（精密仪器及机械专业论文）自由曲面接触式测量方法研究与原型系统研制.pdf

浙江人学硕上学位论文 y6 8 0 2 7 l 自由曲面接触式测量方法研究与原犁系统研制 全文摘要 现代制造业的产品具有信息模型和实物两种不同范畴的表现形式，而产品生产中最具创 新和价值的部分被包含在产品信息模型中，对于在现代j = 业中得到广泛应用的自由曲而零件 尤为如此。所以，对 j 由曲面零件进行二维几何形状测量、数学建模和数控加丁及产品表面 质量评定具有厦要的现实意义。本文在分析国内外关丁自由曲面测量方法、路径规划、碰撞 检查及规避、测量数据处理等研究现状及发展趋势的基础上，综合利用机械、测量、 c a d c a m 和计算机控制等技术，研制开发了基于开放式运动控制p 的接触式测量原型系 统：并对接触式测量系统所涉及相关问题进行了深入的研究。 第章综述j - 自由曲面测量方法、接触式测量路径规划、碰撞检查及规避、测点数据预 处理等相关研究概况，分析该领域目前存在的问题，确定本论文主要研究内容。 第一章根据接触式测量系统的功能需求分析，提出了接触式测量系统的总体设计方案， 包括硬什结构和软件组成功能两部分。 第三章研究白由f i 面接触式测量路径规划问题，提出了未知曲面白适应测量的j 角形细 分法，实现测点的自适应分布；并通过仿真实验验证了该方法的有效性。然后探讨了接触式 测量中测量路径的生成及其优化方法。 第四章探讨了c a d 模型已知情况下的碰撞规避问题，主要包括扩张障碍物法和射线跟 踪法。这些方法可以较好的解决接触式测量中己知c a d 模型时的碰撞规避；而对于c a b 模型未知情况下的碰撞规避，采用常用的“牛成一测试”的方法，并对几种常见的碰撞情况 进行了讨论。 第五章介绍了接触式测量数据的噪声处理和坏点剔除；然后洋细论述了采用微甲面法进 行、f 径补偿处理的算法。另外还将测量得到的数据进行了i g e s 标准文件格式的转换，以利 进行后续处理。 第六章介绍了接触式测量系统的实现及其开发的关键技术、主要的软件功能模块等；然 后分析了影响该测量系统精度的主要因素，并进行了相关的实验研究。 第七章概括了全文研究的主要结论，并对接触式测量系统的后续研究提出了自己的看 法，进行r 展望。 关键词：自由曲面接触式测量路径规划数据处理原型系统研制 塑垩查兰堡主堂垡笙苎 鱼虫些堕堡丝苎型量查鲨塑塞兰堡型墨竺! ! 丛 t h e p r o d u c t si nt h em o d e mm a n u f a c t u r i n g b a v es u c ht w ok i n d so fd i f f e r e n tr e p r e s e n t a t i o n s a si ni n f o r m a t i o nm o d e la n dr e a lm o d e l ，w h i l et h em o s ti n n o v a t i v ea n dv a i n a b l ep a r to ft h e m a n u f a c t u r i n gi sj n c l u d e di nt h ef o r l n e ro n e t h i si st h ec a s ee s p e c i a l l yf o rt h ef r e e f o m ls u r f a c e p a r t sw i d e l yu s e di nm o d e mi n d u s t r y t h u ss u c hr e s e a r c hw o r ka s t h em e a s u r i n g ，m o d e l i n g ， m a n u f a c t u r i n g a n dq u a l i t ya s s e s s m e n to ff r e e f u r ms u r f a c ep a r t si so f g r e a ti m p o r t a n c ei nm o d e m m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r y i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do n t h es u r v e yo ft h ep r e s e n tr e s e a r c hs i t u a t i o n a n dd e v e l o p m e n tt r e n d sa th o m ea n da b r o a do ft h ef r e e - f o i t l ls u r f a c em e a s u r e m e n tm e t h o d s p a t h p l a n n i n g , c o l l i s i o nc h e c k i n ga n da v o i d i n g , d a t ap r o c e s s i n g ，e t c ，b ya b s o r b i n gt e c h n i q u e s o f m e c h a n i c s ，m e a s u r i n g ，c a d c a ma n dc o m p u t