（轻工技术与工程专业论文）基于零件模型的逆向造型研究.pdf

摘要 摘要 逆向工程技术是进行产品设计、开发和创新的先进制造技术，其中产品外表的数据 采集和模型重构是逆向工程的两项关键技术。本文围绕数据采集和模型重构两个方面， 归纳总结了国内外研究现状，在此基础上研究了逆向工程的关键技术。 零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标 数据，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度地实 现样件表面的数据采集至关重要。文本正是基于此，研究了当前工业中常用的三坐标测 量机的自适应测量路径规划问题，在实现“自学习”式测量、圆弧插值法、多项式法和 四次多项式法的基础上，提出了曲率连续预测法进行三坐标自适应测量。通过编程，最 终实现了上述方法的实际测量，并用两个实例验证了曲率连续预测法的有效性和精确 性。 实物的三维c a d 模型重构是逆向工程中最关键、最复杂的一环，因为后续产品加工 制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要c a d 数学 模型的支持。这些应用都不同程度地要求重构的c a d 模型能准确的还原实物样件。本文 正是以实物零件模型重构为基础，讨论并研究了模型重构的方法及步骤，主要讨论了曲 线和曲面的重构方法。最后还对重构模型的精度进行了评价。 关键词：逆向工程；三坐标测量机；曲率连续预测法；自适应测量；模型重构 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n g ( r e ) t e c h n o l o g yi sab u r g e o n i n ga d v a n c e d m a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yu s e dt od e s i g na n de x p l o i tn e wp r o d u c t s s h a p ed a t aa c q u i r i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g a r et w ok e yp r o b l e m s t h i sp a p e rc o n c e n t r a t e so ns h a p ed a t aa c q u i r i n ga n dd a t ap r o c e s s i n g a n da u t h o rm a k e st h er e s e a r c ho ns o m ec u r r e n tp r o b l e m si nr 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 b a s e do nc o n c l u d i n ga n dr e v i e w i n gp r e v i o u sw o r k t h ep a n s d i g i t i z a t i o ni sa c q u i r e dg e o m e t r i cc o o r d i n a t ed a t ao fd i s c r e t ep o i n t si np a r t s s u r f a c e ，a n dd o e sc o m p l e xs u r f a c em o d e l i n g ，e v a l u a t i o n ，i m p r o v e m e n ta n dm a n u f a c t u r eo n t h i sb a s i s t h u s ，i t si m p o r t a n tf o ri m p l e m e n t i n gd a t ac o l l e c t i o no fp a r t s s u r f a c eh i g h e f f i c i e n t l ya n dh i g hp r e c i s i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h i s ，r e s e a r c h i n ga d a p t i v ep a t hp l a n n i n g p r o b l e mo fc m m a f t e rr e a l i z i n g “s e l f - s t u d y ”t y p em e a s u r e m e n t ，c i r c u l a ri n t e r p o l a t i o n ， p o l y n o m i a lm e t h o da n df o u r - p o l y n o m i a lm e t h o d ，t h i sp a p e rp r e s e n t sc u r v a t u r ec o n t i n u o u s p r e d i c t i o nm e t h o df o rc m mm e a s u r e m e n t t h o u g hp r o g r a m m i n g ，w er e a l i z e t h e a c t u a l m e a s u r e m e n ta b o u tt h ea b o v em e t h o d sf i n a