（机械工程专业论文）轮胎花纹反求与数字化设计研究.pdf

摘要 反求工程是制造业中消化吸收先进技术、缩短产品再设计与制造的重要支撑 技术，是先进制造技术的核心技术之一。随着计算机技术及测量技术的发展，利 用c a d c a m 技术来实现产品实物的反求，已成为c a d c a m 领域的一个研究热点， 并成为反求工程技术应用的主要内容。 轮胎胎面花纹的设计是轮胎设计中技术含量最高的工作内容，轮胎胎面处于 双曲圆弧面上、而轮胎花纹是具有三维形状结构的复杂形体。胎面花纹与路面相 互作用的机理极为复杂，许多问题至今尚不完全清楚，胎面花纹的设计目前仍然 缺乏有效的理论指导。如何采用有效的方法快速地进行轮胎产品的开发，是实际 生产中亟待解决的问题。 本文研究了复杂曲面实物反求工程的关键技术，对反求工程的表面数字化、 数据处理、曲面重构、曲面光顺等技术进行了研究，提出了用于轮胎花纹反求的 测量方法和数据处理方法。分析了s u r f a c e r 软件在数据处理、曲线构建和曲面重 构等方面的功能，及其在反求工程中点处理、曲线创建和曲面构建的操作流程， 针对轮胎花纹的结构特点，提出了使用s u r f a c e r 进行数据处理的过程。针对不同 类型的胎面花纹，分析了胎面花纹的作用，指出了胎面花纹设计过程中应遵循的 基本要求，详细阐述了花纹沟深度对轮胎性能的影响。 本文运用反求工程的原理和方法，进行轮胎设计过程中技术难度最大的胎面 花纹结构设计。使用三维激光抄数机测取轮胎产品胎面花纹三维数据点，使用反 求工程软件s u r f a c e r 进行点处理，得到特征线，然后使用p r o e 软件引入特征线 的数据进行曲面造型，最终实现了轮胎胎面花纹3 d 几何模型的熏建，为后续新 产品的二次开发奠定了基础。 关键词：轮胎花纹；反求工程；曲面重构；s u r f a c e r ) p r o t e 第1 页 ：奎三当盔耋堡圭兰堡耋三 a b s t r a c t r e v e r s e e n g i n e e r i n g i sa n i m p o r t a n ts u p p o r t i n gt e c h n o l o g y o f d i g e s t i n ga d v a n c e dt e c h n o l o g y ，s h o r t e n i n gt i m eo fp r o d u c tr e d e s i g na n d m a n u f a c t u r i n g ， a n diso n eo fc o r et e c h n o l o g yo fa d v a n c e dm 8 n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dm e a s u r e m e n t t e c h n o l o g y ，o b j e c tr e v e r s et h a tm a k i n gu s eo fc a d c a mt e c h n o l o g yh a sb e e n ar e s e a r c h h o t s p o ti nt h et e r r i t o r y o fc a d c a m ，a n dh a sb e e np r i m a r yc o n t e n t i nt h ea p p li c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y t h ed e s i g no ft r e a dp a t t e r ni sa nu p p e r m o s tt a s ki nt h ed e s i g no ft i r e ： t i r et o pl o c a t e so i ld o u b l ec r o o k e df a c ea n dt r e a dp a t t e r n sa r ec o m p l i c a t e d s o l i d sp o s s e s s i n g3 ds t r u c t u r e t h ei n t e r a c t i o n a lm e c h a n i s mb e t w e e nt r e a d p a t t e r n a n dr o a ds u r f a c ei se s p e c i a l l yc o m p l e xa n dm a n yp r o b l e m sa r es t i l l u n k n o w a b l et ot h i s d a y t h a t t h ed e s i g no ft r e a dp a t t e r ns t i l l l a c k s e f f e c t i v ea c a d e m i cg u i d a n c e i ti si nd i r en e e do ff i n d i n gan e wm e t h o d t o s p e e dd e v e l o p i n gp e r i o d t h i sp a p e rs t u d i e sk e yt e c h n o l o g yo fo b j e c tr e v e r s ee n g i n e e r i n go f c o m p l e xp a r t s ，t h ea u t h o rs