（机械电子工程专业论文）基于proe的反求工程理论在产品开发中的应用研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 当今世界，科技发展突飞猛进，各种先进制造技术层出不穷。在众多的先 进制造技术中，反求工程技术以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越重要 的作用，成为现代产品开发的支撑技术之一。基于反求工程技术的产品开发必 须依据原型或实物，在这种情况下，首先利用先进测量方法对实物进行三维数 字化处理，借助专用的曲面重构软件和c a d 系统反求出实物的c a d 模型，然 后再按照传统的制造流程生产出原型或产品。这种基于原型或实物的反求设计 技术因其快捷的开发方式，极大地缩短了产品的开发周期，因而在设计和制造 领域有着广泛的应用前景，因此，本课题的研究内容在工程实践中有着重要的 理论意义和应用价值。 本文以制造业为背景，以实现反求工程理论在产品开发中的实际应用为目 标，对反求工程理论中的数据采集、c m m 系统组成与测量方式、曲面重构等 关键技术进行深入的研究，并在p r o e ( w i l d f i r e ) 软件平台环境下，以实际产 品零件为研究对象，实现了反求工程理论的实际应用。 本文的主要研究内容包括以下几个方面： 分析各种接触式及非接触式三维数据获取方法； 研究影响三坐标测量机测量精度的因素弗提出减少干扰的措施； 选取三坐标测量机测头和测量步距并规划测点路径； 建立自由曲面的重构算法并完成基于p r o e 的曲面重构技术研究。 关键词：反求工程，三坐标测量机，数据采集，曲面重构 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，t h et e c h n i c a ld e v e l o p m e n tp r o g r e s s e sb yl e a p sa n db o u n d s ，v a r i o u s a d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e se m e r g eo n ea f t e ra n o t h e ri n c e s s a n t l y i nm a n y a d v a n c e dm a n u f a c t u r e st e c h n o l o g i e s ，r e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yp l a y st h em o r e a n dm o r ev i t a lr o l eb yi t su n i q u es u p e r i o r i t yi nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n t ，a n d b e c o m e so n eo ft h em o d e mp r o d u c td e v e l o p m e n tk e yt e c h n o l o g i e s b a s e do n r 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 , p r o d u c td e v e l o p m e n td e p e n d so nt h ep r o t o t y p eo r t h em a t e r i a lo b j e c to ft h e p r o d u c t a c c o r d i n g t ot h i s s i t u a t i o n ，t h ea d v a n c e d m e a s u r i n gt e c h n i q u ec a r r i e do nt h r e ed i m e n s i o n a ld i g i t i z e dp r o c e s s i n gt ot h e m a t e r i a lo b j e c ti su s e df i r s t , b ym e a n so fc a d s y s t e ma n ds o m es p e c i a ls o f t w a r eo f c u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，r e c o n s t r u c t sc a dm o d e lo ft h em a t e r i a lo b j e c ti s e s t a b l i s h e d ，t h e nt h ep r o d u c to rt h ep r o t o t y p ei sp r o d u c e da c c o r d i n gt ol x a d i t i o n a l m a n u f a c t u r i n gf l o w t h i sk i n do 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 yb a s e do nt h e p r o t o t y p eo