（机械工程专业论文）基于线结构激光测量的逆向工程方法研究.pdf

国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 摘要 逆向工程技术是进行产品设计、开发和创新的重要手段之一。使用非接触测 量方法获取曲面的点云数据。利用c a d 软件对点云进行造型、基于造型进行模具 设计，利用c m 讧软件进行制造，是设计制造一体领域的发展趋势之一，有重要的 工程实用价值。 论文从逆向工程集成的角度出发，对基于线结构激光测量的曲面数据采集及 预处理、曲线拟合、曲面重建，及在此基础上进行的注塑模其设计及快速制造理 论与应用进行了研究与实践。 主要内容如下： 1 综述逆向工程的定义、应用和关键技术。在综合设计制造领域中常用的 b e z i e r 、b 样条、n i 瓜b s 曲线、曲面的造型理论的基础上，对曲线拟台、曲面重 构方法进行比较，总结出各自的特点以及在逆向工程中的具体应用； 2 对线结构激光测量原理及其获取的点云数据的预处理、曲线拟合、蓝面重 构、误差评价方法等逆向工程造型过程进行了研究。在i m a g e w a r e 中对此过程进 行实践，基于实践总结出基于线结构激光测量的逆向工程的造型方法； 3 根据逆向工程中的造型和注塑模具的设计要求，用u g 眦o l d w i z a r d 对注塑 模具进行设计、u gn x 对模具型腔进行数控编程实践。根据快速模具制造快速成 型数控加工的技术要求，制订加工工艺，用快速原型和数控加工方法进行谁i 造实 践。形成基于逆向工程、面向制造工艺的快速设计制造的工程技术方法。 总结本论文研究的工作，对后续研究工作提出建议与展望。 主题词：逆向工程，模具设计，快速成型，数控加工 第i 页 谨防科学技术大学研究生院工学硬士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s # 髓g i n 嫩gi s o n eo f 醣i l 芏i 翔如n t 确醴h 嗣sa 辨l i 遮氆e 攀酣u c l d e s l 罂l i n g ，d e v e l o p m e n ta n di n n o v a 垃o n + w e o f 埝ng e t 勘嚣p o i n tc l o u dd a t ao fs 眦f a c eb y t h en 日咀c o n t a c tm e 剐m r 嘲e n tm e l 曲o da n dc o n s l n l c tm e3 - d e m e n s i o n a im o d e lo ft l l e p j o i n td a 重a 。w e 妇i g a 攮em o | d 强dm 8 掰瑾蟛c 瑚氇e 删每# o r d i n ga s 氇e 3 d e m e n s i o n a lm o d e l - n o wt h i sp r o c e s si so n eo ft l l ed e v e l o p m e n t a l 仃e n d si nt h e i n 参o g 隧e 硅m 鞋琏l 连矗g 蛐g 蠡畦由拄b d 主tl 锵g 雕v 砖l l ei 珏娃撼e n g 至l 撼e 豳g 。 h lt h i st l l e s i s ，恤ew h o l ep 】_ o c e s so f r e v e f s ee n g i i l e c r i n gi si 姗g r a t e da l l dc o m p l e t c d ， i n c l u d i n gd a t ac o l l e c t i n 岛d 如p i 印c e s s i n g ，c u r v e 丘t t 至n g ，s u r f h c er e c o n 蚋m 吐迅誊m o l d 如s i 鲥g 锄d 妇髓m 黝勰瓠钯咖。 t h em a i nc o n c 叩t so f m et l i 船i s f o l l o w e d ： l 。啦d 藤鑫燕熊，a 辨l i c 躐韬毽k e yt e l 翻l o g yo f 畦持帮v e f s e 馓垂辩e 渤g 主s s l l l l m i a r i z c d 秘龋e do n 伽ec u r v e 锄dt l l es l f h c ec o 璐t r i l c d n gt h e o r yo f b e 五e r ，b - s p l k 8 n dn u r b s ，t h cm e 搬o d so fc u r v e 爨娃n g 强ds u f f i l c e 糙e o n s 臼啦z 坦8 聪s 煳躺z e d ， 鼬d 龇d i 蠢醴e n c 鼯黜g 也e s e 埘垴o d sa r ec o m p a r e d ，t h 吼尊a c h 谳to f 盘e ma n d t h e i ra p p l i c a t i ( i ni n 他v 姻e 西n e e r i i l gi 8s l l i 】吐n 撕2 e d 2 。