t u d i e st h et e c h n o l o g yo fs u r f a c ed i g i t i z a t i o n ， d a t ap r o c e s s i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n ds u r f a c ef a i r n e s si nr e v e r s e e n g i n e e r i n g t h ep a p e rb r i n g s f o r w a r dt h em e t h o do fm e a s u r ea n dd a t a p r o c e s s i n gi nt r e a dp a t t e r n r e v e r s e i ta n a l y z e st h ef u n c t i o n so fs u r f a c e r i nd a t ap r o c e s s i n g ，c u r v ec o n s t r u c t i o na n ds u r f a c ec o n s t r u c t i o n ，a n d m a n i p u l a t i o n f l o wo fd a t ap r o c e s s i n g ，c u r v ec o n s t r u c t i o na n ds u r f a c e c o n s t r u c t i o ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h ea u t h o rp u t s f o r w a r dd a t a p r o c e s s i n g o fs u r f a c e r a i m i n g a tt r e a dp a t t e r ns t r u c t u r e a i m i n ga t d i f f e r e n tt r e a dp a t t e r n ，t h ep a p e ra n a l y s e sf u n c t i o n so ft r e a dp a t t e r n ， i n d i c a t e sb a s i cr e q u e s t ss h o u l db ef o l l o w e di nt h ep r o c e s so fd e s i g n ，a n d e l a b o r a t e st h ei n f l u e n c et h a tt h ed e e p n e s so fp a t t e r nc h i m ba c t so nt i r e 第1 i 页 p e r f o r m a n c e t h i sp a p e rc a r r i e st h r o u g ht r e a dp a t t e r ns t r u c t u r ed e s i g nw i t ht h e p r i n c i p l e a n dm e t h o do fr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h ea u t h o ru s e s3 dl a s e r s c a n n e rt oc a p t u r e3 dd a t ao ft r e a dp a t t e r n ，a n du s e ss u r f a c e rs o f t w a r e t op r o c e s sd a t ai no r d e rt og a i nc u r v e s t h ea u t h o ri m p o r t sc u r v e si np r o e s o f t w a r et oc o n s t r u c t s u r f a c e ，f i n a l l y a c h i e v e st r e a d p a t t e r n 3 d g e o m e t r i c a lm o d e lr e c o n s t r u c t i o n ，a n de s t a b l i s h e st h eb a s i so ff u r t h e r d e s i g n k e yw o r d s = t r e a dp a t t e r n ： r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ： s u r f a c e r ：p r o e 第1 i i 页 第1 章绪论 1 1 课题的工程背景及选题的意义 作为消化、吸收先进技术的一种手段，需要将实物样件或手工模型转化为c a d 数字化模型，以便利用快速成形系统( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 、计算机辅助制 造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r i n g ，c a m ) 系统、产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，p d m ) 等先进技术对其进行处理和管理。并进行进一步修改和优化设 计，此时，就需要一个从样品到数据再到产品一体化的解决方案。