rt h em a t e r i a lo b j e c to fp r o d u c t ，r e d u c e st h ep r o d u c td e v e l o p m e n tp e r i o d e n o r m o u s l y , t h u sh a st h ew i d ea p p l i c a t i o ni np r o d u c td e s i g n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g , t h e r e f o r e ，t h i st o p i cr e s e a r c hh a st h ei m p o r t a n tt h e o r ys i g n i f i c a n c ea n dw i d e a p p l i c a t i o ni ne n g i n e e r i n gp r a c t i c e t h i sd i s s e r t a t i o nt a k e sm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r ya st h e b a c k g r o u n d ，t a k e s e n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt h e o r yi nt h ep r o d u c td e v e l o p m e n ta s t h er e s e a r c hg o a l ，t h o r o u g ht h er e s e a r c ha b o u ts o m ee s s e n t i a lt e c h n o l o g i e so fr e v e r s e e n g i n e e r i n gs u c ha s d a t ag a t h e r i n g ，c m ms y s t e mc o m p o s i t i o na n dm e a s u r i n g m e t h o d ，c u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n ds oo n a n db a s e do nt h es o f t w a r e p l a t f o r m e n v i r o n m e n to f p r o e ( w i l d f i r e ) ，t h ea u t h o rh a s r e a l i z e da na c t u a l a p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt h e o r y t h i sd i s s e r t a t i o ni n c l u d e sf o l l o w i n gc o n t e n t sm a i n l y ： t h em e t h o do ft r i _ d i m e n s i o n a ld a t a a c q u i s i t i o n i nc o n t a c t t y p ea n d n o n c o n t a c tt y p em e a s u r i n gm a c h i n ei sa n a l y z e d t h ef a c t o r st h a ta f f e c tt h ea c c u r a c yo fc m ma r ed i s c u s s e da n dt h em e t h o d o fr e d u c i n gt h i si n t e r f e r e n c ei sp u tf o r w a r d cmm p r o b e a n di t s m e a s u r i n gi n c r e m e n ta r es e l e c t e d ，a n dt h e ni t s m e a s u r i n gt r a c ki sp r o g r a m m e df o rr e d u c i n gm e a s u r i n ge l t o r s h 武汉理工大学硕士学位论文 b a s e do nt h ep r o e ，r e c o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h ef r e e f o r ms u r f a c ei sp u t f o r w a r da n dc u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yi sr e s e a r c h e d k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，c m m ，d a t ac o l l e c t i o n ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 1 1 1 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 反求工程的概念及特点 第一章绪论 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是一门迅速发展起来的新技术。