（机械设计及理论专业论文）零件逆向工程中的精度控制研究.pdf

摘要 本文以零件逆向工程为研究对象，研究影响零件逆向工程精度的相关因素。 本文从工程实际出发，以经过反求设计与制造的零件可直接应用于生产一线为 目标，对零件反求设计与制造中的精度控制问题进行了深入和系统的研究，重 点研究了复杂内腔零件采用工业c t 方式测量的数据采集与处理，以及含自由 曲面的零件采用激光扫描方式测量的数据采集、数据处理、三维模型重构及反 求制造的精度问题，提出了一些新的思路和方法，并用实例进行了验证。论文 主要内容和成果如下： 研究了零件原型数据采集的精度控制问题，提出了用工业c t 技术对复杂内 腔零件进行断层测量的特征采样法，通过截面采样和路径采样获得零件的特征 信息，有助于提高测量效率和测量精度。针对激光三角法测量存在的问题，本 文提出了零件自由曲面测量的表面喷涂、确定多视对齐特征、确定扫描方向的 测量规划。 研究了零件原型数据处理的精度控制问题，对用工业c t 技术采集的零件 原型断层截面数据进行矢量化处理，提出有效提高零件原型断层截面图像信噪 比，增强其边缘信息，又提高滤波速度的分级加权滤波法；提出可对零件原型 断层截面二值图像进行快速亚像素级轮廓线提取的单元提取法；采用基于曲率 累加线的方法检测轮廓线特征点。对采用激光三角法扫描测量获得的零件数据 点云，采用基于空间点、直线、平面、圆、球面等局部特征的多视对齐法，对 齐精度高、速度快；对于基于三个基准点的多视对齐，给出了减少误差的三个 基准点选择原则。 研究了零件基本特征重构和自由曲面重构的精度控制问题。对于零件特征 重构，提出了根据零件基本特征生成特性从零件约束优化模型中提取拉伸运动 路径和旋转轴的方法，给出了建立零件基本特征局部坐标系与创建基本特征截 平面的的原则，从而减少了零件三维模型重构的误差。对于零件自由曲面重构， 针对激光三角法扫描测量获得的零件点云比较密集的特点，采取了先用三次均 ：! 奎三些查兰三兰堡圭兰些兰苎 匀b 样条曲线进行插值，然后用三次均匀b 样条插值函数计算特征点曲率的方 法，减少了局部测量数据误差的影响；对于特征点的提取采用根据偏差阈值和 曲率双判断的方法，对于复杂特征线则采用分段拟合的方法，以保证精度要求。 研究了在零件反求制造环节控制精度的方法，提出了利用遗传算法与i c p 算法的各自优点实现两步法建立精度检测基准，以实现反求制造误差的检测。 本文根据上述研究反求设计与制造出的手机检具与涡轮增压器叶轮已经应 用于生产实际中。 关键词逆向工程；零件：精度；特征 a b s h 硼 a b s t r a c t p r e c i s i o no f p a r tr e v c r s ce n g i n e e r n ga n di t si n f l u e n c ef a c t o r sa r es t u d i e di nt h i s p 印e l 1 1 1o r d e rt 0r e d e s i 萨锄dm a n 砸l c n l r ep a n s ，s o m ep r e c i s i o nc o n h d l t e c h n o l o g i e sh a v eb e e nr e s e a r c h e ds y s t e m a t i c a l l ya n dd e 印l y i n c l u 曲1 9d a t ac a p n l r e a i l dp r o c e s s i n go fp a n s 、i t l lc o m p l i c a t e di n s i d e 矗砌睦i c t ；d a t ac 8 p t u r e ，p r o c e s s i n g a n d3 dm o d e lf e c o n s t r u c t i o no f p a n sw i m 矗- c e f o ns u 时的ef 如m1 a s e rs c a n n e r s 0 m e n e wm e 也0 d sh a v eb e e ni i l 的d u c e da n d 也ee x a m p l e sd e m o s t r a t et l l e 雒i c i e n c yo f t h e s em e t h o d s t h em a i ns u b j e c t s 锄da c 托e v e i n e n t so ft l l i sp a p e ra r es u m m 撕z e da s f o l l o w i n g ： p r e c i s i o nc o m m lo fp a r td a 诅c a p t i l r em e l h o d si s 咖d i e da l l di m p l e m e n t e di n t l l i sp a p e lb 嬲e d 触t u f es 枷p l i n gm e t h o d sf o rp a n s 稍也c o m p l i c a t e di i l s i d eb yi c t t e c h n 0 1 0 9 ya r ep r e s e 玎t e d p a r t sf e a t l l r