（材料加工工程专业论文）基于proe的反求工程技术的研究.pdf

武汉理【：火学硕士学位论文 摘要 在反求工程及快速原型的过程中，要考虑的因素很多。包括反求工程中的 数据测量、数据处理、曲面重构以及快速原型的原理、分类、特点、应用等， 以及r e 与r p m 的集成。 本文分析比较了反求工程中常见的几种测量方法，对一种由实物样件经三 维数码照像数字化后得到的数据点云，直接生成r p m 数模方法的数据采集方式 及其原理进行了研究，提出了提高测量精度的一些措施。此外还研究了反求技 术中的三维实体几何形状数据的快速获取、大型密集离散数据处理及其基于 p r o e 软件的三维实体模型重构等关键技术，为快速原型技术的前端数据处理和 二次创新设计提供手段和方法。在对基于p r o e 的反求工程技术进行了比较系统 的研究基础上，通过对典型产品的反求设计，探索了产品反求设计的整个过程， 分析了反求设计的重点和难点，提出了利用反求工程和快速原型技术的结合进 行产品创新设计的方法和步骤。 基于p r o 厘的反求工程关键技术的研究，本文所做的工作有下列几个方面： l 。基于p r o e 反求工程的研究，认为光学测量技术为主的数据采集方式及 其原理，在提高测量精度方面有其独特的优势； 2 建立了离散数据点云的拓扑关系，能够对离散数据点云进行简化、归类、 筛选； 3 利用v i s u a lc + + 和p r o t o o l k i t 编程，开发了嵌入p r o e 的点云数据优 化程序，为精确建模和提高建模效率提供了方法； 4 基于p r o e ，对点云数据进行曲面重构，在重构曲面的基础上实现三维建 模： 5 建立不同数据格式之间的转换程序，可将不同测量设备的数据格式自动 转换为p r o e 可接受的格式。 关键词：反求工程、三维建模、数据处理、点云、曲面重构、快速原型 武汉理l ：大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ep r o c e s so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n dr a p i dp r o t o t y p i n g ，t h e r ea r eal o to f t h i n g st ob ec o n s i d e r e d i ti n c l u d e st h ed a t am e a s u r e m e n t ，d a t ap r o c e s s i n g ，s u r f a c e c o n s t r u c to fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d p r i n c i p a l ，t y p e ，c h a r a c t e r , a p p l i c a t i o no fr a p i d p r o t o t y p i n ga n d t h ei n t e g r a t eo fr e r e t h i s p a p e ra n a l y s e d a n dd i s c u s s e d m o s t l y t h e k e yt e c h n i q u e s o fr e a f t e r s u m m a r i z e dt o d a y ss t a t u so fr e st e c h n o l o g y ，a n a l y s e ds o m em e a s u r em e t h o do f r e ，a n d e m p h a s e d i n t r o d u c et h ed a t ag a t h e r i n ga n di t st h e o r yo f p o i n t sd a t at h a ti s g a i n e dt h r o u g h3 dn u m e r a ld i g i t a lt a k i n gp i c t u r e s ，a n d h a ds o m ea n a l y s e so f i m p r o v em e a s u r ep r e c i s i o n f u r t h e r m o r e ，t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e ds o m ep i v o t a l t e c h n o l o g y ，f o re x a m p l e ，d a t ar a p i dg a i n i n g 、l a r g e d e n s ed a t ad i s p o s i n go fs o l i d m o d e la n db a s e p r o e s o f t w a r eo n3 ds o l i dm o d e l d e s i g n ，a n d i ta f f o r d e d i n s t r u m e n t a l i t ya n d m e t h o df o rd a t ad i s p o s i n ga n d p r o d u c t sd e s i g n a f t