（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究.pdf

摘要 论文题目：基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术研究 学科专业：机械制造及其自动化 研究生：齐国宁签名：翕酸 指导教师：李言教授签名：纭 。叭 摘要，、 逆向工程作为解决产品开发问题的一种全新方法，在现代加工制造领域的实际应用中 越来越多的受到了重视。本文针对逆向工程中复杂曲面零件的数控加工的关键技术进行了 理论研究和实践应用，包括点云数据处理和曲面重构、数控加工刀具轨迹生成和后处理程 序开发，对复杂曲面的逆向工程和数控加工具有重要意义。 论文对逆向工程中复杂曲面零件的数据采集、数据处理和模型重构技术进行了研究。 基于i m a g e w a r e 软件，分析了构造高精度n u r b s 曲线曲面的过程，以叶轮叶片为例，对 复杂曲面的逆向测量、反求分析以及重构设计方法进行了实际应用。 针对复杂曲面的多轴数控加工要求以及球头铣刀曲面加工中的效率问题，着重对平头 铣刀五坐标曲面加工的刀位计算、加工误差分析及补偿、走刀步长及切削宽度计算、刀具 半径计算和选择等进行了理论研究。建立了刀具有效半径、切削残留高度和后跟角的关系， 通过实验，研究了刀轴倾角、走刀行距、切削速度和进给量等对表面粗糙度的影响程度， 获得了相关参数在刀具轨迹规划中的最佳匹配关系。研究了基于等残留高度法的无干涉刀 位轨迹的生成方法，并对走刀步长和切削行距的计算方法进行了分析，建立了相应的算法。 对基于逆向工程的叶轮叶片曲面的数控加工进行了系统的实验研究，证明了所提方法的可 行性。 作为数控编程技术的重要内容，后置处理的作用是将通用的刀位文件转换成适合于数 控机床加工的n c 程序。本文针对五坐标数控加工自动编程的后处理程序开发，分析了后 处理的主要任务、基本内容和后处理流程，以双转台五轴加工中心m a h 0 8 0 0 c 为例，建 立了双转台五轴联动机床的后处理运动关系模型和求解公式。基于u g n x p o s tb u i l d e r ， 开发了m a h 0 8 0 0 c 双转台加工中心的后处理程序，实现了五坐标点位和轮廓加工的刀位 文件到n c 程序的转换，并在实际加工中得到了有效验证。 关键词：逆向工程；复杂曲面；数控；i i _ t - ；后置处理 本研究工作得到陕西省教育厅项目( 0 2 j s 3 3 ) 资助。 a b s t r a c t t i t l e ：r e s e a r c ho nn cm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fc u r v e s u r f a c eb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g m a j o r ：m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n n a m e ：g u o n i n gq i s u p e r v i s o r ：p r o f y a nl i a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： 一 a san e w w a yt os o l v ep r o b l e m si np r o d u c td e v e l o p m e n t ，r e v e r s ee n g i n e e r i n gg e t sm o r e a n dm o r ea t t e n t i o n s i nm o d e mm a n u f a c t u r i n g t h ek e yn cm a c h i n i n gt e c h n i q u e so ft h e c o m p l e xs u r f a c ei nr e v e r s ee n g i n e e r i n ga r es t u d i e dt h e o r e t i c a l l ya n dp r a c t i s e di nt h i sp a p e r i n c l u d i n gt h ep r o c e s s i n gm e t h o do fp o i n t c l o u d sd a t a ，t h er e c o n s t r u c t i o no fc o m p l e xs u r f a c e ， t h en c m a c h i n i n gt o o l p a t hg e n e r a t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fp o s t - p r o c e s s i n gp r o g r a me t c ， w h i c hh a sg r e a ti m p o r t a n c ei nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dn c m a c h i n i n gf o rc o m p l