反求工程 ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 的应用为制造业提供了一个全新的、高效的重构手段， 实现从实际产品模型到数字模型的转换。反求工程技术作为产品设计制造的一种 手段，在2 0 世纪9 0 年代初开始引起各国工业界和学术界的高度重视。从此以后， 有关反求工程技术的研究与应用就一直受到政府、企业和个人的关注，特别是随 着现代计算机技术及测量技术的发展，利用c a d c 埘技术、先进制造技术来实现 产品实物的反求工程，已成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为反求工程技 术应用的主要内容“。 在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造过程中，此类产品通 常由复杂的自由曲面拼接而成，在概念设计阶段很难用严密的、统一的数学语言 来描述，因此，许多产品初始模型必须通过对事先制造出的木制或泥制模型进行 数字化“1 ，既以实物模型为依据应用反求工程技术来反求其几何模型。反求工程 技术广泛用于飞机、汽车、工业模具和民用模具等制造领域，特别是一些具有复 杂型面的零件的设计和加工。 随着经济的发展和部分经济较发达地区居民收入水平的明显提高，我国机动 车保有量增长较快。1 9 8 7 1 9 9 7 年，我国机动车保有量年均增长t 7 5 ，其中汽 车保有量年均增长1 1 6 。1 9 9 7 年底，全国机动车保有量超过3 4 0 0 万辆，其中 汽车1 2 1 9 万辆，摩托车2 0 2 2 万辆。2 0 0 2 年我国汽车保有量为2 1 0 0 2 5 0 0 万辆。 有关研究预测，到2 0 0 5 年中国潜在的汽车需求量可望达到5 8 0 万辆，轿车需求量 则为2 0 0 万辆，2 0 1 0 年汽车和轿车潜在需求量可望在1 0 0 0 万辆和4 0 0 万辆以上”。 第1 页 广东工业大学硕士学位论文 轮胎是汽车工业的重要配件，庞大的汽车保有量带动了轮胎及相关设备的巨大的 需求。随着中国加入w t o ，进口汽车与轮胎受惠，私人购车族也不断扩大，使中 国对高性能的轮胎需求旺盛。 轮胎是汽车的重要组成部件，需具有负荷能力、附着能力、缓冲能力和耐痦 性等来满足汽车的使用要求。轮胎设计有四大要素：即花纹( 表面形状) 、轮廓( 整 体形状) 、结构和材料。其中胎面花纹设计是技术含量最高的工作，是轮胎设计的 关键技术。胎面花纹对轮胎和车辆性能有重要影响，左右着车辆操纵性、制动 驱动性、滚动阻力、磨耗、滑水和噪声特性，直接关系到轮胎的使用性能、行驶 里程和安全性。 但是胎面花纹与路面相互作用的机理极为复杂，许多问题至今尚不完全清 楚，胎面花纹的设计目前仍然缺乏有效的理论指导，在轮胎结构分析和运动学、 动力学分析建模时，由于胎面花纹相对于轮胎整体尺寸很小，无法准确考虑胎面 单元特性，也就难以充分考虑到胎面单元与路面的微观作用及其形状效应。目前 国内轮胎行业胎面花纹结构以基于经验的平面设计为主，通过对高性能轮胎花纹 的手工测量或将经典花纹进行组合和变参数设计等。而国外对胎面花纹设计已经 在三维c a d 软件平台上实现全三维设计，并且能对三维胎面花纹模型进行有限元 分析和在c a t e ( c o m p u t e r a i d e d t r e a d e v a l u a t i o n ) 软件上分析其噪声和胎面 印迹压力分布。进行轮胎的数字化设计、仿真试验、效果评价和方案优化是提高 轮胎性能的有效手段和发展趋势。 本课题运用反求工程的原理和方法，进行轮胎设计过程中技术难度最大的胎 面花纹结构设计。使用三维激光抄数机测取轮胎产品胎面花纹结构形貌，经过数 据处理和花纹几何模型的重构得到轮胎产品花纹的三维c a d 模型。积极研究、吸 收和消化国外在轮胎胎面花纹设计方面的技术，为开发具有最佳技术经济效益的 轮胎产品提供先进的设计手段。 1 2 反求工程的发展现状和重要意义 反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代初由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所和 美国u v p 公司共同提出并研制开发的技术。在激烈的市场竞争中，这项技术早已 被先进工业国家有远见的企业所采用。进入9 0 年代，反求工程技术为大幅度缩短 新产品开发发挥了重要作用“1 。 第2 页 第1 章绪论 目前，反求工程及其相关技术的研究相当活跃，些商品化c a d c a m 系统也 逐步集成进专用的反求模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、p r o e n g i n e e r 中的p r o s c a n 功能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。 国外的许多反求产品已进入我国市场，如英国3 d s c a n n e r 公司r e p l i c a 激光 快速扫描测量仪、美国“l a s e r d e s i g n ”s u r v e y o r l 2 0 0 立体激光扫描系统、德国 g o m 公司的a t o s 测量仪等，这些测量设备功能较完善。我国华中科技大学、天津 大学、西安交通大学、清华大学等众多高校近年来也加强了对反求工程测量设备 的研发，现已实现产品化，并广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行 业中。 