（机械设计及理论专业论文）基于rerp集成的复杂外型产品快速成型技术研究.pdf

摘要 论文题目：基于r e r p 集成的复杂外形产品快速成型技术研究 学科专业：机械设计及理论 研究生：牟小云 指导教师：郑建明教授 李言教授 摘要 签名： 签名： 签名： 随着航空航天、汽车、工艺品、模具等行业的飞速发展，具自由曲面的复杂零件越来 越多，逆向工程是获得该类产品c a d 模型的重要途径，而快速成型技术又为该类产品的快 速原形提供了有力的手段，因此基于逆向工程技术的r e r p 制造系统就成为当前研究领域 的热点问题，对加速产品设计过程具有重要的意义。 本文主要针对逆向工程中，具有复杂曲面形体的c a d 建模工作效率低等问题，结合实 物反求过程，对r e 过程中的曲面重构技术进行研究。针对反求物体表面不同特征及其测 量点云，采用了基于曲面特征的曲面建模方法和基于截面线特征的曲面建模方法，并结合 复杂曲面部件的c a d 模型重建过程，进行了具体的应用分析，完成了产品的数据测量、数 据预处理、曲面建模及c a d c a m 加工仿真等工作。在对r e r p 接口文件研究的基础之上， 针对传统的s t l 文件切片算法效率较低，数据庞大，求交时遍历所有三角面片，在切片处 理过程中耗时多等难题，提出了一种基于坐标分层的s t l 模型切片算法，并以v c + + 和 o p e n g l 为开发工具，开发了s t l 切片软件，生成快速成型机可接受的片层木c l i 文件，该 算法较好的改善了s t l 数据结构，减少切片消耗时间，提高了切片效率，成功地实现了 s t l 模型的快速切片。针对快速原形的问题，研究了r p m 制造工艺、r e r p 集成制造系统 的环境组成、快速成型系统数据传送等问题，通过s u r f a c e 软件对点云处理、曲线编辑及 u g 软件的实体生成处理，成功地生成了原形机可接受的s t l 文件，实现了实际复杂产品 的快速原形，验证了所提方法的有效性。 关键词：逆向工程；曲面重构；模型切片算法；快速原型 a b s t r a c t t i t l e ：s t u d yo nr a p i dt e c h n i q u e0 fc o m p l e xs h a p ep r o d u c t b a s e do nr e ，r pl n t e g r a t i o n m a j o r ：m e c h a n i c a ld e s i g na n dt h e o r y n a m e ：x i a o y u nm u s u p e r v i s o r ：p r o f j i a n m i n gz h e n g 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 ： s i g n a t u r e ： a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa e r o s p a c e ，a u t o m o b i l e , c r a f t w o r ka n dm o u l di n d u s t r y , t h e c o m p l e xp a r t sw i t hf r e es u r f a c eb e c o m em o r ea n dm o r e r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sam a i nm e a n s w h i c hg a i nt h i sp r o d u c t sm o d e l ，r a p i dp r o t o t y p i n gi sa ni m p o r t a n tm e a n sw h i c hm a n u f a c t u r e t h i sp r o d u c t s t h er e r pi n t e g r a t i o ns y s t e mb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n gh a sc a u s e de x t e n s i v e a t t e n t i o na tp r e s e n t i th a sa ni m p o r t a ns i g n i f i c a n c et os p e e du pd e s i g n i n go fp r o d u c t s a i m e da tm o d e l i n ge f f i c i e n c yo fp a r t sw i t hc o m p l e xs u r f a c eb e i n gl o wi nr e v e r s e e n g i n e e r i n g , t h es u r f a c er e c o n s t r u c t i o ni sr e s e a r c h e dt h r o u g hp r o d u c tr e v e r s ep r o c e s si n t h i s p a p e r t h em o d e l i n gm e t h o dw h i c hi sb a s e do ns