（机械电子工程专业论文）薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 某种薄壁回转体零件是高速飞行器的关键部件，其制造精度是影响高速飞行器性能 的直接因素。对薄壁回转体的外廓形、壁厚等几何参数进行精密测量是检验其制造精度 的有效手段，此类三维复杂曲面的薄壁回转体零件，深径比大，对几何参数的测量精度 要求高( 微米级) ，现有的测量设备和测量技术在精度和效率上都无法满足高性能薄壁 回转体零件的研制需求，因此本课题组研发了高精度、高效率的薄壁回转体几何尺寸检 测设各。本文就该设备检测数据可视亿的数学基础、方法与技术、软件编程实现等方面 展开研究。 针对薄壁回转体几何形状特点以及几何尺寸测量精度要求，阐述了薄壁回转体外廓 形和几何厚度测量原理，以及“一次装夹、两种测量、三轴联动”的总体设计方案。 分析总结了数据可视化的曲线、曲面重构技术数学基础。对本论文研究的测量数据 可视化技术将要运用的n u r b s 曲面重构、三次样条拟合和插值算法等数学方法，进行 了详尽的表述和分析，为实现薄壁回转体测量数据的可视化作了重要铺垫。 提出了一种薄壁回转体外廓型面数据可视化描述的n u r b s 酋面反求算法，根据该 检测设备测得的外廓形数据，利用曲面型值点反求n u r b s 曲面控制点算法，并对节点 矢量计算及边界条件构造进行了初步研究，给出了此种薄壁回转体外廓型面m 瓜b s 表 达方法。 研究了基于三次样条曲线拟合及插值算法的壁厚测量数据可视化技术。针对壁厚区 域检铡方式得到的数据，利用三次样条拟合测量母线，并采用插值算法计算测量区域网 格点坐标、壁厚等数据，构建壁厚测量区域蓝面。 开发了测量数据可视化软件系统。基于v c * 6 0 开发平台，利用o p e n g l 绽程技 术，实现了测量数据预处理、薄壁回转体外廓型面可视化、壁厚误差三维云图和二维截 面云图可视化。 配置本测量数据可视化系统的薄壁回转体几何尺寸检测设备已经交付某单位应用， 解决了此类薄壁回转体几何参数精密测量的难题。应用结果表明，本测量数据可视化软 件系统显示效果逼真，人机界面友好，输出数据准确，运行稳定。 关键词：薄壁回转体；几何尺寸检测；可视化；曲面重构；0 p e n g l 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 d a t av i s u a l i z a t i o nr e s e a r c ho ng e o m e t r yd i m e n s i o no f t l l i l lw a l lr e v o l v i n g b o d y a b s t ra c t ak i n do ft h i nw a l lr e v o l v i n gb o d yi sa k e yp a r ti nah i g hs p e e da i r c r a f t i t sm a c h i n i ：a g p r e c i s i o nc o u l dd i r e c t l ya f f e c tt h es t a b i l i t yo fh i g hs p e e da i r c r a f t si nf l i g h t m e a s u r i n g g e o m e t r yp a r a m e t e r ss u c ha sp r o f i l ea n dt t f i c k n e s sp r e c i s e l yi sae f f e c t i v ei n s 缸l z m c n tt ot e s t t h em a c h i n i n gp r e c i s i o no ft h et h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y t h et h i nw a i lr e v o l v i n gb o d yi sa k i n do ft h i n - w a l lp a r tw i t hc o m p l e xt h r c e m i m c q a s i o ns u r f h c ea n d1 a r g er a t i oo fd e p t ha n d r a d i u s b u tt h ed e m a n do fm e a s u r i n gp r e c i s ef o rt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r si sv e r ys t r i c t ( o 0 0 1 m ml e v e l ) r e s e a r c h e so l lt h eh i 【曲p e r f o r m a n c et h i nw a l lr e v o l v i n gb o d yc o u l d n o tb e a d d r e s s e db ye x i s t i n gm e a s u r i n ge q u i p m e n t sa n dt e c h n i q u e si na c c u r a c ya n