随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进 步的重要手段。各国都在充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，发展自 己的新技术。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速增长 的战略措施。而反求工程就是针对消化吸收先进技术的一系列方法和应用技术的 组合。 世界各国在经济技术发展中应用反求工程消化吸收先进技术的经验，给人们 以有益的启示。日本对引进技术的消化、吸收与创新的经验，具有典型性，以下 做概括介绍。 日本在第二次世界大战结束时，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1 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反求工程研究分不开的。据日 本政府推算，成功的技术引进使日本节省了约2 3 的研究时间和约9 1 0 的研究费 用。 重视反求工程研究的不仅是日本，其它国家也是如此。当今科学技术日新月 异，渗透到社会的各个领域，已经没有哪一个国家可以包打天下了。据有关统计 资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，途径之 一就是通过反求工程同。近年来，我国在国家自然科学基金资助下，有关单位对 反求工程测量方法等进行了广泛、深入的研究并取得了一定的成果。目前，反求 工程的思想、理论与方法广泛应用于航空航天、汽车、轮船、工艺品、玩具等行 业，对于这些行业的产品设计与制造具有重大的理论与实际意义。反求工程设计 第3 页 厂东工业大学硕士学位论文 技术的应用使制造业取得了重大的经济效益，国际上汽车工业4 年完成一次重大 改造，家电行业1 年内即可开发出多种类型的产品。因此，其应用前景极为广阔。 1 3 课题来源及主要研究内容 本课题来源于广东省科技计划项目“子午线轮胎花纹结构数字化设计关键技 术”( 2 0 0 4 8 1 0 2 0 1 0 2 8 ) 。 本课题以s u r f a c e r 与p r o e 相结合的方法，完成了摩托车轮胎胎面花纹的反 求设计，而且在此基础上深入地研究了轮胎花纹的数字化设计。本课题的主要研 究内容包括： ( 1 ) 针对轮胎花纹的结构特点，研究了复杂曲面实物反求工程的关键技术， 包括表面数字化、数据处理、曲面重构和曲面光顺等。 ( 2 ) 分析了s u r f a c e r 软件的功能和用于轮胎花纹结构设计的基本处理过程。 ( 3 ) 研究了适合轮胎胎面花纹的数据处理方法，包括多视图拼合、数据滤 波、测量数据补充、数据精简、特征提取等。 ( 4 ) 综合运用s u r f a c e r 的数据处理功能和p r o e 的曲面造型功能，对轮胎 胎面花纹进行了反求设计，实现了轮胎花纹3 d 几何模型的重建。 第4 页 第2 章反求工程及其关键技术 第2 章反求工程及其关键技术 2 1 反求工程的概念及分类 在产品的开发及制造过程中，凡何数字化造型技术已使用得相当广泛。但是， 对于一些外形复杂的产品并非来源于图纸或由计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e d d e s i g n ，c a d ) 模型描述。而是来源于实物模型。为了适应先进制造技术的发展， 需要通过一定途径，将实物转化为c a d 模型，以期利用c a d 、计算机辅助制造、 快速原型制造( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 、产品数据管理及计算 机集成制造系统( c o m p u t e ri n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，c i m s ) 等先进 技术进行处理或管理。目前，与这种从实物获取产品数学模型技术相关的技术， 已发展成为c a d c a m 中的一个相对独立的范畴，称为“反求工程”1 。 刘之生、黄纯颡在文献 5 中给出了反求工程的定义，其定义如下： 反求工程也称为逆向工程、反向工程等，它是针对消化吸收先进技术的一系 列分析方法和应用技术的组合。反求工程是以先进产品设备的实物、软件( 图纸、 程序、技术文件等) 或影象( 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，探索其 关键技术，进而开发出同类先进产品。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺 反求、管理反求等各方面。 在反求工程应用中反求设计是一个重要的领域，反求设计与正向设计是产品 设计常用的两种方法，传统的产品设计一般需要经过图2 - 1 所示的设计流程”1 。 图2 - 1 正向设计流程图 反求设计的流程图如图2 - 2 所示“1 。 第5 页 最终产品 广东【业大学硕士学位论文 图2 - 2 反求设计流程图 反求工程的基本方法包括影象反求、软件反求和实物反求等三方面“。 影象反求是指根据产品相片、图片、说明书、广告介绍、参观印象、影视画 面等为参考资料，进行产品反求设计的方法。 