、装配、工程图的生成和一定的文件管理功能，主 要进行u g 功能的调用。 如上所述，汽车车灯特别是在配光纹的逆向造型中，经常遇到大量繁琐而重 复的工作，手工造型时，工程师劳动强度较大。而当配光纹形状较为复杂( 如a 曲面、自由曲面) 时，不但对工程师的造型水平和经验要求较高，而且手工造型 本身也存在着很多问题，这就导致了造型效率的低下。因此亟需一种算法准确合 理并且操作简单易行的自动建模功能模块来解决车灯逆向造型中存在的问题。 l - 4 本文的主要工作及章节安排 本文的主要工作分为两个部分：一部分是为了提高三坐标测量机基准定位和 重定位的精度，提出了一种全新的定位和重定位方法规则几何体的几何中心 定位法：另部分为了解决汽车车灯逆向造型实践中存在的若干问题，本文基于 u g 环境，利用其自身的二次开发语言o p e n g r i p ，开发了一系列汽车车灯逆向 快速建模功能模块，实现了车灯逆向建模的自动化。 本文章节安排如下； 第一章绪论，介绍了逆向工程及其应用背景，并指出逆向工程中的两个重 要环节数据处理和c a d 建模过程在实践中存在的问题： 第二章三坐标测量基准定位和重定位，提出规则几何体几何中心作为定位 和重定位点的方法，包括双立方块定位、圆柱体定位和球体定位等基准定位和三 球体重定位和多球体全方位重定位等，介绍了其原理及算法流程； 第三章自由曲线的迭代拟合，提出了自由曲线的自动拟合，分析了其建模 原理及算法，并通过实例来验证算法的正确性： 第四章车灯反射器配光面的自动拟合，介绍汽车反射器自由曲面的自动快 第一章绪论 速建模及其微调，分析了自由曲面的建模原理及其中的关键技术，说明了算法的 实现，并绘制出了算法流程图，最后通过实例来验证说明算法的正确性； 第五章车灯条纹配光面的快速逆向建模，介绍了汽车配光面的应用背景， 提出了配光面的快速建模，分析了快速建模的原理及其关键技术，说明了原理的 实现算法及流程，最后通过实例来验证原理的正确性； 第六章常用逆向造型辅助功能的二次开发，介绍了逆向造型中常用的一些 小功能的二次开发及二次开发过程中经常用到的一些功能模块； 第七章总结，主要阐述本文的研究成果及所开发程序的应用效果，并对后 续开发进行了展望。 车灯逆向造型辅助功能二次开发 第二章三坐标测量基准定位和重定位 内容提要：针对三坐标测量基准定位时误差较大及定位不便等问题，提出了 基于几何体中心的基准定位原理；并在此原理基础上，设计了运用三个或多 个几何体来进行测量数据重定位整合前的数据准备工作的方法。实际应用证 明，这两方面的改进，大大提高了基准定位和重定位整合的精度和工作效率。 2 1 引言 逆向工程中点数据的测量通常是通过三坐标测量机来进行的。 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 s ) 是近三十年才发展起来的一种 高效率的新型精密测量仪器，广泛应用于机械制造、电子、汽车、和航空等工业 中。 作为一种普遍应用的精密测量仪器，其测量精度的高低是人们较为关注的问 题。测量机在测量前，需要首先测量一个点的坐标，并把该坐标值作为测量机的 坐标原点，其他测量值都是相对于该坐标而言的，该点即为测量机的基准点。而 测量基准定位时目前普遍采用的点定位方式存在的一些问题严重影响了测量点 的精度，这些问题主要有以下几个方面： ( 1 ) 点只是个抽象的感念，现实中点是不存在的，即前后两次能够同时测量 到同一个点的可能性是不存在的； ( 2 ) 同个固定大小点的坐标，由于受环境、测量人员视力和测量水平等客 观条件的影响，两次测量的误差也将会很大； ( 3 ) 受测量机探针的倾斜程度的影响，当测量臂移动后，再测量同一个位置 时探针的倾斜程度将会发生变化，因此使得两次测量值有一定的误差。 受以上各种因素的影响，点定位方式测量时存在着较大的误差，对数据的重 定位整合工作也带来一定的影响，严重影响着测量点的测量精度，给以后的逆向 造型带来了较大的困难。 为了提高测量机基准点的测量精度，我们在对点定位方式存在的缺点进行仔 细研究的基础上，结合实际操作经验，采用了用规则几何体的几何中心作为测量 基准点的方法，在参考坐标原点处固定一个形状规则的几何体，测量几何体上有 限个点，由这些点通过数学方法计算几何体的几何中心，把该几何中心作为参考 坐标原点即测量基准点。 该方法由于是测量几何体上有限个点而不需测量相同的点，并且是通过数学 计算来得到基准点。