e rr e s e a r c h e d t h er eb a s e dp r o es o f t w a r e ，t h r o w l g hr e v e r s ed e s i g nt or e p r e s e n t a t i v ep r o d u c t ， e x p l o r e dt h e w h o l e p r o c e s sa b o u tp r o d u c t r e v e r s ed e s i g n ，a n da n a l y s e dt h ee m p h a s e s a n dd i f f i c u l t yo fr e v e r s ed e s i g n ，b r o u g h tf o r w a r dm e t h o da n d p r o c e s su s i n g r ea n d r pt od e s i g np r o d u c t f o rs t u d yt h ek e yt e c h n i q u e so fr eb a s e dp r o es o f t w a r e ，t h e p r i n c i p a lr e s e a r c h w o r ka n dc o n c l u s i o n sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 a n a l y z i n ga n dc o m p a r i n gs o m em e t h o d o fm e a s u r e ，m a i n l ya n a l y z i n ga n d i n t r o d u c i n gt h ep r i n c i p l ea n dq u o m o d oa b o u td a t ac o l l e c t i o n ，a n da n a l y z i n gs o m e m e t h o do fe n h a n c i n gm e a s u r ep r e c i s i o n 2 b yr e s e a r c h i n gt h es c a t t e r e d “p o i n t s c l o u d ”d a t as t r u c t u r ea n dc o m p o s i n g ， p r e d i g e s t i n g 、c l a s s i f y i n ga n df i l t r a t i n gt h es c a t t e r e d “p o i n t sc l o u d ”，a n db u i l d i n g t h e t o p o l o g i c a lr e l a t i o no f t h es c a t t e r e dd a t a 3 d e v e l o p i n g “p o i n t sc l o u d ”d a t ao p t i m u mp r o c e s s i n gm o d u l eb y v i s u a lc + + a n d p m t o o l k i t ，w h i c h p r o v i d e sg o o d i n f o r m a t i o nf o ra c c u r a t em o d e l i n ga n dh i 曲 m o d e l i n ge f f i c i e n c y 1 1 武汉理r 大学硕士学位论文 4 f i n i s h i n g s u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n d b u i l d i n g s o l i d m o d e l i n g b a s e dp r o e m o d e l i n gs o f t w a r et h r o w i g ht h e “p o i n t s c l o u d ”d a t a ，a n da c h i e v i n g3 db u i l d i n g m o d e l i n g b a s e ds u r f a c e 5 b e c a u s eg a i n i n gd i f f e r e n td a t af o r m a tb yd i f f e r e n tm e a s u r ed e v i c e ，f o rt h ed a t a f o r m a tc a nb ea c c e p t e db yp r o es o f t w a r e ，b u i l d i n gap r o g r a mf o rt r a n s f o r mb e t w e e n d i f f e r e n td a t a k e y w o r d ：r e v e r s e e n g i n e e r i n g t h r e e d i m e n s i o n a lm o d e l i n g d a t ad i s p o s i n g p o i n t sc l o u d s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n r a p i dp r o t o t y p e l l i 武汉理一【：大学硕十学位论文 1 1 引言 第1 章概述 工业中的许多领域，需要创建已存在物体的计算机几何模型，由实际物体 的形体来生成计算机几何模型，这项工程称反求工程，也称为逆向工程 1 1 。