de f f i c i e n c y s o o u rr e s e a r c ht e a md e v e l o p e dah i 曲p r e c i s i o na n dh i 曲e f f i c i e n c yt h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y g e o m e t r yd i m e n s i o nm e a s u r i n gf a c i l i t y m a t hb a s e ，s o f t w a r ep r o g r a m sa n dt e c h n o l o g yt o v i s u a l i z et h ed a t ag o tb yt h ef a c i l i t ya r ea l lr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r c o n s i d e r i n gt h eg e o m e t r yc h a r a c t e r so ft h et h i nw a l lr e v o l v i n gb o d ya n dm e a s u r i n g p r e c i s i o nd e m a n do np r o f i l ea n dt h i c k n e s s ，m e a s u r i n gp r i n c i p l ea n dt h et o t a ld e s i g ns c h e m e t h a ti n s t a l l i n go n c e ，m e s s u i 崦t w i c ea n dt h r e ea x i sl i n k a g ea r ci n t r o d u c e d m a t h e m m i ca l g o f i t h m st h a tv i s u a l i z ed a t ai n t oc 1 r v e sa n ds u r f a c e sa r es u m m e du pa n d a n a l y z e d m a t h e m a t i c st h a t w i l lb eu s e di nd a t av i s u a l i z a t i o ns u c ha sn u r b ss u r f a c e r e - - e o n s l r u c t i o n , c u b i cs p l i n ef i a i n ga n di n t c r p o l m i o na r i t h m e t i ca r ee x p r e s s e da n da n a l y z e di n d e t a i l s a l lp r e p a r e sf o rt h ev i s u a l i z a t i o no f t h et h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y sm e a s u r i n g 妇 n u r b s 翻t u f a c er e - c o n s m m t i o na l g o r i t h mw h i c hi su s e dt ov i s u a l i z ep r o f i l e si sp u t f o r w a r d a c c o r d i n gt o t h ep r o f i l ed a t am e a s u r e db yt h i sf a c i l i t y , n u r b s 鼠l r f a e e r e c o n s t r u c t i o na l g o f i t h mi su s e d a n dv e c t o rc a l c u l a t i o n so fr e f e r e n c ep o i n t sa n dt h e c o n s t r u c t i o n so fb o u n d a r yc o n d i t i o n sa r ep r i m a r i l yr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r t h en u r b s a l g o r i t h mw h i c he x p r e s st h ep r o f i l eo f t h i nw a l lr e v o l v i n gb o d yi sa l s og i v e n t h et h i c k n e s sd a t av i s u a l i z a t i o nt e c h n o l o g yw h i c hi sb a s i n go nj b m l v ef i t t i n go fc u b i c s p l i n ea n di n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mi sr e s