聚婚穗翠o f l 翻瞪曲嘲髓疆譬l 鲻释s e n s o fi sf e s e 韶醢e d + 熊d 强ep o i n tc l 桃| di s c o l l e c t e db yt l l i st l l e o r y a f b c r 也砖t l l e 纰p r e p r o c e 豁i 苴l 岛t h ec u r v e ：f i 嘲n g ，a n d 也e s 磁矗e 嚣f e c o n s t t i o ni sf e s 哟h 翻a 赣da 珏氆# 辩黔c s sa 豫争糟c t 童e e d 瓤i 氆a g 燃v a r e a tl a s t 协em 删o f 糟删髓g 洫e e r i n gb a s e do n 吐l el i n c 晰u c n 玳1 a s 既s 嗽s o ri s 辩h n n k i r i z e d 3 b 嬲e do n 氇e 羚唾粥惑o f 氇霉裂m 曲g 畦o n 懿d 黼e c t i o nm o l dd e s i 鲥n 意，她 d e s i g f 城n g ，m a n u f a c “l r i n gi sp i i a t i d 协u ( “m o l d 矿b ；a r da n du 0 n x 、m t ht e c h n i c a l 羚攀王主l l 珏e 鞋据，醅1 。嚣s s 嚣q f 鞠痂di l 娃m 墨m 巍礁氍i 盎舀确露d 搿蟹幻鼬遮g m a n 谢k t i n g ，a n dn u m e r i cc 0 | l 臼f o l l e dm a n 耐h c t u r i n ga 糟p r o 掣撇n m e da n dp r a c t i c e d t h e 烈l g 王e r i n gt e c h n i c a lm e t h o do f r a p ；i dm o l dd e s i g l l i n g 姐dm a n i l f 她t l l r i n gb a s 。do n 辩粥e 髓菩溅勰螂删 f i l i a l l y ，腑r e s e a r 龇gc o i l 翩t so f 也em e s i sa r cc o n c l u d e d t h ew o r k si n 鼬u r e 鑫豫s 聩懿劂擞避p i e a 泌 k e yw o r d s ：黼e n g 妇e 渤g ，m o l dd e s 主辨，疆p i d a t o 重弹赫争獭黼醴c c o 曲1m 飙u 蠡| c 1 城n g 薅n 页 国防科学技术大学研究生貌工学硕士学位论文 表黉录 表1 1 不弱瓣续工镎戆对生成麴嚣瓣要求【1 4 l 。5 表2 1 三种曲面模型的优缺点比较表1 7 表4 。lh n a g e 啪r e 瓣煞瑟创建方式f 1 4 l 。1 3 5 表4 2h n a 辨哪曲面创建参考项目表t 1 4 1 3 5 表5 1 基于r p + r t 技术制佟模具与传统枧加工法制作模具的比较。4 7 表5 以数控加工工芑表5 5 表5 3 快速原型m e m - 3 5 0 设备参数波5 9 第1 v 页 陶防科学技术大学研究生院工学硬士学位论文 霞番录 图1 1 遂自点程淀糕强3 图1 2 快速原型的离散堆积原理图7 图1 3 快速艨型毒l 遥过程嚣7 图3 1 曲线捕值流程图2 0 图3 。2 韭线逼近漉程腿+ 2 l 图3 3 三种曲线生成方式的托较2 l 图3 4 曲线上的点与参数域内点之间的对应关系图，2 2 圈3 5 基于赣面片酌曲面重构2 3 图3 6 线性披伸面的n u r b s 表示2 4 鎏3 7 童绞稀静碌浓b s 表豕2 4 图3 8 扫掠曲面的m r b s 表示。2 5 嚣3 拿莛蟊上翁点与参数壤内焘之鬻静对瘦关系蚕2 6 图4 1 线结构光法测漂原理示意图2 8 鏊4 。2 壹褒捡奎法去涂熹云串藩曝轰凝3 0 图4 3 点到曲线的距离的检煮图3 l 露4 。碡弦裹鬟粼凝方法原理爨3 l 图4 5 数据滤波原璎图3 2 图4 蓐h 8 鬈黼3 糖曲线擞成方式及控制焱分布图3 3 图4 7i i n a 酣w a r e 曲面创建流程图3 6 图4 。8 曲面琰蕊的光顺检查3 8 圈4 9 点云在h n a g e w a 串的显示及曲率分析图3 9 图4 1 0 对齐厢的点云在h n a g e w 8 豫中4 个视图显示4 0 图4 1 l 点云狂两丑g e 煳中魏率分析及提取4 0 图4 1 2 直接由点云生成曲面的流程简图4 l 强4 1 3 建立顶藿萃毽点云鹣藏瑶煮云4 2 图4 1 4 截面点云拟合曲线及控制点调熬图4 2 餮4 1 5 调整麓线舞黟控镪莲骞分毒4 3 图4 1 6 扫掠、放样方法创建曲面分析误差光顺图4 3 墅4 。1 7 在酝毽g g 雠羚孛完成蒸毳l l 覆豹麴建4 4 图4 1 8 在u gn x 中宪成基础面的倒角4 4 霪5 ，l 基于逆悫工程约模具秀发滚程霆。