l l y , a n dv e r i f yt h ee f f e c t i v e n e s sa n da c c u r a c yo f t h ec u r v a t u r ec o n t i n u o u sp r e d i c t i o nm e t h o dt h o u g ht w oe x a m p l e s i t st h em o s tc r i t i c a la n dm o s tc o m p l e xa s p e c to ft h eo b j e c t s t h r e e d i m e n s i o n a lc a d m o d e lr e c o n s t r u c t i o ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，s i n c et h e yn e e dt h es u p p o r to fc a dd i g i t a l m o d e lf o r f o l l o w - u pp r o d u c t sm a n u f a c t u r i n g ，r a p i dp r o t o t y p i n g ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g s i m u l a t i o n ，e n g i n e e r i n ga n a l y s i sa n dp r o d u c tr e d e s i g n t h e s ea p p l i c a t i o n sr e q u i r et h a tt h e r e c o n s t r u c t e dc a dm o d e lc a na c c u r a t e l yr e s t o r et h es a m p l eo fo b j e c tf o rd i f f e r e n td e g r e e s t h i sp a p e rd i s c u s s e sa n dr e s e a r c h e sm o d e lr e c o n s t r u c t i o nm e t h o da n ds t e p sb a s e do nt h ep a r t s ， a n dm a i n l yd i s c u s st h ec u r v ea n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o nm e t h o d f i n a l l yw ea l s oe v a l u a t et h e a c c u r a c yo ft h er e c o n s t r u c t e dm o d e l s 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 ；c m m ；c u r v a t u r ec o n t i n u o u sp r e d i c t i o nm e t h o d ；a d a p t i v e m e a s u r e m e n t ；m o d e lr e c o n s t r u c t i o n i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是蠢人在导师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。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过的研究成果，也不包含本人为获得江南 大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 签 名：互艮良 日 期：w 叶了 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并耳芬人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致 保密的学位论文在解密后也遵守此规定 签。名：主丝竖导师签名：盔鲤q 日 期：口 3 f 第一章绪论 逆向工程的原理和意义 第一章绪论 在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败 的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或 c a d 数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺 寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障 碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。随着计算机技 术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具的设计、方案评 审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法， 将原有实物( 产品原型或油泥模型) 转化为计算机上的三维数字模型，在c a d 领域， 这就是所谓的逆向工程。 