e a r c h e d f o rt h ed a t ag o tb yr e g i o n a lm e a s u r i n gm o d e i nt h i c k n e s sm e a s u r e ，c u b i cs p l i n ei su s e dt om e a s u r eg e n e r a t r i x a n dn o to n l yi si n t e r p o l a t i o n a l g o r i t h mu s e dt oc o m p u t et h i c k n e s sd a t aa n dt h ec o o r d i n a t e so fl e s e a up o i n t si nm e a s u r i n g r e g i o nb u ta l s ot oe o n s u a l c tt h es u r f a c eo f t h i c k n e s sm e a s u r i n gr e g i o n m e a s u r i n gd a t av i s u a l i z a t i o ns o f t w a r es y s t e mi sd e v e l o p e d d a t ap r e t r e a t m e n lt h ep r o 丘1 e v i s u a l i z a t i o no ft h et h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y ，t h r e e - d i m e n s i o ne r r o rn e p h o g r a mo ft h i c k n e s s i i 大连理工大学硕士学位论文 a n dt w o d i n a e n s i o ns e c t i o nn e p h o g r a ma l ea l lr e a l i z e db a s i n go nt h ev i s u a lt e c h n o l o g yo f o p e n g lo nv c + + 6 0d e v e l o p m e n tp l a f f o r n x 1 1 1 ct h i nw a l lr e v o l v i n gb o d yg e o m e t r yd i m e n s i o nm e a s u r i n gf a c i l i t yw h i c hi n s t a l l st h i s d a t av i s u a l i z a t i o ns y s t e mh a sb e e nd e l i v e r e dt os o m ew a ri n d u s t r yd c p a r t m 蹦t md i 伍c u l t p r o b l e mo ft h i nw a l lr e v o l v i n gb o d yg e o m e t r yp r e c i s em e a s u r e m e n ti ss o l v e dv e f yw e l l a p p l i c a t i o nr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h i sd a t av i s u a l i z a t i o ns o f t w a r ec o u l dd i s p l a yv i v i d l yb e s i d e s i t sf r i e n d l yh u m a n - m a c h i n ei n t e r f a c e 。a c c u r a t eo u t p u ta n ds t a b i l i t y k e yw o r d s ：t h i nw a l lr e v o l v i n gb o d y ；g e o m e t r yd i m e n s i o nm e a s u r e m e n t ；v i s u a l i z a t i o n ； s t l r f a c er e - c o n s m a c t i o n ；o p e n g l 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。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的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 时本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：日期： 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名 勘多 新虢丑邀纠二 丝吐月日 大连理工大学硕士学位论文 i绪论 1 1 论文的选题背景 高速飞行器作为一种先进的现代化装备，倍受重视。研究更高性能的新型高速飞行 器，是我国现代化建设的需要。某种薄壁回转体零件位于高速飞行器的最前端。