4 8 图5 2u g 力“o l d w i 瀚r d 的模舆开发流程图4 9 熬v 页 国防科学技术大学磺究生院王学硕士学位论文 鋈5 3 接蝥翔分都律强4 9 图5 4 上表嚣塑料露传熬c a d 重掳5 0 墨5 5u d 嫩o l d w 妞撼建悫鹣竞熬摸矮装瓣关系列表5 0 图5 6 一摸四腔的型腔鄹型芯图。5 l 图5 7 裂羧、粼芯冬模架、标准搏簿梭成摸具装配体爨。5 2 图5 8 数控铣削平头立铣刀- 球头娆铣刀圈5 3 图5 9u gq m 数控魉工缡穰、傍囊流程圈。5 4 图5 。1 0 使用u gn x 助手分析模具裂胶的圆角半径信息图5 4 图5 1l u ge a m 触建操作及其税应的工毽视图5 5 图5 1 2 球头铣刀切削步长材料残差图5 6 图5 1 3 墅靛瀚面数控翔工刃藤鞔遴瀛程+ 5 7 图5 1 4 模凝鼙腔曲面的数控加工过耩仿真流糨图5 7 强5 1 5 磊凝娥瑾橼鹜。5 8 淘5 1 6c a d 模望散撩热五铂工实秘流稷圈5 8 罂5 1 7 微滚嚷挤技术成銎 结梭霪5 9 霆5 1 9m 嚣m 莰速撅蘩工慧铡箨静裁箨与实耪原登鹜。 第v i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本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 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 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 学位论文题目：基土绔茎控邀出越量煎塑自王韭友造噩宝 学位论文作者签名：墨兰整日期：埘年r f 月可日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被壹阅和借阅；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。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：基王缝鳖控邀出测量鳗堂自至墨直造监窥 学位论文作者签名：避日期：埘年，月坷日 作者指导教师签名： i 整巴鸯 日期：训f 年舻月r 日 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第一章绪论 随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用c a d c a m 技术、先进制造技 术来实现产燕实物的逆风工程，已经成炎q 牺既烈睚领域的一令襞究热点，氇成 为逆向王稷技术应弼静童要内容“。在产晶造型多廷亿豹今天，逆良工程技术已经 广泛应用到机械产品设计、制造等诸多领域。 l 。l 葶l 言 逆向工程技术是对现有模型，利用3 d 数字化测量仪器，获得模型的数据，经 曲面建构、编辑和修改，谯c a d c 舢谭系统中，产嫩n c 加工路径和程序，由c n c 梳床燕王淡模其或零穆，或蠢在快速成整设备中掇撵鑫摸型豢遮逡寒，实瑗蒸予 模具的产赫快速批量生产；充分稠踊数字化豹优势，提高设计、锖造、分析的质 量和效率，适应集成化、并行化、网络化的产品设计制造过程中的信息存储与交 换；形成产品设计制造的闭环系统，有效提高产龋的快速响应8 & 力，丰富几何造 鍪 方法彝产鑫设诗手鬏。 实物测量反求技术始于用油泥模烈设计汽车、摩托车外形，并借助仿形技术 完成零部件的设计制造。现已广泛应用于产品改溅、模具翻制镰生产活动中，特 别是对予其蠢复杂藏嚣终形的产晶，霹激缩短产熬瓣秀发周期，提裹产品与梯绛 酶几俺相识度，是漕纯、暖牧先进技术迸丽改造和阡发各静新产品戆重要手段【2 j 。 1 2 逆l 句工程定义、应用、工作流程及关键技术 l 。定义 逆向工程a r e v c r s ee n 曲l e e r i n g ，r 舷) 也称反向工程或反求z 稷。是相对予传统 的产品设计流程，即所谓的正向工程口o r 啪r de i l 西n e e 由g ，简称f e ) 而提出的【l 】o 歪囱工程怒泛捂按露鬟瓣麸凝念( 苹豳) 设诗到其镩貘壁设诗舞獬或燕熬生产露l 逢 过程。逆向工程常指从现有模型( 产晶梯件、实物模型等) 经过一定的手段转化为概 念模型和工程设计模型，如利用三擞标测量机的测量数据对产鼯进行数学模型重 构，或者壹接将这些离数数据转化成n c 程序进行数控力e 工或快滚原型而获取成品 熬过程，蔻瓣已有产品静器设诗、髯锚造鹃过程。 逆向工程是数字化筒快速响应制造大趋势下的一项重要技术。目前有关逆向 工程的研究和应用大多数针对实物模型的几何形状的反求。实际工程应用中，逆 逡工程是壤掇基有实物横型戆坐标测麓数据，重毅建立实物静数字纯模型，髓嚣 进行分析、修改、快速瓢垄制造和数控加工等。 第l 页 国防科学技术大学研究生蒎工学硕士学位论文 有许多产品，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u t e r 蹦d e d d e s i 辨简称c a d ) 模型描述的，设计和锚造者箍对静怒实物群件。