通过常规 工程把工程概念和模型转变成真实的零件，而通过反求工程则可以将真实的零 件转变为工程概念和模型【”。目前，这种以实物样件为基础的产品建模方法已 发展为( a d c a m 中的一个相对独立的范畴。反求工程可以定义为“针对消化 吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的结合。它是以先进产品设备的实 物、软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 作为研究 对象，应用现代设计方法学原理、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、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产 品 2 1 ”。从上面的定义可以看出，反求工程不仅仅是简单地再现产品原型，而是 要进一步改进、提高产品原型。其概念如图1 所示。 萋；耀燮黪蔫镌懿 图1 反求工程的概念 反求工程的特点是1 2 】f 3 】： 缩短产品的设计、开发周期，加快产品更新换代速度。 降低企业开发新产品的成本与风险。 加快产品的创新与多样化发展。 适合于单件、小批量的零件的制造，特别是模具的制造。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 反求工程在工业领域的应用 反求工程的需求范围很广，其主要用于以下几个方面p 1 1 4 j ： 1 新产品开发和产品改型设计：在汽车车身的初步设计中，通常是用木模、 油泥做成模型，这样易于设计师创作和修改，一旦定型，就可以采用反求工程 的方法将其转化为c a d 模型，然后进行放大、缩小等处理f 进而将其c a d 模 型用于制造。当零件制成后，如果需要重新修改，可在零件修改定型后，采用 反求工程技术重构其c a d 模型并更新其相应的数据库。 2 产品仿制：在缺乏产品工程图纸和c a d 文件情况下，可利用反求工程 技术重构其c a d 文件，再利用此c a d 文件生产同类产品。采用反求工程的产 品仿制和传统产品仿制的区别在于，采用反求工程的方法可以重构出更为复杂 的产品模型，而传统的仿制只能限于简单的产品外形的处理。 3 质量检验：反求工程方法是由产品检验技术发展而来的，现在又反过来 促进快速质量检验技术的发展。产品的实际制造外形是否达到设计标准，其误 差的大小等都需要采用反求工程的工作流程加以检验。 1 3 反求工程研究的现状与发展趋势 1 3 1 研究现状 作为一种新产品开发的主要手段，逆向工程的研究正受到广泛的重视，一 些重要的国际和国内的学术会议都将逆向工程及相关技术的讨论作为一项重要 的会议议题。例如g e o m e t r i cm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n gs e r i e s 、i e e et r a n s a c t i o n s o ni m a g e a n a l y s i sa n dm o d e l i n g 、s i g g r a p h 和s p i e 等会议1 5 1 。著名的c a d 杂 志也在1 9 9 7 年编发了一个逆向工程研究专集。目前逆向工程已发展为 c a d c a m 系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图 像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。除了机械领域外，三维测量、 模型重建技术还用于医学、地理、考古等领域的图像处理和模型恢复。 目前国外根据逆向工程已经成功开发出几种用于工业领域的反求工程系 统，更多的反求工程系统也正处于研究和开发之中。e v a n s 描述了种用于机 器零件识别的反求工程系统，该系统可以用来检测零件的尺寸和偏差，以标准 的i g e s 格式产生3 d 线框模型，并可以将其输出到各种c a d 系统中。但该系 统只限于重构由简单平面所构成的线框模型1 6 1 。k w o k 开发的反求工程系统是将 2 武汉理工大学硕士学位论文 c m m 与a u t o c a d 图形软件包结合起来，每一个测量点由c m m 进行数字化， 程序记录有关的数据值，并将其自动地转换为i g e s 格式。系统具有实时可视 化功能，但它仍以线框图形的形式来表达模型，不含有任何实体信息【7 】o 还有 一些类似的反求工程系统，例如，d v o r a k 开发的反求工程系统，用于仿制空军 部门淘汰下来的旧零件，并可以用来替换模具的制造1 8 】。t o l e d o 大学开发的一 种用于反求工程的特殊的软件系统，利用c m m 进行测量，并将采集数据点和 拟合功能集成在同一台计算机上，实时地控制c m m 9 1 。m o t a v a l l i 等人开发的 反求工程系统，在数据采集阶段综合运用了接触式和非接触式两种测量方式； 在非接触测量阶段，可视系统摄像机首先摄入零件的图像，图像经过处理后， 以2 d 线框形式画出物体的轮廓边界，用于第二阶段的扫描处理，以生成n c 代码：然后用这些n c 代码驱动接触式扫描探头，从物体表面上获得更精确的 数据点【1 m 。 