为主动 寻的高速飞行器的关键部件之一，随着雷达应用范围的推广，特别是电子技术的发展， 作为雷达的电磁窗口，此薄壁回转体零件的电性能显的更为重要，它已变为雷达天线的 一部分【1 1 。在高速飞行器追踪目标的过程中，安装于薄壁回转体内的电磁波发射器发射 并接收来自目标的反射回波，借此判定目标方位，如同高速飞行器的眼睛，起到实时捕 捉目标信息、瞄准定位、调整飞行姿态和飞行方向的作用。 图1 i 薄壁回转体零件示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po f t h i nw a l lr e v o l v i n gb o o y 薄壁回转体零件作为高速飞行器气动外形的一部分，一方面承受着巨大的气动热冲 击和气动载荷的作用，防止其内的电子设备不受外界环境的影响；另一方面它对电子设 备所发射和接收的电磁波应尽可能的透明，保证目标回波透过薄壁回转体被电子设备接 收装置接收的信息不失真，以使它对系统的影响降到最低 2 1 。高性能高速飞行器对其头 部的薄壁回转体零件制造精度有着严格的要求，能够对薄壁回转体的几何参数进行精密 测量是确保其制造精度的有效手段。 薄壁回转体的测量与制造技术被认为是典型的高技术，为适应新时期远距离、电子 化特征，提高高速飞行器的性能，研究解决相应的薄壁回转体测量技术，为薄壁回转体 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 的制造提供数据依据，研制自己的主动寻的高速飞行器已成为我国科技现代化发展的迫 切需要。 半精加工后的薄壁回转体的外形、壁厚公差等虽然己基本满足空气动力学的要求， 但由于材料介电常数的分散性和外壁几何厚度偏差的存在，电子设备的瞄准精度仍然无 法满足高性能高速飞行器的要求。对半精加工后的薄壁回转体进行测量，并对测量结果 进行分析校正，是我国亟待解决的技术难题。因此对薄壁回转体几何测量的研究是一门 集空气动力学和热力学，机械结构，天线技术与控制技术，新材料及其工艺技术，专门 的检测设备等复杂技术于一体的边缘学科。 薄壁回转体电厚度是其主要电气性能指标，它主要与薄壁回转体几何厚度和材料介 电常数有关。由于成形制备后的薄壁回转体材料介电常数分布不一致，材料加工性差以 及薄壁复杂形面薄壁回转体的制造加工误差等问题，半精加工后的单个薄壁回转体不同 部位介电常数偏差和几何厚度误差往往比较大，而且薄壁回转体上各点的几何厚度误差 和材料介电常数不均匀性误差也都是随机分布的。因此，半精加工后薄壁回转体的电厚 度误差较大，难以满足其电气性能要求。通过对薄壁回转体电厚度误差的理论分析，结 果表明，即使制造的薄壁回转体没有几何厚度误差，仅薄壁回转体不同部位介电常数不 均匀引起的电厚度误差有可能大大超过要求的指标。因此，通过单方面提高透波材料的 介电性能或薄壁回转体制造精度的方法来改善它的电气性能具有很大难度，也是不现实 的。 为了改善薄壁回转体电气性能，可以采用精密修磨，调整任意一点的几何厚度，修 正补偿电性能误差的方法，这样就需要测量出成形制备薄壁回转体的几何厚度。所以， 制造薄壁回转体既要考虑其外廓形满足空气动力学设计，又要考虑几何厚度来改善其电 性能指标，薄壁回转体几何尺寸( 外廓形和几何厚度) 的制造精度是影响飞行器性能的 主要因素之一。由于薄壁回转体是三维复杂曲面零件，外形似鼻锥形的抛物面，由于孔 深径小、结构复杂，目前缺少有效的检测仪器能对其几何参数进行精密测量，极大地制 约了薄壁回转体制造精度的提高，影响了高速飞行器的研制进程。 针对此项难题，大连理工大学受某军工部门委托，应用专利技术等长点迹线钳 式测量法，设计并研制一台薄壁回转体几何尺寸检测设备，以解决薄壁回转体外廓形及 几何厚度精密测量的难题。 1 2 薄壁回转体几何尺寸检测国内外研究现状 随着4 0 年代雷达的出现，高速飞行器上的薄壁回转体相应诞生。由于国家的需要， 国内外对薄壁回转体的研究非常重视，投入了相当的人力和物力，在薄壁回转体的多个 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 基础技术环节进行了广泛的研究，迅速形成了一个完整的研究、生产、检测和质量控制 的薄壁回转体研制生产体系。 美国在薄壁回转体零件研究方面开展的比较早。如今，美国在这个研究领域，总体 技术水平是非常先进的。俄罗斯薄壁回转体零件的研究无论在基础理论方面，还是在制 造工艺及测试和实验等方面技术均处于世界前列【3 】。此外，德国、意大利、芬兰等欧洲 国家在此方面研究也各具特色。但所有的国家都很少对外发表和交流其在薄壁回转体零 件方面的研究成果。 我国从上世纪5 0 年代后期开始研制薄壁回转体零件。一方面仿制前苏联经验，另 一方面参照国外发展状况开展自行研制。目前，我国在薄壁回转体零件设计及制造方面 已积累了一定的经验，为新一代产品的研制和生产奠定了好的基础。 在薄壁回转体几何尺寸检测方面，目前大体可以归纳为传统测量工具手工测量、三 坐标测量机法和非接触三维测量技术等几种方式。 1 2 1 传统测量工具手工测量 传统的几何厚度测量主要采用接触测量方法，如使用卡钳、千分尺等。这种做法通 常采用破坏性测量方式，即在抽检的薄壁回转体零件上加工过孔，再使用卡钳或千分尺 人工测量，这种测量方式精度和效率都很低，而且误差大，成本又高，并且只能。