为了适应先迸制造技术的发展， 需要通过一定途径将实物样件转化为c a d 模型，利用计算机辅助维4 造( c o mp _ u t e r a i 谳m 懿赫蠡搬黼，靛称c 硒固，袄滚原登黼造帮诀速模是( 脚i dp r o t o t y p i n g m a f l 诵犯n l 删杈印i dt 0 0 l i n g 。简称i u p m 7 r ，产晶数据篱理口r o d u c td a _ c am 姐a g e m e n t 篱称p d m ) 、及计算凝集成露l 遥系统( c o 壤p 蠛糕蠹拄e 龋娃e 砥黼函穗黼s y s t e m ，筒称 c i m s ) 等先谶技术对其进行镎理或制造。同时，随着现代测试技术的发展，快速、 精确避获取爽凌熬足耩痞惑懑交戒魏实。“爽谚遂爨工程”( 簿豫遵内工程) 冒定义 为：逆向工程是和将实物转变为c a d 模型棚关的数字化技术、几何模型重建技术 _ 穰产瑟篱l 造授寒熬慧穆u j 。 2 逆向工穰的应用 在制造领域内逆向工程蠢广泛憋瘦露鸷爨。在下烈婕形下，嚣瑟烽实貔模型 转换为c a d 模型例。 ( 1 ) 、逆恕工程与快速原魁专l 造m ) 相绥会。如：在模暴剑造领域，将实甥 零件转换为e a d 模型，利用c a d e a e e a m 技术来设计、分析、加工横具脚懿。 ( 2 ) 、有样件，在文档信息不完整的情况下霈要对样件进帮分析、加工或修改， 需要翻用逆陶工程的簪段将实物模黧转化为c a d 模擞从而掇商设计蒂g 造的自动化 程度，如：我国花大嫩外汇从俄罗斯引进的浆重点型号工程的生产线，其僚4 造体 系藕“模线榉板标准祥伟工张法”，为了该攫号翦翻产纯及改垒设计，遗掰需要 建立垒机数字化模型。该型号飞机花巨额外汇从俄方引进了4 2 4 套标准工凌、6 0 0 多套装配工装、l 多套零释工装，露l 遥逮整工装约霈1 3 q 万工对。根箨饿方提 供的图纸和计算公式所建立的外形数模与引进的工裟不完全致，擞新制造工装 将浪爨大量炎众，黪溺是大大延长该整号工程国产豫豹研鼷愿麓。羧姥，逮凌霞 要采用逆向工程的手段根据实物建立数模使乏与现有工装协调一致嗍。 ( 3 ) 、在一些复杂藏嚣零髂瓣设谤领壤；翔：汽攀夕 形设计、瑷菇设诗、芑术 品造型等对外形美学、空气动力学要求较高的产品设计中。 ( 4 ) 、在零件产品快速定剃生产领域。 ( s ) 、在医学领域。利用鼷析x 射线( c o 呲r i z e dt c 旺。盯a p h y ，c t ) 及棱磁共 振0 如鼹娃i c 轴刚搬燃h m 曲壤，姗) 等设备采集病交部位的钋形数搬，进行三维 数字化模型重建，为痰病的确定与诊断提供羹要依据。 ( 6 ) 、在地理信息领域。剩用现代的卫星遥感溅爨技术，对大地避测数据进行 特征谈剐和建模，建象三维数字豫真实感蟪形图，傻速生成鼯弹目标的自适应跟 踪轨逊；利用声纳测擞设备，获得海底及港口的地下形貌数据，进行几何模裂重 建。 嚣2 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 ( 7 ) 、在计算机辅助检测领域。利用自动测量设备，快速采集到零件的大量数 字化点，通过软件自动分析测量到的数据点与理论模拟的误差。 ( 8 ) 、艺术品、考古文物的复制。 3 逆向工程系统组成及工作流程 逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、c a d 模型重 建和产品或模具制造。逆向工程的工作流程如图1 1 所示【l 】o 图1 1 逆向工程流程图 系统主要包括： ( 1 ) 、测量机以及测头。测量机和测量探头是实现实物数字化的关键设备。测 量机有三坐标测量机、多轴关节式机械臂等；测量探头分接触式( 触发探头、扫描 探头) 和非接触式( 激光位移探头、激光干涉探头、线结构光及c c d 扫描探头、面 结构光及c c d 扫描探头) 两类。 ( 2 ) 、数据处理。由测量得到的外形点数据在进行c a d 模型重建以前必须进行 格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、测头半径补偿等数据处理。 ( 3 ) 、模型重构软件。模型重建软件包括三类。一是用于正向设计的 c a d c 舢到c a m 软件，如u gn x ，p r o e ，s o l i d w o 收s ，i d e 硒等，但数据处理和 逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向c 觥胱a m 软件。集成 有点云处理、陆线曲面拟合造型功能的u gn x 和s 1 1 u m l o o 等；三是专用的逆 向工程软件，如k 哑乒啪r e ，g c o m a g i c 等。 ( 4 ) 、计算机辅助工程分析( c o m p u t e r 加d e de n g i n 向g ，简称c a e ) 软件。包括 流场及温度场分析、机构运动分析、结构仿真等。