e rc o n t r o l ，e t c ，ac o n t a c t m e a s u r e p r o t o t y p es y s t e m b a s e do no p e nm o t i o nc o n t r o lc a r dw a sd e v e l o p e d ，m e a n w h i l et h er e l e v a n tp r o b l e m so nc o n t a c t m e a s u r i n g w e r e p r o f o t m d l ys t u d i e d i nc h a p t e rl ，t h ec u r r e n ts 舢d ys i t u a t i o no f m e a s u r i n gm e t h o d sf o rf r e e - f o r ms u r f a c e ，p a t h p l a n n i n g f o rc o n t a c tm e a s u r e m e n t , c o l l i s i o nc h e c k i n ga n da v o i d l n ga n dt h em e a s u r ed a t a p r o c e s s i n gi ss t u n m a r i z e da n d t h ep r o b l e m so nc o n t a c tm e a s u r e m e n ta r ea l s op o i n t e do u t t h a n t h em a i nr e s e a r c hw o r ko f t h ed i s s e r t a d o ni sm a d ec e r t a i n i nc h a p t e r2 ，t h eg r o s sd e s i g ni n c l u d i n gh a r d w a r es t r u c t u r ea n ds o f l v c a r ef o rt h ec o n t a c t m e a s u r es y s t e mi sb r o u g h tf o r w a r d ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n a l y s i so f t h ec o n t a c t m e a s u r es y s t e m i nc h a p t e r3 ，t h ep r o b l e ma b o u tp a t hp l a n n i n go fc o n t a c tm e a s m _ ei ss t u d i e d t r i a n g l em e s h m e t h o df o rt h es u r f a c ew h o s ec a dm o d e li su u k n o w ni s b r o u g h tf o r w a r dt o f u l f i l lt h e s e l f - a d a p t i v ed i s t r i b u t i n go fm e a s u r ed o t s ，a n dt h em e t h o di sp r o v e dt ob ev a l i db ys i m u l a t e d e x p e r i m e n t t h e nt h ep a t hg e n e r a t i n gf o rc o n t a c tm e a s u r ea n dt h em e t h o d st oo p t i m i z ei ta r e d i s c u s s e d i nc h a p t e r4 ，t h ec o l l i s i o na v o i d a n c ep r o b l e mi sd i s c u s s e di nt h es i t u a t i o nt h a tt h ec a d m o d e li sk n o w na n dt h e f f ea r et w om e t h o d st h a lc a nr e s n l y et h ep r o b l e mt os o m ee x t e n d t h e m e t h o d o f “g e n e r a t e - t e s t j so f t e nu s e d 协t h es i t u a t i o nt h a tt h ec a d m o d e i i su n k n o w l 。