在测量几何体上有限个点时，基本不受环境和测量人员自身 客观调节的影响。当几何体的体积较大时，测量点的数据时受测量探针倾斜程度 的影响较小。因此该方法基本解决了点定位带来的问题。 第二章三坐标测量基准定位和重定位 2 2 三坐标测量基准定位 规则几何体几何中心作为测量基准点的方式根据采用的几何体的不同可以 分为：双立方块基准定位、圆柱基准定位和圆球基准定位等几种。 2 2 1 双立方块基准定位 双立方块基准定位就是采用两个粘结在一起的两个立方块，其形状如图2 1 所示。由于立方块的相邻三个面是相互垂直的，而测量机的测量探针不能弯曲， 所以不能保证探针能同时测量到相互垂直的三个面上的点，因此采用了双立方块 粘结在一起的方法，当不能同时测量到一个立方块相邻三个面上的点时可以测量 另一个立方块上相邻的三个面上的点。 2 2 1 1 基本原理 图2 1 双立方块粘结示意图 在测量机测量范围内固定如图2 1 所示的双立方块，两个立方块边长己知， 分别为a i ，a2 。在保证能够测量到其中一个立方块相邻且相互垂直的三个面的情 况下，测量该立方块上相互垂直三个面每个面上三个点，一个面上三个点不能共 线，如图2 1 中r 一最或者爿一层，由这九个点即可求出立方块的几何中心坐标 值，由于测量机探针不能接触到立方块的内部几何中心，因此把中心坐标z 值加 上一个固定值使该点上升到探针可以接触到的地方，把该点作为定位基准点。每 次测量前只需测量一个立方块上的几个点，然后通过计算机程序计算出定位基准 点的坐标( 程序在运算时需要指出用的是上立方块还是下立方块，两立方块中心 坐标之间有换算关系) ，把探针移动到基准点处并把该点作为参考坐标原点即可。 孳j 灯遵向造型辅助秘能= 次开发 2 2 1 2 算法实现 由相互垂直且相邻戆三个丽，每个菌上不在一条蛊线上的三个点求几何中心 坐标豹算法如下： ( 1 ) 判断三点是否在祭袁线上，翔票在一条壹线上提示灏爨数据有误； ( 2 ) 三点确定平面的代数方程。若三点坐标分别为晶( x o ，y o ，z o ) ，嚣“，y l ，z 3 ， 昱，y 2 ，z 2 ) ，则平面的方程为：删+ 腑+ z + d = 0 ，式中： = 2 一甄x 一z o ) 一( 咒一y o ) g z 。) m = c - z o ) ( x 2 一岛) 一0 2 一z 。) ( 鼍一而) n = ( x l 一) o ：一y o ) 一 2 一) 执一) d 。一e z + m y o + ? 谨。) ( 3 ) 计算每两个平面壤交囊线鳆方程； ( 4 ) 过面上点分别作另两个或者一个面的垂线，垂足分别为b 1 , b 2 , b 3 ，并由三 条交线方程可得到立方块一个顶点爿的坐标值，如图2 2 所示； 面堕i 坠譬7 ( 5 ) 分别向量4 b i ，a b 2 ，a b 3 的值，并单位化，得到单位向量l ir l 2 二3 ； ( 6 ) 把顶点4 坐标值分别沿着单位向量五l 五2 正3 移动立方块的边长a ，即可得 劐立方块的几何中心坐标德。 2 2 。2 蹰柱基准定位 圆柱基准定位就是在测量机测量范围内定做嫠准点处固定一个小圆柱体，该 圆柱的搿度h 和底圆半径r 己知。相对于双立方块基准定位，圆棱蒸准定位测 量的点数较乡，且所溺点在测圆弧面上，鬣以搽铃灏基每个点对颧瓣楚度大致耜 第二章三坐标测量基准定位巍燕定位 犀，测量误麓值较小。 2 2 2 1 耩本原理 在溅爨蕊围内基准点处霜定一个豳柱体，计箕定绽基准点对，灏量测柱钵底 面或者顶覆上盼三个或者一个点，然后测量圆柱侧瑟上的三个点，通过该六个点 计算得到圆柱顶面圆的圆心坐标，该圆心即可作为定位基准点。 测量时先测量圆柱的顶面或者底面上不在同一条盥线上的三个点或一个点， 再测量圆柱侧面上三个点。如果顶面或底面上测最三个点，则先由这三个点求得 与鑫柱轴线乎行豹一个定量，并怒该向量保存到一个配置文 牛中，然箍利用测量 静六个点求出顶蘧圆心坐标；如暴项面或者底磊上哭溺量一个点，剥认为藏次测 量的圆柱与上一次测量六个点的圆柱是同一个圆柱或两个圆柱的轴线怒平行的， 计算时利用测量的四个点和配鬣文件中的向量求出顶面圆心。该顶圆圆心即可作 为测量机撼准点。 根据上述原理，只需测量铡挂体上四个或者六个点，然后调用程廖即可得到 圆柱韵顶强圜心，帮测量基准点。