以点 带面、以偏概全”。 1 2 2 三坐标测量机 在机械和制造工程中，几何参数测量的传统方法是采用三坐标测量机( c m m ) ， 三坐标测量机是最好的通用测量仪器，是集机械学，电子学、电子计算机为一体的高精 度仪器，主要用于精密零件的几何量测量。在测量方式上可分为接触式测量和非接触式 测量两种方法f 4 5 】，从上世纪8 0 年代开始，基于非接触测量方法的激光扫描测头逐渐在 三坐标测量机上使用，代替接触式测头，大大增加了三坐标测量机测量几何参数的适用 性和柔性嘲。 采用三坐标测量机时，由于三坐标测量机的工作原理，必须先进行内外轮廓的三坐 标测量，然后根据拟合算法进行内外轮廓的曲面拟合，最后在进行内外曲面的做差计算 来求得薄壁回转体壁厚。在这个过程中，相应会引入测量误差、拟合误差、计算误差和 舍入误差。在一般情况下，这些误差在工程上是可以接受的，但是在薄壁回转体壁厚测 量中就很难满足测量要求。 3 一 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 1 2 3 非接触三维测量技术 光学三坐标测量法是非接触三维测量技术的一种，它主要采用激光干涉和光电耦合 的原理，使用激光扫描或激光跟踪等设备，实现对静态或动态的几何参数测量。日本在 这方面的技术研究比较早，t a k a s h im 研究了注塑三维形状测量技术以及三维曲面的数 字化测量方法，t a k a s h i 在光电接受器中使用了环形光电图像传感器【7 8 】。k a n j im 在 t a k a s h im 的基础上进行了更深入的研究，开发了相应的测量仪器【9 j 。t a k u t a 在三维形 状激光扫描测量中使用自动聚焦技术 1 0 , 1 l 】。o n a k a m u r a 在坐标测量系统中采用了激光 跟踪设备激光干涉仪【埘，w a l t e rz u r c h e r 和r a i m u n dl o s e r 对激光干涉仪的反射计进 行了改进f 1 3 】。 国内也在进行非接触三维测量方法及应用系统的研究。长春光学精密机械学院利用 激光狭缝扫描原理光电传感技术，提出了一种用于测量大型回转体类零件圆度误差的激 光扫描非接触测量方法并开发了测量系统1 1 4 1 。清华大学研究了集激光动态瞄准技术、激 光干涉测量法、控制技术及精密仪器技术的移动目标动态几何参数测量的激光跟踪系 统。哈尔滨工业大学应用激光跟踪仪，开发了用于制造业大尺寸工件几何参数测量的专 用测量系统【l ”。 此外，近年来，超声波测量法和电磁波测量法在薄壁回转体几何厚度测量研究上取 得了迅速的发展。但在进行光学或超声波方法测量时，由于超声波测厚仪要校准超声波 在被检物质中的传播速度，对材料的均匀一致性要求比较高，材料稍微有不均匀现象就 会带来相对比较大的误差，直接影响到测量精度。而薄壁回转体一般是由陶瓷玻璃或者 纤维材料制成，难免会有不均匀现象出现。在这种情况下，采用激光或者超声波测量方 法就很容易带来比较大的误差。而受材料成型工艺限制，薄壁回转体很难做到介质完全 均匀；对于电磁波测量法，由于薄壁回转体由石英陶瓷类硬脆材料制成，其材料特性对 电磁波反射透射界面的清晰度有影响，难以获得要求的测量精度和测量效果。 1 2 4 本课题组研制的第一台测量机 大连理工大学机械工程学院在1 9 9 9 年曾经成功研制过一台薄壁回转体几何参数测 量设备【1 6 】。该设备采用步进电机驱动，双工位测量方式。其外轮廓测量原理为接触式测 头持续测量，壁厚采用等迹线方法测量。该设备成功地采用了直接测量方法实现对薄壁 回转体壁厚的测量，并对测量方法申请了国家专利。但是这台近十年前研制的设备还存 在一些不足：第一，该设备三个伺服轴都采用步进电机驱动，运动过程平稳性较差，对 测量精度有一定影响；第二，该设备采用双工位测量，即外廓形测量与壁厚测量是分开 的，两次装夹方式必然带入定位误差：第三，该设备在壁厚测量时，旋转轴采用手动旋 一4 大连理工大学硕士学位论文 转，效率、精度及自动化程度都较低。随着高速飞行器日新月异的发展，这台设备显然 已无法满足当今对薄壁回转体几何参数测量精度的要求。因此，重新研制一套薄壁回转 体几何参数测量设备是十分必要的。 1 。3 数据可视化的研究与应用 1 3 1 科学计算可视化与计算机图形学 现代科学技术的飞速发展，加之通讯技术的进步，不仅使科学家与工程师们，而且 使普通入也要每天面对大量的数据。入脑分析解释数据的能力有限，使大约9 5 的计算 被浪费，这严重阻碍了科学研究的发展。 1 9 8 7 年，在一次专题会议上，将图形学、成像技术与计算机科学结合诞生了一个全 新的领域科学计算可视化( v i s u a l i z a t i o ni ns c i e n t i f i cc o m p u t i n g ，v i s c ) 。 可视化技术指运用计算机图形学和图象处理技术，将科学计算过程中产生的数据及 计算结果转化为图形或图像在屏幕上显示出来，并进行交互处理的理论、方法和技术。 实际上，随着技术的发展，科学计算可视化的含义已经大大扩展，它不仅包括科学计算 数据的可视化，而且包括工程计算数据的可视化，同时也包括测量数据的可视化。 科研、工程、商业和社会的各行各业都在产生着大量的数据，对这些数据进行收集 和处理，从而获得有价值的信息，是一项繁琐的工作，如果能够将这些数据转化成可视 形式，那么这些数据间的关系、变化趋势和模式就显得清晰、直观了。