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 称为零件原形) ，利用各种数字化技术及c a d 技术重新构建原形c a d 模型的过程。逆向工程( r e ) 的关键技术是零件的数字化，而 零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据， 在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造( 如图1 1 逆向工程流程图) 。 图卜1 逆向工程流程图 传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的 模具，再进行批量生产。这种方法属称类比式复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任 何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。传统的复制方法时间长而 效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业 提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：从样品一数据 一产品。逆向工程通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始 设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气 外壳结构等，请制作单位复制( c o p y ) 出来。 江南大学硕十学位论文 逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描， 得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分 析、评价构造效果，最终生成i g e s 或s tl 数据，据此就能进行快速成型或c n c 数控 加工。i g e s 数据可传给般的c a d 系统( 如：u g 、m d t 等) ，进行进一步修改和再 设计。另外，也可传给一些c a m 系统( 如：u g 、m a s t e r c a m 、sm a r t c a m 等) ， 做刀具路径设定，产生数控代码，由c n c 机床将实体加工出来。逆向工程在我国应用 有广阔的前景。 本文探讨的逆向工程是指“实物逆向工程 ，其研究的对象是将实物转变为c a d 模 型的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术。随着计算机技术特别是计算机辅 助几何设计理论和技术的发展和应用，逆向工程得到了不断发展，现己广泛地应用于产 品改进、创新设计中，特别是对于具有复杂曲面外形的产品，它极大地缩短了产品的开 发周期，是消化、吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段。 逆向工程是一个庞大的课题，在过去的几年中，有关逆向工程的研究已经有了很大 的进展。到目前为止，主要还是集中于分别对自由曲面样件和规则曲面样件这两个方面 的研究，对于一些中等复杂程度的规则曲面样件的c a d 模型现在已经可以自动重构， 对于用于表示自由曲面的高级陆面通过用户进行功能分解后亦可自动实现曲面重构，但 如果要获得满意的结果还需要进行仔细的参数设置。事实上，根据逆向工程应用领域的 不断扩展，其实现方法也在不断增加。 1 2 逆向工程的主要研究内容 逆向工程通常要完成以下几个方面的内容：数据采集，采用合适的测量设备从样件 表面获取数据点，实现样件表面的数字化；三角网格化，将数据点集联结构成三角网格 以获得数据点集的局部拓扑关系和整个物体表面的拓扑关系；数据简化，如果是密集的 数据点云，有必要对多余的数据点进行剔除；数据分块，工程上样件往往是由多张曲面 构成的，所以通常要在点集数据中找出可以形成单张曲面或多张曲面的曲面边界以实现 数据点集的分块；曲面拟合，单张曲面的数据点集确定后，接下来的任务就是要将数据 点拟合成曲面；曲面光顺，由于点集数据中会含有间隙和噪声数据再加上算法的计算误 差，所生成的模型不会象我们所期望的那样显得十分匀称，因此需要对模型作进一步的 修改，我们称之为曲面光顺。 1 2 1 数据采集 数据采集是逆向工程的关键部分。它是通过特定的设备和测量方法获取零件表面离 散点的几何坐标数据，在这基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而高效、 高精度地实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。获得所需 实物样件表面数据的数据采集方法有很多种，基本上可以分为接触式、非接触式、逐层 扫描三大类，如图1 。2 所示。 2 第一章绪论 图卜2 数据采集方式 接触式数据采集方法是通过机械探头接触被测表面，由机械臂关节处的传感器确定 相对坐标位置。最常见的接触式数据采集方法是三坐标测量机( c m m ) ，c m m 通常是基 于力2 变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动，并与表面接触时发生变形检测出 接触点的三维坐标。c m m 对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量 精度，对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、 只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。