ed a t aa r ea c q 试i e dt b r o u g hs e c t i o ns a m p l i n g a n dp a 也s a m p l 缸g s o m ed a t a c 印n 】r ep l 龇m 访gm l e sa r eg i v e nf o rm ed a 乜 q u i s 砒o no f 自e e f o 咖g i l r f a c ep a r t s p r e c i s i o nc o t r o lo f p a r td a t ap r o c e s s m gm e t h o d si ss m d i e da n di m p l e m e m e di n “sp a p 钮，- m c l u d i n gk e r a r c h i c a lw e i g h t e df i h e 血gm e l h o df o r1 c ts l i c e s 巾i d s u b p i x e la c c u r a c yc d g e 出i t e c t i o nm e t l l o d c d le x t m c t i o nm e m o d a n df e a t u 他p o i i l t s d e t e c t i o nm c t l l o db 嬲e dc u a n _ ec 啪u l 姐t sf o ri c ts l i c e sa r cp r c s e n t e d m _ l l l t i - v i e w r e g i s 订a t i o nb 罄e d3 df e a t u r ea n dd a ：七i l mp o i m sc h o o s i n gf o rp o nc l o l l dd a t aa r ca l s o g i v e n p r e c i s i o nc o n t r o li 1 1b a s i cf e a t i l r ea n d6 c e f 0 皿s 曲c er e c o n s t m c t i o no fp a f ti s 咖d i e d 皿ee x 仃a c t i o nf l o re x 仇l d e 姐dr c v o l v ef 毫a n n i ei sa c h i e v e db yt h es o l v i n go f c o n e s p o n d j n gc o n 蛐础to p t i m i z a t i o np m b l 啪c 】他a t i l l gm l e so fb 嬲i cf e a t l l r e c o o r d i l l a t es y s t 锄姐ds e c t i o na r e 西v e n c h a r a c t e r i z e dc u n ，e s s e g m e n tf m i n g m e 也o df b r 舶e f 0 玎ns u r f a c ei sa l s og i v e n p 僦i s i o nc o n t r d li np a r tm a m l f h 曲l 血gi ss t u d i e d p r e c i s i o ne v o l u t i o i 邺 t t i 北京工业大学工学博士学位论文 m g o m h mb a s e d0 nt w os t e pm e t h o di s 画v e n ，g e n e t i ca l g o r i m mi se m p l o y e dt o a d i 9 1 1 i n g 也ed a i a i i ld i 髓r c n tc 0 0 r d i i l a t es y s t e m ，协e ni t e r a t i v ec l o s e s tp o i m a l g o r i t h i i li se m p l o y e dt 0r e g i s t e r e dm ed a t ap r e c i s e l yb yu s i n gt h ef e s u “o fg e n e t i c a l g o r i 也ma sm ei n i t i a lv a l u e f h a l l y ，t 、wp a r t s m o b i l ep h o n et e s t 订a ya n dt u r b o c h a 玛e ri l n p e l l e rh a v e b e e i lr c d e s i g n e d 眦dm a n l l f h t u r e dt od e m o n s 曲把t h ef e 嬲i b i l i t yo f d b o v em e m o d s k e y 啪r d sr e v c r s ce n g i n c e r 啦；p 硪p r e c i s i o n f e a t u r e 独创性声明 本人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过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期：渤。