快速 原型技术( r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y ) 是指基于离散堆积原理，由三维电子模 型直接驱动的三维实体成形技术。反求工程与快速原型技术，简称为r e 与r p 技术，目前已经得到越来越广泛的应用。国内外针对r e 和r p 技术的研究工作 主要在两个方面，一是继续在已成熟的自由曲线和曲面重构理论上继续有所突 破，二是在实际的测量、数据处理和重构c a d 模型上逐渐集成和完善，包括反 求工程中的数据测量、数据处理、曲面重构以及快速原型的原理、分类、特点、 应用等，以及r e 和r p 的集成应用等【孙。 1 2 反求工程 在汽车、航空等工业领域中，对复杂曲面的设计，目前c a d 软件( 如p r o e 、 u g 、c 矧a 等) 还很难满足要求，仍然需要采用粘土、木头或纤维玻璃的手工 模型来描述零件的复杂曲面。反求工程能够将实物模型转化为c a d 模型，实现 对象数字化，从而建立起产品的数字化模型。 反求工程可以简单的定义为这样一个过程：在没有工程图纸的情况下，对 实际的物体模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其c a d 模型的 过程，由实际模型反求出设计模型来。 传统的正向设计与制造是从图纸到零件产品，而反求工程的设计是从零件 或原型到二维图纸或三维模型，再经过制造过程到零件，两者之间的比较如图 武汉理r ：大学硕士学位论文 ( b ) 反求：i 程流程 闰1 1 正向工程与反求1 j 程流榉的比较 1 l 所示，所谓反求( 或逆向) ，是相对传统的从设计图纸( 或模型) 加工出实 际产品来的正向过程而言的。反求工程与传统的正向设计的根本区别在于：正 向设计是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从 设计概念到c a d 模型有一个明确的过程：而反求工程是基于一个可以获得的实 物模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修 改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产要求。 反求工程通常从测量个已存在的实际物体开始，这样就能生成一个曲面或 实体模型，以便能充分利用g 址i c a m 技术进行修改和重构。一旦重构出自由 曲面和建立c a d 模型后，再可进行后续操作，如零件设计、有限元分析、模型 修改、误差分析、模具设计以及数控加工指令生成等。 j 数据采集l i l 预处理 l l i 分段和曲面拟台 l 创建c a d 模型 图1 2 反求。j ：程的基本阶段 图1 3 反求一l i 鼙的过程 武汉理上人学硕士。位论文 三维实体重构 图1 4 反求工程的数据处理和建模 反求工程由三大部分组成即三大模块：坐标点测量、数据处理和曲面 模型重建。( 如图1 2 、图1 3 、图1 4 所示) 几何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状数据点云： 数据处理：处理所获得的三维数据，并使处理后的数据满足后续操作的要求； c a d 建模：必须建立一个完整的c a d 模型，通过c a d 模型可以描述产品 的全部相关数据。 反求工程的最关键之处是测量数据的处理，其困难之处在于对数据处理过 程中最能反映曲面特征的特征点、线、面的智能提取，以及基于散乱数据“点 云”的曲面重构和曲面光顺。这也是目前各种商业c a d 软件所力求解决的问题 所在。 反求工程的整个过程如图1 5 所示。 图1 5 反求j + 群的流程 武汉理t 大学硕士学位论文 实物原型经反求工程技术建立c a d 模型之后，可进一步利用 c a d c a e c a m 以及c i m s 等先进技术进行处理，复制出实物的样品模型【3 】。 而图1 6 所示为反求工程技术与快速原型制造技术( r a p i dp r o t o t y p i n g m a n u f a c t u r i n g ，r p m ) 集成的工作流程。 图1 6 反求工程与快速原型集成的工作流程 1 3c a d 几何造型技术 几何造型技术是通过人机交互方式，建立现实世界中的物体在计算机内的 数据表示，并提供有效的算法对其进行操作的技术。几何模型为c a d 、c a m 、 c a e 及c a p p 提供必要的几何信息以及其它信息，贯穿于产品设计和铝0 造过程 的始终。从几何造型的发展历程来看，主要经历了四个阶段：线框造型、曲面 造型、实体造型和特征造型1 4 i 。 线框造型采用物体的顶点和边两种拓扑元素及其相互关系来表示三维物体 的形状，造型简单，易于处理，其输入的信息仅为一系列点及其连接关系。线 框造型的缺点是只能表示物体有二义性，不能仅进行消隐，真实感差。