（机械制造及其自动化专业论文）含锰合金钢油井钻头齿孔变轴高速铣削.pdf

摘要 摘要 本课题来源于同济大学现代制造技术研究所与上海某金刚石钻头有限公司 的合作项目。以金属切削原理、高速切削理论、c a m 数控编程技术为指导，在 此基础上对油井钻头齿孔进行数控编程及后置处理，得到用以实际加工的n c 代码，完成对油井钻头齿孔的加工。针对齿孔位置偏移问题，以油井钻头铸件 为原型，通过反求得到了钻头的c a d 造型。 综合分析油井钻头铸件使用材料高锰钢的性能及切削加工时的主要特 点，对钻头的整体加工工艺进行分析，总结出适合高锰钢高速铣削的刀具材料 及几何参数，在切削用量范围内选择合适的切削速度、进给量、切削深度等参 数。根据钻头设计加工中所用的夹具，选择合适的冷却润滑方式，确定油井钻 头齿孔加工的工艺方案，为实际加工做好前期准备。 分析钻头刀翼齿孔的复杂性，在原始c a d 造型的基础上，选择采用可变轴 轮廓铣的方式对其进行数控编程，选择合适的进给路线及走刀方式。针对由p o s t b u i l d e r 建立的后置处理器所生成的n c 程序不能有效驱动五轴加工的情况，利 用实验室自主开发的针对h e r m l ec 1 2 0 0 u 五轴联动数控铣削加工中心 h e i d e n h a i ni t n c 5 3 0 系统的后置处理程序，得到完整的数控加工n c 程序， 完成对钻头的加工。 针对齿孔位置偏移问题，根据反求工程的原理，采用激光非接触式扫描测 量方法，通过合理选择主要测量面，合理利用激光测头旋转或和摆动角度，合 理选择数据采集精度，加快了油井钻头外形轮廓几何数据的采集。通过选择功 能强、操作方便的计算机软件，对点云数据进行平滑和精简预处理，选用高效 率的曲面重构理论方法，简捷地完成了油井钻头的反求造型，并弄清楚它与其 原始造型的差别，证明实际加工钻头中出现位置偏差的原因，在于毛坯铸造时 未能控制住尺寸偏差。 总结整个过程的可操作性，及所需大致时间，为今后的生产加工提供了新 的思路，起到指导借鉴作用。 关键词：切削参数，变轴铣，c a m ，n c 程序，反求工程，激光扫描 a b s t r a c t a b s t r a c t t h et o p i co r i g i n a t e sf r o mt h et o n g iiu n i v e r s i t ya d v a n c e dm a n u f a c t u r i n g i n s t i t u t ea n dt h e s h a n g h a i s o m ec o m p a n y sc o o p e r a t i o np r o j e c t b a s e do n h i g h - s p e e d c u t t i n gt h e o r y , c a ma n dn cp r o g r a m m i n gt e c h n o l o g yc o m p l e t e dt h e m a c h i n i n go fo i lw e l la i g u i l l eh o l e i na l l u s i o nt ot h ep o s i t i o ne x c u r s i o no f t h ea i g u i l l e h o l e ，b a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，g o tc a d m o d e lf r o mt h ec a s t i n gp r o t o t y p e s u m m a r i z i n gt h em a c h i n et o o l m a t e r i a la n di t sg e o m e t r yp a r a m e t e r , c h o o s e c u t t i n gp a r a m e t e rs u c ha sc u t t i n gs p e e d ，f e e ds p e e da n dc u t t i n gd e p t hd u r i n gh i g h s p e e dc u t t i n gh i g hm a n g a n e s es t e e lb yg e n e r a l l ya n a l y z i n gt h ep e r f o r m a n c e a n dt h e m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i co fh i g hm a n g a n e s es t e e lw h i c hi