u r f a c ea n di n t e r c e p tc u r v ec h a r a c t e r i s t i cf o r d i f f e r e n tp o i n tc l o u di si n t r o d u c e d t h ep a p e rd o e sa p p l i c a t i o na n a l y s ee o m b i n e i n gc a d r 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 ep a r t s t h em e a s u r e m e n t s ，p r e t r e a t m e n to fd a t a ，s u r f a c e m o d e l i n ga n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o no fp r o d u c t sh a v eb e e nf i n i s h e d b ya n a l y z i n gr u l e sa n d s t r u c t u r e so ft h es t l f i l e ，i ti sp o i n t e do u tt h a tt h et r a d i t i o n a lm e t h o d sa r el o we f f i c i e n c ya n d d a t as t r u c t u r ei se n o r m o u sb e c a u s ei tn e e d sj u d g ee v e r yt r i a n g l el o c a t i o nw h e ng a i n e dp o i n to f i n t e r s e c t i o n t h ep a p e rr a i s e so n ek i n do fa l g o r i t h mf o rr a p i ds l i c i n gw h i c ha d o p t st h e c o o r d i n a t el a y e r i n gp r i n c i p l e t h es l i c i n gs o f t w a r ei sd e v e l o p e db yv c + + a n do p e n g l ，c l if i l e i sb u i l da tt h es a m et i m e t h ea l g o r i t h mi m p r o v e st h ed a t as t r u c t u r ea n de f f i c i e n c y , i sa p p l i e d s u c c e e s s f u l l yi nr a p i ds l i c i n g a i m e da tt h ep r o b l e m so fr a p i dp r o t o t y p i n g ，t h et e c h n i q u eo f r p m ，e n v i r o n m e n ts t r u c t u r eo fr e r pi n t e g r a t i o nm a n u f a c t u r es y s t e ma n dd a t at r a n s m i s s i o no f r ps y s t e mi ss t u d i e d p o i n tc l o u dp r o c e s s i n ga n dc u r v ee d i t i n gi sf i n i s h e db ys u r f a c es o f t w a r e s o l i dm o d e li sc r e a t e db yu gs o f t w a r e ；t h er i g h ts t lf i l ec a nb ee s t a b l i s h e d r a p i dp r o t o t y p i n g o fp r o d u c ti sr e a l i z e di ns u c c e s s f u l l yb yr e v e r s ee n g i n e e r i n g t h ev a l i d i t yo fw a yw h i c hi sp u t 1 1 i 西安理工大学硕士学位论文 f o r w a r di nt h ep a p e ri st e s t e d k e y w o r d s ：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 ；r a p i dp r o t o t y p i n g ；s l i c i n ga l g o r i t h m i v 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所呈交的学位论文是我个 人在导师指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所论述的工作和成 果的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：j 夸导立。