如：m o l d n o w ，a n s y s ，n 嬲h 锄， i d e 鹊。a d m a s 等。 第3 页 黼骑科学技术大学研究生虢王学硕士学位论文 ( 5 ) 、c n c 加工设备。c 屺加工设备进弦原型和模具制遮。 、快速成型机。快速产生模黧样件。 ( 7 ) 、产晶制造设备。各种注塑成型机。 4 关键技拳 产品的数字化、三维模型重建、快速模典原型制造是逆向工程的主要关键技 米。 1 产品的数字化方法与技术【l 】 蜜貔零髂豹数字纯是逶逡特定豹溅量浚餐蠢潮爨方法获取零传裘嚣离散熹静 几何擞标数据。如何高效、商精度地实现样件表面的数据采榘，一赢是逆向工程 熬磅突热点。数据采嶷方法镶揍接皴褒秘l 接簸式掰拳孛方法。 按触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描 数据采集、磁场法、趑声波法等。 o 触发式数据采集方法。采集采用触发探头，当测头的探针接触到样件的表 蘧时，由于探针尖受力变形触发采榉中的开笑，这撵道过数擐采集笨绞记下探针 尖( 测球中心点) 的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的搬标数攒。数 据采集速度较低。 ) 连续式数据采集方法。采集采糟模拟辍开关采样头，由于数据采集过程是 连续进行的，速度比点接触淀触发式采样头快许多倍，采样精度也较高，可以用 来采集大魏摸酌数据。 磁场法【7 1 。将被测物体擐于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上 运蕊，逶过皴锌上豹传感器戆知磁场静交讫寒检溅皴锌位置，实蠛辩样俘表嚣静 数字化，其优点是不错要像坐标测量机一类的设备，但不适缎于导磁的样件。 接触式数据采集方法未蘩运蘧淹学聂爨送行数据魏采样，它蠢激光三角形 法、激光测距法( l 勰e rt r i 锄g u l a t i 叫m e 虹l o d s ) 、结构光法( s 劬c t u r e dm e m o d s ) 以及图 象分掇法a 萨盘癌y s i sm e 垃绺秘等l l l 。 激光三角测距法f 8 9 1 。激光三角测距法怒逆向工程中曲面数据采集运用最广 泛的方法，其骞以下特点：探针不与榉传接触，霞恧憩对松软誊手辩黪袭覆进瑟数据 采集，并能很好地测激到表筒尖角、凹位等复杂轮廓。数据采集速发很快，可将 大型表面在c m m 或数控机床上迅速完成数搌采集。所采集的数据是表露上舱实 际数据，无需测头补偿价格较贵。杂散反射，对于垂直壁等表面特征会影响采样 精度。 距离方法承粕g em 曲o d s ) 珏司。稠震光柬的飞行时闯栗测量被溯点与参考平 面的跋离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式，融于激光的单 窝毪好，多采用激光为憩垂滚，这释方法豹藕废氇较高。 第毒页 嚣茨辩学技零大学礤究生浣王学醺士学盛论文 结穆毙法【l l 】。将一蹙模妓豹毙照射剽被测榉伴游表露，然嚣摄得爱麓毙豹 器像，逶过辩魄不弱模式之瀚熬差澍采获取样件表箍瓣点静缀置，不需要缝标测 量砉琏餐糖密设务，遗份比较低， 基糖度较低，撵终复麸。 霪缘分叛法l 嘲。与缝j 鸯悫方法熬嚣粼豢予它苓采鼹投影模援，褥是避过匹 配确定物体从一点在秘幅图像中的位登，出褪箍计箨躐离。由鼍：匹憩糕度敷影魄， 图象分耄蓐法对形状豹撬述圭要是薅形状上熬特薤点、迭赛线与特缓撼述物体黪形 状，敞较难精确地描述复杂曲颈的三缎形状。 正业诗算机断屡扫按成像法( 1 n 托越c o m p 嫩t o m 嘴燃虹越称i c d 。 工业计算机断鼷扫描成像是对产品实物经过i c t 层析掴描后，获得一系列断颤图 像留片和数据，这黧切片和数据提供了工件截斌轮廓驶其内部维构的完整信息， 不仅可以进行王件的形状、结构和功熊分析；还可以提取产晶工件的内部截面， 并崮王件系捌截面数搽霪建互彳串的三缭凡旃模掇。i c t 的最大优点衣予宦能铡鬣工 件内部断面的信息，困而适用予任意的形状结构，但测量精度低。 在遴淘工程中，密集静溅爨数据被稼为煮云。密集、散乱豹熹云数蠢跫邀商 工纛数据采集韵主簧特煮之一。菲攘触式激光兰角澎法由予稍有精度裙速度的优 点，嚣嚣在逆恕z 程中瘫是广泛，拷合褒效率、蹇精度测囊静簧求。 2 三缍模型鬃建 三绦模溅璧建技术粒研究怒逆肉工程黪是一个热点研究峡容。出于爱续产品 熬热工豢造、扶速爨墼暴l 造、窳羧露l 逢薅爽、工程矜瓣巍产熬靛霉设计等痰麓嫠 需要c a d 数学模型的支持。这然应用都不同程度她鼷求重建的c a d 模型能壤确的 还原安物样转，潢熙绣溪黪连续性秘震基蠹孽等缀。因此，农横型璧建乏藏，痰释 模型的倍息和后续应用隳求( 如装1 1 所示) ，以选择难确、有效的造型方法和支撑 软件，达封模型的糖度灏质爨要求。 表1 i 不同后续工作对生成曲面的要求1 4 1 后续王作 模鍪簧求蘩赘冀它 敬密受夺淘穰，相留臻续角嶷盛在一整嚣怂l 鬟统萄艟不 加工 士0 1 5 + 之间。会接受磬剪过的柏蕊 要娘完全封潮韵横黧，僦譬连续必须话剪鼓的抽藏可缒台 实体造型 丈乎o 璐0 3 轴m 。 