在早期 的c a d c a m 系统中，线框造型曾作为主要的造型手段，如早期的c a d k e y 系统。今天，它仍然是曲面造型和实体造型的有力补充。 曲面造型是c a d 和计算机图形学中最活跃、最关键的学科分支之一。曲 面造型主要提供顶点、边、表面三种拓扑元素及其相互渊的拓扑关系描述三维 物体的形状。曲面提供了三维物体的表面信息，能够进行隐藏线的消除和图形 的真实感显示。曲面造型的缺点是三维物体的实心部分没有明确的定义，对三 维物体的表达仍然只具有二义性，不能进行物体的重心、质量、惯性矩等物理 参数的计算。但是，曲面造型是复杂物体型面造型表达的最有力：亡具。从1 s 机、 汽车、轮船的外形复杂覆盖件和结构件的设计，家用电器、轻工产品的工业设 计和模具设计，到服装、皮鞋的三维打样设计，都需要强有力的曲面造型工具 4 武汉理工大学硕士学位论文 的支持。 实体造型是2 0 世纪7 0 年代开始发展起来的一门新的造型技术，比曲面造 型增加了三维体的实心部分的表达，得到了三维正则形体的无二义性描述，从 而能够在一个完整的几何模型上实现零件的质量计算、有限元分析、数控加工 和消隐实体图的生成。经过2 0 多年的努力探索和多种技术的结合，实体造型技 术日趋成熟。实体造型是当今c a d c a m 软件的主流造型技术。 实体造型技术的发展可划分为两个阶段：从1 9 7 3 年到1 9 8 3 年是实体造型 奠基和成长阶段，实体大多用平面近似表示，数据结构采用b a u m g a r t 提出的翼 边结构，实体造型采用半空间表示、欧拉操作、c s g 、b r e p 、扫描等方法。从 1 9 8 3 年到1 9 9 2 年的l o 年是应用发展阶段。在国外，实体造型系统在g 缸忱a m 领域已形成较大的产业规模。在理论研究上提出了实体造型的正则集理论，近 几年又扩展为非正则集理论，用来描述非流行实体。现在，实体造型已不仅仅 限于用平面构造实体，广泛引入二次曲面、自由型曲面以及裁剪曲面。同时， 实体造型越来越和参数化、特征造型技术相结合，使得几何模型可以向产品模 型转化。 特征造型是2 0 世纪8 0 年代初，并于8 0 年代的中后期蓬勃发展起来的新的 造型技术，是产品虚拟设计的关键技术，是c a 叠，c a m 技术的一个新的里程碑。 特征造型其操作对象不再是原始的线条和体素，而是产品的功能要素，象螺纹 孔、定位孔、键槽等，需要采用局部操作和尺寸驱动技术，并要求使用新的数 据结构和瓤的特征组合算法。该技术着熏表达产品的完整技术和生产管理信息， 在最终产品上保留各功能要素的原始定义和相互依赖关系，以便用统一的产品 模型替代传统设计中的成套图纸和技术文档，使产品设计和生产准备等环节能 够并行展开。特征的引用直接体现了设计意图，使得产品模型易于理解，节省 产品设计时间。 1 4 反求工程研究的现状及发展趋势 1 4 1 国外反求工程技术的研究与应甩状况 反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 公司、f 1 本名古屋工业研究 所以及美国u v p 公司提出并研制开发成功的【5 】0 进入2 0 世纪9 0 年代以来，反求 武汉理l 二人学硕+ 学位论文 ： 程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置 上。1 9 9 8 年，全球反求工程技术系统加工中心达到3 3 1 个，拥有快速成型机6 6 0 台套，同时有2 7 个快速成型设备制造公司，1 2 个大的材料供应商，1 5 个专业 软件公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和研究机构以及2 2 7 个提供赞助的基 金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成 体。在经过了初期5 0 的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增 长率保持在1 7 左右。 迄今，在国际市场上，不仅有许多反求测量设各，也出现了多个与反求工 程相关的软件系统，主要有美国l m a g c w a r e 公司产品s u r f a c e r 、英国d e l c a m 公 司产品c o p y c a d 、m d t v 公司的s t r i m a n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、r e n i s h a w 公司的t r a c e 等，一些流行的c 蒯w c a m 集成系统中也附着类似模块，如 p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功能、u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、 c i m a t r o n 9 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1 6 。日本开发了从 m r i ( 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 ) 、c t ( c o m p u t e r i z e dt o m o g r a p h y ) 重构 三维实体的软件，英、法等国能将扫描数据在数控设备上复制，美国开发了c t 可视化可转成g e s 的软件。 