数据的可视化 ( v i s u a l i z a t i o n ) 给人们分析的数据和理解数据提供了方便。科学计算可视化将图形生 成技术，图像处理技术和人机交互技术结合在一起，其主要功能是从复杂的多维数据中 产生图形，也可以分析和理解存入计算机的图像数据。它涉及到计算机图形学、图像处 理、计算机辅助设计、计算机视觉及入机交互技术等多个领域。 实现科学计算的可视化，是计算机图形学的应用范围之一。计算机图形学是近2 0 年来科学领域中取得的又一重要成就，是随着计算机及其外围设备而产生和发展起来 的。它是近代计算机科学与雷达、电视及图像处理技术的发展汇合而产生的硕果。 计算机图形学【1 7 1 ( c o m p u t e rg r a p h i c s ，c g ) 是研究怎么样用计算机生成、处理和 显示图形的- - 1 3 新兴学科，国际标准化组织( i s o ) 对其的定义为：计算机图形学是研 究通过计算机将数据转化为图形，并专门显示设备上显示的原理、方法和技术的学科。 计算机图形学的研究内容涉及到用计算机对图形数据进行处理的硬件和软件两方面的 技术，主要是围绕着生成、表示物体的图形图像的准确性、真实性和实时性的基础算法， 大致可分为以下几类： ( 1 ) 基于图形设备的基本元素的生成算法，如用光栅图形显示器生成直线、圆弧、 - 5 - 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 二次曲线、封闭边界内图案填充等。 ( 2 ) 图形元素的几何变换，即对图形的平移、放大和缩小、旋转、镜像等操作。 ( 3 ) 样条曲线和样条曲面的插值、拟合、拼接、光顺、整体和局部修改等。 ( 4 ) 三维几何造型技术，对基本体素的定义、输入及它们之间的布尔运算方法。 ( 5 ) 三维形体的实时显示，包括投影变换、坐标变换等。 ( 6 ) 真实感图形的生成算法，包括三维图形的消隐、光照、色彩、阴影、纹理及彩 色浓淡图的生成算法。 ( 7 ) 山、水、花、草、烟云等自然景物的模拟生成算法。 科学计算可视化和三维数据场的可视化，将科学计算中大量难以理解的数据通过计 算机图形显示出来，从而加深人们对科学过程的理解。例如有限元分析的结果，应立场、 磁场的分布。各种复杂的运动学和动力学问题的图形仿真等。 1 3 2 计算机图形学的发展和应用 计算机图形学伴随着计算机的出现而产生，随着计算机及外围设备而产生和发展起 来的，主要经历了一下几个发展阶段【l8 】： ( 1 ) 准备阶段 2 0 世纪5 0 年代末期，当时的计算机主要应用于科学计算，使用尚不普及，但已开 始出现图形显示器、绘图仪和光笔等图形外围设备。同时，各种设计、计算和显示图形 的软件开始开发，为计算机图形学的发展做好了硬件和软件的准备。 ( 2 ) 发展阶段 1 9 6 2 年，美国麻省理工学院林肯实验室的i e s u t h e r l a n d 在他的博士论文中提出了 一个名为s k e t c h p a d 的人机交互式图形系统，能在屏幕上进行图形设计和修改。他在论 文中首次使用了“计算机图形学”这个术语，证明了交互式计算机图形学是一个可行的、 有用的研究领域，从而确定了计算机图形学作为一个崭新的科学分支的独立地位。 ( 3 ) 推广应用阶段 2 0 世纪7 0 年代以后，由于集成电路技术的发展，计算机硬件设备性能不断提高， 体积不断缩小，价格不断降低，因而，计算机图形生成技术在计算机辅助设计、事务管 理、过程控制等领域得到了比较广泛的应用，出现了许多专门开发图形软件的公司及相 应的商品化图形软件， ( 4 ) 系统实用化阶段 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 2 0 世纪8 0 年代以后，工作站的出现极大地促进了计算机图形学的发展。8 0 年代后 期，微型计算机的性能迅速提高，微机上的图形软件和支持图形应用的操作系统及其应 用程序全面出现，使计算机图形学的应用深度和广度得到了前所未有的发展。 ( 5 ) 标准化智能化阶段 一 进入2 0 世纪9 0 年代，计算机图形学的功能随着计算机图形设备的发展而提高。进 入2 1 世纪的这几年，计算机图形系统更以其高性价比和优良完善的功能进入到社会各 个领域，使得三维乃至多维计算机图形学在真实性和实时性方面将有飞速发展。 计算机图形学作为一个新发展起来的学科，已经在科学计算和工程等领域得到了广 泛的应用，并以它的形象逼真和直观、具体而易于为人们理解和接受，成为表达信息的 最有效手段。综合看来，其应用领域包括以下几个方面： ( 1 ) 图形用户界面 软件的用户接口是人们使用计算机的第一观感。过去传统的软件中约有6 0 以上的 程序是用来处理与用户接口有关的问题和功能。如今，在用户接口中广泛使用了图形用 户界面( g u i ) ，如菜单、对话框和工具栏等，大大提高了用户接口的直观性和友好性， 也提高了相应软件的执行速度。 ( 2 ) 计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 计算机辅助设计是计算机图形学的一个最广泛、最活跃的应用领域。