a n ds o m e c o l l i s i o n st h a ta l ef r e q u e n t l yh a p p e n e da r ed i s c u s s e d i nc h a p t e r5 ，t h em e t h o do f p r o c e s s i n gy a w pa n dw r o n gd a t ai si n t r o d u c e d t h e na r i t h m e t i c t oc o m p e n s a t i n gt h e p r o b er a d i u se r r o ri s d i s c u s s e di nd e t a i l a f t e rt h a t ，t h em e a s u r ed a t ai s c o n v e r t e dt oi g e sf o r m a ti no r d e rf o rt h es u b s e q u e n t p r o c e s s i n g i nc h a p t e r6 ，t h ef u l f i l l m e n to ft h ec o n t a c tm e a s u r es y s t e m ，s o m es e v e r a lk e y t e c h n o l o g i e s f o rt h ed e v e l o p m e n ta n dt h em a i ns o f t w a r ef u n c t i o nm o d u l e sm i n t r o d u c e d t h e ns o m em a i n f k t o r st h a t i m p a c to nt h ep r e c i s i o n o ft h ec o n t a c tm e a s u r es y s t e ma r e a n a l y z e da n ds o m e e x p e r i m e n t sa r es t u d i e d i nc h a p t e r7 ，t h em a i nc o n c l u s i o n so f t h e d i s s e r t a t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dt h ea u t h o r ，si d e a s a b o u tt h ef u t u r ew o r ko f t h ec o n t a c tm e a s u r e s y s t e ma r ep r o p o s e d k e y w o r d s ：f l e e 。f o r m s u r f a c ec o n t a c tm e a s u r e p a t hp l a n n i n g d a t ap r o c e s s i n g p r o t o t y p es y s t e md e v e l o p i n g u 浙江大学硕上学位论文 自由曲面接触式测量方法研究与原型系统研制 1 1 引言 第一章绪论 1 1 1 发展先进制造技术( a m r ) 的熏要意义 随着科学技术及生产的发展，用户在对产品性能不断提出新要求的同时，也要求产品的 生产周期越来越短，制造部门为了适应瞬息万变的市场，快速、灵活地组织生产，提出了许 多新的思想和新的方法，产生了一些新的制造技术与制造系统。另外，为了满足日益激烈的 市场要求，机械制造工业生产迅速走向大规模集成化和高度自动化。目前世界的机械制造业 正大规模地进行信息密集型工业的建设，要求能够利用计算机在制造现场完成大量的计算、 数据处理和信息转换，其中最具代表性的有c a 0 ( 计算机辅助设计) 、c a p p ( 计算机辅助工艺规 划) 、c 必( 计算机辅助制造) 和f j l s ( 柔性制造系统) 。另一方面，随着近几年计算机网络的迅 猛发展，网络化也成为先进制造系统的主要发展方向之一。单台计算机的处理能力限制了其 应用范围，只有通过网络互连起来，才能资源共享和协调合作，发挥更大效能。i 】，“ 当今，在以“网络化”“信息化”为标志的知识经济的新时代，先进制造技术己成为世 界科技发展热点之一。先进制造技术( a m t - a d v a n c e dm m u f 如t u r i n gt e c h n o l o g y ) 是在制造 系统和制造过程中有机融合并有效应用微电子、信息、管理等现代科学技术，优质、高效、 低成本、及时地制造出市场需求的产品的先进工程技术的总称口，”。面向2 1 世纪的机械制造 技术的发展趋势主要体现在以下几个方面：精密化、柔性化、数字化、智能化、网络化、集 成化、敏捷化、虚拟化、绿色化。其中数字化、智能化和网络化是制造技术目前的发展热点 和未来的莺要特征。 世界先进国家十分重视先进制造技术的基础研究。美国于1 9 9 2 年6 月投资1 3 8 5 亿美 元开展的a m t 计划，旨在加强其制造业的国际竞争能力。日本投资l o 亿美元开展智能制 造系统( i m s ) ，重点是实现当前生产技术的标准化，开发出能使人和智能设备都不受生产 操作和国界的限制、彼此合作的高技术生产系统。德国“生产2 0 0 0 ”战略计划的研究重点 包括了利用信息通讯技术，促使制造业的现代化、全球制造、企业协同和发展所需的标准等 方面的内容。韩国于1 9 9 1 年底提出了“商级先进技术国家计划”( g 7 计划) ，该计划包括 c m 和i m s ，计划用1 5 年时问，由政府和民间共同投资4 2 0 0 亿韩元来实施“先进制造系 统”的研究与开发。p ，” 立足国情、面向企业需求，是我国开展对先进制造技术研究的一个重要指导思想。