s t h em a t e r i a lo ft h eo i l w e l la i g u i l l e s a c c o r d i n gt h ed e s i g n e dc l a m p ，s e l e c tt h ep r o p e rc o o l i n gl u b r i c a t i o n w a y t op r e p a r ef o rm a c h i n i n gt h ed r i l l b a s e do nt h ea i g u i l l ec a dm o d e l ，u s et h ev a r i a b l ec o n t o u rw a yt oc r e a t e p r o g r a m m i n g ，c h o o s e t h ep r o p e rf e e dr o u t ea n dt o o l p a t h a c c o r d i n gt o t h e p a r t i c u l a r i t yo fh e r m l ec 12 0 0 u ，c h o o s et h ep r o p e rp o s t - p r o c e s s i n gw a yt og e tt h e i n t e g r i t yn cp r o g r a m t h ed e v e l o p m e n ta n da 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 gi sg e n e r a l l yi n t r o d u c e d ， t h el a s e rs c a nn o n c o n t a c t i n gs c a n n i n gm e t h o di ss e l e c t e dt os c a nt h eo i lw e l l a i g u i u et og e tt h ep o i n tc l o u db yc o m p a r i n ge a c hk i n do fs c a n n i n gw a y c h o o s e r e a s o n a b l em a i ns c a ns u r f a c ea n dd a t ac o l l e c t i o np r e c i s i o n ；u s el a s e rd i s p l a c e m e n t m e t e r ss w i n gc a ng a i nt h ep o i n tc l o u d yf i l eq u i c k l y i n t r o d u c eh o wt o u s e m a t h e m a t i c sw a yt oe l i m i n a t er e d u n d a n td a t a , c h o o s er e v e r s ee n g i n e e r i n gs o f t w a r e ， c o m p l e t e de x t r a c t i o nd a t ap r o c e s s i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n da t t a i n e d o i lw e l l a i g u i l l ec a dm o d e l c o m p a r ei t t o o r i g i n a lm o d e l ，p r o v e dp o s i t i o ne x c u r s i o ni s b e c a u s ec a s t i n g ss i z ei sn o tc o n t r o l l e de f f e c t i v e l yw h e nf o u n d r y k e yw o r d s ：c u t t i n gp a r a m e t e r , v a r i a b l ec o n t o u r , c a m ，n cp r o g r a m ，r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，l a s e rs c a n i i 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位 论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开 发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的 