2 d 降；月；1 日 学位论文使用授权声明 本人：- 绛壹毡 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人已通过论文的答辩。并 已经在西安理工大学申请博士硕士学位。本| 入作力学位论文著作权拥有者阿意授权 西安理工大学拥有学位论文的部分使用权，即：1 ) 已获学位的研究生按学校规定提交 印耐版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复铡手段保存研究生上交的 学位论文，可以将学位论文的全部或部分内容编人有关数据库进行检索；2 ) 为教学和 科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、资料室 等场所或在校园网上供校内师生四读、浏览。 本人学位论文全都或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文作者签名：杜 导师签名：硪吾月丐l 目 1 绪论 1 绪论 随着社会需要和科学技术的高速发展，产品的竞争越来越激烈，更新换代的步伐不 断加快，因而要求设计者不但能根据市场需求很快的设计出新产品，而且能在尽可能短的 时间内制造出产品的样品，进行一定的性能测试，并进行修改，以满足追求完美与个性化 的消费需求。在这种形式下时间因素被提到首位，缩短产品的设计周期和制造周期就势在 必行。反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 和快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 正是 基于这种要求应运而生的现代设计方法和制造方法。 1 1 反求工程( r e ) 概述 i 1 1 反求工程的概念 随着科学技术的高速发展，世界范围内新的科技成果层出不穷，如何充分合理的利用 高科技成果，快速发展经济，从而获得最佳的技术经济效益，是世界各国都在认真研究的 问题，而引进、消化、提高及创新之路是各国机电产品设计、制造行之有效的方法之一， 在信息化制造中这一思路就体现为反求工程( r e ) 。反求工程，又称为逆向工程，它是指在 没有技术文档的情况下，针对现有的三维实物，利用现有的数字化测量设备准确、快速的 测得轮廓几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用输出格式的曲面数字化模型，再送 入通用的c a d c a m 中或i 冲系统中，最后复制出实物或原形的过程，其工作流程图如图 1 1 所示。实际上，任何产品的问世，包括仿制、创新和改进，都蕴含着对已有科学、技 实物或 模型 产品复制 3 d 轮廓l 一罄塑uc a d g e dl c a d c a e 测量广1 处理h 重构广- 1 修改完成 图l l 逆向工程流程图 f i g 1 - 1 r e v e r s ee n g i n e e r i n gf l o wc h a r t 术的继承和应用借鉴，因而反求思想在工程中的应用实际已源远流长，而提出这种术语并 作为一门学问去研究，则是2 0 世纪6 0 年代初出现的，“反求”是相对传统的c a d c a m 设计 过程而言的，是一门实用化程度很高的新产品开发技术，是现代设计、制造方法之一。 反求工程解决了在产品外观设计已经注册或由于商业机密，原厂不提供c a d 资料的 西安j e x 大学硕士学位论文 情况下，利用逆向工程工具，把原始c a d 资料还原出来，以获得更多的企业订单。据有 关资料表明【l l ，世界各国7 0 以上的技术来自国外，正常的途径都是通过反求工程，它大 幅度的缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力，满足追求完美与个性化的消费需求，并 渐渐成为产品开发的主流工具。据反求内容不同又可分为影像反求、软件反求和实物反求 三个方面，其中实物反求是现代反求工程的主要内容。实物反求就是指对已有的实物原型 或模型，利用3 d 数字化设备如实地测量出其表面的三维坐标点，并通过对测量信息的分 析和处理来构造其c a d 模型及设计的过程。它主要包括坐标点的测量、数据处理和曲面 模型重建三大模块；它的关键技术是数据处理，难点在于数据处理过程中的曲面光顺问题， 这也是目前科研工作所力求解决的问题所在，它直接关系到重建模型的精度。 曲面按实际几何特征不同我们可将其分为规则面和自由曲面。规则面指的是能够用单 一函数表达的曲面，该类面的逆向工程建模过程较简单，主要是测量数据的准确分割。自 由曲面自身有如下特点：型面测量数据散乱，且曲面对象的边界和形状有时极其复杂； 曲面对象往往不是单的由一张曲面构成，而是有多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而 成的复杂曲面，需分块构造。所以自由曲面是不能用初等解析曲面来组成，而是以复杂方 式自由变化的曲面，常用的有c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面、b 样条曲面和m 瓜b s 曲面，它们都 是用一些基本函数和控制点定义的。 复杂曲面的c a d 模型重建是逆向工程的重要研究内容。