制造强 国是买不来的，在经济全球化浪潮下，我国尤其需要加强制造业的发展。国家8 6 3 计划的 c i m s 主题“1 ，以促进我国企业的信息化、现代化为宗旨，以提高企业市场竞争力、提高企 业效益为目标，以信息技术、现代管理技术改造国有企业、支持新兴企业为切入点，用高新 技术解决我f 雪企业的难点和热点问题。随着世界经济一体化趋势的日趋明显，我国的制造业 面临着新的机遇和挑战，我国更需要大力加强先进靠n 造技术的研究工作，努力锻造制造强国 地位。1 7 ，8 9 】 浙江大学硕士学位论文 自由曲面接触武测量方法研究与原型系统研制 1 1 ，2 逆向工程技术的应用领域 村l 械制造业的发展对产品质量控制的要求越来越高，三坐标测量机( c m m ) 已成为先 进制造系统的重要组成部分。c m m 不仅能够根据程序自动测量，而且能够根据c a d 设计 图纸进行自动测量，还要能够依据测最常识和规则自动选择测量方法和测量路径。在与制造 业密切相关的航空航天、汽车、造船及模具等上业领域，为了追求对产品功能和外形等方面 的日益严格的要求，使得自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用。对自由曲面 的测量与加工是工业部门经常遇到的同时也是尚未得到很好解决的问题，这主要反映在效率 低、精度有待提高、自由曲面几何造型的复杂性与加工的复杂性等。 自由曲面零件同其他产品一样，其模型数据包括为进行设计、分析、制造、测试、检验 和支持过程而定义的零件所需的几何、拓扑、公差、关系、属性和性能等数据，通常生成产 品数据模型的方法有两种，一是由通常意义的c a d 造型系统( 线框、曲面、实体、特征造 型) 建立产品c a d 模型；另外一种则是由已有的物理模型直接生成产品的c a d 模型，即 逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 1 1 0 。目前，逆向工程技术已经在下述领域得到应用：复 制没有原始图纸记录的产品零件；既有产品零件的外形或性能已经不能满足现状要求，必 须通过必要的分析和修改对该产品进行再工程设计；在汽车、造船等工业部门，当产品的 美术设计十分重要时，设计师往往先通过制造实际比例的木模或粘土模型来评价设计，而不 是通过高分辨率的显示屏观察一个比例缩小的投影模型来作出评价：进行人体装备拟台， 对诸如头盔、太空服、假肢等一些功能复杂、价格昂贵的产品进行拟合设计等。出于对产品 性能和外观等方面的考虑，越来越多的零件采用自由曲面的形式，实现自由曲面零件的逆向 工程的技术流程如图1 - l 所示： 图1 - 1 自由曲面零件逆向工程技术流程 通过逆向工程实现实物的c a d 模型复现，可以使得在产品设计与制造的全局过程中， 充分地利用c a d c a m 、p d m ( f f = ) 、c i m s 等先进制造和管理技术，同时为产品 的并行设计、快速原型制造等提供关键的技术支持1 ”。虽然逆向工程技术在国内外得到 了广泛的研究，并有相应的设备和软件推出，但对于逆向工程的研究还很不完善，在复杂曲 面的测量规划、测点数据的处理及设备集成等方面还有待更进一步的深入研究。 1 2 自由曲面测量的研究现状 1 2 1 自由曲面测量方法 扫描测鼍是获得空间自由曲面形状与尺寸的基本方法。各种测量装置都是靠扫描方式完 成对空间自由曲面的测量，尽管实现扫描的方法不同。所谓扫描就是利用测头等传感器对待 2 一 塑垩查堂塑主堂些鲨塞 ! 宴堕型堡墅塞型量查垫竺塑! 型至堕型 测表面进行空间坐标测量的过程，其测量方式可以是连续的，也可以是间断的。突出特点是 运动轨迹有很强的规律性，图1 - 2 所示的就是接触式扫描测量。测头与1 二件表面相接触，测 头的运动轨迹彼此平行。 x 副例剖 蛉 眵渺 图1 - 2 扫描测量 对模型的测量和重建是实现零件逆向工程的关键。逆向工程中自由曲面的测量方法主要 有三种：一是传统的接触式测量法，如三坐标测量机法；二是非接触钡i 量法，如投影光栅法、 激光三角形法、全息法、深度图像三维测量法；三是逐层扫描测量法，如工业c t 法、核磁 共振法吣i ) 、自动断层扫描法等。 以c m m 为代表的接触式数字化测量设备，和非接触测量方法相比，c m m 虽然在数字 化速度上比较低。但是它具有较高的测量精度，且不受物体表面颜色及光照的限制，对物体 边界也能产生准确的测量结果。其缺点是由于测头的限制，可能丢失某些测头不可到达的细 节数据，不可测量某些测头不可触及的软材料，另外，测量速度受到机构运动的限制。在要 求的数字化精度范围内，选用不同精度的数字化设备将影响到重构c a d 模型时拟合曲面所 采用的方法。【1 4 l 非接触式是随着近年来光学和电子元件的广泛应用而发展起来的。非接触式测量分为主 动式测量和被动式测量【l ”，主动式系统有专门仪器产生测量光源或声源，被动式测量则没 有。最常用主动式测量是激光三角形测量法和光栅法。由于其测量过程是利用光学方法进行 的，从而对被测物体的表面有一定要求。表面反光或全黑的物体均不适合用光学方法进行测 量，或者说当遇到这样的被测物体时需要更复杂的光学技术或者需要通过一定的处理才能保 证测量的顺利进行。非接触测量一般具有较高的测量速度，不会划伤被测零件。 