在越来越激烈的市场竞争中，反求工程技术在先进工业国家中被有远见的 企业采用，特别是在家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、兵 器等行业得到推广，并取得重大的经济效益。目前，反求工程技术的应用还存 在一些不足之处，例如：非常完善的针对产品设计的反求工程系统目前还没有， 在其各个环节中都存在一定问题。此外由于测量方式、数据处理方式的多样性， 使反求工程系统与其它系统如c a d 、c a m 等的接口缺乏统一的标准，不能高 效率地交换信息，这是目前反求工程研究等待解决的问题【”。 1 4 2 国内反求工程技术的研究与应用状况 在我国，有关反求工程的研究与开发工作也在不少单位展开，如浙江大学、 华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得一定的成果。 北京隆源实业股份有限公司引进了国外最先进的三维快速测试系统与快速 制模设备配合，可进行三维实体零件的数字化测量，实现零件和模具的再生复 制，以及艺术品仿造和人体头像的扫描和制作。 广州华泰激光快速成型及模具技术有限公司，引进了世界最先进激光快速 武汉理l ：大学硕 ：学位论文 成型设备s l a 5 0 0 ，快速制造各类复杂零件原型及模具，用于汽车、机械、航空 航天、家电、通讯、电子、建筑、医疗器械、玩具等行业。 快速反求工程技术是其前端数据转换和处理的重要内容。国内这方面的工 作较薄弱，尚处于发展阶段。当前国内从事反求工作研究的有： 浙江大学c a d 实验室在c t 复原三维模型方面开展了大量的研究并取得较 好成绩，推出了r e s o f t 软件系统。 华中科技大学开发了三维激光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专 利。 上海交大的利用b p 神经网络重构反求技术中基于数字化点云的曲面。 北京隆源公司实现了将片层反求数据( o r 、c 6 i ) 和激光扫描数据直接转换成 r p 加工的数据。 清华大学激光快速成型中心进行了照片反求、c t 反求研究。照片反求是通 过提取实物照片的几何信息，重构实际物体的s t l 模型。有了s t l 模型，就可 以用r p m 系统制造出该物体的原型。c t 反求是指利用人体器官或工业零件的 c t 切片扫描文件，通过图像处理，提取物体的平面轮廓线。并通过层片间的插 值，得到可以被c a m 系统接受的层片文件格式。 西安交通大学完成了激光扫描法、层除法实验室系统的研制，并开发了反 求：r 程的核心软件_ c a d 重构软件。 2 0 世纪9 0 年代后期，反求工程技术在我国迅速发展和推广。目前，我国 主要限于西安交通大学、清华大学和华中科技大学以及个别专业公司在开展对 反求工程设备和软件的研究开发，但至今还没有一家具有真正的集开发和产业 于一体的经济实体1 8 1 。因此，如何将反求工程系统地应用于工业产品创新设计， 如何根据工业设计的需要来开发合适的反求工程系统，还处于摸索阶段。此外， 如何将反求工程与快速原型技术有机的结合和集成还有待于进一步的研究。 1 。4 3 反求工程与快速原型制造技术 反求工程的应用很多，如三维实体重构，原始设计参数还原，产品性能预 测，装配及工作过程仿真等。如今，快速原形制造成为反求工程的一个新的应 用领域，即利用反求工程得到的实体几何模型，驱动快速原型机快速制造出与 实物原型相同的零件l9 。反求工程与快速原型制造相结合，主要表现在以下几个 方面： 武汉理工大学硕十学位论文 1 ) 利用互联网或局域网将三维实物数据方便地读入、传输，实现异地( 远地) 制造或虚拟制造。 2 ) 实现快速模具制造( r t ) 。将快速原型制造的样件用于模具制造，可使成 本和周期分别减少1 2 ，显著提高生产效率。间接用快速原型样件实现快速模具 制造的方法一般有硅橡胶模、金属树脂模、金属冷喷涂等。 3 ) 快速制造出复杂物体三维模型。对于。一些十分复杂的物体，如车身壳体、 玩具、艺术造型等，用目前的c a d 软件，还很难设计出十分满意的形状要求。 如果运用反求技术，则可很快地将实体模型转化为c a d 模型，然后利用快速原 型系统制造出样件。 4 ) 在医学领域，利用层析x 射线及核磁共振等设备采集人体器官、骨骼、 关节等部位的外形数据，重建三维数字化模型，然后用快速原型技术制造教学 和手术参考用的模型或用于帮助制造假肢或外科镶复等，由于对具体患者采集 数据并建立相应的三维模型，可以使假肢、牙科镶复及其它器官更具有针对性， 更符合具体患者的需求。 1 4 4 反求工程技术的发展趋势 反求工程是一门发展十分迅速的新兴学科，覆盖了许多技术领域。目前这 项技术己推广到设计和新产品的开发中，它的应用可大大降低产品的开发成本、 缩短研发周期、增强企业的竞争力。尤其是反求工程与快速原型、快速模具技 术的结合更形成了一套快速响应的制造路线，为企业提供产品的快速开发能力。 可以说，随着市场竞争的激烈，此项技术将越来越发挥出其独特的作用。 当前反求工程的理论和方法研究的重点在如下两个方面： 1 ) 针对不断发展的高速、高精度的测量设备，需要研究和开发一种智能化 的反求工程方法及其理论，熊对散乱测量的数据点、多视和补测数据点的几何、 拓扑关系自动确定，能对测量数据“点云”中包含的几何特征智能提取。 