翟痔中宣动剿断浏跫的点的个数，懿鬃是六令 点则得到求融颓强圆心并保存一个向量，如果是四个点剿读取上次僳存的向量， 并由此向爨和四个点求出顶圆圆心。把测量机探针移动到该位置，并以该点为测 量值的相对嫩标原点。 2 2 。2 。2 鼙法实现 由基本原理可以看出：该方法的主要算法是由圆柱底面或者顶面上三个或者 一个点和侧面上三个点计算圆柱顶面圆的圆心坐标德，其主要算法如下： ( 1 ) 先判断点的个数，如聚是六个点，则由底磷或顶面上的三个点确定底面 或顶面掰在的平面，并保存该蕊的法向量到配嚣文件，如果是四个点，则读取一 个商量佟为颡斡法囱量，在由谣上的一个点求出露静方理； ( 2 ) 过侧褥上的三个点分剐沿饕面的法商量静圆桉轴线方向作矗线； ( 3 ) 求三条直线与底面或顶面的交点，即侧面上的三个点在底面或顶面上的 投影点( 晶，墨，岛) ，如图2 3 所示，遮三个投影点在底面或顶面圆的圆周上； ( 4 ) 蠡式( 2 。1 ) 可以计算褥到灏心到线段的距离d ； - h - _ - _ _ - _ - 。_ 。_ _ _ 。_ 。一 d 一霖2 + d 0 ，y ，z ) n 1 、 式中：尺球体半径： d ，y ，。) 两投影点( 晶，露) 迄线长度的一半。 车灯逆向造型辅助功能二次开发 图2 3 圆心计算示意图 ( 5 ) 把线段最e 的中点p 3 沿着线段e o p l q 唾线的一个方向f 2 移动距离d ，得到 一个圆心点0 2 ： ( 6 ) 判断该点芝的距离，如果该距离大于圆心半径，则认为不是所求圆心， 把线段的中点沿中垂线所在向量的反方向移动距离d ，即可得到底面或项面的 圆心点d 1 。 2 2 。3 圆球基准定位 所谓圆球基准定位是指在定位点处固定一个球体，该球体半径已知。为了方 便固定，在实际测量中通常使用的是球冠。相对于双立方块和圆柱，球体所需测 量的点数较少，只需测量球表面四个点的即可，因此测量误差相对较小。但与双 立方块和圆柱体相似，计算得到的球心坐标的精度也受球体加工精度的影响。 2 2 3 1 基本原理 与双立方块基准定位和圆柱基准定位相似，圆球基准定位是在测量机的测量 范围内的工作台上固定一个小圆球体( 为了便于固定可使用球冠) ，圆球体的半 径r 已知。 圆球基准定位的基本原理：测量得到球体上四个点的坐标值，每三个点都不 能共线，由这四个点及球体的半径可以计算得到球体的中心，把该中心平移一个 距离后得到一个探针可以接触到的点，该点即可作为定位基准点。因此，只需要 测量球体上四个点( 每三个不能共线1 ，然后用一个由球面上四个点和球体半径计 第二章三坐标测量基准定位和重定位 算球体中心的小程序即可计算得到球体所确定的定位基准点，即测量数据的相对 坐标原点。 2 2 3 2 算法实现 根据上述原理，该方式的主要算法是由球体表面上四个点和球体半径计算球 体的中心坐标值。数学依据是：球体表面任意三点所形成的大圆，该大圆的圆心 与球心的连线必将垂直与该大圆所在的平面，并且第四个点到球心的距离一定等 于球体的半径。由球体表面四个点( p 。，号，昱，昱) 及球体半径r 求球体中心坐标的 算法步骤如下： ( 1 ) 取其中的三个点( p 。，号，b ) ，计算这三个点构成三角形外接圆的圆心d 1 及三角形所在平面的法向量t ； 设三点坐标分别为晶，y 。，白) ，最“，y 。，_ ) ，e 0 ：，y ：，z ：) ，则三点构成的 三角形外接圆的圆心坐标( x ，y ，z ) 可表示为： 工= m ( z 1 一z o ) 一n x ( y 。一y o ) f + ( 鼍+ x o ) 2 y = ，z ( 一x o ) 一l x ( z 1 一z 。) f + ( y 1 + y o ) 2 z = f ( y ，- y 。) 一m ( h x o ) f + ( 互+ z o ) 2 ( 2 2 ) 式中： z = ( y 1 一y o ) ( z 2 一z o ) 一( y 2 一y o ) 0 1 一z o ) m = ( z 1 2 0 ) ( 屯一z o ) 一( z 2 一z 0 ) c 鼍一x o ) n = ( x l 一) ( y 2 一y o ) 一( y l y o ) x ( 毪一) ：睦! 竺! 二! ! ! 二! ! q ! 二! ! ! ! ! 苎二垦! ：匕：竖! 二墨! 二! ! ! 垒二鱼! ! 