t 6 l 被动式方法是指不向被测物体发射可控制的光束，而是直接利用自然光得到的图像来获 取物体三维信息。该方法得到的深度数据精度较低，某些方法只能得到景物相对距离的一些 模糊概念。如遮挡分析法，它以颜色、纹理等为依据，将图像分割成多个区域并分析其相互 遮挡关系，采用松弛算法求出各区域之间的相对距离，该方法所得到的物体与摄像头光学中 心距离信息只是“在前面”、“在后面”、“与等距”等一些定性的描述。这类深度获取 技术主要应用于早期的图像识另u 及作三维景物识别的场景分析。被动三维传感主要包含纹理 梯度测距法、聚焦原理澳9 距法和立体视差测距法，其中较有前途的方法是立体视差法，又称 塑垩查兰塑主兰垡丝苎 ! 堂堂亘量丝茎型量塑鲨型壅兰垦型i ! ! 塑型 双日立体视觉。该方法根据取目成像原理，从不同角度获取同一景物的两幅或多幅图像进行 匹配，但是该方法中图像处理与分析的速度很慢，且容易产生测量误差。 相对于被动三维测量厦言，主动三维测量是基于向场景发射能量( 如激光、超声波、x 射线等) 、利用特别光源所提供的结构信息来获取深度信息的技术。该方法测距精度高、抗 干扰性能强，实时性强，应用领域非常广泛，较易直接得到被测物体三维轮廓信息。主动三 维测量可分为时间调制和空间调制。 近年来研究较多、发展比较成熟的是空间调制测量方法，又称为主动三角法。该方法通 过向被测物体表面发射聚集光束( 点、结构光、线光或莫尔条纹) ，在被测表面上形成具有 某一特定形状光斑( 半径约o 5 r a m 左右的光点、窄细光带、光带族或其它结构光) ，然后根 据反射光信息计算测量点或点群的三维坐标值。这种方法对被测表面质量要求较高，当反射 率较低时，则造成较大的测量误差；反之，如果表面的吸收率较低，反射率较高，也会造成 较大的测量误差甚至根本无法测量。因此如果被测表面特性不符合测量要求，测量前需对被 测表面作适当处理。 主动三角法虽然应用很广，但存在无法测量物体内部轮廓的致命缺陷。例如，在测量不 仅需要乡 部轮廓数据，还需要内部轮摩数据的一些复杂零件时，这种方法的应用范阉就受到 较大限制。为了解决这一问题，一个很好的方法就是利用c t 扫描和核磁共振( m r ) 技术， 片 c t 和m 砌可直接获取物体的截面数据。日本的n a k a i 和m a r u t a n i 提出用c t 和m r j 扫描数据重构三维数据的算法；而美国的一个c a d 供应商i n t e r g r a p h 已开发了一种能够把 c t 扫描数据转换成i g e s 数据格式输出的软件。但是用c t 和m r i 获取的数据准确度太低， 目前的最小层厚只能达到l m m 。此外，c t 和m r i 的成本高，对运行的环境要求也高，再 加上可测零件的尺寸和材料都有限，因而不可能广泛应用于三维物体轮廓测量。 美国c g i 公司1 开发并申请了一项专利技术：自动断层扫描仪( a u t o m a t i cc r o s ss e c t i o n s c a n n i n g ，a c s s ) 。利用该专利技术开发的r e l 0 0 0 再生工程系统采用材料逐层去除与逐层光 扫描相结合的方法，能快速、准确、自动地测量零件的表面和内部尺寸，这是一个显著的优 点。它的片层厚度最小可达o 0 1 3 r a m ，测量不确定度为o 0 2 5 m m 。与工业c t 相比，价格便 宜7 0 8 0 ，测量准确度显著提高，且实现全自动操作，但是这种方法为破坏性测量，对于 贵重零件，则不宜采用，另外测量速度慢，一般零件的测量时间是8 - 9 小时。 世界上最先进的坐标测量机的发展目标是将多种传感器集成于一体，形成一个优势互补 的测量系统。多传感器信息融合可实现多传感器系统中信息合成，形成对环境某一特征的一 种表达方式，经过集成与融合的多传感器信息能完善地、精确地反映环境特征，j m r i c h a s o n 和k a m a r c h 还从理论上证明了多传感器信息融合系统具有不低于传统的使用单一传感器 系统性能的特点”。将多种传感器和坐标测量机集成于一体，这只是基础，如何实现智能 化的测量，减少人工干预和错误，提高测量速度、精度和稳定性。才是关键所在。c h a r t v h 研究了由立体视觉测量信息提取零件边缘特征，并对孔洞进行模糊识别。但是对于视觉信息 如何指导其它传感器测量，以及多种传感器相互指导测量、互补融合，信息智能集成，并没 深入研究。t z u n g - s zs h e n 8 0 】在由视觉测量信息提取边界轮廓和几何实体信息方面提出一些 精辟见解r 然而在信息智能化集成方面，依然没有深入下去。在国内的研究中，西安交大研 究的智能检测系统”，由于视觉测量不能对接触式测量直接指导，因而没有实现完全智能 塑垩盔兰堡兰些笙苎旦虫些堕堡丝苎型量查鎏婴皇璺型墨竺里! 塑 化的检测。天津大学研究了机器人化柔性自动坐标测量检测系统，用视觉子系统完成工件识 别和定位田i ，在一定程度上提高了检测的效率。由于多传感器融合的应用环境具有复杂多 任务、多目标实时并行和多事竹并发的特点，并且多传感器构成的信息获取和处理系统本身 也具有实时、并行、多任务的特点，目前理论和应用研究都还很不成熟，尚有大量的理论问 题有待解决。 1 2 2 测量点数的确定及其分布 自由曲面数字化是自由曲面设计制造与检测的关键步骤，数字化的实质是在保证要求控 制精度的前提下，如何合理地确定采样点的数量及分布。