2 ) 将反求工程方法与快速设计、制造环境有机结合起来，实现产品的快速 设计和创新。只有将反求工程中的建模部分与整个制造环境中的设计修改、性 能分析、快速原型制造等模块结合起来，引入并行设计、反馈设计的思想，才 能彻底发挥其在快速设计中的作用。 目前反求：e 程还有许多理论和关键技术问题未能得到彻底解决，造型精度 还需要进一步的提高，测量建模算法的有效性、建模效率，以及所建模型的误 武汉理：i j 大学硕十学位论文 差( 测量、算法误差) 分祈还有待于深入研究，另外，面向r p m 的反求工程系 统在设备价格方面相对来说还比较昂贵，在工作过程中，需要适时的进行人工 干预，在快速响应市场方面也有待予加强。可以预计反求工程系统的发展趋势 是向自动化、柔性化、快速化方向进步发展f l o l 。 计算机几何模型的建立，极大地改善了设计、制造和分析的质量和效率。 反求工程系统在建模中具有数据采集速度快、精度高，能够充分发挥c a d c a m 技术和计算机高速处理等优势。在数据处理方面，由原来的手工分块测量建模 方法向自动化程度高而且误差可控的曲面造型新技术方向发展。最好能够建立 专用的三维重构数据处理软件。专用软件在造型误差控制和消除数据冗余方面 比通用软件具有不可比拟的优势。 考虑到适合数据处理和c a d 建模的商业系统的实际状况，有些工具具有优 良的性能，然而却仅仅只在非常特殊的领域起作用( 例如点处理、表颟重建) 【1 1 】。 目前能得到的r e 系统中尚不适合支持全部一切：测量、数据处理、c a d 建模， 无法满足各种各样的需求。 能够用来处理数据并且具有三维“点云”数据生成c a d 模型功能的商业软 件，大致分为两大来源： 独立系统软件，经过特别设计，可以支持曲面重建，因此提供了大量的 各种各样的功能。这些系统可以连接到各种c a d 系统软件，假定这些系统都有 一个共同的接口来相互交换数据。这个种类的商业工具软件有s u r f a c e r 、 i c e m s u r f 、删a s u r f 等。 c a d 集成系统组件，它们集成到c a d 系统中，在最近几年，这种组件 得到了发展。c a d 集成反求工程组件的优点是曲面和实体模型的交互重建较易 得到支持，并且必须考虑到在数据交换方面不损失信息。提供数据处理和重建 功能的c a d 系统有：附带s c a n t o o l s 的p r o e ，附带f l d i g m 的c a t i a ，s y r k o ， 附带有s u r f a c eg e n e m r 的c a d d s 5 ，m a s t e r s e r i e s 。 虽然商业工具软件所提供的功能在某些领域是优秀的，但不足以支持反求 工程的整个过程。为了弥补这些差距，目前亟待发展的工具软件有如下两种： 用于合并“点云”数据的软件或硬件工具 描述物体几何的三维“点云”数据的获得，只有从不同位置上照相来实现。 来自不同图像坐标系的“点云”数据必须转移到全局坐标系当中去。如果在各 个图像坐标系之问的关系不确定，则转换后的数据就缺少拟台点云并且有间隙。 9 武汉理1 ：大学硕七学位论文 要克服这三个问题，已知三种基本方法。第一种方法是尽可能精确地确定互相 相关的物体与照相机的位置。第二种方法是用软件工具来拟合“点云”。第三种 方法是围绕目标来移动传感器，从安装在测量环境中的固定识别系统中，精确 地确定传感器的位置。由于第一种方法似乎可行，然而却需要高精度定位装置 从而成本提高，第二个和第三种方法将是重点。 “点云”数据结构化的软件工具 曲面重建工具的发展工作早于光学测量。因此，这些工具中的一些就只能 为接触式测量数据工作。另一些虽然能够处理光学测量数据，但只能限定在所 输入的数据是构造在沿扫描线的条件下。只有少数一些工具软件允许在非结构 化数据的基础上重建曲面。因此，测量技术和表面重建工具软件的柔性结合， 需要采用数据结构化工具。将非结构化数据进行结构化在反求工程中是一项至 关重要且耗时的操作，因为它必须在巨大数量的“点云”数据中发现相邻关系。 自动化计算机辅助处理链的复杂性是显而易见的。由于反求工程覆盖着测 量、数据处理、c a d 建模等方面，反求工程系统从零发展几乎是不现实和不可 能的【“。考虑到这个因素，反求工程的橛念应该建立在以上所提及的工具软件 在内的专门技术的基础上。 一个高度自动化的、集成的反求工程平台r e w ( r e v e r s ee n g i n e e r i n g w o r k b e n c h ) 是今后的发展趋势。反求工程平台( r e w ) 将成为提供一系列反 求工程功能的柔性工具套件，以便满足不同反求工程应用的需求【1 引。r e w 的基 本概念是：将适于解决部分反求工程问题的现有工具软件集成为一个公共框架。 在此框架下只开发目前还没有的那些组件。例如集成反求工程i r e ( i n t e g r a t e d r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 就是在减少人工干预的情况下，将反求过程的各个子系统 有机地集成起来的一个母系统【1 4 l 。集成反求工程数据库是i r e 的主要模块。该 数据库采用工程数据库结构，具有高度的灵活性，保证了反求工程系统的统一 性。