法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 彳研篡 砷) r年弓月如日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文：学校有权提供目录检索以及提 供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国 家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目 的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活 动。 学位论文作者签名： 第l 章绪论 1 1 课题来源 第1 章绪论 本课题来源于同济大学现代制造技术研究所与上海某金刚石钻头有限公司 的合作项目。 石油井钻头的刀翼为不对称，每个刀翼上的齿孔位置并不完全相同，齿孔 沿刀翼方向变化，同时齿孔自身的轴线方向也在变化，油井钻头齿孔的这些特 性使得其利用传统机床加工较为困难。同济大学现代制造技术研究所引进的五 轴联动铣削加工中心h e r m l ec 1 2 0 0 u 。主轴最高转速2 40 0 0 r p m ，最高功率 2 3 k w ，拥有x ，y ，z ，a ，c5 个运动轴。并且配制了五套u gn x 软件，具 有完备的网络和配套设施，因此准备在五轴联动铣削加工中心h e r m l e c 1 2 0 0 u 上采用五轴四联动变轴方式加工此油井钻头的齿孔。 在世界制造技术先进的国家，石油井钻头通常采用整体铣削加工生产，这 样生产的钻头整体力学性能均一，不会产生因铸造缺陷而造成的内部应力；同 时可以使钻头的实际造型与理论设计轮廓吻合一致，以满足钻井阻力小、钻进 速度高、钻头耐用等多方面要求。国内油井钻头的曲面轮廓主要为铸造毛坯面， 不光滑，且难以达到与理论设计轮廓吻合一致，影响钻头的使用性能。针对首 次加工齿孔位置偏移的问题，和学习国外先进的理论设计轮廓外形和实际造型 产生方法的目的，企业提出了利用反求工程生成油井钻头c a d 造型的需求。 1 2 课题研究背景 1 2 1 高速切削的特点及发展应用 机械加工时间包括机动时间和辅助时间两部分。随着自动化技术的长足发 展，机械加工中工件的运送和拆装、刀具的更换、测量显示等辅助工时，已经 压缩到极小值，可以挖掘的潜力很小。另一方面，长久以来人们在不断努力缩 短机动加工时间，其中一条途径，是提高进给速度，进给速度取决于切削用量 第1 章绪论 中的切削速度和进给量，进给量受到刀具性能尤其是加工质量的制约，不能够 大幅度提高变革的着眼点就落到切削速度上【】l 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，以高切自速度和高加工精度为主要特征的高速 切削技术已成为现代数控加工技术的重要发展方向之一【”。 与普通切 加工相比，高速切自加工具有以下特点b 4 j ： ( 1 ) 切削速度高：如切削塑性铝合金时，切削速度可以达到1 5 0 0 4 5 0 0 m m i n 。 ( 2 ) 加工精度高- 表面粗糙度低：高速切削加工通常可带来较高的加工精 度和较低的表面粗糙度。在有些情况下，高速切削加工甚至可代替磨削加工作 为零件加工的最终手段f 5 j 。 ( 3 ) 可加工淬硬材料：对淬碗钢，传统的精加工方法多采用磨削或者电火 花( e d m ) 加_ l = ，加工时间长且成本高。而采用高速切自加工工艺，可直接对 此类淬硬材料工件进行高速铣削加工，能大大缩短加工周期，降低加工成本。 如图l1 所示，为使用h e r m l ec 1 2 0 0 u 五轴联动铣削加工中心加t 淬硬钢。 一 一一璧：一l 风一 图lj 高速铣削加t 漳碰钢 ( 4 ) 加工效率高、降低加工成本：高速切削加工由于切削速度高，进给速 度高，材料去除率非常高，使得加工效率提高，加工周期缩短，加工成本降低。 一般地，高速切削加工可使加工效率提高3 5 倍，加工成本降低2 0 5 0 左右。 如图l2 为高速铣削加工的塑性铝台金多筋薄壁整体结构件三连波导的工件图， 经过对三连波导工件进行高速切削工艺优化，使得其加工时间由原先的4 0 h ，减 少到1 41 3 h ，并去掉了原先的热处理工艺，加工效率提高了2 9 3 倍，并且工件 第1 章绪论 的变形和表面粗糙度均在工件的设计允许范围之内嗍。 图l2 加f ：完成的三连艘导r 件 2 2c a n 技术的发展历程厦现状 c a m 中的核心技术是数控技术，编制零件加工程序足数控技术应用的重要 环节，靠手工编程无法满足复杂零件数控加工的需求。