软件反求是以先进产品设备的样本资料、产品标准、产品规范，以及与设计、 研制、生产制造有关的技术资料和技术文件，如产品图纸、制造验收技术条件、 产品设计说明书、计算书、使用说明书和产品设计标准、工具工装设计标准、工 艺守则、操作规范、管理规范、质量保证手册等作为研究对象，进行产品反求设 计的方法。 实物反求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 装配、包装使用等进行分析研究，研制开发出与原型产品相同或相似的新产品m ，。 2 2 反求设计的研究内容及应用领域 反求设计所涉及的问题，是对已有产品或技术进行分析研究，掌握其功能原 理、参数、尺寸、材料和结构，特别是关键技术，在此基础上进行仿制或再设计， 开发出先进产品。设计反求一般包括以下几个方面”1 ： ( 1 ) 探索产品的设计指导思想和技术特点。 ( 2 ) 根据产品的功能分析其原理方案，通过对反求对象的功能实质的理解， 才能在再设计时得到更合理的原理方案。 ( 3 ) 零部件的结构是功能原理的具体体现，与加工使用及生产成本有密切关 系。应从保证功能、提高性能、降低成本、提高安全可靠度等方面分析反求对象 第6 页 第2 章反求工程及其关键技术 的结构特点。 ( 4 ) 分解机器实物，在分析的基础上，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸， 并用图纸及技术文件方式表达。 ( 5 ) 在反求过程中科学合理地进行精度分配。同时还需要运用尺寸链理论进 行几何精度分析计算，以保证产品的装配精度。 ( 6 ) 根据零件功能及工艺特点分析鉴定并选择材料与热处理方式。 ( 7 ) 针对产品的工作特点及其主要性能进行试验测定、反复计算和深入的分 析，掌握其设计准则和设计规范。 ( 8 ) 分析产品的外形构型、色彩设计等。 ( 9 ) 对加工、装配工艺的分析，对加工精度及精度分配的反求，是重要而又 细致的工作。 ( 1 0 ) 分析产品的使用性能和维护性能。 ( 1 1 ) 分析产品的包装及防潮、防霉、防锈、防震等技术。 在产品造型日益重要的今天，反求工程已成为产品开发中不可或缺的一环， 其应用范围包括以下几个方面。1 ： ( 1 ) 造型设计一般难以直接通过计算机进行复杂物体的三维几何设计，两更 倾向于用油泥、黏土或木头等材料进行外形设计。此时，如何根据造型师制作出 来的模型，快速建立三维c a d 模型，就必须引入反求工程的技术。 ( 2 ) 当设计需要通过实验测试才能定型工作模型时，通常采用反求工程的方 法，比如航天航空、汽车等领域。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的， 最终确认的实验模型必须借助反求工程，转换为产品的三维c a d 模型及其模具。 ( 3 ) 反求工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。利用 反求工程技术建立现有产品的c a d 模型，同时利用先进的c a d c a e c a m 技术进行 再创新设计，可以极大地缩短产品开发周期。 ( 4 ) 很多物品很难用基本几何表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及不 规则线条等，如果利用通用c a d 软件、以正向设计的方式来重建这些物体的c a d 模型，在功能、速度及精度方面都将异常困难。这种场合下，必须引入反求工程， 以加速产品设计，降低开发的难度。 ( 5 ) 反求工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的损坏零件 等。通过反求工程的手段，抽取原来零件的设计思想，用于指导新的设计。 第7 页 广东工业大学硕士学位论文 ( 6 ) 一些特殊领域的应用，如医学领域中人体骨骼、关节等的复制、假肢制 造，特种服装、头盔的制造时需要首先建立人体的几何模型等，这些情况下都必 须从实物模型出发得到c a d 模型。 ( 7 ) 在r p m 的应用中，反求工程的最主要表现为：通过反求工程，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。 现代反求工程技术除广泛应用在汽车工业、航天工业、机械工业、消费性电 子产品等几个传统应用领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比如用于立体动画、 多媒体虚拟实境、广告动画等；另外在医学科技方面，如人体外形测量、医疗器 材制作等，也有其应用价值。 2 3 反求设计的主要方法及软件系统分析 2 3 1 造型反求设计的主要方法 造型反求设计方法共有如下三种类型“： ( 1 ) 传统反求工程方法反求工程系统将测量的点云数据，经过必要的编 辑、多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特 征线，根据结构线及域内点云拟合出各局部的曲面c a d 模型。 传统反求工程方法的主要问题是速度慢。复杂形体的几何模型是由多曲面经 裁剪、过渡等组合而成。其特征淹没在点云之中，欲将特征重新提取出来，是 个非常繁琐、专业性要求极高的工作。因特征识别的难度很大，所以大部分传统 反求工程在实际工作中应用并不理想。 ( 2 ) 测绘反求工程方法采用人工测绘的办法，测量出复杂形体的特征构 造线或由点云数据中获取特征构造线，再由c a d c a m 系统利用正向曲面建模的办 法完成整个模型的建立。从严格意义上来说，该方法不能称其为反求工程方法， 是正向方法在反求工程中的应用。 对于由标准形体经布尔运算所形成的复杂形体，该方法简单实用。