数据库中的数据可以分为：数字化数据、几何数据、外观数据、用于制造 的设计数据、特定接口数据、材料特性数据、设计管理数据、制造数据以及其 他需要数据1 1 5 j 。 企业在实施反求工程时要实现反求工程处理链的最优化，就要考虑到可获得 的系统软件、软件功能、应用领域以及数据交换的要求等各方面的情况。例如 要考虑到的因素： 哪种商业工具软件要集成到r e w 中去； 1 0 武汉理：太学硕士学位论文 哪种商业工具软件要开发； 什么是适合大多数软件的硬件； 哪种接口适合实现数据交换的各种要求。 因此，不同的企业在实施反求工程技术时是不尽相同的，各自的傩重点有所 不同。 1 5 论文研究的内容和意义 以r e 、r p m 为核心的产品快速开发和制造技术是目前制造业中最具影响 的高新技术之一。反求工程技术与快速原型技术作为消化吸收先进技术、缩短 产品再设计与制造周期的重要支撑技术己成为制造业关注的热点。 针对上述反求与快速原型制造集成中存在的问题，本文研究反求技术中的 三维实体几何形状数据的快速获取、大型密集离散数据处理及其基于p r o e 软件 的三维实体模型重构等关键技术，为快速原型技术的前端数据处理和二次锄薪 设计提供手段和方法。 在上述环境条件下，拟采用如下一种r e 系统方案，如图1 7 所示。 图1 7 本文所采用的r e 系统方案 其研究过程为： 1 在得到样品的基础上，先对样品进行数码照像，获取样品的三维数据“点 云”： 2 通过对1 获得的“点云”数据进行处理( 其中包括排序、滤波、简化等操 作) 得到与样品特征近似的数据( 此过程会过滤“点云”) 信息； 3 利用p r o e 软件的p r o s c a n t o o l s 模块对“点云”数据进行自由曲面重构 武汉理工大学硕士学位论文 和三维建模； 4 通过r p 系统和设备( 快速成型机) 获得产品的实际模型； 5 将得到产品模型与实际样品进行分析和检验，判断其是否为可以接受的产 品，否则将返回l 重新测量和数据处理等步骤。 在整个反求：【程中，大部分物体是一种具有雕塑形状或自由形状的曲面， 因此采用线框造型、曲面造型、实体造型和特征造型相结合的办法就可以对其 进行三维物体的重构。实体造型采用精确的曲面实体边界；在系统中用统一的 数据结构表示线框、曲面、实体模型；建立产品几何模型时兼用线、面、体三 种设计手段，在统一的环境下处理线框、曲面、实体模型。几何造型采用参数 化特征造型技术，在产品的功能要素层次上进行产品的建模。 武汉理工人学硕十学位论文 第2 章反求工程中的数据测量 在反求工程技术中，自由曲面的测量是一个非常重要的问题，只有获得了 高质量的三维坐标数据，才能生成精确的几何模型。测量方法的选用同样是一 个非常重要的问题。不同的测量方法，决定了测量本身的精度、测量速度和经 济性，导致不同测量数据类型和不同的后续处理方式1 1 6 1 。本章阐述几种常用的 测量方法，并对这些测量方法的测量精度、被测实物的特征、优缺点、选用范 围等进行比较。作者认为非接触式的数码照像测量方法得到实体的“点云”数 据作为反求原始数据有其独特的优势。 2 1 常用的实物数据测量方法 目前，数字化测量方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式 测量是指测量头( 或探头) 与实物表面接触，采用的设备主要有：三坐标测量仪、 数控机床( n c ) 加上测量装置、专用数字化仪( d i g i t i z e r ) 等，这种方式比较成 熟，但测量速度和精确度比较低，而且不适合柔软实物的测量。随着计算机和 光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到了飞 速发展，如光栅法、激光三角形测量、三维数码照相测量等。 2 1 1 接触式测量方法 2 1 1 1 三坐标测量仪( c o o r d in a t em e a s u r em a c h in e 缩写c m m ) 实物产品几何形状测量可以在三坐标测量仪上进行，报据三坐标测量仪驱 动系统的不同分为两类测量系统：手动三坐标测量系统和数控三坐标测量系统。 测头的分类也是多种多样的( 如图2 1 所示) ，早期三坐标测量仪大多使用固定 刚性测头，这种测头存在着严重的缺陷，不能用在数控三坐标测量仪上。当前 常用的测头是电感式、电容式或光栅式的三维位移接触式测头【1 7 j ，这类测头可 用于自动测量，如英国著名的测头生产厂家r e n i s h a w 公司生产的各种三维测 武汉理一l ：人学硕士学位论文 头；大连理工大学研制的三维电感测头等。 三维电感接触测头目前仍存在一定缺陷1 1 8 1 ： 尽管测量时测头与被测物之间的接触压力很小，但仍然存在着一定的接 触压力，对于某些质地柔软的物品必然产生测量误差： 由于接触压力对被测对象的干扰，使得三维补偿问题并没有得到彻底解 决。 图2 1 c m m 测量法原理 图2 1 所示为三维按触式测量原理。探头在没有受到力的作用时，其位置为 1 图中虚圆所示；在进行测量时，三维测头与模型表面接触，由于接触压力的作 用，探头移动图中实圆所示位置到2 ，探头在x ，y ，z 三个方向上产生相应的位 移，从而使测头内的传感器得到三个方向的变形量。在不考虑动、静摩擦力的 影响并在误差允许的范围内，可以认为三维测头所得测量值即为探头与模型表 面接触点处曲面法矢量在x ，y ，z 三个坐标上的投影值，这样探头与接触点处 的单位法矢量为： ”( 赢，赤，南) 式中，、s 。