受列戳制 包装、概念可视规聪续的摊求藤定。 襁睡续的舞求嚣定一般速度托耀确度更蘸要 他或样机 曲筒模型不是必须在数学上连续，仪不允许恬剪曲面= 赶多数的动阐系统仅允许 动画 在撬觉土连续辩霹。姆匀参数熬蹦边界浆曩鞋凝 要求完全封鲻鲤摸登，默生成封耀鹣 抉速成型 s t l 模型。 竞垒封翅躲辏凝，滋生捩s 强楼囊 有限菇分析 热瓣摸墼。翘骧苓越过e 5 8 。 第5 委 溜防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 模型重建工作的进行受两个因豢的影响，一是数字化设蠡和造避软件，二是 揉律人员( 包括测量和造型) 的经验警方法。整个环节具有工作量大、技术彀强的 特点。对如何快速、准确地实现模型重建，图内外的研究者进行了大量的研究， 锌对翘透的不丽方瑟，提出了许多纛建方法移算法。露蓊成熟静模疆重建方法根 据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可分为：【l 】 按羧撵类墼，冒分为露痔点帮散鬣点蠹冬耋建： 按测墩机的类溅，分为基于c 删、激光点云、c t 数据和光学测量数据的重 建； 按造激方式，分为基于曲线的模型重建和基予曲面的赢接拟含； 囝按照嚣表示方法，分必边雾表暴、四迭b 一榉条表示、三囊嚣篾国一撵条、 b e z i e r ) 和三角网格( 平面) 表示的模型熏建等。 3 。快速模其原型镶造 传统模其制造的方法很多，如成形磨削、电火张加工、线切割加工、铸造模 具、呶解加工、电铸加工、愿力加工和照搬腐蚀等。由于这热工艺复杂、魏工周 期长等因素而影响了新产品对于市场的响应速度。 龃于市场全球化以及模具工业竞争的加剃，快速性成为模具技术首要的瑟求， 基于邀向工稔豹快速琢墅+ 快速模其技术使产赭逆求、设计到进入市场的时阂能大 幅度缩短。 莰速模癸 硒d1 硇l i n g ，r d 技术是稽秘瘫快逮原鍪l 蕊印谴p 蛐坝) 啦，r p ) 技术驱动的技术，基于离散堆积成形的技术快速制造模具，即r p + r t 。r p q h 技术掇供了一条获棱菸豹c 矗矜模鼙袁接翻造搂其静精瓣概念鞠方法，它耨模其翡 概念、设计和加工工装集成衣一个c 胱a m 系统内，r t 技术能够解决大量传统 攘王方法浓j 秘裁热王) 难鞋惩决熬翊熬，霹蔽壤摇剑圆摸登无罴数按镄蘩麓王壹 接将笺杂的型腔曲面制造出来。r p 技术的应用，不仪适应各种生产类型特别是单 终小援量摸其生产，褥显毙邋痰各魏复杂程发戆摸其篱l 造，蒺缝铡逑塑料摸其， 也能制造金属模具，模具材料还可以强韧化和复合化。 缎是，离数，堆积蛉原理袋制了它当翦敕精度和表露粗糙度( 如图l 。2 ) ，逐意缀 多技术难题要解决i ”4 科。 第6 页 阉防科学技术大擎研究生院工学硕士学位论文 ：yi 鱼釜甚触蹦 l 1 1 自圆圆抽雌 灏l 。3 抉洼嚣鍪翻造蓬程鍪 快速原型技术的是要工艺方法及特点： ( 1 ) 立体零霉l ( s _ 溆l l 攮。g 隧建猡a 删珞一s 己砖。越工艺方法毽称滚态 光敏树脂选择性固化。适合成形小件，能直接得到塑料产品，表面糨糙度质疑较 好，并且由予紫外激光波长缀，可以褥到报小豹聚焦光斑，扶秀褥热l 较裹躲足专 精度。 ( 2 ) 分艨实体制造函驰髓o 堪e c tm ；搬翩t 岫扩吨o 。也称薄形材 料选择性讶割。它根播三维棱疆每一个截面的轮廓线，在计算机的控制下，用c d ， 激光柬对薄形材料( 如底嚣涂胶的纸减 行切害，逐步褥到各层锻嚣，并牯绩在一起， 形成三维产品。 ( 3 ) 选择性激光烧结( s e l e c 自e dl a s e rs 蛐g s l s ) 。使用激光器烧结粉 末材料。成形对先在麓作台上铺上一鼷粉末材料，激光束在计算机的控制下，按 照截蕊轮廓的信息，对待4 件的实心部分所在的粉末进行烧结。一层究成后，工作 台下降一个层浮，再进行露一层静铺粉烧结。最终形成三维产品。这种方法适合 成形中、小型零件，能直接制造蜡模绒塑料、陶瓷和众属产晶。 ( 4 ) 溶能沉积戎形瓣l s e dd e p o s i 娃o na 协如1 m 川氧0 。熔亿沉积成形邈称丝 繁7 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 状材料选择性熔覆，三维喷头在计算机控制下，根据截面轮廓的信息，做x y l z 运 动。丝材在喷头中加热、熔化，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形 成一层截面。一层完成后，工作台下降一层厚，再进行君一层的涂覆，如此循环， 形成三维产品。适合成形小塑料件。 ( 5 ) 三维打印抛e d i m e n s i o n a lp r i n 如g 一3 d - p ) 。也称粉末材料选择性粘 结。喷头在计算机的控剃下，按照截面轮廓的信息，在铺好的一层粉末材料上， 有选择性地喷射粘结剂，使部分粉末粘结，形成截面层。一层完成后，工作台下 降一个层厚，铺粉，喷粘结剂，再进行后一层的粘结，如此循环形成三维产品。 ( 6 ) 固基光敏液相法( s o l i d g r o u n d c u r i l l r _ s g c ) 。一层的成形过程由五步来 完成：添料：掩膜紫外光曝光；清除束霹化的多余液体料：向空隙处填充蜡料和 磨平。由于过程复杂，sg 】c 成形机是所有成形机中最庞大的一种。 ( 7 ) 热塑性材料选择性喷洒。 ( 8 ) 变长线扫描s l sr p t 。 ( 9 ) 高功率激光二极管线阵能量源s l s 砌h 。 1 3 国内外研究现状 1 逆向工程软谗的开发 美国u g s 公司的i l a g e w a 揩、英国d e i c 创公司的c 叩y c a d 、英国船n i s h a w 公司的豫a c e 等都是针对曲面的反求软件。目前，许多通用的c a d ，c 越唰c a e 系统，如美国u g s 公司的u g n x 软件、法国m 她公司的e u c 硅d 及s 砸m 软件、 美国s d r c 公司的i - d 队s 软件、美国p t c 公司的p m ，e n g i l l e e r 软件等也都增加 了测壁造型模块。p r 吨和s 吐n l 软传具寿专门的反求模块。但只能进行简单曲 面的数据拟台，对由多个曲面组成的复合型自由曲面，直接拟合得到的曲面光顺 性较差甚至失真，还是走由点- 线- 单一曲面- 曲面分割组合的造型方法。国内山东 工程学院汽车工程系研制出这类软件，并在汽车外形设计和反求中应用，但三维 瞄面的光顺阿题还未妥善解决。浙江大学的r e s o r 系统采用三角b e 畦e r 曲面模型， 能处理复杂的形状，实现散乱数据的反求功能并集成了一个n u r b s 曲面转换模块 以解决三角b e 西e r 曲面与其他c a d ，c 址4 的通信问题e 。 2 基于逆向工程的快速原型制造 逆向工程目前主要的应用之一就是与r p m 技术的结合。国外在面向快速制造 的逆求工程领域已经取得一定进展。美国是开展强向r p m 的逆求工程研究最早的 国家，相关技术已在航空、汽车、割鞋等领域得到应用。针对激光测量、图像信 息的逆向工程研究更是发展迅速，一些m q 订系统已经配备了专业的逆求系统。美 国波音公司率先将r e 、r p m 等先进技术用于新型飞机的开发，不仅显著降低了成 第8 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 本，也大大增强了全球竞争力。一些生命科学家和考古科学工作者也希望通过逆 求技术和i 冲技术重构化石的树脂原型来帮助分析。2 0 世纪9 0 年代初，加拿大就 已大力开展砌 i 技术的应用研究，在面向r p m 的离散数据几何造型方面也成果 显著。此外，日本和欧洲的一些国家也已开始了砌i 心m 间的信息集成研究。 在国内，关于，m 技术的研究和应用尚处于起步阶段，还显得比较零散。周 利民重点研究了自由曲面快速测量系统的实现技术。张畅明确了逆求工程在快速 制造中的意义。王建国提出了基于m ! r p m 的快速反馈设计思想【6 1 。 3 逆向工程应用存在的不足 国内的逆向工程应用技术较国外相比，有很大的差距。国外在面向快速成型 制造的逆向工程领域已经开发了相当多的配套逆求系统。国内的快速原型制造技 术应用才刚刚起步，逆向工程还局限于c a d 模型的重建，设计到制造未形成顺畅 的技术环节【l j 。 ( 1 ) 技术方面 对实物外形的测量仍存在误差和遗漏。测量过程仍是一种无指导下的行为， 基于实物几何特点进行路径规划，达到最佳路径仍是寻求的目标。 复杂曲面重建技术，尤其是由多个子曲面拼合而成的组合曲面，由于其表 面特征识别的难度增大，影响了后续的数据分割和造型处理。尽管三角曲面插值 是解决异形曲面有效方法，但三角曲面模型和四边曲面模型兼容问题仍有待完善。 曲面光顺和模婆! 评价，曲面光顺仍是针对曲面片，没有一个整体曲面光顺 的方法，虽然在目前的c a d 系统中，都具有调整曲面的控制顶点的曲面修形功能， 但却是一项难操纵的技术。瞌面光顺和精度保证仍是一对对立的矛盾，在模型精 度评价方面，依靠最小距离进行模型评价是一种简单方法，但不是一种最好的方 法 c a d 软件。尽管现在已有多种专用的逆向软件进行市场，但目前软件的数 据处理技术，造型技术仍不完善，模型质量的高低仍直接受操作者的经验、水平 的影响 集成系统。专用逆向软件和其他计算机辅助技术的结合已受到重视，在数 字化设备与造型软件的集成上，目前进展甚微。 ( 2 ) 工具方面。由于不同的测量方式和设备包括软件都有其特点和不足，适用 于不同的应用的范围，使技术的通用性受到一定限制，应针对产品特点来选型。 ( 3 ) 人员方面。 逆向工程技术的应用是一项专业往很强的工作，各个过程都需要有专业的人 才。需要经验丰富的工程师，特别是对三维模型重建人员有更高的要求，除需了 解产品特点、制造方法和熟练使用c a d 软件、逆向造型软件外，另一方面应熟悉 第9 页 滔防科学技术大学研究生虢工学硕士学位论文 上游的测量设备，以了解数据特点，还应了解下游的制造过程，包摄制造设备和 制造方法等。 l 。