与国外相比，国内的有关研究起步晚，经费投入少，限制了高水平研究的 开展，创新性的研究成果不多。在国际学术界，还没有形成较大的影响力。国 内比较早从事反求工程研究的单位多为高等院校，其中较有代表的是西安交通 大学c i m s 中心的面向c m m 的反求工程测量方法和基于线结构光视觉传感器 的光学坐标测量机的研究【1 l 】、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自 动建模技术【1 2 】、浙江大学生产工程研究所的三角网格面片建模【1 3 】和华中科技大 学的曲面狈9 量等【1 4 1 1 5 】。 在有关的应用研究上，已经涌现出一批商业反求工程c a d 软件，比较常 用的有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 和i c e m 公司的i c e ms u r f 等。国 内，自主开发的商用反求工程软件仅仅有浙江大学生产研究所的反求工程c a d 软件r e - s o f t 和西北工业大学的实物测量造型系统n p u - s r m s 。由于缺乏自 主版权的c a d c a m 软件的支撑，而且反求工程的上游测试设备和下游应用软 件( c a d c a m ，c a e ) 基本为国外产品，使得国产反求工程软件在设备接口、 数据转换和工程应用上一直滞后于国外反求工程商用软件，在应用市场竞争上 处于劣势。 1 3 2 发展趋势 由于市场的需求，近年来有关反求工程的研究和应用更加引人注目。目前， 在数据处理、曲面片拟合、规则特征识别、专业商业软件和三维扫描仪的开发 武汉理工大学硕士学位论文 等方面已取得较为明显的进展。但在实际工程应用中，整个实施过程仍需进行 大量的人机交互，操作者的经验和素质严重地影响着产品的质量，产品造型设 计中的自动重建曲面的光顺性难眺保证。因此，反求工程技术依然是目前 c a d c a m 领域一个十分重要的研究内容，在今后研究中以下一些关键技术值 得特别关注【5 j ： 数据测量，例如发展面向反求工程的专用测量系统，高速、高精度地 实现实物外形的数字化，并能对其进行路径规划和自动测量。 数据预处理，例如研究适应不同的测量方法和后续用途的离散采集点 数据预处理技术。 拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行曲面的光滑拼接。 基于特征和约束的模型重建技术，复杂组合曲面的识别和创建方法。 集成技术，例如发展基于集成的反求工程技术，包括测量技术、基于 特征和集成的模型重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术 等。 1 4 课题研究的意义、目的和内容 1 4 1 研究的意义 当今世界，科技发展突飞猛进，各种新技术、新产品层出不穷。世界市场 竞争的日益激烈，产品的生命周期越来越短，因此，现代市场对制造业提出了 更苛刻的“t q c s ”要求，即以最短的产品开发周期( t i m e ) 、最优的产品质量 ( q u a l i t y ) 、最低廉的制造成本( c o s t ) 和最好的技术支持与售后服务( s e r v i c e ) 来赢得市场与用户【1 6 11 1 7 1 i 堋。为了迎接挑战，各种先进的设计思想和制造方式 应运而生。例如产品设计制造从串行方式发展到采用并行工程( c e ) 方式，进 而发展为产品快速反馈设计和快速产品开发( r p d ) ，在这许多的先进制造技术 中，反求工程技术以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越重要的作用，成 为r p d 的支撑技术之一。 在很多情况下，产品并非来自设计概念，而是起源于原型或实物，在这种 情况下，必须对实物进行数字化处理( 即数据采集) ，获得其三维离散数据，经 过处理后，利用这些处理的结果进行曲面重构，然后借助c a d c a m 系统构造 实物的c a d 模型，再输出n c 加工指令驱动c n c ，或输出s t l 文件驱动快速 成型机制造出该产品或原型。 4 武汉理工大学硕士学位论文 这种基于原型或实物的反求设计技术因其快捷的开发方式，极大地缩短了 产品的开发周期，因而在设计和制造领域有着广泛的技术需求，因此，本课题 的研究在实践中有着重大的理论意义和应用价值吼 1 反求工程c a d 建模技术是提高我国制造业产品开发能力的重要手段。 在资金相对短缺、技术相对落后的情况下，赶超先进产品，提高产品的市场竞 争力，迫切需要对国际上的同类先进产品进行引进、消化、吸收和改进，实现 产品开发和技术创新。而反求工程技术正是实现这一需求的重要手段。反求工 程对提高企业的新产品自主开发能力和产品在全球市场的竞争力具有极其重要 的作用。 2 反求工程c a d 建模技术与模具制造技术相结合，可拓宽技术手段，缩 短产品的设计开发周期，降低成本。