e xs u r f a c e t h ed a t ac o l l e c t i o na n dp r o c e s s i n go fc o m p l e xs u r f a c ea sw e l la sm o d e lr e c o n s t r u c t i o na r e s t u d i e d b a s e do ni m a g e w a r es o f t w a r e ，t h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i n gh i g hp r e c i s i o nn u r b s c u r v e sa n ds u r f a c ea r ea n a l y z e d ，t a k ea ni m p e l l e rb l a d ea st h ee x a m p l e ，r e v e r s em e a s u r e m e n t ， r e v e r s ea n a l y s i sa n dr e c o n s t r u c t i o na r ep r a c t i s e d a i m i n ga tt h ee f f i c i e n c yp r o b l e mo c c u r r e di nt h ec o m p l e xs u r f a c em a c h i n i n gw i t hb a l l - e n d m i l la n dm u l t i - a x i sn cm a c h i n et o o l ，s o m ek e y p r o b l e m sa r er e s e a r c h e dt h e o r e t i c a l l yi n c l u d i n g c a l c u l a t i o no fc u t t e r sl o c a t i o n ，a n a l y s i sa n dc o m p e n s a t i o no fm a c h i n i n ge r r o r , c a l c u l a t i o no f c u t t i n gs t e pl e n g t ha n dc u t t i n gl i n ew i d t h ，c a l c u l a t i o na n ds e l e c t i o no ft o o lr a d i u si nt h e c o m p l e xs u r f a c em a c h i n i n gw i t hf i v e - c o o r d i n a t en cm a c h i n i n ga n df l a t e n dc u t t e r t h e r e l a t i o n s h i pa m o n gt h ee f f e c t i v ec u t t e rr a d i u s ，t h em i l l i n gr e m a i nh e i g h ta n dt h ei n c l i n a t i o n a n g l ei se s t a b l i s h e da n dt h ei n f l u e n c e so fi n c l i n a t i o na n g l e ，p a t hi n t e r v a l ，c u t t i n gs p e e da n df e e d r a t eo nt h es u r f a c er o u g h n e s sa r ea n a l y z e db ye x p e r i m e n t s ，a n dt h eb e s tm a t c h i n g r e l a t i o n s h i p a m o n gs o m er e l a t e dp a r a m e t e r si nt o o lp a t h - p l a n n i n ga r eo b t a i n e d t h ei n t e r f e r e n c e f r e et o o l p a t hg e n e r a t i o nm e t h o db a s e do nt h ei s o - s c a l l o pi sg i v e n t h ec a l c u l a t i o nm e t h o d so fc u t t i n g s t e pl e n g t ha n dr o ws p a c i n ga r ca n a l y z e d ，m e a n w h i l e ，t h ec o r r e s p o n d i n ga l g o r i t h mi sg i v e n e x p e r i m e n t a lr e s e a r c h o nn cm a c h i n i n go fi m p e l l e rb l a d e ss u r f a c eb a s e do nr e v e r s e e n g i n e