但是对于 复杂曲面经光顺过渡处理而形成的复杂形体，对测量方式的要求很高，若不按特 征测量，无法保证精度。 ( 3 ) 专用反求工程软件方法采用专用的反求工程软件，不但可以保证几 第8 页 第2 章反求_ 1 = 程及其关键技术 何模型的精度，而且能很好地解决反求工程的速度问题。 2 3 2 反求工程的软件系统分析 反求工程不但在理论上得到了学术界的广泛关注，同时还涌现出一批反求工 程软件，主要有 e d s 公司的i m a g e w a r e ，p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m ，d e l c a m 公 司的c o p y c a d ，c i s i g r a p h 公司的s t r i m l 0 0 ，i c e m 公司的i c e i hs u r f 以及浙江大 学的r e s o f t 。在一些流行的c a d c a h i 集成系统中也开始集成了类似模块，如 u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、p r o e n g i n e e r 中的p r o s c a n 功能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。 e d s 公司的i m a g e w a r e 软件( 原为s u r f a c e r ) 主要有四个方面的功能：( 1 ) 测量点的分析处理功能，可以接受各种不同来源的数据，如c 删、l a s e r s e n s o r s 、 m o i r es e n s o r s 、u l t r a s o u n d 等。( 2 ) 曲面模型构造功能，能够快速而准确地根 据测量数据构造n u r b s 曲面模型。( 3 ) 曲面模型精度、品质分析功能。( 4 ) 曲面 修改功能，曲线和曲面可以实时交互形状修改。 p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m 软件使用较为广泛，其主要功能有：( 1 ) 接受a s c i i 和i g e s 格式的测量数据，并实现快速三角划分。( 2 ) 基于曲率的特征分析，提取 特征曲线用于数据分块。( 3 ) 在给定精度和跨界连续性约束下的n u r b s 曲面拟合。 ( 4 ) 通过曲线网编辑和全局联动功能，实现曲面变形。 d e l c a m 公司的c o p y c a d 软件主要功能有：( 1 ) 各种测量数据输入和转换处理， 以及根据给定允差构造三角面片模型。( 2 ) 根据三角面片模型。交互或自动提取 特征曲线。( 3 ) 利用特征曲线构成的网格构造n u r b s 曲面片，并根据连续性要求 实现曲面片之间的光滑拼接。( 4 ) 曲面模型精度和品质分析。 c i s i g r a p h 公司的s t r i m1 0 0 软件曲面重构主要有以下几个过程：( 1 ) 读取 测量点，剔除噪声数据。( 2 ) 交互定义模型的特征曲线，建立线框模型。( 3 ) 定 义曲面片之间的连续性约束，在线框模型上构造n u r b s 曲面片。( 4 ) 进行曲面模 型的最后校核。 i c e i w 公司的i c e ms u r f 软件通过p t c 公司的a t b 协议实现与p r o e 的集成， 实现自由曲面设计与p r o e 参数化的完全联动。其反求工程的软件包包括i c e m s u r fp r o f e s s i o n a l 、i c e ms u r fs c a n 、i c e ms u r fc l a y 模块，其功能是处理点 云数据及实现不同级别( a 、b ) 曲面的建模。i c e ms u r f 反求工程软件包能够从 第9 页 广东_ t 业大学硕士学位论文 点云创建曲面，并将曲面质量提升到很高的水平。软件包为设计工程师提供强大 的工具来分析和修改点云数据，在点云上创建曲线和曲谣，并在接到曲面诊断动 态反馈时实时修改模型。 浙江大学的r e s o f t 软件系统根据矩形域曲面和三角域曲面在曲面重构中的 优势，提出根据不同的测量数据分别采用两种思路进行反求曲面重构。一种是基 于点云，提取二次曲面、过渡曲面、旋转曲面、扫掠曲面等重要几何特征，然后 通过特征数据分离和交互定义特征曲线，建立分区的自由曲面重建网络，在指定 跨界连续性要求下通过逼近离散点云构造n u r b s 曲面。另一种是以三角b e z i e r 曲面模型为数字样品，通过对三角b e z i e r 曲面模型进行合理的划分，分区构造多 张n 1 3 r b s 曲面，最终将三角b e z i e r 曲面转换成整体g 1 连续的o r b s 曲面模型。 r e s o f t 还提供了强大的复杂曲面编辑功能，如：曲面小波光顺、局部补充设计 和编辑、曲面延伸、求交、裁剪、过渡以及重构曲面品质分析等。 p t c 公司的p r o e n g i n e e r 软件以其参数化、基于特征、全相关等新概念闻名 于c a d 界，其曲面造型集中在p r o s u r f a c e 模块。p r o s c a n 模块，可以接受有序 点( 测量线) ，也可以接受点云数据。其曲面的生成、编辑能力覆盖了曲面造型中 的主要问题，主要用于构造表面模型、实体模型，并且可以在实体上生成任意凹 下或凸起物等。尤其是可以将特殊的曲面造型实例作为一种特征加入特征库中。 