如果在模具制造业中采用反求工程技术， 在同样条件下，可使成本和周期分别减少1 2 ，例如t e x a si n s t r m e n t 公司 采用该技术后，在一个零件中就平均节约了3 0 美元的开支；c h r y s l o r 汽车 公司采用该技术开发发动机机体，节约了6 个月的开发时间；美国p r a t t s c w h i t n c y 公司快速制造了2 0 0 0 个铸件，按常规方法约需7 0 0 万美元，而采用 此项技术只用了6 0 多万美元，而且生产时间节约了7 0 9 0 。反求工程技术 正以其独特的优势在产品开发中发挥着越来越大的作用。 3 反求工程c a d 建模技术在工业新产品设计中有着不可替代的作用。凡 包含自由曲线曲面的产品，其设计建模过程由于三视图表达上存在困难只能采 用实体方式建模，这就不可避免存在反向建模过程，这种由离散点数据进行三 维重构的c a d 模型造型生成方式在生产实践中大量存在，制造业对此有着巨 大的需求，这也促使了反求技术在制造业中的快速发展。 同时，通过本文的研究和具体实例分析与应用，可对江汉大学c a d 培训 中心的教学培训i 起到一种借鉴作用。这样，不仅可以充分利用有限的实验设备， 而且可以使学生对这种先进的反求工程c a d 建模制造技术有一个感性的认识 和实践机会。 1 4 2 研究的目的 本文以制造业为背景，以实现反求工程理论在产品开发中的实际应用为目 标，对反求工程理论中的数据采集、c m m 系统组成与测量方式、曲面重构等 关键技术进行深入的研究，并基于p r o e ( w i l d f i r e ) 软件平台，以实际零件为 研究对象，实现了反求工程理论的实际应用。 5 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 3 研究的内容 学位论文包含六章，主要内容如下： 第一章主要介绍反求工程的概念、特点；说明反求工程的应用领域；分析 其现状及国内外发展趋势。最后介绍了本课题研究的意义和主要工作。 第二章介绍反求工程中常用的接触式和非接触式三维数据采集设备，对各 种设备的数据采集的原理、方法和优缺点进行了详细的对比分析比较。分析温 度、湿度、振动等常见因素对测量结果的影响，并提出减少这些影响因素干扰 的措施。 第三章对本文采用的北京南航立科机械有限公司生产的n h l 一型水平 臂移动式三坐标测量机的测量系统主机结构和软件系统进行了分析，并对该设 备在实际测量过程中的数据采集、测头半径选择、编程模式和数据交换格式选 择等方面进行了研究。 第四章对曲面重构技术进行了研究，对其中三种主要的曲面重构方法进行 了重点介绍。并对曲面重构技术的发展趋势进行了论述。最后对曲面重构常用 软件的反求功能和优缺点进行了对比分析比较。 第五章在分析基于p r o e 的曲面重构方法的基础上，以汽车仪表盘面板为 研究对象，在p r o e 软件平台环境下，完成了点数据的采集和处理、曲面修补 与对齐、曲面分析等工作，最终实现了该产品的反求设计任务。 第六章为全文的总结和展望。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 三维数据的采集方法 第二章数据采集 对研究对象的三维数据采集是实施反求工程的第一步，也是十分关键的一 步。因为，采集得到的实体三维数据质量的好坏，直接关系到整个反求过程的 成败。如果没有高质量的有用采集数据，后续的反求工作程序，例如数据处理、 曲面重构及实体生成等步骤就难以继续，从而使得整个反求任务失去了意义 【1 9 l 。 2 0 世纪8 0 年代以来，随着计算机、传感、控制等相关技术的快速发展， 出现了各种各样的三维数据采集方法。按照与被测对象表面是否接触，可以将 它们分为两类【捌：即接触式测量和非接触式测量。图2 1 中列举了主要的三维 数据采集方法。 图2 1 三维数据的获取方法分类 7 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 1接触式三维数据采集设备 c m m 是一种应用最广泛的三维数据获取设备。经过3 0 多年的发展，作为 种高精度的几何量测量手段它已经广泛应用于机械制造、电子、汽车、和航 空航天等领域。它可以进行零部件的尺寸、形状及相互位置的测量，例如箱体、 导轨、涡轮和叶片、凸轮等空间型面的测量。此外，还可应用于划线、定中心 孔、光刻集成线路等方面，并可对实体进行三维扫描，拟合出实体的曲线曲面， 进而应用到反求工程之中。 作为现代精密仪器c m m 可方便的进行空间三维尺寸的精确测量，其主要 优点是【2 1 】【2 2 】： 1 通用性强，除了不适用于软物体之外，对被测实体的材质、色泽无特殊 要求。可方便的测量出各种零件的三维轮廓尺寸和位置精度，且测量效率是传 统测量方法不可比拟的。表2 1 列出了c m m 与传统测量方法的效率对比。 表2 1c 删测量与传统测量方法效率对比表 2 测量精度高。目前高精度的坐标侧量机的单轴精度每米长度内可达0 5 i lm ，三维空间精度可达1 um 一2 1 1m 。对于在一般车间内使用的坐标测量机， 每米测量精度单轴也达到了3um 4 l lm 。 3 可方便的进行数据处理与程序控制。 8 武汉理工大学硕士学位论文 4 可与数控机床和加工中心配套组成生产线或柔性制造系统，促进了自动 生产线的发展。 但c m m 一般价格较高，对使用环境要求高，与其它方法相比较测量速度 较慢，测量数据密度较低，这些缺点在一定程度上限制了它在反求工程中的应 用范围。 2 1 2 非接触式兰维数据采集设备 非接触式三维数据获取设备主要是利用某种与物体表面发生相互作用的物 理现象来获取实体的三维信息。