e r i n gi sc a r r i e do u ts y s t e m a t i c a l l y , w h i c hp r o v e st h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dg i v e n a b o v e a sa l li m p o r t a n tp a r ti nt h en c p r o g r a m m i n g ，t h ef u n c t i o no fp o s t - p r o c e s s i n gi st ot r a n s f e r t h ec u t t e rl o c a t i o nf i l ei n t ot h en c p r o g r a ms u i t a b l et on cm a c h i n et o o l s a i m i n ga tt h e p o s t - p r o c e s s o td e v e l o p m e n to f5 - a x i sn cm a c h i n i n ga u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ，t h em a i nt a s k s ， c o n t e n t sa n dp r o c e s s m gf l o wa r ea n a l y z e d w i t hm a h 0 8 0 0 c a d u a l r o t a r y - t a b l e5 一a x i s m a c h i n i n gc e n t e ra sa ne x a m p l e ，t h em o t i o nr e l a t i o n s h i pa n ds o l u t i o nf o r m u l ai sg i v e n b a s e d o nu g n x p o s tb u i l d e rs o f t w a r e ，t h ep o s tp r o c e s s o rf o rm a h 0 8 0 0 ci s d e v e l o p e d ，w h i c h r e a l i z e st h ec o n v e r s i o no ft h ep o i n t p o s i t i o na n dc o n t o u rm a c h i n i n gc u t t e rl o c a t i o nf i l et on c p r o g r a i l l ，a n dt h ep o s tp r o c e s s i n gp r o g r a mh a sb e e nv e r i f i e de f f e c t i v e l yi np r a c t i c a lm a c h i n i n g k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c o m p l e xs u r f a c e ；n cm a c h i n i n g ；p o s t p r o c e s s i n g t h i sp a p e ri ss u p p o r t e db ys h a a n x ip r o v i n c ee d u c a t i o nb u r e a uf u n d ( g r a n t n o ：0 2 j s 3 3 ) i i 独麓l j 、性荦明： ，乘承祖国优良道德传统翟学校的严谨学尽郑重宴粤5 菱弘所晕变的学位论攀晕露黧 a 在导师指导下进行的研究葚作及取得的成器占j 晷我所矧t 除特别加以标注和致谢的增 ：，i ：j 、1 、7 ：j ，。j 。：，j - i - 一一+ ? j ，。i 二- ，1 一，t ， ，j 一，一。，一、一一j二，：7 。t ，；。：，。，5- ，3 。i ：4 。，： 方外：j 论文中不包含其他人的研究成果：j ：与我一同工作的同志对本文所论述的i ：作和成 ：、；i 、，。j _ ? ，i ， ： 一。，一二? r ：一? ，- ：30 一 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢0 i ：本论丈及其相关资料若肴不实之处由本人承担切相关责任 ：理b 卜j 论文作者签名；i 芝圈壹善氢砖；净真孝? 直j 学位论文使用授权声明。 保密的学位论文在解密后 。适用本授 娑李修孝签名：鼍螽骖 j 年童1 月雪9 辟： 竺一絮鬻一糍 揣。俐。粉一时一螂一靴：|；蜘。口懈 1 绪论 1 绪论 随着科学技术的飞速发展和知识经济时代的来临，现代加工制造业开始了新一轮更加 残酷的竞争，其竞争的核心是产品设计开发的竞争。社会对产品多样化的要求日益强烈， 产品更新越来越快，多品种、中小批量生产的比重明显增加，传统的产品设计开发流程面 临着严峻的考验。为了适应不断发展的需要，新的制造技术和手段层出不穷。在这些新手 段和新理念中，逆向工程作为一种高效的产品设计思路和方法，能够很好的适应发展的趋 势，缩短新产品开发周期，降低新产品的开发成本。 