其主要缺点是效率低，测量过程过分依赖 于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路 径。 非接触式数据采集方法包括基于光学、声学、磁场原理的数据采集等。其中应用光 学原理的方法采集数据速度快，细分有三角形法、结构光法、图像分析法等。 随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的视觉测量 技术得到飞速发展。激光三角法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种主动式视觉方法。 激光三角法具有测量速度快，可达到较高的精度等优点。其存在的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，存在由遮挡造成的阴影效应，对突变的台阶和 深孔结构易于产生数据丢失。 结构光法又称为投影光栅法。投影光栅法的基本思想是把光栅投影到被测物表面 上，受到被测样件表面高度的调制，光栅投影线发生变形，变形光栅携带了物体表面的 三维信息，通过解调变形的光栅影线，从而得到被测表面的高度信息。投影光栅法的主 要优点是测量范围大、速度快、成本低、易于实现，缺点是精度较低，只能测量表面起 伏不大的较平坦物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往发生相位突变，使测量 精度大大降低。 由于以上方法均无法测量物体的内部轮廓，因而断层测量近年来被认为是最有发展 前景的数字化方法而受到重视。断层测量是利用计算机断层扫描技术沿某一方向逐层扫 描实物断面获得一系列截面图像的测量方法。断层数据的采集方法分为非破坏性测量和 破坏性测量两种，非破坏性测量主要有c t 测量法、m ri 测量法、超声测量法和激光 测量法等，破坏性测量主要有层去扫描法。目前，设备价格昂贵、获取数据的精度较低， 3 江南大学顾十学位论文 对实物的材料有所限制是非破坏式方法的主要不足，而破坏式方法相对来说精度较高， 但不宜用于单件或贵重零件的测量，而且花费时间较长。 1 2 2 数据处理 c a d 模型重建之前应进行数据处理工作，主要包括数据平滑、排除噪声数据和异 常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分段、多次测量数据的数据对齐和对 称零件的对称基准重建【2 】。 数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法。高斯滤波能较好地保持原数据 的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好，应用时可根据数据质量和建模方法灵活选 择滤波算法。 数据精简是减少数据“点云 中存在的大量冗余数据，主要针对非接触式测量方法 产生的点云数据，不同类型的“点云”可采取不同的精简方式，如散乱点可选择随机采 样、均匀网格、三角网格等方法；扫描线点云可采用弦偏差法、角度法、空间距离法等； 网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法等。数据平滑和精简存在的问题是有 时会丢失有用的数据信息，特别是尖锐角、棱线以及曲率变化大的区域的数据。 数据分段是根据组成复杂曲面的曲面片的类型，将“点云 数据分割成同类曲面片 的数据子集使测量数据分类转变为造型数据，方法是根据每一个自然曲面，将测量点 分段同时决定每一个点集属于哪一种曲面，有基于边和基于面的两种基本分段方法1 3 j 。 ( 1 ) 基于边的方法 首先是从数据点集中，根据组成曲面片的边界轮廓特征，两个曲面片之间的相交、 过渡特征，以及形状表面曲面片之间存在的棱线或脊线特征，确定出相同类型曲面片的 边界点，连接边界点形成边界环，判断点集是处于环内还是环外，实现数据分段。基于 边的技术必须考虑寻找边界特征点，主要是由数据点集计算局部曲面片的法矢量或者高 阶导数，通过法矢的突然变化和高阶导数的不连续来判断一个点是否是边点。 ( 2 ) 基于面的方法 该方法是确定哪些点属于某个曲面，这种方法和曲面的拟合结合在一起，在处理过 程中，这种方法同时完成了曲面的拟合。因此，基于面的方法是数据分段中具有发展前 途的技术。 由于测量仪器及被测零件几何形状的限制，测量过程有时需多次才能完成，造型时 应将多次测量数据转换到一个坐标系中，称作测量数据及图像的重定位或对齐，方法是 通过不同图像或数据子集中的对应关系计算移动及旋转矩阵，关系对象可选择点、曲线 段和曲面片。 1 2 3 曲面重构技术 逆向工程三维c a d 模型重构是后续产品加工制造、快速成形、工程分析和产品 再设计的基础，其目标是根据离散的数据点集构造出一分段光滑、连续的c a d 模型， 因此，模型重构技术是逆向工程的关键技术。在实际的产品中，只由一张曲面构成的情 4 第一章绪论 况不多，产品形面往往由多张曲面混合而成。因此在曲线、曲面拟合之前还要进行的工 作是数据分割。由于组成曲面类型的不同，c a d 模型重建的一般步骤为：先根据几何特 征对点云数据进行分割，然后分别对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、 裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的c a d 模型。 测量数据分割完成后，根据曲面造型方法的不同，分为基于曲线的曲面造型方法和 基于测量点的曲面造型方法。 