复杂曲面的c a d 建模，涉 及计算机、图像处理、信号处理、图形学、计算几何、激光测量和数控等众多的交叉学科 和邻域，是国内外学术界，尤其是c a d c a m 领域广泛关注的热点问题之一。从目前己 公开发表的文献看【2 捌，研究和解决曲面c a d 建模的途径大致有以下几种：一是以三坐标 测量机或激光扫描测量机为基础，在人为制定的测量规划原则的指导下，按截面线进行测 量，然后进行点云的去噪处理、数据压缩、曲线拟合、曲线到曲面的过程，将一个复杂的 自由曲面分成若干个四边形边界的区域或三角b e z i e r 网格，对每个区域内的数据进行处 理，转换为通用c a d c a m 系统可以接受的数学模型文件，完成产品的测量建模。二是 通过非接触式激光扫描测量机完成对物理模型的密集扫描，并将这些数据直接用于数控加 工( 英国r e n i s h a w 公司的系列s c a n 软件、美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 系统以及法国 的s t r i m l 0 0 软件等均具有这方面的功能) ，文献【8 j 就是利用测量的密集数据直接生成刀 具路径。三是经过对扫描数据的一系列处理，产生构造物体表面模型所需要的主要几何特 征，根据这些几何特征，最终由通用c a d c a m 系统建立实物的表面模型。这类软件主 要包括s u r f a c e r 、i c e m s u r f 等。近2 0 年以来，国内外学者对各种建模方式进行了大量的 研究，并开发了不同自己的逆向软件，但由于反求实物表面的多样性和复杂性，都存在着 各种不足。 1 1 2 反求工程的关键技术 2 反求工程技术主要包括坐标点的测量、数据处理、曲面模型重建三部分。 1 绪论 数据采集技术。即样件表面数据的数字化，它是逆向工程的基础。根据测量方式不同， 可以将数据采集的方法分为接触式测量和非接触式测量两大类。目前数据采集方面的主要 研究工作集中在，如何快速提取有效的表面数据及对不同零件的测量规划方法等方面。当 零件比较大时，测量所涉计的数据比较多，由于测量行程等的限制，需要对表面数据进行 分块测量，因此在测量中需要进行多视拼合方法的研究，常用的数据拼合方法有点位式， 坐标转换法等。 点云数据处理。无论是接触式还是非接触式数据获取，在得到的大量密集的云点数据 中，由于测量过程的一些异常震动、样件的装夹、镜面反射等原因，在真实数据中不可避 免的引入了“躁声”数据，过滤躁声数据是逆向工程数据处理的基础，最简单的躁声去除方 法是人机交互，在数据序列中删除这些杂点，这样处理要花费很多时间。国内外学者对此 进行了大量研究，开发不同的软件进行去躁处理，如平滑滤波处理、取样法、插值法、二 分法【9 】等。 曲面拟合与曲面重构。逆向工程中，曲面拟合和曲面重构是研究的热点，难点在于对 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，基于散乱数据点的曲面重构 和曲面光顺问题，是目前科研工作所力求解决的问题。 目前，曲面拟合技术有如下几个方面：三角域曲面建模方法，这种方法最适合表现无 规则复杂型面的物体，但它的通用性较差，般的c a d c 心软件不采用。矩形域曲面 拟合技术，它是目前为至研究的最多的一类曲面重构方法，常采用c o o n s 、b s p l i n e 和 n u r b s 曲面，其许多研究成果己成为成熟技术，在c a d 软件中广泛应用。 1 1 3 逆向工程的应用 2 0 世纪9 0 年代，逆向工程技术引起了各国工业界的高度重视，由于市场发展的需求， 逆向工程技术的研究就一直备受关注，在制造领域逆向工程有以下一些应用背景： ( 1 ) 尽管计算机辅助设计( c a d ) 技术发展迅速，各种商业软件的功能日益增强， 但目前还无法满足些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替 c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为c a d 模型。 ( 2 ) 各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由c a e 来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状。如在模具的制造中经常需要通过反复 重试和修改模具型面方可得到最终的、符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并 反求出c a d 模型，在再次制造该模具时就可以运用这一模型生成加工程序，就可大大减 少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。 3 西安j e _ r _ - 大学硕士学位论文 ( 3 ) 已有产品为基准点进行设计己成为当今的一条设计理念，利用逆向工程技术可 以充分吸收国外先进的设计制造成果，加快某些产品的国产化。如汽车、摩托车、工艺品 等行业新产品的快速开发和创新设计。 ( 4 ) 人体中的骨头、关节等的复制，假肢制造，以及特种服装、头盔的制造要以使 用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。 ( 5 ) 艺术品仿制及玩具制造领域的应用。如艺术品、考古文物的复制。 