1 1 逆向工程概述 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) ，也称反求工程或反向工程，起源于精密测量和质量 检验，它是设计下游向上游反馈信息的回路【1 1 。广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的 一系列工作方法的技术组合，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程。它包括影像逆向、 软件逆向、实物逆向和局部逆向四个方面。狭义的逆向工程主要是指实物逆向，包括形状 逆向、工艺逆向和材料逆向等几个方面【2 】o 在机械工程领域，逆向工程主要针对实物逆向，是以产品实物为依据，对有关产品的 设计原理、结构、材料、工艺等方面进行分析研究，研制出与原型产品相同或相似的新产 品【3 】。传统的设计制造过程都是由功能需求经概念设计产生图纸或c a d 模型，经满意度 检查后加工出产品，我们称之为正向工程。逆向工程与正向工程相反，它的己知信息是产 品的实物，即在缺乏相关技术资料( 图纸或c a d 模型) 的情况下由实物模型产生c a d 模型，再进行加工。机械工程中的正向工程和逆向工程的技术路线如图1 1 所示。 ( a ) 正向工程 实数 逆 设计意图理解 原始 c n 物1l据 向 l设计 a - c 模获软 + ， 参数 卜 da+零 型取件 还原 模 m 件 造型规律识别 型 ( b ) 逆向工程 图1 - 1零件制造的正向工程和逆向工程的技术路线 f i g 1 - 1 t h et e c h n i c a lr o u t eo f p o s i t i v ea n dr e v e r s ee n g i n e e r i n gi np a r tm e n u f a c t u r i n g 实物逆向的对象通常是自由曲面或含有自由曲面的复杂曲面。逆向的整个过程分设计 和加工两个阶段。逆向的具体步骤是：根据所设计的工业产品的形状，划分相应测量区域 西安理工大学硕士学位论文 和路线，完成复杂曲面的精确测量；进行数据的预处理，剔除粗大误差和重复测量点的数 据，对曲率变化较大的区域要增加测量点；研究测量数据与逆向工程软件、c a d c a m 软 件的数据共享格式；利用各种曲面生成算法将离散测量点拟合成曲面；检验其整体的光顺 性和拟合精度，按给定精度进行修改；在建立的曲面模型基础上，通过c a d c a m 一体 化软件系统，重构c a d 实体模型；生成s t l 文件或数控加工程序，实现工业产品快速设 计开发。 逆向工程是企业快速吸收先进技术、开发新产品、确保自身产品在同行业保持技术优 势和价格优势的重要手段。 1 2 逆向工程的应用 逆向工程作为解决产品开发问题的一种全新方法，是一种产品的再设计和超越过程。 近年来，在现代加工制造领域的实际应用中，主要包括以下方面【4 卅： a 产品仿制 对于有些产品由于管理疏漏或其他原因，厂家交付生产的时候没有原始设计图档和资 料，只有产品模型或实物样品。传统的复制只能使用三维雕刻机或仿形铣床来加工出模具， 然后进行生产，这种方法的缺点是效率低下，而且即使已经生产出产品，仍然没有产品图 纸，不能够直接进行修改和改进。逆向工程的使用为这类生产提供了很好的方法和途径。 使用逆向工程的方法，对样品或模型进行三维反求，在此基础上可以生成产品的图纸或 c a d 模型，以此为依据与数控机床结合可生产出产品，并可以直接对图纸或模型进行修 改或改进后生产。 b 新产品开发 在现代工业产品中，以自由曲面为表面的复杂形状零件，如模具型面、涡轮叶片、螺 旋桨、航空件等，其加工质量直接决定着整机的质量或产品的整体外观，由于零件形状复 杂，目前还无法满足这些复杂曲面零件的设计要求，还存在许多使用油土或泡沫模型代替 c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程技术将这些实物模型转换为c a d 模型。 c 产品改造 旧的产品在使用过程中，会不断发现原有设计的缺陷和局限性，对于一些缺失原始资 料或只需改进一部分功能的产品来说，应用逆向工程可以减少工作量，提高工作效率。 d 艺术品修复 修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件时，不需要对整个零件原型进行复制，而是 借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计，这是由实物逆向推理出设计 思想的一种渐近过程。对文物或工艺品复制来说，应用逆向工程可以使用非接触测量方法 获得文物或工艺品的表面形状信息，对文物或工艺品几乎没有损伤。 e 快速成型 在快速成型( r p ，r a p i dp r o t o t y p i n g ) 的应用中，通过逆向工程，可以方便地对原型 2 1 绪论 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。 逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递 的一种重要而简洁的途径。据统计，在产品开发中采用逆向工程技术作为重要手段，可使 产品研制周期缩短4 0 以上。