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，例如激光线结构光扫描、投影光栅法、数字照相系统等 方法。近几年，层切法、计算机断层扫描( c d 法是新发展起来的两种方法，这 两种方法可以对具有孔及内部形腔的实体进行测量【矧。非接触式测量由于受到 测量介质和控制的影响，其测量精度与接触式相比有一定的差距，但由于它在 测量过程中与被测实体不接触，且测量速度快，甚至还可以测量到实体内部轮 廓，所以非接触式测量方法在一些领域正在受到人们的重视。 非接触式测量方法主要有以下几种【2 4 1 1 2 s l ： 1 激光线结构光扫描 这是一种基于三角测量原理的主动式结构光编码测量技术，也称为光切法 ( l i g h ts e c t i o n i n g ) ，通过将一激光线结构光投射到三维实体上，利用c c d 摄取 实体表面上的三维变形线图像，即可解算出相应的三维坐标。每个测量周期可 获取一条扫描线，实体的全轮廓测量是通过多轴可控机械运动辅助实现的。相 对于激光点扫描法、投影光栅法和激光线结构光扫描法，它在测量精度和测量 速度上都较理想。目前市场上已商品化的激光线结构光扫描测量系统有【2 6 1 ： 英国3 ds c a n n e s 公司r e v e r s e 激光测头 日本m i n o l t a 公司v i v i d 7 0 0 台湾智泰公司l s h 四轴激光扫描系列设备 这些设备的扫描速度可达1 5 0 0 0 点，秒，价格适中，对测量对象型面的光学 特性要求不高。可根据被测对象及实际需要选择点测量、线测量、平面扫描、 双面扫描、四面扫描、回转扫描等多种测量方式。 2 投影光栅法 这是一种主动式全场三角测量技术，通常采用普通白光将正弦光栅或矩形 光栅投影于被测实体表面上，根据c c d 摄取变形光栅图像，然后根据变形光 9 武汉理工大学硕士学位论文 栅图像中条纹象素的灰度值变化，解算出被测实体表面的三维坐标。这类测量 方法具有较高的测量速度和精度，是近年来发展起来的一类较好的三维传感技 术。 近年来，由于在分区域测量技术上的进展，使得投影光栅法的测量范围扩 大，精度得到进一步提高，现在已有较为实用的系统面世。例如德国g o m 公 司的a t o s 流动光学三坐标测量系统，它采用矩形光栅投影，测量数据的加密是 通过一组空间频率为整倍数的矩形光栅的分时投影测量实现的，其测量速度大 于4 3 0 0 0 点，秒，单帧精度为4 - 0 0 3 m m m ，整体测量精度好于0 1 m m m 。 3 数字照相系统 在相当长的一段时间内，许多三维非接触式测量工作都涉及到被动式三角 测量，三维信息的获取是基于图像分析的方法，它的主要应用领域是航空测量、 卫星遥感、机器人视觉等。军事方面的三维场景分析，它对被动式测量有较大 的需求，因为这种场合下采用主动式测量是不现实的。 典型的被动测量法是立体视觉法( s t e r e od i s p a r i t y ) ，所谓视觉就是实体表面 同一点在左右图像中成像点的位置差异，根据左右图像成像点位置就可以解算 出实体上对应点的三维坐标。由于近年来在半导体光电器件方面有较大的突破， 使得生产高分辨率的数字照相系统成为可能，目前，佳能、索尼等大公司都已 经生产出8 0 0 万象素以上的数码相机。高分辨率数码相机已用于三维测量中。 这种测量方法的主要问题是多幅图像上同名点的搜索及自动匹配较为困难，通 常求取同名点的方法有： 依据被测实体上人工的或固有的特征点( 例如角点，局部灰度极值点等) 在各个视角方向的图像中对形态的相似性进行匹配。 利用窗口或模板求对应点。 需要指出的是“盲区”问题是光学三角测量的共性问题，激光扫描法、投 影光栅法以及立体视觉法都无法回避这个问题。根据双目视觉互补及光线的可 逆性原理，引入双c c d 对称姿态摆放测量方案或多视测量，能够在较大程度 上消除测量“盲区”，但对实体内腔的测量上它仍无能为力。 4 层切法 层切图像法可用于测量实体截面轮廓的几何尺寸，其工作过程如下： 将待测实体用专用树脂材料( 例如填充石墨粉或颜料) 完全封装，待树脂固 化后，把它装卡到铣床上，进行微吃刀量平面铣削，结果得到包含有实体与树 脂材料的截面，然后用数控铣床控制工作台移动到c c d 摄像机下，位置传感 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 器向计算机发出信号，计算机接受到信号后触发图像采集系统驱动c c d 摄像 机对当前截面进行采样、量化，从而得到三维离散数字图像。由于封装材料与 实体截面存在明显边界，利用率波、边界提取、纹理分析、二值化等数字图像 处理技术进行边界轮廓提取，就能得到边界轮廓图像。通过物一像坐标关系的 标定，并对此轮廓图像进行边界跟踪，便可获得该实体截面上各轮廓点的坐标 值。每次图像摄取与处理完成后，再采用数控铣床把待测实体铣去很薄的一层 ( 例如0 1m m ) ，又可以得到一个新的横截面，并重复前述的操作过程，就可以 得到实体上相邻很小距离的另一个截面轮廓的位置坐标。层切法可对有孔或内 腔的实体进行测量，不足之处是这种侧量方法是破坏性的，即它是不可逆的过 程。 