p r o e n g i n e e r 自带的特征库就含有如下特征；复杂拱形表面、三维扫描外形、复 杂的非平行或旋转混合、混合扫描、管道等。该软件的曲面处理仅适合于通用的 机械设计中较常见的曲面造型问题9 “1 。 2 4 反求工程技术的组成 2 4 1 数字化方法 零件表面信息的数字化，又称数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获 取零件表面离散点的三维坐标数据。这是反求工程技术的基础和关键技术之一。 随着传感技术、控制技术、制造技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展， 出现了各种数字化方法。根据掼量探头是否和零件表面接触，反求工程中物体表 面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式测量方法和非接触式测量 方法，如图2 3 所示“。 第1 0 页 第2 章反求工程及其关键技术 图2 - 3 数字化方法的分类 2 4 1 1 接触式测量方法 接触式测量方法是传统的测量方法，通过传感测量头与被测量物体进行接触 时触发一个记录信号，并通过相应的设备记录下当时的标定传感器数值，从而获 取样件表面的三维数据信息。接触式测量方法有三坐标测量机和机械手两种。 1 三坐标测量机 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 ，c 姗) 是一类使用得最广泛 的接触式三维数据获取设备，是一种具有很强柔性的大型精密三坐标测量设备。 三坐标测量机利用接触探头逐点地捕捉样件表面的坐标数据。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，这种形变由连接在 探针上的三坐标方向的弹簧产生的位移反映出来，并通过传感器测出其大小和方 向，再通过数模转换，由计算机显示、记录所测的三维点数据“。 九十年代初，英国r e n i s h a w 公司研制出一种三维力位移传感的扫描测量 头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8 米秒，数字化速度最高可达5 0 0 点秒，精度约为0 0 3 m “。 三坐标测量机的主要优点是可以达到很高的测量精度( 0 5 i i m ) ，适应性 强，对被测物的材质和色泽无特殊要求，对不具有复杂内部型腔、特征几何尺寸 多、只有少量特征曲面的零件，c m m 是一种非常有效可靠的三维数字化手段。三 第1 l 页 广东工业大学硕士学位论文 坐标测量机的主要缺点是一般接触式测头测量效率低，而且由于采用接触测量， 测量时产生接触压力，因而对一些软质表面或超薄形物体无法进行测量。同时整 个测量过程始终需要人工干预，测量速度慢，对于获得的数据有时还需进行基准 归一化以及测头半径补偿，给后续的数据处理增加了难度，因而不适于对自由曲 面等需要大量采集数据点的三维面进行测量。 2 机械手 机械手方法是用机械手来接触物体表面，然后通过安装在手关节上的传感设 备来确定相关点的坐标位置。这种测量机几乎不受方向的限制，可在工作空间做 任意方向的测量，其主要缺点是精度不高。 接触式测量方法的优点： ( 1 ) 接触式测量方法成本低，稳定性( 低噪声、精确、可重复测量等) 好， 且能够采用数控测量系统编程决定在物体表面的测量路径，得到几乎没有嗓声的 数据。 ( 2 ) 接触式测量方法的技术比较成熟，另外接触式测量的测头直接接触工件 表面，与工件的材质、颜色及强率关系不大。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可准确地测量出物 体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。 接触式测量方法的缺点： ( 1 ) 接触式设备测量速度较慢，以逐点方式进行测量，耗时长。 ( 2 ) 为确定测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形 状的产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度增加。 ( 3 ) 测头需接触工件而造成磨耗。所以为维持一定的精度，需经常校正测头 的直径。 ( 4 ) 人为不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使测头损 坏。 ( 5 ) 检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发测头的直径必 定要小于被测内圆直径。 ( 6 ) 对三维曲面的测量，因传统接触式触发铡头是感应元件，澳4 得的数据是 测头的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对测头半径进行三维补偿。 ( 7 ) 接触测头在测量时，测头的力将使测头尖端部分与被测工件之间发生局 第1 2 页 第2 章反求工程及其关键技术 部变形，而影响测量值的实际读数。 ( 8 ) 测头移动时无法克服物理惯性即时停止，造成测量误差。 ( 9 ) 由于测头与被测物体之间存在一定的接触压力，对于某些质地柔软的工 件将产生测量误差。 ( 1 0 ) 另外，测量接触力即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为 接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。 