它的应用领域主要是航空航天、汽车、玩具及家电等模具 相关行业。近年来随着生物材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用于人工生物骨骼等 医学领域。 c a d c a m 系统在我国已应用了几十年的时间，但逆向工程技术作为一门比较高新的 技术，在我国的应用时间不长，目前，掌握其技术的工程技术人员还属于少数，它的广泛 应用前景已经为人们所关注，逆向工程技术的研究和应用对提高我国现代加工制造业的整 体技术含量，进而提高产品的市场竞争力有着重要的作用。 1 3 基于逆向工程的数控加工研究现状 自由曲面的几何建模和数控加工技术，一直以来都是研究的热点。如涡轮叶片、螺旋 桨、汽车车身模具型面等零件，由于型面复杂，直接由图纸或c a d 系统生成满足功效要 求且光顺的数字模型和数控加工程序十分困难。通常在这些零件的设计过程中，使用油土 或泡沫制作原始模型，反复修改直至找到最佳结果，然后对实物模型进行测量，通过数字 化测量设备获得三维测量数据并生成自由曲面的数字化模型，即采用逆向工程来获得自由 曲面的数字化模型并进行数控加工制造【。7 1 。基于逆向工程的自由曲面数控加工己成为制造 复杂型面零件的重要方法。 目前，基于逆向工程的自由曲面加工技术主要有三种方式【8 】。 ( 1 ) 数字化测量与加工一体化：利用数字化设备进行三维数据的采集，去除测量噪 声和冗余数据等处理后，以空间三角形网格或型值点的集合建立型面数字化模型，由此直 接生成数控加工程序加工，实现测量与加工技术的一体化，即在同一台数控机床上实现测 量、加工的全过程【9 1 。这种技术由于在测量数据和数控程序之间没有建立直接的转换接口， 不能实现数控仿形加工，而且难以解决三维刀具补偿问题，往往要借助c a d c a m 软件 才能生成数控j n - r _ 程序，且数控加工路径和测量路径必须一致，没有经过曲面重建环节就 限制了粗、精加工的工艺选择，生成的单一数控加工路径往往导致加工效果不理想。 ( 2 ) 利用c a d c 伽讧系统生成c a d 模型和n c 加工程序：三维测量数据经格式转 换接口输入c a d c a m 系统，利用c a d c a m 的各项功能生成c a d 模型，进而生成刀具 轨迹，设置各项工艺参数，进行仿真模拟和后置处理后，生成n c 加工程序。 ( 3 ) 生成s t l ( s u r f a c et r i a n g l el i s t ，表面三角形列表) 格式模型文件进行快速原型 制造：三维测量数据输入c a d c a m 系统后，生成c a d 模型，转换成s t l 格式文件输 出并用于快速原型制造。由于s t l 文件结构简单，没有几何拓扑连接上的要求，使得转 换的s t l 模型出错的可能性加大，从而导致在快速原型制造中经常出现裂纹、孤立面、 3 西安理工大学硕士学位论文 顶点错误等。近年随着断层测量技术的发展，基于断层测量数据的直接s t l 模型生成方 法也得到了较深入的研究，然而受成型材料的限制，目前快速原型制造的应用范围仍然较 小。 基于逆向工程，利用c a d c a m 系统生成c a d 模型和n c 加工程序是目前自由曲面 加工较为成熟且应用广泛的一种方法。它依靠三维数据扫描技术，把实物扫描后在计算机 中建模和修改，生成n c 程序并与数控机床通讯，快速地进行制造。使用这种方法一方面 能利用逆向技术实现自由曲面的几何建模，更重要的是利用c a d 系统，在计算机建模过 程中可以对原型进行二次创新，这也正是逆向工程完整的意义和目的所在。同时，借助目 前强大的c a d c a m 系统可以生成较为理想的数控加工程序。随着目前制造方式向着“小 批量、多品种和定制化 方向的发展，该项技术在产品的仿制和改型设计、新产品的开发、 工业设计、模具的设计和制造等领域得到了广泛的应用。其基本过程如图1 2 所示。 - q 加工参数选择卜一 数数 - q 刀具路径规划k - 叫数控加工l 字据 曲 化 预 面 叫c a d c a m 卜 测 处 重 - q 数控加工仿真卜 j 4 理 构 里 一机床后置处理k - 图1 - 2 基于逆向工程和c a d c a m 系统的数控加工过程 f i g 1 2 t h en cm a c h i n i n gb a s e do nr ea n dc a d c a ms y s t e m 综上所述，对自由曲面零件进行反求，利用c a d c a m 系统生成数控加工程序是具 有复杂曲面形状的零件生产的先进技术，可以极大的提高生产的灵活性和精确性。本课题 的研究工作将会进一步丰富自由曲面的逆向工程和数控加工的理论和方法，并将在一定程 度上促进该项技术的推广和应用。 1 4 本文研究的主要内容及论文框架 本文在0 2 j s 3 3 号陕西省教育厅专项资金的资助下，研究复杂零件的逆向方法，重点 研究基于逆向工程的复杂数控加工技术。通过逆向工程与数控加工技术的结合研究，进行 合理的刀具轨迹的路径规划，提高数控编程的效率，快速、有效地提高机床的加工能力。 研究的主要内容如下： ( 1 ) 研究逆向工程中复杂曲面零件的数据采集、数据处理和模型重构技术，基于 i m a g e w a r e 软件，分析曲面数据处理和模型重构的解决方法和构造高精度n u r b s 曲线曲 面的流程和方法，以叶轮叶片为例，对复杂曲面的逆向测量、反求分析以及重构设计方法 进行实际应用。 ( 2 ) 对平头刀加工曲面编程技术进行深入研究，分析平头刀五坐标曲面加工刀位计 算方法、加工误差分析及误差补偿方法、走刀步长及切削宽度计算方法、刀具半径计算和 选择方法等。建立刀具有效半径、切削残留高度和后跟角的关系。通过实验研究刀轴倾角、 4 1 绪论 走刀行距、切削速度和进给量等对表面粗糙度的影响程度，分析相关参数在刀具轨迹规划 中的最佳匹配关系。 ( 3 ) 研究基于等残留高度法的无干涉刀位轨迹生成方法，并对走刀步长和切削行距 的计算方法进行理论分析。以叶轮作为对象，对基于逆向工程的复杂数控加工技术进行系 统的研究。 ( 4 ) 进行数控加工的后置处理研究，分析后处理的主要任务、基本内容和后置处理 流程，建立双转台五轴联动机床的后处理运动关系模型和求解公式。基于u g n x p o s t b u i l d e r ，开发m a h 0 8 0 0 c 双转台加工中心的后处理程序，实现五坐标点位和轮廓3 n - r 的 刀位文件到n c 程序的转换，并在实际加工中进行验证。 论文的总体框架如图l 一3 所示。 绪论 数据处理和模型重构 曲面数控加工技术研究 刀具路径规划和数控编程 数控加工后置处理 总结和展望 图1 3 论文总体框架 f i g 1 3 f r a m e w o r ko ft h i st h e s i s 第一章：绪论。主要介绍逆向工程的概念，逆向工程在国内外各个领域的应用以及基 于逆向工程的自由曲面加工的研究现状和方法。 第二章：曲面逆向的数据处理和模型重构。对逆向工程的点云数据处理和模型重构技 术进行研究，基于i m a g e w a r e 平台，通过叶轮叶片的逆向实例，重构三维模型，并对曲面 模型进行分析评估。 第三章：曲面数控加工技术研究。在微分几何的基础上，对平头铣刀在自由曲面加工 中的特点进行研究，分析平头铣刀五坐标曲面加工刀位计算方法。通过实验研究刀轴倾角、 走刀行距、切削速度和进给量等对表面粗糙度的影响程度。 第四章：刀具轨迹规划和数控编程。对自由曲面加工的刀具轨迹生成策略进行分析， 研究基于等残留高度法的无干涉刀位轨迹生成算法，并对走刀步长和切削行距的计算方法 进行理论分析。以叶轮作为研究对象，进行基于逆向工程的复杂曲面数控加工技术的研究。 第五章：数控加工的后置处理。对五坐标数控加工自动编程的后处理程序开发进行研 究，以双转台五轴加工中心m a h 0 8 0 0 c 为例，建立双转台五轴联动机床的后处理运动关 5 西安j e - r 大学硕士学位论文 系模型和求解公式。基于u g n x p o s tb u i l d e r ，进行m a h 0 8 0 0 c 的后处理程序开发，实 现五坐标点位和轮廓加工的刀位文件到n c 程序的转换，并进行实际加工验证。 第六章：总结和展望。对所做工作进行总结。 6 2 帅面逆向* 型模型重袖 2 曲面逆向的数据处理和模型重构 2 1 曲面数据的采集 根据曲面的c a d 模型是否己知，可将曲面的数据采集分_ = i i 曲面模型己知的采集和曲 面模型未知的采集。前者主要是为了检验和保证曲面的精度要求；而后者主要是根据采集 所获得的曲面的测点数据实现曲面重构，以便利用c a d 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。逆向工程中主要研究的是后者。 2 1 1 数据的采集方法 数据的采集，其实质就是零件表面信息数字化，是指采用某种测量方法和设备测出实 物各表面若干组点的几何坐标，以获得零件的几何信息。数据采集是逆向工程的首要前提， 是重构合理实体c a d 模型的重要保障。它不但关系到将来生成模型的精度，同时还决定 模型重建的方法和效率。另外，对于获取得到的各种类型数据进行研究、分析和初步处理， 可以为后续数据处理、曲面重构提供更合理、更完备的零件数字化信息。 由j ：在本课题的研究中，所要测量的实物样件是没有复杂内部型腔，只有少量的特征 曲面的零件所以采用非接触式测量方法柬获取l | 面点云数据，使用的设备是台湾智泰公 刊生产的l s h 8 0 0 线激光扫捕测量仪，如图2 一l 所示。具体技术参数如f ： 夺测量行程：8 0 0 m m x 6 0 0 m m x 4 0 0 m m 夺扫描量测精度：0 0 5 m m 夺抄数速度：5 0 0 点秒 夺测量景深景宽：1 5 0 m m x 5 0 m m 在测量时应注意遵循以下几个原则： ( 1 ) 测量时，首先应保证尽可能全面地获取对 象的几何特征，并尽可能的将扫描坐标系原点设在工 件上，便于坐标定位和后续建模处理。 ( 2 ) 在测量结构复杂工什时，为避免测量死角， 应通过反复试摆工件，观察工件表面在光电探测器敏 感面上的成像状况，找到最佳测量视角。 图21l s h s 0 0 激光扫描仪 ( 3 ) 在测量过程中一般情况下很难一次完成 f i 9 2 - 1 l s h s 0 0 l a s e rs t a l l m s r m m c u t 整个工件的测量工作，需经过多次测量。故需要将同一个工件的测量数据对齐到一个坐标 系下，为了将数据对齐误差减少到最小，应尽可能的减少数据对齐次数即减少调整工件 位姿的次数或移动测量设各的次数。 ( 4 ) 在曲率变化平缓的区域可以相应减少采样数据点的密度，在曲率变化急剧的 区域，应尽可能的采集较多数据以保证工件的外形特征。 