5 计算机断层扫描( c o 法 计算机断层扫描技术中最具代表性i 拎是基于x 射线的c t 扫描机，它是以 被测实体对x 射线的衰减系数为基础，用数学方法经过计算机处理而重建断层 图像，这种方法最早应用在医疗领域，目前它已经开始在工业领域中使用( 即所 谓“工业c t ”) ，并特别针对具有内部型腔的实体的无损三维测量。这种方法 可对物体的内部形状、壁厚进行检测，但由于开发应用的时间较短，现在仍然 存在一些不足。例如空间分辨率较低，数据采集时间较长，重建图像时计算量 较大，而且只能获得一定厚度截面的平均轮廓等。 2 2c m m 测量误差常见影响因素和预防措施 三坐标测量机属于复杂测量系统，其测量性能很大程度上依赖于使用环境。 例如，温度、湿度、振动等因素的变化都会对测量结果产生影响。本文通过具 体试验，并参考相关资料，对上述各影响因素进行了分析，并总结出减少这些 影响因素干扰的具体措施。 2 2 1 常见影响因素分析 影响c m m 测量误差的常见因素主要有以下几方面f 硐网【2 8 j ： 1 温度 在各种影响因素中，c m m 工作的环境温度是最重要的，因为几乎所有的 工程材料都随温度热胀冷缩。也就表明温度的高低、空间分布以及温度随时间 的变化对测量机的零部件和被测实体的尺寸形状都有较大的影响。 武汉理工大学硕士学位论文 热量一般是通过对流、传导、辐射三种方式交换，在测量过程中发现下列 热交换会使测量机内的温度分布发生变化，应当尽力使之减少： ( 1 ) 对流的影响：各种设备的通风装置通过空气对流与空调系统不合理的气 流造成的热转移。例如：空调的风口不能直接正对c m m ，并且在工作前，应 当将环境温度调整到c m m 的规定温度要求，并尽量保持其稳定。 ( 2 ) 辐射的影响：测量机与其环境之间通过辐射而造成的热交换不仅与它直 接相邻的设备有关，而且与整个实验室的总体温度分布有关。空气通道、外墙、 窗户、天花板和地板的温度变化实际上比大家所认为的要大。在这里要特别提 出的是照明的重要性。三坐标测量机必须要避开太阳的照射和灯光的直接辐射。 最低要求也要保证热辐射为一常量。 ( 3 ) 传导的影响：三坐标测量机与其它物体直接接触会产生热传导，要注意 地基与被测实体这两个主要热源是否会产生热传导。 除此以外，c m m 工作的环境温度对系统工作的时间也会产生影响。本课 题采用的北京南航立科机械有限公司生产的n h l 一型水平臂移动式三坐标 测量机的工作环境温度要求为i o c 4 0 6 c ，环境温度对系统工作的时间的影响 如表2 2 所示。 表2 2 环境温度对c d m 测量系统工作时间的影响 环境温度 计算机主机数显系统 1 0 2 5 连续 连续 2 5 3 0 8 小时连续 3 0 3 5 4 小时 2 4 小时 3 5 4 0 4 小时8 小时 2 湿度 湿度过高会使测量机和附属设备受到腐蚀，影响其精度。在日常的使用中 人们的一些举止容易被忽略，但它们的危害很大，例如： 人们的呼吸具有的湿度( 相对湿度) 是1 0 0 ，会引起水气的凝结。 对大部分的工程材料，人的指印都有侵蚀作用。 反过来，湿度太低会造成静电荷的增长。静电荷能吸引尘粒，特别是在以 微小的测量力探测实体时会使精度下降。另外，如果空调使室内空气过分干燥 也会使人感到不舒服。 3 尘土和污物 武汉理工大学硕士学位论文 在探测力的作用下，尘粒、测球与被测实体上的油渍等能被部分的挤走， 这取决于它们的数量、大小和分布。它们也会对测得的坐标值产生影响。 4 振动 在周围各个振源的激励下，三坐标测量机的基础可能产生运动。这些运动 可以是连续的振动，也可能是断续的冲击，或者是两者的综合。另外，声波振 动或气流的脉动也可能成为影响测量精度的因素。因为这些运动和力会引起测 头、测量机各轴的测量系统和被测实体之间的相对位移。 5 压缩空气供应 三坐标测量机的空气轴承和空气弹簧隔振装置必须正常工作。失压将导致 气垫与导轨表面接触，这就意味着产生摩擦、滞后与磨损。而压力太高会使轴 承的振动加剧，在沉重的机框和工作台位移的激励下，整个机器可能处于颠簸 状态，这对测量是极为不利的。水、油及钢管锈蚀产生的尘粒对空气轴承和空 气弹簧隔振装置的性能都有一定损害。 2 2 2 预防措施分析 通过上述测量分析，可以归纳总结出以下措施有效降低外界对测量精度的 影响f 2 6 】l 勰】： ，1 被测样件应在测量室里恒温放置8 小时以上，使其与测量机的温度基本 保持一致，保证热变形最小，另外使用温度补偿软件可进行自动补偿，也降低 了测量时的一部分误差，保证了测量精度。 2 被测实体在测量之前应该用酒精等溶剂彻底擦拭干净，从丽减少被测实 体表面的灰尘、污物对测量精度可能产生的影响。 3 本课题中的三坐标测量机是放置在专业试验室中的，如果对实验室内的 温度、湿度能进行较好的控制，可以有效防止尘土或其它物质的污染。 4 由于尘土与污物是随时间积聚的，所以测量机的气浮轴承、导轨要定期 清理。 5 从防震角度考虑，恒温试验室的地点应尽可能处在远离产生振动的机器 ( 例如锻压机、冲压机等) 和交通繁忙的区域( 例如铁路、交通繁忙的道路) 。干沙 地基比湿的、重的土壤或石块有更好的振动阻尼性能。支撑测量机的地基应当 与建筑的其它部分地基分开，并且谐振频率不应低于1 0 h z ，这是因为较高频率 的振动是比较容易抑制的，但低频振动却难以抑制。为了达到此要求，本课题 中使用的三坐标测量机放置在高硬度混凝土地板之上。 武汉理工大学硕士学位论文 6 需要特别指出的是，人为因素给测量带来的影响比想象的要大。在于测 量仪器相邻的区域内，所有质量较大的物体都应平稳的放下，实验室的门也要 轻开轻关。 