鱼二兰1 2 【，”( z 2 一z o ) 一n ( _ ) 2 一y o ) j 【h x 0 2 一z o ) 一z ( z 2 一z o ) j ( 2 ) 过三角形形心平行于- 的直线一定过球心，计算点昂到形心q 的距离d ， 由该距离和球体半径r 按照( 2 1 ) 式即可得到球心到形心的距离d ； ( 3 ) 把形一t l , 坐标沿着三角形平面矢量方向，移动距离d 即得到一个球一t l , 坐 标； ( 4 ) 由于三角形平面的矢量方向有两个，所以得到的坐标不一定为所求球一t l , 车灯逆向造型辅助功能二次开发 坐标，因此需要用第四个球体表面上的点只来最后检验确定球心的坐标值。判断 的方法是计算b 到两个球心的距离，距离等于r 的球体为所求。然后把该坐标 值的z 坐标加上增量z 得到的点即可作为测量参考坐标原点定位基准点。 2 3 重定位 除基准定位外，用几何体的中心作为基准点的方法还可应用不同坐标系下测 量值的重定位整合前的数据准各。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： n ) 产品尺寸超出测量机的行程； ( 2 ) 测量探头没能触及产品的反面； ( 3 ) 产品补测时的重定位。 这时就需要在不同的定位状态f 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。 数据整合时，需要把点的坐标乘上一个坐标变换矩阵t 即可转换到另一个坐 标系中，该变换矩阵是通过相同点在不同坐标系下坐标值的关系得到，这些点称 为重定位基准点，如图3 中的a 、b 、c 、e 、f 等点，假设只使用a 、b 、c 三点作 为重定位基准点，设在第一次定位状态下测得a 、b 、c 的坐标值为n ，y l , z 1 ) 、 6 也，y 。，z 。) 和c ( x a ，y 。，z 。) ，第二次定位状态下为a ( x 。，x ，z ，) 、b ( x 2 ，k ，z ：) 和 c ( x ，鼍，z 。) ，则有下式： x 。y 。z 。1 - x 1xz l1 x t x ：y ：z ：1 = x ：y 2z ：1 x t x 。y 3 2 31 = i x 。y 3z 31 x t ( 2 3 ) 由上式可解得t ，即所求坐标变化矩阵，然后按照式( 2 4 ) 即可把第一个坐标 系下的坐标( 矿，y + ，z 4 ) 转换到另一个坐标系下0 ，y ，z ) 。 【x 8 y + z 41 j = 卜yz 1 j f( 2 4 ) 由( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可以看出数据重定位整合的准确性取决于基准点数据的精度， 因此我们采用几何体的几何中心作为重定位基准点，从而保证了基准点的精度。 这里的几何体可以是双立方块、圆柱和球体等规则形体，不同的几何体有着共同 第二章三坐标测量基准定位和重定位 的算法，就是测量几何体上有限个数据点，然后用这些点计算出规则几何体的几 何中心作为定位点即重定位基准点。这里以球体的球心为重定位基准点进行说 明，根据重定位基准点的个数不同，球体重定位可分为：三球体重定位和多球体 全方位定位。 2 3 1 三球体重定位 在实际测量中，往往不能在一次定位状态下测得产品的所有表面数据， 如图3 所示的工件，这时需要将产品分成多个部分进行测量( 在本例中，分为两 个部分，即，a i b i c l d l e l f i g ：h ：和a z b 2 c 2 d 2 - e z f 2 g 2 h 2 ) ，为了将多个部分的测 量数据在同一个坐标系下整合，可以在产品上选取不共线且在多次定位状态下均 可测量到的三个点a 、b 和c ，即为重定位基准点。 e ，e 2 f 1f 2 d id 2c lc 2 图2 4 三球体重定位示意图 在这三个重定位基准点处分别固定三个小球体( 为便于固定可以采用球冠) ， 两次测量时分别测量每个球体上的四个点，调用程序计算出球心的坐标即重定位 基准点，然后就可以利用( 3 ) 式和( 4 ) 式把两次测量的数据转换到同一个坐标系下， 即进行数据的重定位整合。 2 3 1 1 基本原理 三球体重定位的基本原理是在测量机移动前后都能测量到的工作范围内，固 定不在一条直线上的三个球体，如图2 4 中a ，b ，c 三点处固定三个球体。通过 测量球体表面上四个点的坐标值，计算出球体的中心坐标，把