传统“曲面一曲线一点集一测量点集” 的递归分解方法是实现曲面数字化的基本思路。因为测量的过程是通过测球与对每个测量点 相接触来完成的，因此在检测之前必须确定每个检测面的测量点数及其在检测面上点的分 布。同样从检测效率和测量误差的角度出发，应在满足精度要求的前提下，尽可能地减少测 量点的数量；另一方面，测量点应合理地分布在测量面上，尽可能将测最机的误差对测量结 果的影响减少到最小0 3 , 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 。具体内容包括有： ( 1 ) 测量点数的多少受到测量元素的尺寸大小、检测公差的精度要求和测量机测量精 度大小的综合影响。尺寸大的测量元素应进行多测点测量，尺寸小的测量元素则可以少测点 测量。检测项的精度大小决定了该测量元素在零件的重要程度，测量元素的精度要求高，则 测量的要求就高，要求更全面地反映该测量元素的情况，测量的点数就应该多。测量机的检 测精度高，测量相同元素检测项的测点可以少，而测量机的检测精度低，测量相同元素检测 项的测点就要多。 ( 2 ) 测量点的存在性、可达性主要与工件整体的几何特征和构造工件的几何基本体的 特征及其运算有关，因为在测量之前必须考虑几何基本体的某些面是否存在，即判断所构成 的检测面是存在、部分存在还是不存在，另一方面，如果考虑测头的可达性问题，还需判断 检测面是完全可达、部分可达和不可达，依据以上的分析结果，应在测头可达区域内选取测 量点。 ( 3 ) 测量点的分布也是影响测量效果的重要因素之一。在检测面上按照什么原则分稚 测量点，以使得测量机自身误差的影响最小，即经数据处理后测量机误差对检测结果的影响 最小，并使测量结果尽可能地反映工件的实际。 根据被测零件的形状进行自适应分布是一种比较好的测点分布策略。目前对于如何实现 测点自适应分布，对c a d 模型已知曲面的研究较多，主要有：l ( a m l 2 8 捷出了几何分解方法 完成曲面形状检测的思想，采用“曲面曲线- 点集测点集”的分解次序，实现从曲面到测点 集的分解和曲面评价工作。p a l l k l 2 q 等初步探讨了模具形面检测随曲率变化的布点方法； k o s t e r p o l 的布点准则是曲面的法线沿参数线以常速变化，根据切线方向变化的速率实现了曲 面采样点的自适应分布；“ 3 l j 根据质心模型实现了参数域上依据曲率测度的采样网格规划， 可以自组织地形成拓扑网格；来新民【”】贝0 在“的基础上，以曲面上某一点处的主曲率的几何 平均值为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规划方法 来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点。v a s i l e s c u ”1 等研究了基于运动方程的 结点动态模型曲面网格自适应划分；a h n 【蚓等利用k o h o n e n 提出的神经网络自组织特征识别 浙江大学硕士学位论文 自由曲面接触式测量方法研究与原型系统研制 原理实现了曲面网格的均匀和非均匀网格划分；c h m e n q 【2 3 】对自由曲面的检测点数确定进 行了研究，提出检测点数的计算公式，认为检测点数和设计时给定的公差范围和加t 因素有 关。高国军在文献f 2 4 1 ，提出了检测点按曲率分布的方法，著采用实骏方法给出了在一定的 加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加上曲面对应检测点数量的确定系数。 数学模型未知曲面不可能在c a d 指导- f = 进行数字化采样路径规划，有关此类曲面的数 字化采样规划的研究报道较少。王平江”等提出等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交 互实现非均匀网格的划分，该方法不仅要求已知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧 长；文献【3 5 提出依据传感器的工作范嗣、入射角、采样弧长误差和最小曲率半径确定采样 步艮的方法，该方法没有考虑到曲面倾斜的影响，且由于以曲面最小雎率半径确定扫描步长， 难免使采样工作量加大；yfz h a n g 等【j ”人采用神经网络的方法对采样点数量的确定进行了 研究，该方法的优点是，网络结构和网络参数确定后，适合网络范围采样点数量的计算非常 简单，但网络的使用范围小，仅限于不同的加工方法下一定赢径范围内的圆柱孔，在确定网 络参数时要进行大量的加工实验来形成训练样本；白作霖等p7 i 对基于坐标测量机的自由曲 线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方向后( 手动测量两点) 沿零件某一截面自动扫 摇测量，测量步长设定在一定的范围内初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于 测量方向的变化快慢对步长动态调整。文献 3 8 1 提出一种曲面三角自适应测量方法，其测点 规划类似于程序设计中的“自顶向下，逐步求精”，首先对待测曲面进行等间距均匀粗测， 根据测量结果是否满足精度要求来决定是否作进一步的“求精”测量，该方法充分利用了待 测曲面的几何特性，但对测点的处理比较烦琐，较难实现实时测量。 