必! r 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 繇肄新繇豢垃隰矬切 第1 章绪论 1 1 概述 中国是正跻身世界制造大国行列的发展中国家，目前首要任务是提高中国 制造业竞争力，尽早跨入世界制造强国的行列。提高中国制造业竞争力的关键 是提高制造业的技术创新能力，尽快缩短与发达国家制造业技术创新能力之间 的差距。 1 1 1 制造技术对国民经济的重要作用 制造业是国民经济的物质基础、国家安全的主要保障、国家竞争力的重要 体现。制造业的发展依赖于制造技术的发展，我国近几年在制造技术上的发展 体现在以下几方面【i _ 3 1 ： 1 1 11计算机辅助设计技术 1 9 8 6 1 9 9 0 年我国c a d ( c o 加p u 【e ra i d e d d e s i 印，计算机辅助设计) 技术蓬勃发展。9 0 年代之后，c a d 技术走向了商品 化、产业化和全面推广应用的新阶段。目前，国产c a d 软件的年产值已超过1 亿元人民币，机械行业的大型企业c a d 的普及率达到了4 0 以上。应用c a d 技术已成为企业提高市场应变能力和创新能力的重要手段。 1 1 1 2 精密成型技术近几年重点发展了熔模精密铸造、陶瓷型精密铸造、消 失模铸造等精密铸造技术；重点发展了热锻技术、冷挤压技术、成形轧制技术、 精冲技术和超塑成形技术等精密塑性成形技术；重点发展了电子柬焊接技术、 水下焊接和切割技术、逆变焊接电源及药芯焊丝制造技术等精密焊接与切割技 术。 1 ，1 1 3 快速原型制造技术9 0 年代初，我国开始进行快速原型制造技术的成 形理论、工艺方法、设备、软件、材料等配套技术的研究。工艺研究方面，主 要针对s l a ( s t e r e o h 血。卿h y a p p a r a t l l s ，液态光敏聚合物选择性固化) 、l o m ( l 矗m i n a l e do b j e c tm u f a c t 嘶n g ，薄形材料选择性切割) 、f d m ( f l l s e d d e p o s 拊o n m o d e l i n g ，丝状材料选择性熔覆) 和s l s ( s e l e c 钯d l a s e r s m t e 血g ， d e p o s 拊o n m o d e l i n g ，丝状材料选择性熔覆) 和s l s ( s e l c c 钯d l a s e r s m t e 血g ， 北京工业太学工学博士学位论文 粉末材料选择性烧结) 四种工艺进行应用开发；设备研制方面，已能提供适用 于上述四种工艺的成型设备和多功能成型机及整体电极成型机；材料研究主要 也是四种工艺所用材料。 快速原型制造技术已在我国工业造型设计、新产品样件试制、单件小批量 金属零件制造、快速注塑模具制造中应用。 1 1 _ 1 4 超精密加工技术我国超精密加工技术8 0 年代才取得较大进展，到8 0 年代后期，我国制造的超精密加工机床及机床部件开始出现，9 0 年代，我国已 经产生了面向专业化批量生产的超精密加工机床。 1 1 1 5 数控技术我国从1 9 5 8 年开始研究数控技术，经1 9 8 l 1 9 8 5 年的技 术引进，1 9 8 6 1 9 9 0 年的消化吸收和1 9 9 l 1 9 9 5 年开发自主版权的数控系统三 个阶段的发展，己建立起了具有自主版权的数控平台：以p c ( p e r s o n a lc o m p u t e r ， 个人计算机) 机为基础的总线式、模块化、开放型单处理器平台和多处理器平 台。开发出了具有自主版权的基本系统。并在此基础上开发出了数控铣床、数 控车床和加工中心等典型系统及针对数控磨齿机、齿轮机床、电加工机床、锻 压机床、仿形机床、三坐标测量机特定功能要求的派生系列。这就为实现数控 机床的产业化奠定了基础。 1 1 1 6 工业机器人从1 9 8 6 年开始，我国将机器人的研究开发列入国家科技 计划。目前，已掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统设计和软件编 程技术，可以生产部分机器人的关键元器件，开发出了喷漆、弧焊、点焊、装 配、搬运、水下作业等机器人。 1 1 1 7 现代集成制造系统近十年间，c i m s ( c o n t e i n 嗍i n t e 肝a t c d m 础t i l r i n gs y s t e m ，现代集成制造系统) 的研究范围覆盖了系统集成技术、 c a d c a m ( c o m p u t e r a j d e dd e s i g “c o m p u t e ra i d e dm a l l u f a c t i i r i n g ，计算机辅助 设计与制造) 、管理决策信息系统、质量系统工程和数据库等，开展了一系列关 键技术的研究，包括复杂工业系统的模拟设计、异构环境的信息集成、基于s l r i 弹 ( s t a n d a r df o f 也ee x c h 柚g eo fp r o d u c tm o d e lda t a j 产品模型数据交换标准) 的 c a d c a m 集成系统、并行工程构架和应用集成平台。 