2 4 1 2 非接触式测量方法 非接触式测量方法是利用声、光、电或磁等与物体表面发生相互作用的现象， 将一定的物理模拟量通过一定的算法转化为物体表面的坐标点，以获取其三维数 据信息。其中应用光学原理发展起来的现代三维形状测量方法应用最为广泛，如 三角法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等。而非光学式则 包括c t 测量法、磁共振成像法、超声波法和层析法等。 1 激光三角法( l a s e rt r i a n g u l a r i o nm e t h o d s ) 激光三角法是反求工程中曲面数据采集中运用最广泛的方法。它是根据光学 三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点 的坐标数据。其基本测量原理是：利用具有规则几何形状的激光源( 如：点光源、 线光源或面光源) ，投射到被测样件表面上，被表面反射或漫射，形成的漫反射光 点( 或光带) 的像被安置于空间某一位置的图像传感器( c h a r g e dc o u p l e dd e v i c e ， c e d ) 吸收，根据光点( 或光带) 在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像 点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。激光 三角法的测量原理如图2 4 所示“。 激光三角法的优点是测量迅速，精度较高。由于在测量时不与测量产品发生 接触，因而可以对松软表面进行测量。测量的数据无需进行测头半径补偿。其缺 点是测量会受到样件表面粗糙度、漫反射及倾角的影响；对于激光光源照射不到 的位置不能测量；对样件的突变台阶和深孔结构处进行测量时，数据容易丢失。 第1 3 页 广东工业大学硕士学位论文 图2 4 激光三角法的测量原理 目标平面 参考平面 2 结构光( s t r u c t u r e dl i g h t i n g ) 法 结构光法被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一。其基本原理是将具 有一定模式的光源，如：条形光、栅格状的光，投影到被测物体表面，利用两个 镜头获取不同角度的图像，通过对图像的分析获得三维点坐标( 图2 5 ) “。 z p 么 谢 ： 图2 - 5 结柯光法的基本原理 面 结构光法的优点是测量速度快、测量范围大、成本低、设备携带方便、受环 境影响小、易于操作。其缺点是精度较低( 2 0 um ) ，而且只能测量表面较平坦 的物体。 3 工业c t ( c o m p u t e rt o m o g r a p h y ) 法 工业c t 法又称为工业计算机断层扫描成像( i n d u s t r i a lc o m p u t e r t o m c g r a p h y ) ，工业c t 法的主要原理“6 3 是射线源在一端沿一定的旋转方向照射被 测样件，同时，检测器在另一端接收到与样件衰减系数直接相关的投影数据，把 全部的投影数据送入计算机后，通过图像重建算法构造出样件的三维图像a 这种 第1 4 页 第2 章反求t 程及其关键技术 方法最早是应用于医疗领域，目前已经开始用于工业领域( 所谓“工业c t ”) ，特 别针对中空物体的无损三维测量。 这种方法是目前最先进的非接触式的检测方法，它可对物体的内部形状、壁 厚，尤其是内部构造进行测量，所获得的数据密集、完整，测量的结果包括了零 件的拓扑结构。但它存在测量系统空间分辨率较低，获取数据时间长，设备体积 大，重建图像计算量大、造价高，只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点。美 国l l n l 实验室研制的高分辨率i c t 系统测量精度为0 o l m m 。 4 磁共振( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n i n g ，m r i ) 法 磁共振成像技术( m r i ) 也称为核磁共振，该技术的理论基础是核物理学的磁 共振理论，其基本原理“”是用磁场来标定人体某层面的空间位置，然后用射频脉 冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动恢复到静态场的平衡态时，把吸收 的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号，信号输入计算机，经过处理转 换在屏幕上显示图像。 m r i 提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像技术，而且不同于 已有的成像技术，这种技术具有深入物质内部且不破坏物体的优点，对生物没有 损害，在医疗领域具有广泛应用。这种方法的不足之处是造价极为昂贵，空间分 辨率不及c t ，且目前对非生物组织材料( 如金属材料) 不适用，一般只适用于医 学三维测量。 5 超声波( u l t r a s o n i c ) 法 采用超声波的数字化方法，其原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测 物体的两种介质交界表面会发生回波反射，通过测量回波反射与零点脉冲的时间 间隔，即可以计算出各面到零点的距离。 这种方法相对于工业c t 或核磁共振m r i 而言其设备简单，成本较低，但测