1 2 快速成型技术( r p ) 简介 快速成型( 耻r a p i dp r o t o t y p i n g ) 技术是8 0 年代末期开始商品化的一种高新制造技术， 它与虚拟制造技术( v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 一起，被称为未来制造业的两大支柱技术。快 速成型技术对缩短新产品开发周期，降低开发费用具有极其重要的意义。有人称快速成型 技术是继n c 技术后制造业的又一次革命，目前r p 技术已成为各国制造科学研究的前言 学科和研究焦点。 1 2 1 快速成型技术的基本原理 快速原形技术是将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、计算机数 字控制( c n c ) 、激光、精密饲服驱动和新材料等先进技术集于一体的先进产品设计与 制造技术。它采用离散堆积的原理实现零件的成型。具体过程如下【1 0 1 ：首先利用高 性能的c a d 软件设计出所须零件的三维曲面或实体模型，然后把模型转化为s t l ( 快速 成型技术常用的文件格式) 格式或其它格式，再根据工艺要求，按一定的厚度( 一般为 0 1 0 一0 3 m m ) 在z 向( 或其它方向) 对生成的c a d 模型进行切片分层，生成各层截面 的二维平面信息；然后对层面信息进行工艺处理，选择加工参数，系统自动生成刀具移动 轨迹和数控加工代码；再对加工过程进行仿真，确认数控代码的正确性；然后利用数控装 置精确控制激光束或其它工具的运动，在当前工作层( 二维) 上采用轮廓扫描，加工出适 当的截面形状；再铺上一层新的成型材料，进行下一次的加工，直至整个零件加工完毕。 4 图l - 2 快速成型的工作流程 l ：i g 1 2r a p i de r o t o t y p i n gw o r k f l o wc h a r t 1 绪论 该成型过程与实体形状和结构的复杂程度无关，其工作流程如图1 2 所示。可以看出快速 成型技术摆脱了传统的“去除”加工方法，而采用全新的“增长”加工法，将复杂的三维加工 分解成简单的二维加工的组合，因此它不必采用传统的加工机床和加工模具，只须传统加 工方法的1 0 - - - , 3 0 的工时和2 0 3 5 1 1 1 l 的成本就能直接制造出产品样品或模具。 目前，r p 技术采用的成型工艺多达2 0 余种，在商品化r p 系统中应用较为广泛的成 型工艺技术主要有：丝状材料选择性熔覆( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) ；液态 光敏聚合物选择性固化( s t e r e o l i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) ；薄型材料选择性切割 ( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) ；粉末材料选择性烧结( s e l e c t i v el a s e r s i n t e r i n g ，简称s l s ) ：以及立体喷墨印刷( i n k j e tp r i m i n g ) 等。f d m 技术是将丝状的热 熔性材料加热熔化，通过带有一个微细喷嘴的喷头挤喷出来。s l a 技术又称光固化快速 成型技术，由计算机传输来的三维实体数据文件经软件分层处理后，驱动一个扫描激光头， 发出紫外激光束在液态紫外光敏树脂的表层进行扫描。l o m 快速成型技术是将特殊的箔 材一层一层的堆积起来，激光束只需扫描和切割每一层的边沿，而不必像s l a 技术那样， 要对整个表面层进行扫描。s l s 的原理与s l a 十分想象，主要区别在于所使用的材料及 其性状。i n k j e tp r i m i n g 技术采用喷墨打印的原理，将液态造型墨水由打印头喷出，逐层 堆积而形成一个三维实体。这些技术都有各自的优缺点和使用范围，要根据实际情况合理 的选用各种快速成型方法。 快速原形技术采用的文件格式有：s t l ( s t e r e ol i t h o g r a p h yi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 、 c l i 、s l c 、r p i 和s i f 等。其中由美国3 ds y s t e m s 公司在1 9 8 8 年开发的s t l 已经成为 快速成型系统事实上的标准文件，它用一系列相连的空间小三角平面来逼近三维c a d 模 型，结构简单，易于实现。 1 2 2 快速成型技术的特点和使用范围 快速原型制造技术具有下列特点和优点： ( 1 ) 更适合于形状复杂的不规则零件的加工，零件的复杂程度与制造成本关系不大； ( 2 ) 减少了对熟练技术工人的需求； ( 3 ) 没有或极少废弃材料，是一种环保型制造技术； ( 4 ) 成功的解决了计算机辅助设计中三维造型“看的见，摸不着”的问题； ( 5 ) 系统柔性高，只需要修改c a d 模型就可生成各种不同形状的零件； ( 6 ) 技术集成，设计制造一体化； ( 7 ) 不须要专用的工装夹具和模具，大大缩短新产品开发时间； 以上特点决定了快速成型技术主要适合于新产品开发，快速单件及小批量零件制造、 复杂形状的零件制造、模具设计与制造、也适合于难加工材料的制造，外型设计检验、装 配检验、看样订货等及快速反求工程。 