4 谦遂背景及意义 逆趣工程技术燕期快速袋成的方向发展，以实瑗黜强：触舰潆醚阀的信感集成 和系统集成为目标，形成一个集设计、制造于一体的快速设计制造系统，怒现代 制造技术的一个发展方向。 线结构激光铡蠹采集数据速度侠、精度商，可充分表示零件表灏的几何信息， 非常适合于对复杂自由曲面的测量，是逆向正程测擞的一个发展趋势。随滋激光 测量浚备在邀商工稷领域应掰范圈的逐步扩大，热之其产黼豹市弱缅分和激烈的 竞争，众多的国内中小制造众业购买激光测量设备从价格上成为可能，在质量、 稳定径、可靠程等瞧缝参鼗方瑟己蠢不少的产品瀵怒工盈条彳牟下豹疯露要求。 应用逆向工程技术到军用装备的研发和制造领域，能有效提高军用装备中复 杂零传懿覆爨糟度势嬲莰磅臻l 速凌；蓬晁经济建爱童，将激光溅量没鍪与懑有豹 先进制造技术装备( 比如：数控机床、加工中心等) 以及c a d c a e c a m 软件构建 残适震售塞纯枣场竞争熬抉遴设计巷l 造系绫，鼓嚣懿羚全盘瓣越薮、磅发力； 因此，应用激光测量设备融合已有先进制造设备，形成基于逆向工程的快速 设计镱l 造的技术方法霹究，殴经具备现实螅慕础。谍题组翳在的实验室已缎具冬 三轴、四轴数控加工设备和快速原型制造的设备，先后承担了多项课题的先进制 造任务，将先进制造等段与纂于激光测量的逆向工程实现c a e 棚r 蹦的嶷成， 形成快速设计翻造驹技术路线和方法，值得进行研究与实践。 1 5 论文磅究愚踌摹l 燕要肉容 本文从逆态工程榘成的燕度对基予线结构激光测量获取瓣点云数据为磷窕对 象，对其进稃数据预处理、脯线拟合、盐面麓建以及在造型基础上进行的浪塑模 具设计及其快速制造避行了攥论研究朔实践艘用，课题研究对逆向工程技术的工 程应翔具有积裰的参考价值。 论文主要内容如下： 第一章：阐述了逆向工稔豹定义、应雳背景及系统构成和工作流程，飙三个 部分分析了国内外研究的现状，介绍了逆向工程的曼个关键技术：自由曲聪的数 字纯测量、三维模登熏建、捩速舔蝥模兵露l 造，阐述了课题研究静诺景与意义， 确定术论文的思路及烹要研究内容； 繁二章；会绥了在工程镁域豢建麓三焦域、霆逡竣戆造爨方法毅其应焉鬻景， 第l o 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 研究了样条曲线以及四边域中的样条曲面的理论知识，分析总结了b e z i e r 、b 样条、 n u r b s 曲面的在工程领域的应用； 第三章：研究了在逆向工程中常用的曲线拟合的方法：对三种曲线的拟合作 出了分析比较，在理论上对曲面重构中常用的拉伸、扫掠曲面做了研究： 第四章：对线结构激光测量获取的点云数据的预处理、曲线拟合、曲面重构、 误差评价进行了研究，基于h 衄g e w a r e 软件对模型重建的过程进行了实践，总结 出了面向工程应用的逆向工程方法； 第五章：分析了基于逆向工程的快速产品膜具的开发方法，基于逆向工程中 的造型，应用u g 瓜i o l d w i 盟r d 对注塑模具进行设计，对模具的快速原型制造和数 控加工技术两种不同先进制造加工方法的工艺特点制定加工工艺方案，应用 u g c a m 软件进行了数控铣削加工的仿真，针对铣削加工中心数控程序的格式要 求，对刀具加工轨迹进行后置处理，并在快速成型设备和铣削加工中心进行了制 造实验。通过实践，总结出面向制造工艺的先进制造技术和方法，形成基于逆向 工程的快速模具设计制造的工程技术方法。 总结本论文研究的工作，对后续研究工作提出建议与展望。 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院工学硕士学位论文 第二章逆向工程造型方法与理论研究 逆向工程中，利用产品表面的点云数据，通过插值或者拟合的方法，构建出 产品的c a d 模型原型是整个过程关键而复杂的环节。本章研究逆向工程中常用的 曲线、曲面的造型理论，为后续的模型重建提供理论上的支撑。 2 1 几何模型的表示 从广义的概念讲，a d c a m 中几何形体的表示一般采用线框( w i r e 劬m “ 曲面( s u r f a c e ) 、实体( s o l i d ) 三种表示模型。 1 线框( w i r e e ) 模型 线框模型是在计算机图形学和c 胱a m 领域中最早用来表示形体的模型， 并且在某些系统中仍然在使用。特点是结构简单，响应速度快，易于理解，同时 又是表面和实体模型的基础。它使用顶点和邻边来表示一个形体。这种建模方式 给出的不是连续的几何信息，不能明确定义给定点和形体之间的位置关系( 如判断 点在形体内、外还是表面) 。因而，线框模型只合适于评价物体外部形状、位置或 绘制图纸等应用。而对需要处理完整信息描述的应用，如需要处理剖切图、消隐 显示、物性分析和干涉检查、加工处理等等，则存在无法克服的缺陷。 2 曲面( s u m 嘴) 模型 曲面模型是通过对物体各种表面或曲面进行描述的一种兰维模型。它是在线 框模型的基础上，增加了有关面边( 环边) 信息以及表面特征、棱边的连接方向等内 容，从而满足了面面求交、线或面消隐、明暗色彩图、数控加工等应用问题的需 要。其重点在于由给出的离散数据构造曲面，使该曲面通过或逼近这些离散点， 但并没有明确定义出