2 3 本章小节 本章介绍了反求工程中常用的接触式和非接触式三维数据采集设备，对各 种设备的数据采集的原理、方法和优缺点进行了详细的分析比较。分析了温度、 湿度、振动等常见因素对测量结果的影响，并提出减少这些影响因素干扰的具 体措施。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章c m m 系统组成与测量方式分析 如前所述，用于三维数据的采集设备种类繁多，特别是非接触式数据采集 设备的发展迅速，在许多领域的应用也越来越广。但是，这种非接触式数据采 集设备一般应用于某种特定的场合。例如： 为了获得实体的内部型腔数据。 实体表面比较柔软，易于产生受力变形而无法使用接触式数据采集设 备。 由于被测实体的特殊性，例如在文物的复原上，不应采用接触式设备 进行测量，为有地保护文物的完整性，避免文物产生不可挽回的破坏 性损伤。 而在这些三维数据采集设备中，以三坐标测量机为代表的接触式数据采集 设备的发展最为成熟，它广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空航天等领域 中。日前，国内外三坐标测量机的研发和生产正迅速发展。国外著名的生产厂 家有德国的蔡司( z e i s s ) 和莱茨( l c i t z ) 、意大利的d e a 、美国的布朗一夏普( b r o w n s h a r p c ) 、日本的三丰( m i t u t o y o ) 等公司。我国自7 0 年代开始引进研制三坐标 测量机以来，在研发和生产方面也有很大的发展。我国的主要生产厂家有中国 航空精密研究所、北京南航立科机械有限公司、青岛前哨朗普测量设备有限公 司、上海机床厂、北京机床研究所、哈尔滨量具刃具厂、昆明机床厂和新大光 学仪器厂等。现在我国己具有年产几百台多种型号的三坐标测量机的能力，并 且在不少企业得到应用和推广。由于三坐标测量机通用性强、测量范围大、精 度高、效率高、性能好，而且能与柔性制造系统相连接，己成为企业重要的大 型精密测量仪器。 c m m 具有以下优点【冽： 通用性强，可实现空间坐标点位的测量，能够方便地测量出各种零件 的三维轮廓尺寸和位置精度。 测量精确可靠。 可方便地进行测量数据处理和测量过程控制。 鉴于以上原因，作者在课题研究中采用北京南航立科机械有限公司生产的 n h l 一型水平臂移动式三坐标测量机作为测量数据获取设备。 武汉理工大学硕士学位论文 3 1c m m 测量系统组成 c m m 和数控机床一样，其结构布局有立式和卧式两类。立式c m m 通常 具有龙门式结构，卧式c m m 具有悬臂结构。两种结构形式的c m m 根据其尺 寸规格的不同，又有小型台式和大型落地式的不同类型。c m m 一般由安放工 件的工作台、立柱、三维测量头、位置伺服驱动系统、计算机控制装置等部分 组成。c m m 的工作台、导轨、横梁等部件通常采用高质量的花岗石制成。花 岗岩的热稳定性和尺寸稳定性好，强度和刚度高，表面性能优良，结构完整性 好，校准周期长( 两次校准的日期间隔) 。c m m 采用实心钢筋混凝土的安装地基， 对抗振性能要求较高。有些c m m 能自动保持水平，采用抗振气压系统，能有 效地减少机械振动和冲击。下面对作者在研究中采用的c m m 测量系统的组成 进行分析。 3 1 1 主机结构 n h l 一型水平臂移动式三坐标测量机属于典型的移动桥式三坐标测量 机，它结构简单、紧凑、刚度好，具有较开阔的测量空间。工件安装在固定的 工作台上，它的承载能力强，工作质量对测量机的动态性能没有影响，这种移 动桥式结构是目前使用较为广泛的一种结构形式。其具体结构为：花岗石工作 台上装有移动桥，移动桥沿右侧导轨运动，形成x 坐标轴，x 轴采用单边驱动； 滑架沿横梁上的导轨运动形成y 坐标轴；z 轴在滑架内的上下运动形成z 坐标 轴。 1 运动部分 x 轴、y 轴、z 轴主轴套都在预应力空气轴承上滑动，三个坐标轴均由直 流伺服电机驱动，电气控制系统可以直接控制各轴电机，使测头产生三维运动。 由于传动机构本身特点，各坐标轴可以在较短的时间内完成启动和制动，使坐 标测量机达到很高的运动速度。 2 位置检测机构 在三个运动轴上都固定有光栅尺，当读数头沿光栅尺运动时，产生跟位置 有关的莫尔条纹信号，该信号经过处理后由计算机接收判断并读取数据。 位置检测机构有两点功能【2 9 l ： 输出被测点的三维坐标； 形成位置反馈中的一个环节，控制测头移动。 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 电气控制系统 电气控制系统主要指电气控制柜和计算机。电气控制柜中包括数字显示器、 数据传送接口、轴控保护电路、电机驱动电路、电源和电源保护设旌等。计算 机主要用于接收、处理测量数据和各种控制系统产生的信息。由于计算机的更 新换代日益频繁，使得高性能的计算机更广泛的投入实际应用，数据的处理更 为快捷，计算速度更快。在此作者采用高性能的p 4 计算机进行控制。同时配 备该公司提供的测量与控制软件- - m e a s u r e 4 2 3 测量软件。 4 三维测头【冽： 三维测头是三维测量的传感器，它可在三个方向上感受瞄准信号和微小位 移，以实现测微( 即测出与给定的标准坐标值的偏差值) 和触发瞄准并过零通 讯等功能。测量机的测头主要有机械测头、电气测头、光学测头等，此外还有