基于曲线的曲面重构方法的原理是在数据分割的基础上，首先由测量点插值或拟合 组成曲面的网格样条曲线，再利用放样、混合、扫掠等曲面造型功能进行曲面重构， 最后通过延伸、求交、过渡、裁减等操作，将各曲面片拼接或缝合成整体的复合曲面 模型。 基于测量点的曲面重构方法的原理是直接建立满足对数据点的插值或拟合曲面，既 能处理规则点也可直接拟合散乱点。对于大量数据点，支持曲面对点的最佳拟合。曲面 一般选取b 样条表示，在曲面重建中，能够构造出标准的b 样条曲面。 基于断层数据的表面重构方法最早采用基于轮廓线的描述方法，后经发展，形成了 如平面轮廓的三角形算法、基于表面轮廓的d e l a u n a y 等多种算法。基于表面的优点是 可以采用比较成熟的计算机图形学方法进行显示，计算量小，运行速度快，借助于专用 硬件支持，可以实现实时显示，但表面重构需要首先对断层图像进行分割以提取出断层 数据，由于目前分割技术所限，缺少准确有效的方法，在分割时细节信息容易丢失。 伴随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入进行，其成果的商业应用也日益受到 重视，涌现出了大量的商业化逆向工程c a d 建模系统。当前，市场上提供了逆向建模 功能的软件达数十种之多，但大致可以分为两类：一是专用的逆向软件，如im a g e w a r e 、 g e o m a g i c 、p o l y w o r k s ，、c o p y c a d 、ic e m s u r f 和r e 2 so f t 等，二是提供逆向处理模 块的正向c a d c a m c a e 软件，如p t c 的p ro s c a n 2 to o l s 模块、u g 的p o i n te l o u d y 功能等。一般，无论是专用的逆向软件，还是提供逆向模块的正向c a d c a m c a e 软件，在整个逆向工程的c a d 模型建构上，都还不具备优秀而又理想通用的处理 能力，在当前的逆向c a d 建模中，结合实际中不同需求的逆向特点，将通用型c a d c a m 软件与逆向软件相结合，是有效解决曲面重建工程问题的重要方法。 总的说来，根据曲面的数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重构。 根据曲面重构方法的不同，分为基于点一样条的曲面重构方法和基于测量点的曲面重构 方法【3 】o 基于点一样条的曲面重构方法的原理是在数据分割的基础上，首先由测量点拟合出 组成曲面的网格样条曲线，再利用c a d c a m r e 系统提供的放样、混合、扫掠和四边 界曲面等曲面重构功能进行曲面模型重建，最后通过延伸、求交、过渡、裁剪等操作， 将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。这种方法实际上是通过组成曲面的 网格曲线来构造曲面，是原设计的模拟，对规则形状物体是一种有效的模型重构方法， 但对复合曲面，采用点样条的曲面重建方法需反复交互选取曲面重构方式，使构建的 曲面片满足光滑和精度的要求。 江南人学硕卜学位论文 基于测量点的曲面重构通常采用曲面拟合的方法，曲面拟合包括曲面插值与曲面逼 近。前者为构造一个曲面顺序通过一组有序的数据点集；后者为构造一个曲面使之在某 种意义下最为接近给定的数据点集。基于测量点的曲面重构方法可以分为基于四边域的 参数曲面重构、基于三边域的曲面重构。 ( 1 ) 基于四边域的参数曲面重构 四边域参数曲面也称为矩形域参数曲面，此种方法适用于飞机、轮船、汽车的曲面 零件。这类曲面的拟合对型值数据有较严格的要求，一是要求以张量积形式分布；二是 型值数据变化不能太剧烈，否则曲面的光顺性得不到满足。 ( 2 ) 基于三边域的曲面重构 三边域曲面也称为三角曲面，此种方法最适合表现无规则复杂型面的物体，特别是 人面、地貌等自然物体以及玩具等产品。三边域曲面拟合技术可以弥补矩形域曲面拟合 散乱数据和不规则曲面的不足。三边域曲面拟合以三角曲面为理论基础，它具有构造灵 活、适应性好的特点，因而在数据为散乱点类的曲面拟合中能有效应用。一般来说，定 义于三边域上的曲面拟合方法包括三个步骤：三角化( 又称三角剖分) ：对型值数据进 行三角化，以建立其拓扑关系；曲线网格的建立：对每一三角形边进行b e z i e r 曲线拟 合；g l 曲面的建立：在保证相邻曲面片间达到g 1 连续的条件下，用三边曲面片填充 曲面网格【j 1 。 1 3 逆向工程技术实施的条件 1 3 1 逆向工程技术实施的硬件条件 在逆向设计过程中，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品 三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有美国、英国、意大利、 德国、日本等国家生产的三坐标测量机和光学扫描仪。近几年来，扫描设备有了很大发 展。例如，英国雷尼绍公司的c y c l o n 2 高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头 的互换，激光测头的扫描精度达0 0 5 r a m ，接触式扫描测头精度可达0 0 2 m m ，可对易碎、 易变形的实体及精细花纹进行扫描：德国g o m 公司的a t o s 扫描仪在测量时，可随意 绕被测物体进行移动利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描精度达 0 0 3 m m ，a t o s 扫描仪不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的 造型工作。