西哥理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 采集数据要尽可能完整的表现被测物体的型面特征【“i 地方，边界、棱线、曲率变化大的地方，采集点应越密集。 ( 6 ) 在测量过程中，应保证周围环境安静无噪声、无振动 避免产生杂点、跳点。 凼此，在曲面越复杂的 光线要柔和，这样可以 ( 7 ) 对于外表反光强烈和颜色深暗的测量对象，测量前应在工件l 涂抹显影剂以避 免工件吲反光等原凼造成测量不精确】。 2 1 2 曲面点云数据的采集 本文以整体式斜流叶轮叶片为研究对象，利用l s h 8 0 0 线激光扫捕测量仪采集该叶片 的表面数据，并进行逆向设计和加工。采集结果如图2 - 2 所示。 2 2 数据的处理 削2 - 2l | 片原始点云 f i 9 2 2t h e p r i m a r y p o i n t sc l o u d o f b l a d e 数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量。测量 数据在生成l i 面之前的自口期处理主要包括以f 几方面的工作：数据预处理：如噪声、点 处理，多视拼台等，增强数据的合理性及完整性。数据光顺：通常采用局部回弹法、圆 率法、最小二乘法和能量法等米实现。数据精简：对冗余点的处理，压缩不必要的曲面 片内的数据点，减少后期计算量。特征点的提取：整体曲面的拟台往往较难实现，通常 采用特征点的提取来对曲面进行分块处理。散乱数据处理，对于具有较复杂形状的工件， 测量数据巾必然有一部分是无序的，须建立数据点问的拓扑关系【”】。对于不同的数据类 型，上述工作有不同的取舍。 2 2 1 测量数据点的分类 测量数据按反映特征和组织结构大致可分为二类：有序点和无序点( 散乱点) ”】。 在自动获取自由曲面数据时，为保证后续处理的精度，其测量点数一般从几万到几百万点 2 曲面逆向的数据处理和模型重构 不等，这样就形成了点云。由于采用的测量设备和测量方式的不同，所获得的点云分布特 征( 如排列方式、密度等) 也会有所差别，为了能有效处理各种形式的点云，根据点云中 的点的分布特征，点云数据可分为散乱点云、栅格点云、等值线点云、扫描线点云【1 4 】。 如图2 3 所示。 ( a ) 散乱点 ( b ) 栅格点 ( c ) 等值线点( d ) 扫描线点 图2 3 测量数据类型 f i g 2 3 t h et y p e so fm e a t u r ed a t a 2 2 2 数据点的去噪和精简处理 在逆向工程的测量阶段，由于受测量设备的精度、扫描速度、操作者的经验和被测量 零件的表面质量及其它偶然因素的影响，会产生测量数据的误差点，习惯上称为噪声点。 无论采用何种测量设备，何种测量方法都不可避免的产生噪声点【1 5 】，噪声点约占测量数 据总量的0 1 5 。若对噪声点不经过处理直接将测量数据用于曲线曲面造型，将会造成 重构曲面不能满足精度要求，如果噪声点误差太大，还会导致拟合曲面发生干涉、翘曲等 变形，甚至无法拟合，所以消除噪声点是逆向工程中数据处理的前提和基础。最简单的噪 声去除方法是人机交互，通过图形显示用肉眼辨别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。 这种方法简单易用，但只能模糊地去除明显的噪声点，具有很大的随机性和人为因素。 对于扫描线和等值线数据，常用的方法是角度剔除法，给定一个角度临界值o t ，确定 扫描线方向和等值线截面上相邻点所构成的夹角p ，如果肛a ，则中间点可能是噪声点， 对其进行标记和记录，如果p a ，则中间点不是噪声点，应保留，如图2 4 所示。 图2 4 角度法去除噪声点 f i g 2 _ 4a n g l em e t h o dw a su s e dt or e m o v en o i s ep o i n t s 9 西安理工大学硕士学位论支 利用角度剔除法进行数据精简的流程图如图2 - 5 所示 图2 - 5 数据精简流程图 f i g2 j t h e f l o w c h a r to f d a t ar e d u c t i o n 2 2 3 点云数据精简实例 图2 - 2 中通过l s h 8 0 0 线激光扫描测量仪测量所得的叶片点数据，共1 7 2 9 8 个点数据a 对上述测量数据用角度剔除法进行去噪处理，角度临界值“取为0 5 ，处理后可得如图2 - 6 ( b ) 所示数据点共1 1 2 4 8 点，精简率为3 5 。这种点云数据的精简效果是令人满意的， 处理之后，依然具有足够的数据信息提供给下面的逆向处理，且原理简单，运行速度快， 易于编程实现。原始点云精简处理前后对比如图2 - 6 所示。 。夕 ( 日) 精简前 ( b ) 精简e 图2 - 6 点云精简前后对比 f i 9 2 6c o m p a r i s o n o f p o i n t sc l o u d b e f o r ea n d a f t e r p 删i n g 2 曲面逆向的数据处理和模型重构 2 3 基于n u r b s 曲面的模型重构 测量数据点经过前期预处理之后，就可以用于后续的曲面构造和模型重构工作。