1 2 3 接触式测量的路径规划 测量路径规划是确定测头在测量空间的运动轨迹，即工件上测量点的检测顺序。目前几 乎所有的测量机都是以检测面作为最小的检测单位，这就要求必须测量完一检测面后，才能 进彳亍下一检测面的测量。基于上述情况。为了提高检测效率和测量精度，在进行路径规划时 就需要考虑下列2 个方面的因素：一是在检测过程中测头和测头变换的次数最少：二是测头 运动的轨迹应最短。 如果只考虑检测路径的距离。印在不考虑测量不同检测点时所使用的不同测头及其方向 的条件下，单纯讨论测头运动轨迹的长短。从表面上看，得到一条最省时的路径，但这将势 必导致测头及测头方向的频繁变换，其中主要的缺点有：首先，改变测头和测头方向肯定要 带来精度上的损失。这将直接违背检测规划的原则，其次测头方向的改变需要时间，另外为 了避免碰撞，还需要将测头运动至一距离工件较远的位置，因此从时间上考虑也不经济。再 有，如果考虑改变测头和测头方向所需要的路径，那么规划的整个路径己不是最优了。 因此，大多数情况下都是在同一测头或同一测头方向下讨论路径规划问题。仅对路径而 言，又包括三个方面内容：检测面内测量点的排序、检测面的测量顺序和检测面之间测量点 的连接问题。三个方面相互关联、相互影响。如果仅单纯考虑检测面内点的排序和检没i 面的 排序，则检测面之间的连接将破坏整体的展优性；同样，如果先确定检测面之间的测量点的 顺序，则对检测面内测量点的排序造成很大影响。 对此问题，f l ，m e r a t c 和c r m r a d a c t ( ”1 只讨论了草个检测面上测量点的觌划问题，即按 一6 浙江大学硕士学位论文 自由曲面接触式测量方法研究与原型系统砷惜0 照就近原则优先确定每个检测面内测量点的顺序。z o n g c h i n g ；f n c h e i n c h u n gc h e n 4 ”在此 基础上增加了细分的算法，即对测量点较多的检测面采用迭代的方法进一步划分成若干个局 部进行讨论。首先，最4 , 1 y e e 近法所获得的结果不一定是最短距离的路径；其次，按照最d , i l 蠢 近法的原理，所得到的一个检测面内的终点是随机的，这更无法保证检测面之间的顺序最优。 细分的方法虽然能够提高计算的速度，但并不能弥补上述两点缺陷。 k a mc h a n l l p g u 4 ”在构造面向对象的路径规划子系统时，没有从路径的角度考虑，而 是从基准出发，先在公差项链表中找出包括基准面的公差项，对它们进行优先检测；再根据 测头和测头方向对检测项分为两个不同优先权的组，作为基准的检测面在高优先权组，其它 的在低优先权组，对不同组中的检测面按测头和测头方向进行分类，由此得到最终的检测面 序列。由于他所讨论的工件是轴系，所以组成二 件的大多数基本儿何元素是圆柱类，检测面 内测量点的排序相应简单了。 另外，c g l u 【4 2 】等人利用基因算法，s t e v e r lm r u e g s e g g e r i 4 a 1 利用神经网络技术，都 取得了较好效果。但是目前测量机软件基本上都以检测面为最小测量单位，不可能简单地对 整个工件的所有测量点进行讨论，另一方面，在检测点较多的情况下，上述算法的计算最也 是相当耗时的，并且还存在算法收敛的问题。 1 2 4 碰撞检查及碰撞规避 对工件进行测量时，必须为测头安排一条合理、可靠的最优路径，使测头的移动不与其 他工件或夹具发生碰撞。此类问题属于空阀布置问题，主要解决两个问题：一是运动的测头 是否与工件或夹具发生碰撞；二是运动物体所走的路径是否最佳。对于测量规划，就是要对 形成的检测路径做必要的碰撞检查，如果发生碰撞，则应利用防碰算法，找出合理的避障点， 确定测头新的防碰路径，以保证检测的顺利完成。 ( 1 ) 碰撞检查。物体的干涉是两个或多个物体的体积占有同一空间。虽然在平面碰撞 问题上已开展了很深入的研究，并提出了很多种最优算法，然而在空间问题上缺少有效算法。 通常物体的干涉检查方法有两大类：静态干涉检查和动态碰撞检查。动态碰撞检查就是沿特 定轨迹移动物体的干涉检测 4 4 , 4 5 , 4 6 1 。 静态干涉检测算法是动态干涉检测算法的基础。根据所用实体表示模型的不同，现有实 体干涉检验算法大致可分为两类：一类算法主要基于工件定义的不同模型。由于工件的模型 大多由b - r e p 和c s g 模型表示，对碰撞的检查主要基于对模型定义中面或几何元素的碰撞检 查，提高算法效率的关键是如何减少被检查的面或几何元素的数量。另一类算法是以层次模 型为基础的a 如e l u 、j n i 录i s m w u 4 7 1 基于八叉树结构采用射线追踪法检测测头与工件 碰撞的问题，此方法的实现比较简单，但所付出的代价是八叉树数据结构的存储量及其查找 时间，对于较复杂工件或者检测精度要求高的工件，存储量和查找时问是非常巨大的。同时 由于层次模型中相邻两层节点的检测过程之间缺乏直接联系，即一个层次上的干涉检验结果 并没有反映出下一个层次节点的状态信息，因此无法对检验过程进行优化以减少不必要的运 算。 动态碰撞检钡i 主要有两类技术。第一类技术称为“单步检测法”，是在给定轨迹上反复 利用静态干涉检测，即在物体移动过程中将轨迹划分为很多时间步，在每个时间步都进行 7 浙江大学硕+ 学位论文 自由曲面接触式测量方法研究与原型系统研制 静态干涉检测，以判定运动的物体之间是否发生碰撞。