国内部分有华中科技大学开发了基于计算机视觉三维激光扫描测量系统。该 系统主要由双目视觉测量探头、图像采集卡、扫描机构及其控制部分组成。通过两个 摄像机同时摄取一个扫描激光光条的图像，经图像匹配，利用视差，可计算得到光条上所 有点的位置以及深度，即被扫描物体表面的三维信息。西安交通大学c i m s 中心的何炳 蔚等提出多传感器集成坐标测量系统，该系统避免了单一传感器的局限性，为非接触测 量系统在逆向工程中的应用开辟了新的途径，具体做法是将立体视觉和线激光扫描传感 器集成到三坐标测量机( c m m ) 下，由立体视觉来获得物体的边界或轮廓信息、 线激光 扫描传感器获得物体表面的三维数据，利用多传感器的信息融合技术对三维数据进行分 6 第一章绪论 割，提取被测物体的几何特征，并在此基础上构建物体模型。 不同的测量对象和测量日的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际测量时， 应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的测量方法并选择相应的测量 设备。 1 3 2 逆向工程技术实施的软件条件 随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入进行，其成果商业应用也日益受到重 视。而逆向工程技术的工程应用的关键是开发专用的逆向工程软件。在专用的逆向工程 软件之前，c a d 模型的重建都依赖于正向的c a d c a e c a m 软件，如u g 、g r a d e 、 p r o e 等。由于逆向建模的特点，正向的c a d c a e c a m 软件不能满足快速、正确的模 型重建的需要，所以开发专用的逆向软件日益迫切。较早的做法是在一些商品化的 c a d c a m 软件上集成逆向模块，如p r o e n g i n e e r 的s c a n 。t o o l s 模块；u g 的点云处 理和曲线、曲面拟合功能；i - d e a s 的曲面拟合功能等。在此过程中，由于市场开发需求 的增长，这些有限的功能模块已不满足数据处理、造型等逆向技术快速、准确的需求， 逆向工程后期的发展过程中呼唤专用的逆向软件。 目前比较常用的通用逆向工程软件有p t c 公司的i c e ms u r f 、s d r c 公司的s u r f a c e r 、 r a i n d r o pg e o m a g i c 公司的g e o m a g i c 、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 等。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。这些软件的 发展为逆向工程的实施提供了软件条件。 1 4 课题的背景及研究意义 在科学技术高度发展的今天，科技成果的应用己成为推动生产力发展和社会进步的 重要手段。各国都在充分利用别国的科技成果并加以消化吸收与创新，发展自己的新技 术。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，极大促进武器装备和民族经济高度发展 的有力战略措施。到目前为止，我国己引进了不少国外先进技术和设备，但是要取得最 佳技术成果和经济效益，还要善于对引进的技术、设备进行深入的研究、吸收、消化和 创新，从而在此基础上开发出具有自主知识产权的先进产品，逐渐形成自主技术体系一 这对于迅速缩小我国和发达国家的技术差距、快速形成自主知识产权的创新产品具有十 分重要的意义。 产品数字化开发技术是现代产品开发技术中的核心技术之一。逆向工程是近年来发 展起来的一种产品数字化开发方法，是目前研究的一个热点方向。它的出现极大地缩短 了产品的开发周期，提高了产品精度：其不仅能根据产品的物理原型对其进行数字化建 模，以实现对该产品的快速设计，而且可应用于形状需要反复试验、修改、实测才能定 型的产品，充分利用c a d 、c a m 、c a e 及p d m 等先进技术，逆向工程技术可以快速、 有效的解决其产品的最终设计问题。逆向工程的作用主要在于改善产品开发的技术水 平，提高生产率，增强经济竞争力。当今，世界各国在其经济技术发展领域中，大量应 用逆向工程消化吸收先进技术经验，并提出一定的创新思想。逆向工程技术是快速消化、 7 江南人学硕 ：学位论文 吸收先进技术进而创造和开发各种新产品的重要手段，是制造企业面向2 l 世纪全球市 场激烈竞争的形式下，缩短产品开发周期、降低成本、提高竞争能力的必由之路，对我 国国民经济的发展和科学技术水平的提高有重大的意义。 本文针对数据采集和模型重构这两项逆向工程的关键技术进行了研究。对当前工业 中常用的三坐标测量机应用曲率连续高次曲线插值法对测量路径进行了优化，通过路径 规划，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，并根据此数据进行模型重构。具体涉 及以下的研究内容： 第一章介绍逆向工程的主要研究内容、实施条件以及本课题的选题意义。 第二章在实现圆弧插值法、多项式法、四次多项式法这三种c m m 自适应测量方 法的基础上，提出了曲率连续预测法进行c m m 自适应测量。 第三章研究了实物逆向的全过程，并以实例的形式加以说明。 第四章总结本文的工作并给出进一步研究的方向。 