由于c a d 技 术能广泛应用于产品设计和工程设计，适合多品种小批量生产，生产周期短、效率高， 精确性和可靠性高，可以显著提高产品在市场上的竞争力，故越来越受到人们的关注， 应用也越来越广泛。在产品设计和制造方面，c a d c a m 技术被广泛用于飞机、汽车、 船舶、机电、轻工、服装的外形设计和制造。 ( 3 ) 事务和商务数据的图形显示， 应用图形学较多的领域之一是绘制事务和商务数据的各种二、三维图表，如直方图、 柱形图、山形图、折线图、工作进程图、仓库和生产的各种统计管理图表等，所有这些 图表都用简明的方式提供形象化的数据和变化趋势，以增加对复杂对象的了解和对大量 分散数据的规律分析，以便作出正确的决策。 ( 4 ) 地形地貌和自然资源的图形显示 应用计算机图形生成技术产生高精度的地理图形或自然资源的图形是另一个重要 的应用领域，包括地理图、地形图、矿藏分布图、海洋地理图、气象其流图、植物分布 图以及其他各类等值线、等位面图等。 ( 5 ) 计算机动画和艺术 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 由于计算机图形系统的硬件速度提高，软件功能增强，因而可以利用它来制作计算 机动画、广告，甚至电视电影。将计算机图形学与专家系统和人工智能技术结合起来， 可构造出丰富多彩、形状各异的艺术图像。 ( 6 ) 科学计算的可视化 科学计算可视化就是应用计算机图形生成技术将科学及工程及计算的中间结果和 最后结果以及测量数据等在计算机屏幕上以图像形式显示出来。科学计算可视化可广泛 应用于计算流体力学、有限元分析、气象科学、天体物理、分子生物学、医学图像处理 等领域。 ( 7 ) 图形处理 计算机图形学和数字图像处理是两种不同的技术，图形学是研究用计算机来生成图 像，是由局部描述到整个图形生成的综合过程。而图像处理是利用相关技术修改或解释 已有的图片，是一个有全局到局部的分解过程。 总之，交互式计算机图形学的应用极大地提高了人们理解数据、分析趋势、观察现 实或想象形体的能力。随着个人计算机和工作站的发展，随着各种图形软件的不断推出， 计算机图形学的应用前景将更加引人入胜。 1 3 3 数据可视化及其特点 数据可视化( d a t av i s u a l i z a t i o n ) 概念首先来自科学计算可视化，科学家们不仅需 要通过图形图像来分析由计算机算出的数据，而且需要了解在计算过程中数据的变化。 随着计算机技术的发展，数据可视化概念已大大扩展，它不仅包括科学计算数据的可视 化，而且包括工程数据和测量数据的可视化【嘲。 所谓数据可视化是对大型数据库或数据仓库中的数据的可视化，它是可视化技术在 非空间数据领域的应用，使人们不再局限于通过关系数据表来观察和分析数据信息，还 能以更直观的方式看到数据及其结构关系。数据可视化技术的基本思想是将数据库中每 一个数据项作为单个图元元素表示，大量的数据集构成数据图像，同时将数据的各个属 性值以多维数据的形式表示，可以从不同的维度观察数据，从而对数据进行更深入的观 察和分析。 数据可视化技术的主要特点是： ( 1 ) 交互性。用户可以方便地以交互的方式管理和开发数据。 ( 2 ) 多维性。可以看到表示对象或事件的数据的多个属性或变量，而数据可以按其 每一维的值，将其分类、排序、组合和显示。 ( 3 ) 可视性。数据可以用图像、曲线、二维图形、三维体和动画来显示，并可对其 一8 一 大连理工大学硕士学位论文 模式和相互关系进行可视化分析。 总之，数据可视化可以大大加快数据的处理速度，使时刻都在产生的海量数据得到 有效利用；可以在人与数据、人与人之间实现图像通信，从而使人们能够观察到数据中 隐含的现象，为发现和理解科学规律提供有力工具；可以实现对计算和编程过程的引导 和控制，通过交互手段改变过程所依据的条件，并观察其影响。 1 3 4 数据可视化的应用 数据可视化的应用十分广泛，几乎可以应用于自然科学、工程技术、金融、通信和 商业等各种领域，下面列举几个数据可视化成功应用的领域。 ( 1 ) 医学 医学数据的可视化，已成为数据可视化领域中最为活跃的研究领域之一。由于近代 非侵入诊断技术如c t 、m 和正电子放射断层扫描( p e t ) 的发展，医生已经可以较易 获得病人有关部位的一组二维断层图像。在此基础上，利用可视化软件，对上述多种模 态的图像进行图像融合，可以准确地确定病变体的空间位置、大小、几何形状以及它与 周围生物组织之间的空间关系，从而及时高效地诊断疾病。如图1 2 所示即为可视化再 医学领域的应用，c t 设备的器官扫描图。 图1 2o r 扫描图 f i e 1 2c ts c a n i r l a g c ( 2 ) 气象预报 气象预报的准确性依赖于对大量数据的计算和对计算结果的分析。一方面，科学计 算可视化可将大量的数据转换为图像，使预报人员能对未来的天气做出准确的分析和预 测。另一方面，根据全球的气象监测数据和计算结果，可将不同时期全球的气温分布、 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 气压分布及雨量分布等以图像形式表示出来，从而对全球的气象情况及其变化趋势进行 研究和预测。 图1 3 气象云图 f i g 1 3w e a t h e r n e p h o g r a m ( 3 ) 数控几何参数检测 随着检测设备的不断换代升级，检测精度的提高，对检测设备测量数据的输出和可 视化的要求也在不断提高。