我国c d d s 研究推广应用工程得到了国际的认同，1 9 9 4 年清华大学的国家 c i m s 工程研究中心获得美国制造协会颁发的“大学领先奖”，1 9 9 5 年北京第 一机床厂获得“工业领先奖”。 2 0 年的高速发展使我国制造技术跟国外先进水平已比较接近，但与国外先 进水平相比仍有较大差距，高新技术产业中一些核心技术和关键部件上仍然依 靠进口，且引进成本很高。随着全球化技术经济竞争的加剧，引进技术的成本 势必越来越高，引进技术将导致产品成本的增加，降低了产品的竞争能力。同 时，由于竞争的原因，发达国外不愿向中国出售核心技术，使我们青睐的一些 核心技术无法获得。我国制造业必须不断提升自主创新能力。 入世给我国吸引外资带来了前所未有的机遇，决定了我国的创新之路应该 走一条开放式的创新之路，在加大投入、不断提高自主研发能力基础上，积极 参与国际科技合作，不断引进、学习、吸收他国企业的技术及研发成果，使消 化吸收与提升自主创新能力同时进行【4 】。 1 1 2 逆向工程在制造技术中的地位 随着c a d c a m 等先进技术在产品研发和制造过程中的深入应用，为按传 统程序进行的产品研发提供了很大便利；但是，我国企业目前使用的很多先进 仪器、设备均是由发达国家进口的，发达国家为了保持其技术优势，采取技术 保护措施。因此，先进的仪器、设备几乎均没有整机、关键件的图纸及相关资 料。当这些仪器、设备的关键件损坏时，不仅需要企业花很高代价购置备件， 甚至还要停机待产，造成严重的经济损失。 o m c a m 技术中的逆向工程( r 删e r s ee n g i n e e 出喀) 技术分支渊，可以将 经过反求测量的机械零件实物转化为三维数字模型，最后反求制造出该机械零 件。在机械行业中，逆向工程在没有设计图纸的情况下，按照现有机械零件原 型或油泥模型，利用各种数字化测量技术及c a d 技术重新构造三维模型；之后 经过产品再设计，必要时通过快速成型样件分析等，最后试制出产品，这是逆 传统程序的产品研发。 逆向工程是加快产品研发速度的重要技术之一，世界各国在经济技术发展 中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验取得了令人瞩目的成就。日本在第二 北京工业大学工学博士学位论文 次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，1 9 5 0 年国民生产总值仅为英 国的1 2 9 ，法国的l 3 8 ，经济上落后于欧美先进国家二三十年。但在后来的3 0 余年中却以惊人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国。其经济的 高速度发展是与善于引进先进技术和进行逆向工程研究分不开的。据日本政府 推算，成功的技术引进和逆向工程使日本节省了约2 3 的研究时间和9 ，1 0 的研 究费用。重视逆向工程研究的不仅是日本，其它国家也是如此。据有关统计资 料表明，各国7 0 以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常的途径都 是通过逆向工程。逆向工程可使产品研制周期缩短4 0 以上，极大提高了生产 率。 研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有 重要意义。我国制造业生产率目前只相当于美国的4 3 5 、日本的4 o o 、德国 的5 5 6 ；但每百万元产值的工程师投入人数，我国目前约为美国的1 6 倍、德 国的1 3 倍。要尽快改善这种状况，应用逆向工程技术，是个多快好省的方法， 可以使我国工程技术人员更快地学习、吸收他国企业的技术及研发成果，如引 进设备的关键件可使用逆向工程技术进行反求设计与制造；针对其有待改进之 处，可使用逆向工程技术缩短自主创新设计的周期等等。 我国是机械加工大国，仅以模具行业来说，每年需进口的模具费用就高达8 亿美元，特别是在航空、航天、汽车以及其它电子医疗工业，都存在着开发缓 慢的问题。应用逆向工程，可部分解决模具的开发周期、产品质量、市场竞争 力、成本等方面的问题。 1 2 逆向工程的概念及应用 1 2 1 逆向工程的基本概念 逆向工程【7 l 是相对于传统的产品研发过程而言的。逆向工程起源于制造业 中的航空航天工业和汽车工业。因为这两个领域对空气动力学性能要求很高， 在产品开发的初始阶段就要认真考虑空气动力性能。常规的设计流程首先根据 造型需要设计出结构，制作出油泥模型，然后将模型送到风洞实验室去测试空 第1 章绪论 气动力学性能，再根据实验结果对模型进行修改，经过反复修改直到获得满意 结果为止，这样所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。最初的逆向工程 是由油泥模型到三维数字模型的设计过程。 传统的产品研发过程按照正向设计的思维进行，是在市场调研的基础上， 根据功能和用途来设计产品，得到三维数字模型或二维产品图纸，然后对其进 行精度设计与设计评价、有限元分析、工艺设计与工艺审查、数控加工，最后 得到产品的实物。概括地说，正向设计工程是由概念到三维数字模型，再从三 维数字模型到实物的开发过程。