第二章三坐标自动测量方法研究 2 1 引言 第二章三坐标自动测量方法研究 逆向工程中建模精度要求较高时，非接触式光学扫描仪获取数据点的方法往往力不 从心，只能借助于具有高精度的接触式三坐标测量机。当三坐标测量机应用于具有形状 要求的零件或轮廓的测量时，常需用到自动跟踪的方法来进行测量以提高获取数据点的 速度和精度，特别是需要用到众多的点来精确地描述形状、轮廓，且该形状或轮廓会直 接影响零件的性能( 如叶片、椭圆活塞等) 时。由于是未知曲线曲面，测量机在“探索方 式下工作，根据已运动的轨迹来计算下一步运动的轨迹，如计算预测点的坐标和触测 矢量等。采用模拟测头进行曲面的自动跟踪测量已经在机床上得到广泛的应用【4 】，但是 它存在以下三个主要问题：1 ) 模拟测头直径一般比较大，不能对某些小曲率的曲线或 曲面进行测量；2 ) 模拟测头的测量力较大，对薄壁工件测量时，容易发生工件变形， 甚至损坏；3 ) 模拟测头的价格一般很高。触发测头由于测头直径小，测杆压力小，价 格便宜等优点，在复杂曲线、曲面的测量上已经得到广泛应用。目前，很多商用三坐标 机测量软件都提供了触发测头的自动跟踪测量功能，如m e t r o m e e 的f 3 、b r o w n & s h a r p 的p c d m i s 等。 本章首先研究了三坐标本身自带的自学习式自动测量，适用于简单批量零件的测 量。为了对复杂曲面进行测量，本章在实现圆弧插值法和多项式法的基础上，提出一种 新的自适应测量方法曲率连续预测法，实践证明了该法的有效性。 2 2 三坐标测量机 2 2 1 三坐标测量机的工作原理 坐标测量原理是：将被测物体置于三坐标测量机的测量空间，可获得被测物体上各 测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测得几何尺寸、形状和位 置。 在三坐标测量机上装置分度头、回转台( 或数控转台) 后，系统具备了极坐标( 柱 坐标) 系测量功能，这种具有x 、y 、z 、c 四轴的坐标测量机称为四坐标测量机。按照 回转轴的数目，也可有五坐标或六坐标测量机。 2 2 2 三坐标测量机的误差分析 9 南人学删十学他论盘 i 图2 - 1l k g 9 0 c 三坐标测量机 本文以英国l k 公司的l k - g 9 0 c ( 图2 - 1 ) 为例来进行分析。l k g 9 0 c 是龙门式三坐 标测量机，其测量范围：1 5 2 5 7 1 1x 6 1 0 m m ，长度方向币确定度：u f ( 2 + l 2 5 0 ) um 。 下面我们从机器殴各误差和测量误差这两方面来对该三坐标测量机进行误差分析。 ( 一) 机器设备误差 机器设备误差是指三坐标测量机本身的精度误差，即测最头中心在测量空间内任意 位置的误差。该误差按被测参数的时间特性主要划分为静态误差和动态误差”i 。 a 静态误差 不随时间变化的参数称为静态参数。测定静态参数所得的误差为静态误差。该误差 一般由下列几方面产生： ( 1 ) 由于导轨、测量系统等构件有限精确度造成的几何误差； ( 2 ) 移动构件有限刚度造成的误差； ( 3 ) 由于外界温度变化引起导轨热胀冷缩造成的热误差。该测量机最合适的环境温度 是在2 0 。c 2 。c 范围内。 为了减少以上误差，目前最常用的方法是获取尽可能多的误差来源信息，利用计算 机软件进行补偿 6 1 。 b 动态误差 测定动态参数所得的误差称为动态误差，随时间而变化的参数称为动态参数。动态 误差主要是由三坐标测量机的结构特性，如质量的分布、构件刚度、阻尼特性、控制及 干扰力所决定的，由各构件绕气浮导轨连接处的偏转和各运动构件本身的弯曲变形造成 的。当测量速度较低时，这一误差很小，可以忽略不计；当测量速度较高时，尤其在高 速扫描测量中，这一误差对测量结果影响较大。 ( 二) 测量误差 测量误差即测量值和真实值之差。该误差主要受测头半径补偿、测头校正和测量方 法的影响。 1 测头半径补偿 测量时由于测头的运动方向和被测曲面的法线方向不一致，虽然经测头半径补偿， 第二章三坐标自动测量方法研究 但还是带来不可忽视的误差。如图2 2 所示，当半径为r 的测头沿z 轴负方向与被测曲 面接触后，输出p 点的坐标值，而想要测量的点为p7 点，此时测头与曲面的实际接触 点p ”，这就造成测量误差z ，其中a z = o p 一r = r c o s a r = r x ( 1 c o s t t 一1 ) 【7 1 。 同样，当测头沿x 轴或y 轴负方向采点时，也会造成x ，y 方向的误差。 z ，o ： ，一4 。、 ，7； ， ： o 。 ； ，一一、 ， | p 。；p 7 ，f 1 。- - - ，一， 。一- 一。 p 0 x 图2 - 2 侧头半径补偿后产生误差原理图 当前工程上常用的半径补偿方法为： ( 1 ) 微平面法 该方法的原理是：p 点为被测点，在它周围以等距离a 取3 个点p 1 、p 2 、p 3 ，可组 成平面p i p 2 p 3 。在a 足够小的情况下，平面p l p 2 p 3 的法向量可以认为是p 点的法向量， 此时测头只要沿着该向量方向去测p 点，就会得到正确的测头半径补偿。 ( 2 ) 平均矢量法 首先在被测曲面上定义一网络，然后对这些网状点进行测量。用测头逼近给定网点， 直到输出结果满意为止。以这些网点所形成的网络线能够反映出被测曲面的特征。对于 被测面比较宽坦的曲面而言，可以采用该方法，当被测各点法矢量方向差不大于1 5 度 时，测量误差为a = r ( 1 c o s 7 5 。一1 ) ，但是对于狭窄的表面各点矢量夹角较大的曲面 而言，该方法就困难了。 ( 3 ) 三点共圆求法线法 假设在曲面上测得n 个点，选取曲面上3 个连续的测量点，当3 点连接的衄线段很 小时，可以看作圆弧上的3 点，求得圆弧的圆心和半径。