5 西安理工大学硕士学位论文 1 3r e r p 集成技术 反求工程是2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 h 、美国u v p 公司和日本名古屋工业研究所提出 并研制开发成功的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，随着非接触式激光数字化测量技术的应用， 以及一种全新的r j m n 造技术的兴起，为反求工程再次质的飞跃奠定了基础。于是以快 速成型技术为核心，集成逆向工程技术的新产品快速开发系统产生，即i 也l 心集成制造系 统。该系统极大的缩短新产品开发周期，降低其开发成本，是新产品制造活动之前优化新 产品开发的利器，是一项实现敏捷制造的重要先进制造技术。 1 3 1 研究的现状及存在的问题 r e 与r p 的集成加速了产品开发过程，能够及时反馈市场需求，从而对原产品进行 快速改进，是提高市场竞争力势在必行的一种技术。国内外关于r e r p 集成的方法主要 有以下几种方法，如图l 。3 所示：通过c a d 建模实现l 也r p 的集成；由测量得到的 点云数据通过逆向工程构造零件的c a d 模型，然后将c a d 文件转换为商业成型设备可 以接受的s t l 格式，进而对s t l 文件进行切层处理，根据切层得到的零件层片信息生成 数控代码进行原型制造。对c a d 文件直接切层【1 2 】：通过对r e 生成c a d 模型直接进 行切层处理，避免s t l 格式使用的近似性( 即用二维三角面片去近似表示三维曲面) 对 精度的影响，可以获得更加精确的切层数据。空间点云数据直接三角化【l3 】：有平面域 三角化和空间域三角化两种方法。前者是将三维空间的点云数据映射到一个投影面上后进 行三角划分；后者则是首先根据基于边或基于面的准则进行数据分块，在每一个数据块内 分别进行三角划分。直接集成的方法：文献 1 4 1 介绍了将点云数据直接进行切层处理， 通过截面轮廓信息的识别与提取，生成片层数据文件c l i 等文件格式，直接提供给快速 图1 3r e r p 集成方法 f i g 1 - 3 t h ow a yo fr e r pi n t e g r a t i o n 原形系统，这对于具有复杂表面特征的产品是非常适用的。前两种方法都可以归为“基于 c a d 建模的k e r p 的集成”，通过r e 建模及c a d 系统建立复杂外形产品的数字化模型， 6 1 绪论 在c a d 建模过程中可以对产品模型进行修改设计，这种集成方法应用范围较广，不但用 于产品的复制，也适合于产品创新开发。后面两种直接从零件测量数据产生r p 系统可以 接受的s t l 文件或切片数据文件，可称之为“r e r p 系统直接集成”绕开了通常需要熟练 技巧和经验的c a d 建模环节，虽然节省了时间，但在集成过程中难以满足产品创新设计 的要求，最终得到的r p 原形实际上只是原始物理模型外型的简单复制。为了满足复杂外 型产品的设计要求，一般在r e r p 集成系统中引入c a d 建模环节，逆向工程大都采用这 种形式。 2 0 多年来，逆向工程在理论上得到了广泛的研究，但大部分研究工作仍处于实验室 理论阶段，还没有开发出较理想的原型系统，很多人都认耦逆向工程可把m o d e l 建构成 跟原始的m o d e l 一模一样，甚至只要把m o d e l 量测出束，曲面就自动完成，事实上以现 今的技术是不可能达到的，原因归纳起来主要有以下几点： ( 1 ) 复杂型面的r e 建模效率非常低 复杂外型产品的r e 建模是一项即费时又费力的任务，无论是基于四边域曲面还是基于 三边域曲面的曲面建模方法，由于受测量设备和反求软件的影响，建模效率都不理想 【4 j 【1 5 l 。目前曲面建模大都采用四边域曲面建模，但如何有效的进行曲面特征识别、曲面分 块及曲面之间的光顺连接仍是r e 建模的难点。 ( 2 ) r e 建模对象的多样性 由于实际问题当中反求对象的多样性，导致r e 建模过程的复杂性，许多学者虽然进 行了逆向工程建模技术的研究【7 1 5 。1 8 i ，但把它系统化，形成专门的建模理论来指导反求工 作的并不多，需不断探索反求工程的建模理论和方法，研究面向工程应用的r e 建模技术。 ( 3 ) r p m 工艺对r e 建模技术提出了严格的要求 逆向工程的流程之一，是通过r p 系统实现产品的快速原形复制。但由于表面模型与 r p 工艺集成的可靠性较差，导致曲面模型与s t l 文件之间的冲突，所以研究面向快速成 型技术的r e 建模方法是防止s t l 文件出错的有效途径。 ( 4 ) s t l 文件的不足 s t l 文件是事实上r e r p 数据接口文件，但由于s t l 文件自身问题，由c a d 模型 转化为s t l 文件时往往会产生错误，及其在s t l 文件切片处理时传统的基于拓扑信息分 层算法1 1 9 捌l 在计算每一层轮廓时，都要提取s t l 模型的整体拓扑信息，遍历所有的面片， 其中绝大多数三角面片与切片平面不相交，故查找效率低，运算量较大，尤其对许多通过 反求工程技术得到的复杂曲面物体的s t l 模型。 逆向工程要克服以上这些困难，目前还需要进行大量的研究工作，使其与传统的开 发流程做一整合，去长补短才能使产品获得良好的品质，同畴节省产品的开发时间。 