5 0 年代初，m i t ( 美国 麻省理工学院) 在世界上首次开发出了n c 机床，这就是c a m 历史的开端口】。 c a m 的发晨历程大致经历a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e d t o o l s ) 和曲面c a m 系统阶段。目前新一代的c a m 系统的突出特点是：面向对象、面向工艺特征： 基于知识的智能化：能够独立运行；更方便的工艺管理；网络化。 纵观c a m 技术的发展历程，可以看出：c a m 的发展是一个不断吸收和利 用c a d 及周边相关技术的应用成果，不断发展的过程：是自动化、智能化、i b 9 络化水平不断提高的过程：是c a m 系统结构及基本处理方式不断向适应工程化 概念的发展的过程；更能满足发展提出的高速加工、复合化加工、分散化网络 加工、高精度加工、只能制造等的要求。 典型的c a m 系统有u g 、p r o e 、c i m a t r o n 、m a s t e r c a m 等。 t23 国内外反求工程技术的应用研究 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代分别由美国3 m 、日本名古屋工业研究所以 及美国u v p 公司提出并研制开发成功的。进入2 0 世纪9 0 年代以来，反求工程 技术被放大到大幅度缩短新产品丌发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 第1 章绪论 在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出现了许多反求工程相关的 软件，主要有s d r c 公司的i m a g e w a r es u r f a c e r l 0 5 ，r a i n d r o p ( 雨滴) 公司的 g e o m a g i cs t u d i o ，在一些流行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似的模 块，如u g 中曲面( f r e e f o r mm o d e l i n g ) 功能、p r o e 中的p r o s c a n 功能等。 与国外相比，国内研究起步晚、经费投入少，限制了高水平研究的发展，创新 的研究不多。9 0 年代后期，反求工程技术在我国迅速发展和推广，但至今还没 有具有真正的集开发和产业与一体的经济实体。目前，在越来越剧烈的市场竞 争中，这项技术已被先进工业国家有远见的企业所采用，以使其在市场竞争中 立于不败之地，并已经在家电、汽车、玩具、轻工等行业的到推广，并取得重 大的经济效益。 1 3 课题工作及研究任务 分析钻头加工工艺，在铣削含锰合金钢油井钻头工件时，由于其硬度高， 切削区域内会产生大量热量，切削用量愈大，切削区域内的温度也愈高，因此 对刀具的硬度，耐磨性以及耐热性都有较高的要求。同时，材料性能使其在切 削加工过程中极容易粘刀，形成积屑瘤，从而影响加工质量和造成刀具损坏。 因此需要根据油井钻头铸件材料，考虑选择最优的刀具材料以及型号。在总结 含锰合金钢加工经验的基础上，选择合适的加工参数，主要包括切削速度、进 给量、切削深度等，达到提高加工质量和刀具的使用寿命的目的。运用u g 软件 编制钻头齿孔加工c a m 程序，经后处理生成n c 程序，并将其以符合h e r m l e c 1 2 0 0 u 加工中心使用的h e i d e n h a i ni t n c 5 3 0 控制系统的格式输出，完成对 油井钻头的加工。 加工过程中由于企业提供的加工毛坯是铸造件，尺寸与原始造型存在较大 偏差，造成首次加工齿孔位置产生偏差，导致工件报废。为了防止此种问题的 在次产生，并学习国外先进的外形轮廓设计和j n m n 造技术，国内企业提出了 应用反求工程技术生成油井钻头c a d 造型的需求。 因此，本课题分析比较扫描测量方式的基础上，结合实际条件选择适合油 井钻头轮廓数据采集的激光扫描测量方式获得点云数据。并利用专业软件对数 据进行处理，得到钻头轮廓的完整曲面，在u g 中生成钻头实体。总结扫描测量 到造型的所用时间，为企业提供了切实可行的数据。 4 第2 章油井钻头高速铣削工艺分析 第2 章油井钻头高速铣削工艺分析 数控加工工艺设计是对工件进行数控加工的前期工艺准备工作，无论是手 工编程还是自动编程这项工作必须在程序编制工作以前完成。因此，只有工 艺设计方案确定以后编程才有依据。因此数控加工的工艺设计是数控i i x 中 的重要环节，处理正确与否，关系到所编制零件加工程序的正确性与合理性， 其工艺方案的好坏，直接影响数控加工质量、效益以及程序编制的效率。因此 有必要对数控加工工艺设计等问题加以分析、研究，以做好数控加工前的技术 准备工作。 