中间测量点和圆弧圆心的连线 方向即为过该点的圆弧法线，该法线和以中间点为圆心、以测头半径为半径的圆的交点 即为实际曲线上的点，依次类推其他的点。该方法适合于二维状态的测头半径补偿【8 】。 2 测头校正时带来的误差 要经常检测标准器量值本身的不确定误差，如果磨损了要及时更换，否则会加大数 据采集的误差值。 3 测量方法带来的误差 在对复杂曲面进行多次测量和零件重复定位时，零件坐标系的角度误差将在距离零 件坐标系原点较远的模型表面产生误差放大效应，即距离越远的地方引起的尺寸误差越 大【9 】，如图2 3 。 江南人学硕士学位论文 。 y 一一” 二二篡= ：二：二：二二三：- y 。， a - ， ， x ( x ) 图2 - 3 坐标系的角度误差引起的测量误差原理图 在多次测量和零件重复定位时，零件坐标系的角度误差将在距离零件坐标系的角度 误差将在距离零件坐标系原点较远的模型表面产生放大效应，即距离较远引起的尺寸误 差较大1 0 1 ( 如图2 3 坐标系角度误差引起的测量误差) 。假设被测模型表面一点a 在第 一次测量设定的零件坐标系( x ，y z ) 中的坐标为( o ，l ，o ) ，而第二次测量的零件坐标 系( x ，y ，z ) 绕x 轴旋转了角度a ，则a 点的坐标成为( o ，l c o s a , l c o s a ) ，从而在长度 和高度方向引起的测量误差分别为l ( 1 l c o s a ) 和l s i n a 。若l = 8 5 0 m m ，a = 0 3 0 ，则相 应的误差分别约为0 0 0 1 m m 和4 5 m m 。由此可见，微小的角度误差对大尺寸零件在高 度方向测量数据影响显著，在长度方向的影响甚微，可以忽略。 2 2 3 三坐标测量机的测量路径规划 随着产品性能的日益提高，组成产品零件的形状也日趋复杂，往往包含有凸台、深 孔等测量障碍区，测量中可能发生测头与待测零件发生碰撞或增加测量过程中探测时间 的问题。如何进行测量路径的优化，使得测头能够以尽可能短的路径安全而又有效地遍 历待测曲面的检测区域是自由曲面测量中的关键问题【l l 】。进行测量规划的目的：一是 在一定采样点数目下尽可能真实地反映曲面原始形状；二是在给定一定采样点精度下选 取最少的采样点。 ( 1 ) 测量探头的选择 对于复杂曲面，在测量同一张曲面时采用不同半径的测量探头，将使得测量探头半径 补偿计算相当复杂，并会带来较大的计算误差。因此，在测量同一张曲面时，使用一种半径 的测量探头是较为合理的。为了使得曲面上每点都能被测到，测量探头半径应小于或等于 曲面上最小曲率半径。 ( 2 ) 检测点数量的确定 测量机通过采样获取曲面信息，根据采样定理，要完全反映曲面的形状，测量点的 密度应该大于曲面形状变化的最大频率的两倍。在工程实际中，常利用统计学原理确定 采样样本的大小。 ( 3 ) 检测点的分布 1 2 第二章三坐标自动测量方法研 目前在曲面的测量点分布中，常用的有如下三种情形【i2 j ：a 均匀分布。测点均匀分 布于曲面上，其优点为测量路径容易形成，测量位置容易确定，缺点是没有考虑到曲面 形状的变化，使得局部的样本密度与曲面的局部形状变化的频率不相适应，没有考虑到 加工难度随曲率变化的规律。b 按曲率大小布置测量点。这种方式克服了均匀分布的缺 点，但带来在曲率较小的区域有可能测量点过少的问题。c 结合上面两种方法，在均匀 布点的基础上再按曲率分布进行数据采集，它结合了两者的优点。 ( 4 ) 物体的对称性 客观世界中很多物体具有对称性。考虑到这一点，就可以测量物体的对称线一侧， 然后通过软件将测量数据沿对称线进行镜像拷贝。这样可以减少大量的测量工作。 ( 5 ) 分区测量的边界确定 由于b 样条曲面是张量积曲面，具有四边形拓扑，因而往往不能用一张b 样条曲 面描述复杂的自由曲面，这就需要对整个被测表面进行分区测量，分区重建样条曲面， 然后再进行曲面连接和过渡，从而达到准确重建实物c a d 模型的目的【l3 1 。 分区测量的边界划分取决于物体的具体形态，也取决于造型软件所提供的造型功 能。分区过大，会造成无法精确表示曲面的各个部分；分区过细，会造成更多的拼接问 题，影响重建模型的整体效果。通常，曲面边界、内外轮廓线、特征棱线、过渡圆角的 脊线、曲率变化较大处以及分模线等都是分区边界的明显标志。 ( 6 ) 测量区域内特征线的走向应尽可能一致。 尽量使测量区域内拥有一个特征线走向，以保证扫描方向与测量区域内所有特征线 走向保持近似垂直，以防造成细微特征数据的丢失【l4 1 。如果不能保证同一测量区域内特 征线走向一致，就需要减小扫描线间距或针对局部曲面特征进行数据补测，使测量数据 能够完整反映所有曲面特征。 2 2 4 蹦i s 简介 d m i s ( d i m e n s i o n a lm e a s u r i n gi n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) ，自1 9 8 5 年开始由d m e 供应厂商和用户联合共同开发，作为自动化系统之间检测数据的通信标准，d m i s 已在越 来越多的领域得到推广和应用。 d m i s 的目标是作为一套计算机系统和测量设备之间检测数据双向通信的标准，提供 一种数据格式，形成各类分系统之间进行数据交换的中性文件。它的内容也具有检测规 程和分析检测结果的作用。由一套术语词汇表建立起一个用于检测规程和检测结果数据 的中性格式。d m i s 是为了自动化设备之间的通信而设计的，因此它设计成可以人工读出 和编写，在不使用计算机的情况下也可以编写检测程序和分析检测结