根据 曲面描述形式，重构方法可以分为代数曲面重构和参数曲面重构两类，在计算机三维数字 化模型的表示中主要采用参数曲面。就目前的研究成果来分析，比较成熟的技术主要有以 b 样条或n u r b s 曲面为基础的四边参数域曲面构造和以b e z i e r 曲面为基础的三角形参数 域曲面构造方法【1 6 】。 2 3 1 逆向工程中的曲面重构技术 ( 1 ) 以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造 三角b e z i e r 曲面理论于2 0 世纪5 0 年代末提出，直到1 9 7 5 年其价值才被重新发现。 此后国内外学者对此问题展开了深入研究，其中三次三角b e z i e r 曲面最常用。三角b e z i e r 曲面插值散乱点数据过程如下： s t e p l ：散乱点数据三角化：通过连接数据点构造三角形网格( 包括三角形面的多面 体) 。 s t e p 2 ：曲线网插值：构造三角形网格域上各条边的光滑三次曲线网。各曲线网在三 角网格公共顶点处切线共面，保证曲面片间顶点处g 1 连续。 s t e p 3 ：曲面插值：用三角b e z i e r 曲面片填充三次曲线网中未定义的面，为了保证曲 面片公共边界处g l 连续，将一个三角b e z i e r 曲面片细化为3 个子曲面片，其阶数为四阶。 然后，对每条公共边界曲线施加g 1 连续条件约束。 ( 2 ) 以b 样条或n u r b s 曲面为基础的曲面构造 b 样条或n u r b s 曲面构造方法是通用c a d 软件的主要曲面表示方法，也是目前为 止研究得最多的一类曲面构造方法。在逆向工程中，型值点数据具有大规模、散乱的特点， 因而在b 样条曲面拟合中，需研究的首要问题是单一矩形域内的散乱数据点的曲面拟合 问题。典型的方法是首先根据边界构造一个初始曲面，然后将型值点投影到该初始曲面上， 根据投影位置算出其参数分布，根据这个型值点参数分配拟合出一张新的b 样条曲面， 最后，再对型值点参数进行优化，使拟合曲面离给定型值点误差最小【1 7 】。 在实际工程中，产品型面往往由多张曲面混合而成，因而，只用一张曲面重构数学模 型很难保证曲面模型精度。于是，人们采用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：首先构造一张整体的曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一 小块进行处理，直至所有小块均满足要求为止。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。另一种方法则是基于曲线网格的曲面重构， 首先估算各型值点的局部性质，找出特征线( 如尖角、g 1 连续及对称线等) ，再将特征线 拟合成曲线网格，对每一网孔构造一张曲面，使网孔内部的点对其对应曲面具有最佳的逼 西安理工大学硕士学位论文 近性，最终将所有曲面片实行光滑拼接。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。 由于实际使用中大多数数据分布为拓扑矩形或者可以化为拓扑矩形形式，而且 n u r b s 表示己经成为一种交互曲面的标准形式被定义在多种标准之中，如i g e s ，s t e p 等，因此从使用的方便和通用来考虑，实际中大多采用了以b 样条或n u r b s 表示为基 础的四边参数域曲面构造方法。 2 3 2n u r b s 曲线曲面的数学定义 n u r b s 是非均匀有理b 样条( n o n u n i f o r mr a t i o n a lb s p l i n e ) 的简写【1 8 】，这种方法 的提出是为了找到与描述自由曲线曲面的b 样条方法相统一的又能精确表示二次曲线弧 与二次曲面的数学方法。它的提出，使得有理与非有理b e z i e r 和非有理b 样条曲线曲面 都被统一在n u r b s 标准形式之中，因而可以采用统一的数据库。国际标准组织( i s o ) 继美国的p d e s 标准之后，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， 把n u r b s 作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。 n u r b s 方法主要有以下优点： ( 1 ) n u r b s 不仅可以表示自由曲线曲面，它还可以精确地表示圆锥曲线和规则曲 线，所以n u r b s 为计算机辅助几何设计( c a g d ) 提供了统一的数学描述方法。 ( 2 ) n u r b s 具有影h 向曲线、曲面形状的权因子，故可以设计相当复杂的曲线曲面 形状。若运用恰当，将更便于设计者实现自己的设计意图。 ( 3 ) n u r b s 方法是非有理b 样条方法在四维空间的直接推广，多数非有理b 样条 曲线曲面的性质及其相应的计算方法可直接推广到n u r b s 曲线曲面。 ( 4 ) n u r b s 曲线曲面在线性变换下是几何不变的。线性变换指缩小、旋转、平移 等，曲线曲面的构造与具体坐标系的选取无关。 ( 5 ) 计算稳定且快速。已经具有功能完善的几何计算工具，包括节点插入与删除， 升阶和降阶等的算法和程序。 当然，n u r b s 也还存在