2 1 油井钻头齿孔铣削工艺方案 因油井钻头毛坯已经铸造成型，所需加工的仅为各个刀翼上的齿孔编排 每刀翼上的底孔至顶孔次序为l 一6 ( 7 ) ，如图21 所示，因此初步考虑三种加工 方案： 图2 1 刀翼及齿孔编排 加工方案1 ：以钻头刀翼为基准打包，顺序铣削各个刀翼上的底孔- 顶 l 。 1 、租铣长1 刀翼上孔l 一7 第2 章油井钻头高速铣削t 艺分析 2 、粗铣短1 刀翼上孔1 - 6 3 、粗铣长2 刀翼上孔1 7 4 、粗铣短2 刀翼上孔1 - 6 5 、按步骤1 4 对各孔进行精加工 此种加工方案在数控编程时，可以采取针对每个刀翼建立相应的边界的方 式。在边界内依次铣削各孔，为保证安全性，可采取每次进刀及退刀均达到设 定的安全平面的方式，编程难度相对较小。 加工方案2 ：考虑到各刀翼上的相对应的孔( 特别是底孔) 处于近似的圆周 上，因此考虑以圆周为基准打包，顺序铣削各个刀翼的底孔，依次往上，最后 加工两个长刀翼上的顶孔。 1 、粗铣4 刀翼上孔1 2 、粗铣4 刀翼上孔2 3 、粗铣4 刀翼上孔3 4 、粗铣4 刀翼上孔4 5 、粗铣4 刀翼上孔5 6 、粗铣4 刀翼上孔6 7 、粗铣长l 、长2 刀翼上孔7 8 、按步骤1 7 对各孔进行精加工 此种加工方案在数控编程时，可以选择齿孔投影平面上的矩形边界包含近 似同一圆周上的4 个齿孔，安全平面的设定高度要足够，编程难度相对方案1 较为复杂。 加工方案3 ：考虑到刀翼旋转方向，及刀翼上各齿孔轴线方向均不同，采取 对单个孔进行加工，并以各刀翼为基本加工顺序。此种方式在数控编程时，可 选择能包含齿孔的小平面区域作为加工区域，针对单个孔进行编程，单一的程 序可以进行复制，仅需更改部分参数即可，编程难度最小。 比较三种加工方案，从加工时间上来说，以走刀空程最短的方案l 时间最 短，其次是方案2 ，方案3 所用时间较长；从安全性上来说，方案1 及方案2 ， 虽然均可设置较高的安全平面作为每次进、退刀所要达到的高度，但不能保证 机床各轴i 的运动先后性，可能会造成碰撞，以方案2 较为危险，相比之下，方 案3 则比较安全。 综合考虑各方面的因素，加之为首次加工此种材料的零件，经验不足，因 6 第2 章油井钻头高速铣削工艺分析 此实际加工中采用较为安全的方案3 进行加工。 2 2 油井钻头材料分析 油井是通过钻井方法钻成的深入地下的孔洞，一直到达包含可开采石油或 天然气的地层。钻头是用于穿透岩石的工具，大多数钻头的工作原理是钻探或 撞击岩石，或将两种方式结合，一般使用旋转运动。油井钻头是石油勘探业的 重要设备，其在运转过程中承受严重磨损和强烈的冲击。 目前，国内外在冲击磨损工况中所使用的金属耐磨材料主要有三大类 9 1 ，即 奥氏体锰钢，低合金高强度耐磨钢及白口铸铁( 高铬铸铁) 。虽然高铬铸铁耐磨 性高，但脆性大，只适合于低冲击工况；低合金高强度耐磨钢硬度较高，其韧 性远远低于高锰钢，只适于中低冲击工况；奥氏体耐磨高锰钢的两个重要特性 是优异的加工硬化能力和高的冲击韧性，经强烈冲击变形后，其表层硬度可从 h b l 7 0 、 2 3 0 提高到h b 5 0 0 - 8 0 0 t 川，因而高锰钢不仅具有良好的安全可靠性， 而且具有较高的抗冲击磨损能力，被广泛应用于冶金、矿山、建材、电力和铁 路等部门所使用的耐磨件。 l 、高锰钢化学成分 自1 8 8 2 年英国人r o b e r th a d f i e l d 发明了耐磨高锰钢，高锰钢的使用已有一 百多年的历史，被广泛应用于矿山机械、工程机械及其他经受冲击载荷的部件。 现在，作为耐磨材料的高锰钢的化学成分大致为【l l , 1 2 ： c 0 9 1 5 m n l o 1 5 s i 0 3 1 0 s = 0 0 5 p = o 0 3 高锰钢中锰的主要作用是稳定奥氏体组织，用于强烈冲击条件的高锰钢铸 件，含锰量应该高些。在m n 钢中添加合金元素c r ，m o ，v 形成合金高锰钢。 合金元素及其含量的增加，是提高材料强度、耐热性、耐蚀性等的有效方法。 铬铬能提高材料的硬度、强度和耐磨性。一般用量在1 5 3 o 。 钼钼能提高材料的强度和韧性，当钢中加入0 5 o 6 的m o 时，钢的 强度、塑性和冲击韧性提高2 0 - - 3 0 。同时钼对材料的热强性有明显影响，但 导热系数将降低。 钒钒的加入在高锰钢中起到细晶强化的作用。能提高钢的强度，改善钢 的塑性和韧性。 7 第2 章油井钻头高速铣削工艺分析 硅硅在铁素体中固溶，故能提高钢的硬度。硅含量大于0 6 5 ，钢的裂纹 倾向增加，在高锰钢中硅的含量一般控制在o 6 以下。 高锰钢的铸态组织特点使得其性能很差，需要经过水韧处理后才能使用。 所谓水韧处理，就是把钢加热到1 0 0 0 。c 1 1 0 0 。