、：分别为探头在x ，y ，z 三个方向上产生的位移。 探头与曲面接触点p 的坐标为： p 篇q + o + r + 甩。 式中，q 为三维侧头没有受到接触力作用时探头在坐标系中的坐标值 。为三维测头受到接触力作用时探头中心的偏移量： 1 4 武汉理t 大学硕士学位论文 r 为探头半径值。 2 1 1 2 逐层切削照像测量 逐层切削照像测量也称层析法，其为r p 生长成型的逆过程，它把被测物 体用专门的填充剂充满，再用真空和高压装置把被测物体制作成测量模块，将 该测量模块用铣刀层层铣出截面来，再用c c d ( c h a r g ec o u p l e dd e v i c e ，阵 列式光电耦合检像器) 摄像获得零件原型不同位置的截层数据；将其组合，即 可获得零件的三维实体数据。对所有的被测断面进行图像处理，同时精确提取 内外轮廊的边缘数据，在此基础上进行三维c a d 重建，即可得到被测物体的实 体模型。 2 1 2 非接触式数字化测量 鉴于接触式测量本身所固有的缺陷，世界各国在非接触式测量方法中开展 了广泛研究，并取得了大量的实践经验。 非接触式测量具有三大优点：一是对被测表面没有任何干扰，不会在测量 过程中划伤工件表面：二是对被测表面的硬度要求很低，可直接对高弹性、柔 软物体( 甚至液体) 表面进行测量；三是没有测头半径三维补偿问题外。非接触 式测量根据测量原理的不同，大致可分为光学测量、超声波测量、电磁测量等 方法。其中光学测量方法在反求工程中最为常用且较为成熟。 2 j 2 1 激光扫描测量 激光扫描测量的原理主要有三角法( b i a n g u l a t i o n ) 、结构光法( s t r u c t u r e d 】i 曲t i n g ) 、数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 或图像分析( i m a g ea n a l y s i s ) 法等。 激光扫描测量方法是根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，将其投 射到物体表面，并采用光电敏感元件在另一位嚣接受激光的反射，根据光点或 光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系获 取深度信息。它根据测量原理的不同，又可分为点光源激光测量、同轴薄透镜 成像测量、线阵p s d 激光测量、线结构激光三维测量等方法。其中，线光条的 测量法在2 0 世纪8 0 年代中后期进入实用。如法国k r e o ns y s t e m 公司的k r e o n 测量仪( 自称精度l o i jm ) 、瑞典i n t e g r a t e dv i s i o np r o d u c t s 公司的r a n g e r 系 武汉理工大学硕士学位论文 列传感器( 自称精度1 5 1 2 像素) 等。这类测量仪精度高、速度快、和零件表面 无接触，在数控仿形加工、模具制造、生产线实时在线检测等领域具有广阔的 应用前景。 三角测量法是目前应用最普遍的一种测量方法。其原理是：从光源投射一 亮点或直线条纹于待测物体的表面，从c c d 摄象机中获得光束影像，由c c d 内成像位置及光束的角度等，根据三角几何关系即可求出待测点的距离或位罱 坐标等信息，如图2 2 所示。 擞先基 萨。 绍? ，1 0 s , 7 参考串_ i 7 图2 2 激光三角测量法原理 由原理图可得到，若目标平面相对于参考平面的高度是s ，那么，二者在探测 器上成像的位移为： e = b s s i n i s s i n ( i + 七) a s i n k l lj 式中，a 、b 分别为透镜前、后焦距； i 、k 分别为透镜角度和摄像机与透镜的角度。 激光三角测量法是目前最成熟的，也是应用最广泛的一种方法，它有测量 速度快、精度高的特点。但其也存在一些缺点，主要问题是对被测表面的粗糙 度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”，限制了探头的使用范围；不 能测量激光束照射不到的位置，对突变的台阶和深孔结构易于产生数据丢失； 扫描得到数据量较大，需要经过专门的反求数据处理软件建立盐面模型，而且 武汉理工人学硕士学位论文 曲面的边缘和结合部分需要人工修理。 结构光法( 也称为光切法，l i g h t - s e c t i o n i n g m e t h o d ) 的工作原理是：使用普 通光或激光为光源，将一个已知的图案按已知的角度投射到物体上，根据被曲 面反射后的图像，经由简单的三角几何计算，得到曲面上点的三维坐标。结构 光的图案可以是点或点的阵列、线或线的阵列、网格等。单光条的结构光测量 法以其快速、灵活和使用性强的特点，倍受人们偏爱。其测量原理如图2 3 所 示： 激光= 校曹 传感嚣阵列 圈 圈2 3 结构光法测量原理 基于图像分析( 或图像处理) 的方法也是一类重要的获取三维坐标数据的 方法。这种方法包括坐标映射法( c o o r d i n a t em a p p i n g ) 、变镜头立体视觉法、s f s ( s h a p ef r o ms h a d i n g ) 、空闻编码法等。现以变镜头立体视觉为例，说明其工作 原理。 变镜头立体视觉法是指使用一个或二个c c d