这就是制造业广泛使用的正向工程( f o n v a r d e n g i n c 曲g ) ，其流程图如图1 1 a ) 所示。 而逆向工程则是由实物到三维数字模型，再从三维数字模型到实物的开发 过程。产品开发从已有的零件实物开始，需要对零件实物进行反求测量，根据 测量数据进行零件的三维数字模型重构，根据零件的功能和应用情况进行反求 精度设计与反求工艺设计，必要时进行有限元分析，最后反求制造出零件实物。 此类产品研发模式就是逆向工程，其流程图如图1 。1 b ) 所示。 广义的“逆向工程”是指阻实物、软件( 图纸、程序、技术文件等) 或影 像( 图片、照片等) 作为研究对象，应用现代设计理论方法、生产工程学、材 料学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，掌握其关键技术，进而开发 出同类的先进产品。 本文所指的“逆向工程”仅指实物逆向。 a ) 正向工程流程图 b ) 逆向工程流程图 图l - 1 正向工程与逆向工程的比较 f i g1 1c 叫p 耐s o nb e m e e nf o m a r de n 西n e 嘶n g 柚dr e v e r s ee n g i l l e e r h l g 北京工业大学工学博士学位论文 1 2 2 逆向工程的应用领域 逆向工程的应用非常广泛。在航空航天、汽车、模具制造业、工业设计等 领域都有重要的应用价值。概括起来，逆向工程在制造业领域中可以有下列作 用【7 】： 1 2 2 1 重要零件的快速修复某些大型设各，如航空发动机、汽轮机组等，常 会因为某一零部件的损坏而停止运行；某些昂贵的成套进口模具，也会因其中 一件模具的损坏而影响生产；可以运用逆向工程技术将损坏的零部件转化为三 维数字模型，或根据成套模具中未损坏的模具将待修复的模具转化为三维数字 模型。 l _ 2 2 2 模具设计与制造模具设计制造业在没有零件设计图纸或者零件设计 图纸不完整，而仅有实物的情况下，可以运用逆向工程将实物零件转化为三维 数字模型，继而在此基础上设计模具。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；可以运用逆向工程将最终符合要 求的模具转化为三维数字模型。 1 2 2 3 功能性自由曲面零件的误差分析航空发动枫燃烧室、汽轮机叶片等具 有功能性自由曲面的零件生产时，可以运用逆向工程技术将通过数字化检测获 得的零件实际自由曲面与模具的标准自由曲面进行比较，进行误差分析。 1 2 2 4 复杂曲面零件设计航天航空领域和汽车工业，有些设计需要通过实验 测试才能最后定型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，通常根据概念设 计制造出油泥模型，最终运用逆向工程将定型后的实物模型转化为三维c a d 模 型。 1 2 2 5 产品创新设计以现有产品为基础进行产品的创新设计已经成为新产 品设计研发的一种理念。逆向工程技术是快速原型技术的数据获取方法之一， 利用其建立现有产品的三维数字模型，同时利用c a d c a e c a m ( c o m d u t e r a i d c dd e s i 驴愿n g i n e e r i n gn “a 硼f 犯h 证n g ，计算机辅助设计工程制造) 技术对 已有的产品原型进行创新设计，可以提高新产品研发速度。 1 2 2 6 产品检验逆向工程技术结合工业c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o f a p h y ，计 算机断层扫描成像) 技术，可以进行无损探伤，快速发现、测量、定位零部件 的内部缺陷，还可以进行产品的变形分析、焊接质量检验等。 1 2 ，2 7 技术生物工程产品的设计与制造 可以运用逆向工程技术快速建立人 体的数字模型，从而可以设计制造诸如宇航服装、头盔、运动鞋等产品，并使 这些产品完全适合每一位不同的个体；可以运用逆向工程技术建立人体中的骨 骼、关节等数字模型，进行假肢制造；可以将逆向工程技术运用于与人体密切 相关产品( 如鼠标) 的造型设计，若要人长时间使用鼠标而不易产生疲劳感， 可以根据人机工程学原理制作模型，待模型修改到满意时，再采用逆向工程技 术将其转化为三维数字模型；还可以运用逆向工程技术制作医学模型，c t 和 m r i ( m a 昏e t i cr e s o i 姗c ei m a 西n g ，核磁共振成像) 通过扫描人体组织器官获 得大量的测量数据，为了手术及其它治疗方案的需要，可采用逆向工程技术与 快速原型技术制作骨骼、牙齿或软组织的医学模型。 逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为现代 制造业数字化快速而藿要的途径之一。这一技术具有广阔的应用前景，尤其是 对于快速消化吸收他国企业的技术及研发成果，增强产品设计与制造中的高新 技术含量，提高产品的市场竞争能力，具有重要的实际意义和经济价值。 1 _ 3 国内外逆向工程领域的研究进展 近年来国内外逆向工程的研究重点集中在反求设计方面，如数据采集、数 据处理与三维模型重构等 8 】，对反求制造也有研究。 1 3 1 数据采集 逆向工程中的数据采集是应用测量设备将零件内外轮廓的几何信息精确地 转换成数字信息。 