1 3 2 本文的选题背景及主要研究内容 目前在我国的制造行业中，开发设计的各个环节自动化程度较差，产品自主开发能力 7 q 西安理工大学硕士学位论文 低，设计手段较落后，开发周期长。生产效率不高，与当今国际市场的竞争相差甚远，这 与我国迅速发展的市场需求也存在着很大的差距，因此如何将现代的先进技术引入产品的 开发设计中，以求缩短产品的设计开发时间。增强企业的市场反映能力，是一项具有重要 现实意义的问题。 本论文主要针对逆向工程中具有复杂曲面的形体的反求过程及r e r p 集成技术进行 研究，进行建模理论和方法的探索，并针对r e r p 事实上接口s t l 文件的不足，改善其数 据结构，开发切片软件，提高其切片效率。 本课题主要以三维坐标扫描仪( 非接触式测量) 获得复杂曲面实体( 工艺品维纳斯) 的三维数据为研究对象，经进行数据处理及c a d 模型的重建，并通过接口文件传给快速 成型机，快速开发其原形。本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) r e 造型关键技术的研究：通过对反求过程中曲面重构方法的研究，以形成较系 统的曲面建模理论，指导r e 建模过程，提高c a d 模型重构的效率。在以m 瓜b s 为曲面构 造基元的基础上，针对不同结构及表面形状实体，对其c a d 模形的重建方法及建模策略 进行深入的研究，主要包括以下几个方面：扫描点云的分析与处理：包括三维数据的测 量和预处理，三维数据分割，分块造型等。曲面模型构造：较准确地把扫描点变换成 n u r b s 曲面模型；曲面修改：曲线和曲面可实时交互形状修改；曲面模型精度分析。 ( 2 ) r p 技术的研究：对快速成型技术的原理及r p 系统数据接口进行研究，对r p 事实上的标准接口s t l 文件存在的问题及其解决方法进行一定的研究。 ( 3 ) 对面向工程应用的逆向工程系统的环境组成进行研究：包括a t o s 光学测量系统 的数据采集过程；s u r f a c e 软件的数据的输入、数据处理、输出，u g 软件的后续处理等。 ( 4 ) r e r p 集成技术的研究：对基于c a d 建模的r e r p 的集成方法进行研究。 由激光扫描仪测的实物点云，经反求软件生成c a d 模型后，通过接口s t l 文件格式传送 至快速成型机，快速开发其原形。 8 2 三维数据的获取及预处理 2 三维数据的获取及预处理 在进行逆向工程时，自由曲面的测量技术是一个非常重要的问题，只有获取了高质 量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。三维扫描是集光、机、电和计算机技术于 一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标， 它能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当 方便快捷的手段。 2 1 测量方法比较 在测量技术中，获取三维表面信息的基本方法总的来说有接触式和非接触式【2 2 之4 1 两 种，如图2 1 所示。 图2 一l 表面数据获取方法 r i g 2 - 1 t h ew a yo fo b t a i ns u r f a c ed a t a 接触式测量可获得准确可靠的数据，不受工件表面光学性质的影响，但由于和零件表 面接触，探头易磨损，测量速度低，且对零件表面硬度有一定的要求，有半径误差补偿， 接触式数据采集通常使用三坐标测量机。随着计算机、传感、控制等技术的发展与更新， 非接触式测量近几年得到了很快的发展，出现了三角形法、结构光法、计算机视觉法、激 光干涉法等。非接触式测量中，由于探测源与工件无接触，可测表面较软、薄和不可接触 的高精密件，它的数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量 误差，获得的密集点云信息量大、精度高，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最 大限度地反映被测表面的真实形状。 非接触式测量可以密集的对产品表面进行测量，从而形成“点云数据，但是上述方 法难以采集到物体内表面的数据，因此断层扫描技术在逆向工程中取得较为广泛的应用， 但它们成本较高，是破坏性测量，且测量过程复杂。所以非接触式测量被广泛应用于表面 形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、摩托车、玩具、工艺品的 木模、泥模等。 西安理工赶学硕士学位话文 22 数据采集 木课题所用的光学测量系统足i 维激光扫描仪s e r e 【n 5 备，它采用的是a t o s 光学 测量系统。具有单个光栅投影设备及两个c c d 摄像头，左右双c c d 可以让测距精度埔 加。在测量过程l | ，光栅条纹投射到物体表面，h ，由曲个c c d 照相机所记录再经过数 码摄影处理器分析，利用a t o s 模块所特的软件，很精确的测出测量点的坐标可很快的 完成数l 万个点的数据采集工作。系统其最大特点就是：精度高、速度快、测量点云逼近 原形。实物如图2 2 所示。该扫描系统南桃台，测头、控制箱及计算机四部分组战其中 计箨机部分包含扫描软件r e s c a n 、矬示造型软件s u f a c e l l0 、运动控制仁和多媒体视频仁， 机台丰要结构有：z 轴、y 轴横梁、镜头杆、立柱、转台、平台、底座。