可视化技术可将多种来源的各种数据( 包括表格数据、离散 采样数据、贴体坐标数据、多重半结构网格数据和非结构网格数据等) 融合成三维的图 形图像。如图1 4 、1 5 即为两种检测仪器的测量数据可视化画面。 图1 4 三维形貌仪测量数据可视化 f i g 1 4v i s u a l i z a t i o no f d a t am e a s u r e db y3 - d i m e n s i o nm e a s u r eh 峙仇l m e i i t 大连理工大学硕士学位论文 图1 5 平面度仪测量数据可视化 f i g 1 5 v i s u a l i z a t i o no f d a l am e a s u r e db yp l a n c n e s si n s l n u n c n t 1 4 论文的研究意义与内容 1 4 1 论文的研究意义 第二代薄壁回转体几何尺寸检测设备的研制，将用于薄壁回转体半成品和成品的检 测，并为其电厚度误差的辨识提供基础数据。该设备的研制，将基于本课题组第一代薄 壁回转体几何尺寸检测设备，该设备的研制完成，将攻克薄壁回转体几何参数精密测量 的难题，测量自动化程度和精度都将高于第一代检测设备，填补国内在该项技术上的空 白，同时也为类似的复杂型面大型结构件的精密测量提供参考。 随着本课题组第一代薄壁回转体几何尺寸检测设备的投入使用，它已很好的完成了 薄壁回转体壁厚和外轮廓的测量，得到了用户的好评。但其测量数据可视化方面做得不 够，一些效果图在一定程度上显示了数据结果，取得了一些成效，但由于自身技术的局 限，所有显示均为二维图，致使显示效果受到一定的限制。用户主要还是通过浏览测量 数据来查看薄壁回转体的几何参数情况，判断工件是否合格。所以，开发一个新的检测 设备测量数据可视化系统成为新一代检测设备研制的升级改造点之一。 测量数据可视化技术早已经进入三维时代，三维立体图形的显示使测量数据跃然纸 上，能更好的反映测量数据情况，为更好的认识和了解被测物体的情况提供了保证。本 文针对此点，将新一代检测设备的测量数据可视化为三维图形，真正还原薄壁回转体的 实际面貌，显示效果更加逼真，壁厚数据显示更加直观。而且在此过程中重构了薄壁回 转体曲面，为后续的相关误差计算、分析评定，c a m 实现等工作做了良好的铺垫。 薄壁回转体几何尺寸测量的数据可视化研究 1 4 2 论文的主要研究内容 本论文主要针对薄壁回转体几何尺寸检测设备测得的数据，进行适当的预处理，并 对可视化实现展开研究，使用户直观的了解检测结果。论文的主要内容包括： ( 1 ) 研究测量数据可视化表达的方法。对测量的数据进行分析，应用计算机图形学 等技术，利用非均匀有理b 样条和三次样条函数，运用反算、插值等数学方法建立薄壁 回转体模型。 ( 2 ) 基于v c + + 6 0 平台和o p e n g l 函数库的薄壁回转体外廓形可视化输出。结合数 据预处理和前面建立的数学模型，运用o p e n g l 库的n u r b s 函数接口，显示薄壁回转 体外廓形曲面模型，使显示结果达到一定的光顺性。 ( 3 ) 薄壁回转体壁厚数据可视化三维误差云图和二维误差截面图的显示。基于薄壁 回转体外廓形曲面的显示，运用o p e n g l 的融合等技术，把设备测得的壁厚数据以三维 误差云图形式显示在屏幕上，对云图显示中网格的划分进行研究，使云图颜色过渡自然、 逼真。研究指定高度或角度的误差截面图显示，运用数据搜索和二维线性插值技术，计 算对应截面的壁厚值，同样利用o p e n g l 函数库进行显示。 ( 4 ) 薄壁回转体壁厚数据可视化曲线图显示。研究测量数据显示的另一种形式，运 用a c t i v e x 控件显示壁厚数据曲线图，结合壁厚误差云图显示，使用户对薄壁回转体壁 厚趋势一目了然。 ( 5 ) 反映全面的误差状况和具体位置坐标信息的误差查询功能。研究三维云图显示 下观察整体误差的方式，运用软件编程实现鼠标拖拽方式的物体旋转，使用户可以观看 到薄壁回转体每个位置的误差状况。利用计算机图形学中矩阵转换等数学方法，研究屏 幕坐标和工件坐标的转换，使固定位置的壁厚值可以显示在屏幕上。研究设备测量数据 结果的存储方式，方便测量后的保存和统计。 ( 6 ) 讨论数据检测报告的形式和生成方式。基于v c + + 6 0 平台，运用w o r da p i 调 用已经使用o f f i c ew o r d 制作的检测报告模板，搜索测量数据中的必要数据信息插入检 测报告中，并对薄壁回转体的合格与否进行评价。 大连理工大学硕士学位论文 2 几何参数测量原理和测量总体方案 测量原理和测量方案的研究是研制整个测量设备的基础和关键，本章对测量原理以 及设备总体方案做详细分析。包括薄壁回转体几何厚度测量原理的分析、外廓形测量原 理的分析、测量设备的总体构建方案等。 2 1 测量任务分析 研制薄壁回转体几何尺寸检测设备的主要目的是测量它的外廓形和几何厚度。薄壁 回转体外廓形的误差会严重影响其气动性能和透波性能，外廓形测量是指测量薄壁回转 体外表面的实际轮廓。薄壁回转体几何厚度误差不仅影响薄壁回转体的强度，而且对它 的电性能有重要影响，几何厚度测量是指测量其外廓形上任一点的法向厚度。 薄壁回转体材料的透波住和不均匀性，决定了薄壁回转体外廓形测量时不能采用电 磁波或超声波