第二类技术是基于产生称之为“扫描 实体”的物体。这些物体代表了在给定轨迹上移动时物体所占有的体积空间。如果环境中的 物体在它们各自的轨迹上行进时会发生碰撞，那么它们各自的扫描体将会静态干涉。因而， 利用扫描体结合简单的静态干涉检查来对动态碰撞进行测试，这些扫描体的产生是运动学和 实体模型的结合。实体模型具有多种表示方式，主要有构造实体几何模型( c s g ) 和边界表 示模式( b - r e p ) 。 可以看出，应用动态碰撞检查的二种方法，都是将动态碰撞检查变成静态碰撞检查。前 者分为单个时间步，后者化为整个运动过程。在单步检测方法中，时间步的个数将影响到检 测结果的正确性和算法的效率。如果利用过多的时间步，将会耗费大量的计算时间；如果时 间步过少，则会发生漏判或错判现象。而对于利用扫描实体的方法，也同样存在不少缺陷， 一是它不适合丁实时的计算机图形显示，二是此方法缺少单步检测方法所具有的决定碰撞时 间的灵活性。 ( 2 ) 碰撞规避。碰撞规避是两个或两个以上物体的无碰撞运动。解决规避问题的主要 方法有两类：一类方法主要针对在静态环境中某一点的最短路径，这类算法主要应用在2 d 空闯中。另一类方法应用于移动物体的外形空问中，但是这类算法只适用于仅有一个移动物 体的情况，另一方面，所有这些方法都基于静态环境路径的预先计算。可以看到，后一种方 法显然适合于测量过程中的碰撞规避问题，因为在测量中一旦确定了工件的定向和定位，测 量环境不会发生改变，这就避免了耗费大量时间对整个过程重新运行。现在应用比较多的两 种规避算法是外形空间方法和人工势能方法。 外形空间方法是p b w h i t e s i d e s 1 提出的，即移动的物体被缩减到一点，而障碍物按照 移动物体缩小的比例被“生成”或增长。碰撞规避问题保持不变，但移动物体现在能够当作 一点来处理。在“外形物体”方法中，无碰撞路径是通过在初始和目标位置与生成后的障碍 物的顶点之间用直线连接而产生的。 1 9 8 5 年r h a t i 0 ”1 提出利用人工势能来防止碰撞，系统中物体具有一个目标点，然后朝 这个目标点运动。障碍物被排斥力所包围，而目标点吸引着移动物体。当这个移动物体接近 一个障碍物肘，目标点的吸引力和障碍物的摊斥力的台力就施加在这个物体上。当移动物体 接近障碍物时，排斥力增大，它们的合力使得移动的物体在向目标的移动过程中不会与障碍 物发生碰撞。这种方法的一个缺点是，势场函数需要从简单物体的组合来描述障碍物。对于 复杂物体，这种描述就变得大而笨拙。另外，由于作用力是由接近程度来决定的，这种算法 可能导致失败。很明显，此方法将两物体的接近程度作为碰撞的判定依据，这正与接触式测 量的情况相背离。 为了减少碰撞规避中的大量计算，西安交通大学的彭俊松、自作霖等人【5 0 】采用分布式 协同求解技术对简单曲面碰撞问题进行了研究。由于研究对象的特点，将简单曲面的碰撞问 题分为几种碰撞情况，运用多智能主体协同求解、产生式规则推理和人工神经网络模拟退火 算法等多学科综合技术，生成无碰撞的检测路径。由于无法分列出碰撞的不同情况，此方法 并不适用于对复杂工件的检查：另外分布式原理是依靠大规模的硬件设备来降低计算的复杂 度的，这在实际操作中也有相当的难度。 8 - 浙江大学硕上学位论文 自由曲面接触式测量方法研究与原型系统研制 1 2 5 测点数据处理 对测量得到的测点数据进行处理是自由曲面零件逆向工程的关键环节，其处理结果将直 接影响自由曲面模型重建的质量，它主要包括以下几个方面的工作： ( 1 ) 测点噪声处理。在逆向上程中，最简单的噪声去除方法是人机交互，通过图形显 示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点剔除口“，在数据量大时，该方法工作量大，且 容易导致错误的结果。对数据进行噪声剔除，已有大量的方法可供采用，例如弦高误差法、 程序判断滤波、n 点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波法 等，这些方法在滤除干扰信号和随机误差方面都取得了较好的效果。 ( 2 ) 多视拼合。在实际工程中，经常要测量被测件的全部轮廓，通过一次装夹完成工 件的整体测量是困难的。通常需对待测工件重新定位，以另一有利的角度或者方向获取t 件 不同方位的表面信息。为保证测量数据的合理性及完备性，需对多视图进行归一化。常见的 方法主要有点位法、固定球法以及平面法p 。对多视重叠数据如何有效及合理融合是一个 难点。 ( 3 ) 数据分块。通常曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，对测量数据的整体曲 面拟合一般不能得到理想的结果，需采用分片曲面的拼接来形成理想的曲面模型。对数据进 行分块，可将复杂的数据处理问题简化，使后期的曲面局部修正变得方便灵活，有利于提高 精度。曲面分块技术主要有基于边和基于面的方法p 。基于边的方法是首先根据数据点的 局部几何特性在点集中检测到边点，然后进行边点的连接、拟合，无法检测到光滑过渡的交 接溶易产生对边缘点的错误跟踪，不能完全保证构成封闭的边缘：基于面的方法是根据面 的某些特征参数及预设的曲面类型确定属于一个面的所有数据点。基于面的方法使用大多数 数