c ，保温一段时间，使钢中的 碳化物全部溶入奥氏体中，然后迅速冷却，使碳化物来不及从奥氏体中析出， 从而保持了单一的均匀的奥氏体组织。 2 、高锰钢的性能 ( 1 ) 硬度铸态高锰钢组织中有大量的碳化物和珠光体组织，钢的硬度较 高，约为h b 2 0 0 - - 2 3 0 。水韧处理后，钢的硬度与合金成分的关系由固溶强化的 程度决定，因此水韧处理后奥氏体的硬度只能达到h b l 7 0 - - 2 3 0 。 ( 2 ) 强度高锰钢的抗拉强度不仅与钢中锰、碳的含量有关，还与加载方 式有关。在拉伸过程中，快速加载时，钢的抗拉强度较高。在压缩变形时钢的 屈服点比拉伸时高，可达到5 8 8 m p a 。 ( 3 ) 冲击韧性高锰钢的冲击韧性较高，最高甚至可达到2 9 4 m j m 2 。含碳 量对高锰钢的冲击韧性影响较大，a i 【值随含碳量增加而下降，如图2 2 所示【1 3 】。 ( 4 ) 导热系数高锰钢的导热系数小，仅为4 5 钢的四分之一左右。 ( 5 ) 塑性高锰钢在拉伸变形试验中，有很好的伸长率，甚至可达5 0 以 上，且没有明显的屈服点和颈缩现象，应力应变曲线比较平直。 图2 2 冲击韧性随含碳量变化曲线 根据高锰钢的性能分析，通过查表2 1 【1 4 1 可得高锰钢的切削加工等级为4 、3 、 7 、9 a 、8 。高锰钢的冲击韧性加工性能达到9 a 级，属于难切削材料。 8 第2 章油井钻头高速铣削工艺分析 硬度h 8 5 0 1 0 0 1 5 0 , 2 0 0 2 5 0 3 0 0 嬲譬 o 1 9 6 n 4 4 o 5 8 9 o 7 8 5 。9 8 i 1 j 8 延伸率反 1 0 1 5 2 0 2 5 3 0 3 5 0 施： o 1 9 6 o 3 9 2 o 5 8 9 , ；o 7 s 5 。9 8 i 1 3 7 爹i 系m 数p 2 2 9 3 1 6 7 8 3 7 6 2 8 4 1 9 2 3 5 3 5 0 4 0 0 4 8 0 6 3 5 6 3 5 1 3 7 1 5 7 i 7 7 1 9 6 2 4 5 柏 5 0 6 0 1 0 0 1 0 0 i 7 7 1 9 6 2 4 5 2 4 9 3 9 2 2 5 1 1 6 7 8 3 7 c o s t ) ，那么p ( i ) 就是被测曲线上的特征点，而必须被记录 下来。换句话说，如果太小( c o s t ) 以至于使p ( i ) 仍在表中。如果和甲都比c o s t 大，那p ( i ) 就被 认为是一个特征点，并将执行下列的操作： 储存p ( i ) ；p ( i - 1 ) = p ( i ) ；p ( a ) = p ( i ) ；p ( i ) = p ( i + 1 ) 如果和甲都小于c o s t 时，p ( i ) 不会被记录而且p ( a ) _ p ( i ) 和p ( i ) = p ( i + 1 ) 也被执 行。 通过使用上述的方法，可以避免测量是的累积误差，设计者可以通过定义 曲线的笔直度c o s t 来得到所需的精度等级。图4 1 3 表述了上述选取特征点的 过程流程图。 第4 章油井钻头外形轮廓的反求造型 图4 1 3 冗余数据去除过程流程图 3 、数据处理及结果 如果扫描能一次成型的话，后期处理相对简单，最后所得造型与实物之间 的误差也更小。但由于油井钻头需要扫描的区域面积大，三坐标扫描仪行程范 围有限及第一次扫描所选精度过高等问题，分为两次对外表面进行扫描。因此 处理时，首先将所得两个点云文件拼合，并评估拼合后的误差。 运行g s 软件，将如图4 8 及图4 9 所示的两次扫描点云文件进行拼合。分 别选取两次扫描结果中相似位置的点，由软件进行拼合并自动调整2 个点云间 的距离进行匹配。如图4 1 4 所示，最终拼合后计算所得的误差为：0 0 0 0 6 0 5 m ， 已能满足所需精度要求，拼合成功。 4 7 第4 章油井钻头外形轮廓的反求造弛 净车品i i o ；j i y | 。 耷 圈4 1 4 拼台撵作界面 运用反求软件g s 对点云进行处理，选择去除噪点( r e d u c en o i s e ) 键，将 要进行去除噪点的物体的类型( p a r a r n e l e r s ) 定义为自由曲面( f r e e f o r ms h a p e ) ； 光滑程度( s m o o t h n e s sl e v e l ) 调整为m a x ，其余参数根据默认设置，确认后删 除。 由于钻头外形的复杂，测量时将其外表面分为多个区域用不同角度进行扫 描，各区域间有许多重复点。选择( u n i f o r ms a m p l e ) 建，按默认设置，确认后 完成对点云数据的精简。 点云数据经处理后，结果如图41 5 所示，此时总点数已由1