其| 生能指标如f ： g 性能指标： = 趺i 头* 辩翠oo o l l t i r n 。m 是精度o o s m m ( 有效景10 0 n 砷j 单次扫描宽度5 0 珊n i 作自# ：3 6 0 。 扫描精度：m 3 0 m m 标准圃杆咀点距05 x 0 1 一 扫描口十女向拼接平均* 为0j m 。 图2 - 2 三维激光 j 描仪 f 2 2 t h r e e - d i m e n s i o n a ll a s e rs c a n r e r 虽然该测链系统的精度比小上i 坐标测量机的精度( 能返o0 0 5m m ) ，多张拼合的整 体秸度h 有0if i l m ，堪管蛐此，该光学测量系统仍有着丰h 当的优点和发展前途。 十i 描前要根据物体的形状、大小、表丽光泽度、复杂程度等考虑测鼹流程。被测件在 放置时应选择最佳角度和安故位置，以求被测体尽可能在次装夹中测得表面仝部数据。 如果物体人且复杂，物体的表面无法经一欢量测而得到所有的点资料，需t 作台旋转进行 多视拼台，系统会将每一次测量结果转化到个批同的一标坐标系下：或需要在物体上加 标整( 两次扫描都能打到的日不在一直线上的= 个点，戍避免狭长j 角形) 进行多位拼合 如果物体表过于反光或觑色过深，型喷上反差剂。在扣描过程中注意不口r f 扰或移动测 量物，而且尽量保证外界光线稳定，不可太强，否则会影响测艟精度和效果。北每次启动 设备测量时都要进行工作台中心的找正工作。测最的主要步骤如卜： ( 1 ) 开启系统，进行工作台p 心的找正工作。首先系统归零，然后把样品金耩圆柱 棒放在工作台上，调整好岛度及位置，工作台每旋转】2 0 。扫描敞，但每次扫描时部要 设置起始为零，这样就可咀得到1 2 0 。均匀分布的i 块不完整的网柱点云，删去不在扫描 线l 的杂点，分引拟台j 个圆柱拟合魁杜的直径与金幅棒的叫托最筹刁i 超过o0 0 0 l ，再 2 三维数据的获取及预处理 由三个圆柱轴线的中点拟合圆，该圆心的坐标即为本次测量工作台中心的坐标，然后据其 与上次工作台中心坐标进行中心坐标效准，最后保存； ( 2 ) 选择合适的安放位置固定被测件，并估计该件总体高度，设置扫描次数( 每次 扫描高度为5 0 ) ，该数值要准确，否则要加长扫描时间或继续扫描； ( 3 ) 确定扫描的左右边界，并进行边界设置； ( 4 ) 进行扫描步距及扫描方式等设置，这里扫描方式为立体空间扫描，扫描步距为 0 2m m 。 本次主要对具有复杂表面形状的实体鼠标、工艺品维纳斯、车座等产品进行了测量扫 描。鼠标、工艺品维纳斯都采用一次装夹多视拼合，摩托车部件、车座等采用两次装夹多 视拼合。在自行车座的测量过程中，为使空间坐标系的x 或y 轴与车座的某一正方向重 合( 为了在x 轴或y 轴方向上准确切片) ，可在车座上贴上四个小标签，其中标签三角形 的顶点与第四个标签点处于车座的左右对称面上( 人工测量获得该对称面上的点) 。鼠标、 自行车座原始测量数据如图2 3 、图2 4 、工艺品维纳斯的测量数据见第五章。 2 3 点云数据预处理 2 3 1 数据预处理关键技术 测量数据预处理是反求工程 c a d 建模中的关键环节之一。它 的结果将直接影响后期模型重构 的质量。 目前，非接触式测量方法在 工业界得到越来越广泛的应用， 这种测量方法测得的数据非常庞 大，并常常带有许多的杂点、噪 声点，影响后续的曲线、曲面重 构过程。因此，需在曲面重构前， 对点云进行一些必要的处理，以 获得满意的数据，为曲面重构过 程做好准备，即点云预处理。数 据预处理的任务就是对获取的测 量数据进行相应的处理，以满足 其对数据质量、数据拓扑结构的 不同要求。预处理工作流程大致 如图2 3 所示。各处理环节目的 图2 3 点云预处理流程 f i 9 2 - 3p r e p r o c e s s i n gf l o wo fp o i n tc l o u d 西簧理工大学硕士学住论天 如f ： ( 1 ) 坐标变换 南测量系统获得的两次装夹测点数据，通常要通过坐标变换统到同一半标系f ，故 涉及到多次测量坐标的统一，测量坐标系与物体空间啦标系的坐标变换问题。 ( 2 ) 误差点识别、去噪 由于吱际测最过程中，一方面存在夹具、固定物等各种明显的误筹点，需要于动剔除； 另 方面，受到各种人为或随机因素的影响，使得测射结果包含噪声，为了降低或消除噪 声对后序建模质量的影响、有必望对测量点云作必要的滤 波和光顺处理，以得到精确的模型。数拥平槽通常采用标 准商斯平均或巾值滤波算法。如图2 4 所示，其中蓝色点 云为实物红色为固定实物所用橡皮泥，在曲面重构前应 干以手动剔除。 ( 3 ) 数掘的精简技术 自动测甘得到的数据，。 云十分密集，存存大量的冗余 数据，无法直接用于曲面构造。数据的冗余导敛锻多无 蹦2 - 4 实物、固定物示意 r i g2 4 s c h e m a t i co f o b j e c t a n df i x t u r e 敬运算开支，极大降低儿何建模的速度精简的目的住丁刈原始点孟进行删撼，压缩冗余 数据点。 2 32 多视点云拼接 在对产品进行逆i ； j n 量的实际过程中，无沦是接触式测最还是非接触式测量方法，希 望通过次测量就完成全体件的数字化是根田难的。针对木文中所h j 的设蔷，主望有以下 几个原： ( 1 ) 被测物体的尺寸过大，超出r 测量机的行程： ( 2 ) 被测物有定位戚夹紧要求，次测最无法同时扶得定仲面或