国内外在逆向工程研究中所用的采集零件原型数据的方法根据测量探头或 传感器是否和实物接触，可分为接触式和非接触式两类【7 】。接触式测量为使用 坐标测量机等进行测量。非接触式测量法有三角测量法、相位测量法、立体视 北京工业大学工学搏士学位论文 觉法、工业c t 法、层切法等。 接触式和非接触式测量方法有不同的适应范围。接触式测量方法主要用于 仅需测量一些特征点的规则型面( 平面、球、圆柱面和圆锥面等) 零件的数据 采集；非接触式测量方法主要用于需要测量大规模数据点的自由曲面、复杂曲 面零件的数据采集，以及零件内表面的数据采集。 1 3 1 1 接触式测量接触式测量采用基于力变形原理的点位触发式和连续扫描 式两种数据采集方法【9 。1 3 。 点位触发式测量精度高但测量速度慢，一般只适于零件的表面形状检测， 或需要数据较少的零件表面数字化场合；连续扫描式适于生产车间环境，而且 能保证较短的扫描时间和最佳的测量精度，但易损伤被测表面。 接触式测量方法对物体表面的颜色和光照没有要求，零件轮廓的测量相对 精确，测量精度高。但缺点是测量速度慢，效率低；不能对软质材料和超薄形 零件进行测量；对于复杂曲面的精细部分或测头不可及之处，测量精度也受到 影响；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。接触式测量获取的只是特征点或特征线，不能反映整体的形状， 故不适合测量需要大量数据点的零件自由曲面部分。 接触式测量方法的常用设备为c m m ( c o o r d i n a t em e 搠砌gm a c l i i n e ，三坐 标测量机) 。c m m 可以配备点位触发式测头和连续扫描式测头，对被测零件进 行点位测量和扫描测量。c m m 具有测量精度高的优点，但其测量速度和效率较 低，并且需要对测量数据进行测头半径补偿。然而由于c m j m 能够对被测零件 的几何量进行精密测量，其在逆向工程中仍然有广泛的应用。在c m m 上配备 激光扫描测头，可以实现c m m 的非接触式测量，大大地提高了c m m 的应用 范围。 c m m 使用点位触发式测头时，当采样测头的探针刚好接触到样件的表面 时，探针尖的受力产生微小的变形，触发采样测头中的开关，使数据采集系统 记下探针尖的当时坐标，逐点移动，就能采集到零件表面轮廓的坐标数据。在 数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接 触到零件的表面后，探针需要法向退出以免过量而折断，因此数据采集速度较 慢。 c m m 使用连续扫描式测头时，利用悬挂在三维弹簧系统中探针位置偏移所 产生电感或电容的变化，进行机电模拟量的转换。当采样测头的探针沿着零件 表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏移量的电流或电压信号。 1 3 1 2 非接触式测量非接触式测量速度快，可实现对细微部分的扫描，但比 c m m 的测量精度低。目前在国内的逆向工程应用中，非接触式测量的应用非常 广泛。零件逆向工程中所用的非接触式测量又分为采集零件外表面数据和采集 零件内表面数据两种。 ( 1 ) 零件外表面的非接触式测量法非接触式测量法测量零件复杂外形，特 别是自由瞌面，常采用三角测量法、相位测量法及立体视觉法 1 4 】。 三角测量法基于光学三角原理，根据光源、被测物体( 表面反射点) 和检 测器( 接受漫射光成像点) 三者之间的几何成像关系确定被测物体表面反射点 的三维坐标。实际测量过程中，常用激光作为光源，c c d ( c h a r g ec a u p l e dd e v i c e ， 电荷耦合器) 摄像机作为检测器。三角测量法已有很长历史，理论成熟，结构 简单，其中激光三角测量法是目前最成熟，也是应用最广的一种方法，测量速 度快，准确度高。激光三角测量法沿着扫描方向顺序采集测量数据，可以对软 质材料零件进行测量，而且测量速度快，测量数据无需进行测头半径补偿；此 法成本低、速度高、易于操作、可在短时间内获取大量的数据点；当激光束与 被测表面垂直时，其测量精度可以超过接触测量法的测量精度【1 5 】。 相位测量法又称投影光栅法，是将光栅图样投影到被测物体表面，由于受 到被测表面高度的调制，光栅影线发生变形，通过解调变形光栅影线，就可得 到被测表面高度信息。相位测量法的特点是对整幅图像的数据进行处理，而不 是逐点式或局部的处理。该法测量范围大，速度快，成本低，易于实现。测量 表面起伏不大、较平坦的物体时，相位测量法的精度与三角测量法相当。但相 位测量法在对表面形状变化大的物体进行测量时，在陡峭处的测量精度往往大 大降低1 1 6 j 。 立体视觉法与人类双目视觉的立体感知过程类似：即从2 个或2 个以上的 视点观察同一物体可以得到不同视角下的感知图像，通过计算分析不同图像中 北京工业大学工学博士学位论文 同像点的不同视差来获取物体表面的三维形状信息。立体视觉法对应用场合 要求较宽松，适应面宽，效率高，硬件成本低，高度计算机化，特别是测量时 不受物体表面反射特性的影响。立体视觉法对匹配点的精度和数量要求较高， 算法复杂，耗时较长，在物体形状复杂、基线距离较长时，会因各种遮挡而影 响测量结果1 1 7 。 ( 2 ) 零件内表面的非接触式测量法上述几种测量方法的局限性是不能采集 到零件的内表面数据，为了实现物体内表面的数字化，断层扫描技术在逆向工 程中取得了广泛的应用。断层扫描也有两种方式：一种是破坏式的断层扫描技 术一层切法；一种是基于工业c t 的无损断层扫描技术 1 8 】。 层切法采用铣削的方法将被测零件一层一层地铣去，然后在每层上用c c d 摄像头摄取断层图像。该方法最大的优势是能够准确获得被测零件内表面数据， 不足之处在于被测零件在测量过程中被破坏。 工业c t 法利用工业c t 扫描设备对被测零件进行断层扫描，获取被测零件 在各个断层上的图像。该方法同样能够获得被测零件内表面数据，而且不破坏 被测零件。 1 3 2 数据处理 经过数据采集所获得的逆向工程数据通常非常庞大，需要在零件三维模型 重构之前，进行数据处理。国内外在逆向工程研究中所用的数据处理方法分为 自由曲面测量数据与断层测量数据两类。 1 3 2 1 自由曲面测量数据处理使用激光三角测量法对自由曲面零件进行扫 描，采集到的测量点数据常有数兆甚至数十兆字节之多，被称为“点云”。目 前的c a d ，c a e ，c a m 系统无法直接接受和处理“点云”数据。自由曲面测量数 据处理工作包括过滤噪声数据、压缩冗余数据、数据分割、多视拼合等。 ( 1 ) 噪声过滤与数据精简 自由曲面型面数据散乱，且曲面对象边界和形状 常常极其复杂，需要消除各种干扰因素，精简测量数据，同时尽量减少数据丢 失与失真。 过滤噪声数据通常采用各种滤波算法，应用时可根据数据质量和建模方法 灵活选择滤波算法【1 ”。 数据精简是减少数据“点云”中存在的大量冗余数据，不同类型的“点 云”可采取不同的精简方式【2 0 圳】。 ( 2 ) 数据分割与多视拼合数据分割是根据组成复杂曲面的曲面片类型，使 “点云”数据中同一个曲面片中的点隶属于同一个数据子集，即将“点云”数 据分割成各类曲面片的数据子集，使测量数据分类转变为造型数据，数据分割 方法有基于边和基于面的2 种【7 】o 基于边的数据分割法是在数据“点云”中，首先根据组成曲面片的边界轮 廓特征、两个曲面片之间的相交、过渡特征、以及实物形状表面曲面片之间存 在的棱线或脊线特征，确定出相同类型曲面片的边界点；然后连接边晃点形成 边界环，判断点集是处于环内还是环外，实现数据分割瞄l 。 基于面的数据分割法是确定哪些点属于某个曲面片，该法将数据分割和曲 面拟合相结合，可自下而上或自上而下进行。自下而上时首先选定一个种子点， 由种子点向外延伸，判断其周围邻域的点是否属于同一个曲面片，直到在其邻 域不存在连续的点为止，最后将这些邻域组合在一起。自上而下时假设所有数 据点都同属于一个曲面片，然后检验其有效性；如果不符合，将点集分成两个 或更多的子集，再假设每个子集的所有数据点都同属于一个曲面片，重复以上 过程，直至满足假设条件之4 】。 激光三角测量法在实际测量过程中由于光线被遮挡的原因，往往需要多次 不同方位的测量才能获得零件全方位外表面的数据，其中每个方位测量的数据 称为“视”，所有不同方位测量的数据组合成完整的被测零件外表面的过程称为 多视对齐或多视拼合，多视对齐直接影响零件整体测量精度脚。9 】。 1 3 2 2 断层测量数据处理断层测量数据一般为采用层切法和工业c t 法获得 的数据，通常获得的断层测量数据是零件断层截面的位图图像。对零件断层截 面测量数据的处理，包括滤波去噪、图像二值化、提取零件断层截面轮廓线、 识别零件断层截面轮廓线控制点、轮廓线拟合等数据处理 3 0 3 翔。 j ! 至三些奎兰三主要圭兰竺丝兰 1 3 - 3 三维模型重构 经过数据处理的数据集是进行零件三维模型重构的原始数据集。国内外多 研究的是物体的表面重构，“点云”测量数据和断层测量数据需要采用不同的 表面重构方法。 1 3 3 1 “点云”测量数据的三维表面重构“点云”数据三维表面重构的难点 是自由曲面的重构，自由曲面重构方法有四边域参数曲面、三边域b 6 z i e r 曲面 及多面体曲面3 种。 ( 1 ) 四边域参数曲面s a r k a r 等的方法，先获取曲面的特征线，然后根据这 些曲线将曲面划分为不同的块，每块用b 样条曲面拟合，最终将所有块拼接成 一整体【3 4 1 。 b r a m e y 等的两步法，先用s h 印盯d 插值法构造插值于测量点的曲面模型， 然后在曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造 曲面i 碉。 、k a d y 等的四叉树法，先将整个曲面按某类参数曲面形式拟合成一个单一 的曲面，其误差若不能满足设计要求，则将该曲面一分为四，再对每一子曲面 进行处理，直至所有子曲面均满足要求为止f 3 6 】。 b 础e y 等的o c s ( 0 n l l o g o n a lc r o s ss e “o n ，正交截面) 法，先对每块测 量数据进行三角剖分，得到几张插值于测量点的基于三角平面片的曲面模型， 然后用3 组正交的等间隔平行平面与上述曲面求交，在各个截面线内去除各曲 面块内交线的重叠部分，求出各条交线的交点，最后根据曲面网格建立曲面【3 7 】。 ( 2 ) 三边域b 钇c r 曲面三边域b 6 西e r 曲面造型是以b o e h m 等提出的三角 b 6 z i e r 曲面为理论基础。一般步骤为：先对数据进行三角化，再对每一三角形 边进行b 6 z i e r 曲线拟合，最后用三边曲面片填充曲面网格。 h o p p e 等的方法先根据稠密的散乱点集自动计算法矢信息，用切平面线性 逼近待重建曲面的局部形状，然后利用实现等值面抽取的步进立方体算法输出 曲面的三角化模型【3 8 】。 c l l e i l 的方法是首先利用数据点估算出曲面的局部几何性质，得到曲面的特 征线，并以这些特征为基础建立初始的三角形网格，然后将数据自适应地插入 三角形网格3 9 1 。 g u 的人工神经网络构造法是对网络进行学习训练，依据样本点训练时产生 的实际输出和希望输出之间的误差，改变网络神经元之间的连接权值，当误差 小于给定的精度时，网络达到稳定，即完成了对自由曲面的构造【4 0 】。 p a r k 等的方法是从插值于边界曲线开始，不断插入最大误差点来精化逼近 曲面，直到所有测量点都在规定的误差内，并用分段三次b z i c r 三角代数曲面 作为最终输出结果h ”。 b a j 司和c m o 的方法是先用三维n 形建立结构的拓扑关系，再建立多面体逼 近模型4 2 4 3 1 。 周儒荣等的方法，先根据测点的邻近点估算曲面在该测点处的法矢，并采 用优化的顺序对法矢方向进行调整以使各测点处的法矢都指向曲面外侧，最后 用步进立方体算法输出三角网格模型】。 ( 3 ) 多面体曲面h o p p e 的多面体曲面构造方法，分为3 个主要步骤： 初始曲面估计，利用函数方法构造一张插值于测量点的曲面；接着确定 个函数来估计测量点到此曲面的距离；然后采用一种轮廓线提取算法来提取蓝 面。 采用能量法的网格优化，以第一步的初始网格为起点，首先定义一个能量 函数以表示逼近精度与网格中所含节点数目的关系，然后优化这一函数，使得 在满足精度条件下节点数最少。 分段光滑曲面片，即通过一种分段细分的方法来将曲面的尖角特征构造出 来，以提高曲面的逼近精度【3 羽。 1 3 3 2 断层测量数据的三维表面重构由断层测量数据重构物体的三维表面是 随着c t 技术的出现而发展起来的，并随着断层测量技术的发展用于工业零件。 k 印p e l 发表了首篇系统探讨由断层截面轮廓重构物体三维表面的论文，他 提出了用一系列三角面片覆盖物体的表面，以重构三角面片所包围的体积最大 为目标函数，求取最佳逼近。这一方法成为后来各种三维表面重构方法的基础 【4 ” 北京工业太学工学博士学位论文 f u c h s 的表面积最小法与k e p p e l 的方法相似，均是全局最优的三维表面重 构方法，但计算量大【4 6 】。 c o o k 提出了一种局部优化方法，即利用轮廓线采样点中心方向角度相近的 程度来重构三角面片【4 7 1 。 b o i s s o n n a t 基于轮廓线的曲面重构方法是从二维图像中提取出边界 廓线，然后建立相邻两张图像中的轮廓线的对应关系，由此重构出物体的三维 表面【4 8 1 。 我国西安交通大学等研究了基于层切法的断层测量数据三维表面重构 ， 3 3 ，西北工业大学等研究了基于工业c t 的断层测量数据三维表面表面重构 3 2 1 。 1 - 3 4 反求制造 获得逆向工程最终产品的途径有两种。一种途径是经数据采集、数据处理、 三维模型重构后，或是生成快速成型( r 8 p i dp m t o t y p i n g ) 设备可接受的s t l 格 式文件；或是通过c 剧c a m 软件的c a m 部分生成数控加工轨迹文件。另一 种途径是不进行三维模型重构，而由测量数据直接生成s t l 格式文件或数控加 工轨迹文件。 国外l e e 等研究了从离散测量数据点直接生成s 1 工文件的方法，h u r 等研 究了从层切的测量数据点直接生成s t l 文件的方法【4 9 5 。1 。l e e 等从测量点数据 生成截面数据，将截面数据压缩后生成等值线，并进一步生成切片数据进行快 速成型制造旧。【血、c h u a n g 等提出了直接从测点数据生成复杂曲面数控加工路 径的方法【5 1 5 3 】。 国内张利波等研究了从点云数据直接生成三坐标数控加工轨迹的方法 5 4 】： 谢叻等研究了从点云数据直接生成五坐标数控加工轨迹的方法【5 5 1 。 1 4 逆向工程中待研究的问题 目前尚有些关系到零件逆向工程质量的瓶颈问题有待研究：如重要进口设 备关键零件或成套进口模具之一的快速修复，虽然理论上可以运用逆向工程技 第1 章绪论 术根据损坏的关键零件、模具或该套进口模具的其它件进行反求设计与制造， 但实际上各环节的累积误差使得此方案无法实现。有些企业曾尝试用逆向工程 技术解决，但因为精度达不到要求，多次修改设计、多次制造而使成本等于甚 至大于购买昂贵进口配件的价格而从此放弃。因此，需要深入研究零件逆向工 程中的精度控制问题，使得零件逆向工程可以直接为生产一线服务。 零件逆向工程的各个环节均存在误差，如原型数据采集的误差、原型数据 处理的误差、三维模型重构的误差、制造误差等。如何将这些环节的误差控制 在允许的范围之内，是零件逆向工程待研究的关键问题。 国家中长期科学和技术发展规划纲要明确指出，要加强创新能力，其 中包括自主创新、集成创新和引进吸收再创新。无疑集成创新和引进吸收创新 是实现我国制造业快速跨越式发展的捷径。只有达到一定精度要求即将误差控 制在要求范围内，集成了