（机械电子工程专业论文）基于逆向工程的阀体设计技术研究.pdf

i l 1 l ad i s s e r t a t i o ni nm e c h a n i c a la n de l e c t r i c a le n g i n e e r i n g r e s e a r c ho n v a l v eb o d yd e s i g nt e c h n o l o g y f o rr e v e r s ee n g i n e e r i n g b yg ux i a o y u s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rh um i n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j a n u a r y2 0 0 8 二 1 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的 研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢 = e 思0 学位论文作者签名：朋毳最户 日 期：肋莎身；日多佣 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校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。本人同意东北大学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、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名：导师签名： 签字日期：签字日期： _一，!_、阡ni、i1。，汰 一=_。i， ， 东北大学硕士学位论文摘要 基于逆向工程的阀体设计技术研究 摘要 阀体是带有自由曲面和内型面的物体，其内型面形状是影响液体流速、流量， 产生振动及噪声等性能指标的重要因素之一。但因其几何形状不规则，为自由曲 面，难以用二维几何图形及数学解析式准确表达，一直是设计上的瓶颈问题。在 这样的背景下，将逆向技术应用到阀体零件的开发设计中已成为适应现代制造技 术的发展趋势。 本文应用逆向工程技术对阀体的模型设计进行研究。 首先，对逆向工程关键技术进行研究，( 1 ) 对多次测量获得点云拼接对齐原 理和方法进行研究和实例验证，( 2 ) 研究了均匀采样法、弦偏差采样法、距离采 样法，在不同参数下精简点云的性能。( 3 ) 针对当前精简方法中存在特征点丢失 的情况，提出了基于垂距的自适应数据采样点云精简方法，通过实验分析算法性 能。 接着，研究了阀体产品快速开发的新工艺，以硅橡胶翻制阀体内型面，应用 逆向工程技术对阀体外表面和硅橡胶模型外表面进行数字化测量，采用正逆向集 成的建模技术，分别对阀体规则曲面部分和自由曲面部分进行重构，最后将内腔 模型与外腔模型进行拼合，从而获得零件完整的三维c a d 模型。 最后，讨论了阀体在应用逆向工程技术设计中可能存在的误差，采用基于 原型修正、基于对称面修正、基于装配关系修正、基于有限图纸资料的修正和基 于样件实物修正技术，对阀体铸件c a d 模型进行修正。 本文采用的逆向原理和逆向方法可以精确的构建出阀体的c a d 模型，还可 将该原理和方法应用在其他具有类似结构特征的模型设计中。 关键词：逆向工程；点云处理；模型重建；误差分析 一i i ji，l ，kf- f 、 t 一 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e s e a r c ho nv a l v eb o d yd e s i g nt e c h n o l o g y f o rr e v e r s ee n g i n e e r i n g a b s t r a c t v a l v eb o d yh a sf r e es u r f a c e sa n dl u m e n t h es h a p eo fl u m e ni so n eo ff a c t o r s w h i c ha f f e c tl i q u i df l o wv e l o c i t y , f l o wr a t ea n dc a u s ev i b r a t i o n ，n o i s e b u tt h e g e o m e t r ys h a p ei si r r e g u l a r , c a l l e d f r e es u r f a c e i ti sd i f f i c u l tt ob ee x a c t l y e x p r e s s e db yt w o - - d i m e n s i o ng e o m e t r yg r a p h sa n dm a t h e m a t i cf o r m u l a ，t h i sa l w a y s i sab o t t l e n e c kd i f f i c u l t yt od e s i g nv a l v eb o d y i nt h i sc o n d i t i o n ，a p p l y i n gr e v e r s e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yt oc o m p l i c a t e dv a l v eb o d yd e s i g ns e e m st ob eo n et e n d e n c y a d a p t i n gt ot h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y t h i st h e s i sr e s e a r c h e sv a l v eb o d ym o d e ld e s i g n a p p l y i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n g t e c h n o l o g y f i r s t l y , r e s e a r c ht h ek e yt e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ( 1 ) r e s e a r c ht h e t h e o r ya n dm e t h o d so fp o i n tc l o u d sa l i g n m e n 4a n d v a l i d a t et h et h e o r yb ye x a m p l e ( 2 ) r e s e a r c hu n i f o r m i t ys a m p l i n gm e t h o d ，c h o r dw a r ps a m p l i n gm e t h o d ，s p a c es a m p l i n g m e t h o d , a n dt e s tp o i n tc l o u dc o n d e n s ec a p a b i l i t yo ft h em e t h o d si n d i f f e r e n t p a r a m e t e r s ( 3 ) a i ma tt h em o d e r nc o n d e n s em e t h o de x i s tt h ef e a t u r ep o i n t sl o s i n g ， b r i n gf o r w a r ds e l f - f i t t i n gp o i n tc l o u dc o n d e n s em e t h o d ，a n da n a l y s et h ea r i t h m e t i c c a p a c i t yb yt e s t i n g s e c o n d l y , r e s e a r c hn e wt e c h n i c so fr a p i de x p l o r i n gv a l v eb o d y u s es i l i c o nr u b b e r c o p yv a l v ei n s i d e ，a p p l yr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yt om e a s u r ev a l v eo u t s i d ea n d s i l i c o nr u b b e ro u t s i d e a d o p tp o s i t i v ea n dr e v e r s ec o m p o s i t i o nt e c h n o l o g y , u s e r e v e r s es o f t w a r et oe s t a b l i s hv a l v ef r e es u r f a c e s ，u s ep o s i t i v es o f t w a r et oe s t a b l i s h v a l v ef o r m u l as u r f a c e s i nt h ee n d ，a s s e m b l el u m e nc a dm o d e la n dv a l v eo u t s i d e m o d e l ，a c q u i r et h ew h o l et h r e e - d i m e n s i o n a lc a dm o d e l t h i r d l y , d i s c u s st h ep o s s i b l ee r r o ri nt h ec o u r s eo fc o m p l i c a t e dv a l v eb o d yd e s i g n b a s e do nr e v e r s e e n g i n e e r i n g ，t h e nm o d i f yt h e m o d e la c c o r d i n gt o p r o t o t y p e ， s y m m e t r y , a s s e m b l y , f i n i t ed r a w i n ga n ds a m p l em o d i f i c a t i o n t h i sp a p e ra p p l y sr e v e r s ee n g i n e e r i n gt h e o r ya n dm e t h o d sc a na c c u r a t e l ye s t a b l i s h c o m p l i c a t e de n t i t y , t h e s et h e o r ya n dm e t h o d sc a nb ea p p l i e di n t h eo b j e c t sw i t h s i m i l a rs t r u c t u r ef e a t u r e s k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，p o i n tc l o u dp r o c e s s ，m o d e lr e c o n s t r u c t u r e ，e r r o r a n a l y s e l i j 4 t j r 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 目录 第1 章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 逆向工程的含义l 1 3 逆向工程主要研究内容。1 1 4 逆向工程的应用2 1 5 逆向工程的国内外研究状况3 1 6 课题研究内容4 1 7 本章小结5 第2 章逆向工程中的关键技术研究6 2 1 数据测量方法6 2 1 1 接触式数据测量6 2 1 2 非接触式数据测量法7 2 1 3 逐层扫描式数据测量法7 2 1 4 各种测量方法的比较8 2 2 测量数据预处理8 2 2 1 多视点云对齐9 2 2 2 数据精简1 2 2 3n u r b s 曲线曲面理论1 7 2 3 1n u r b s 曲线和曲面1 8 2 3 2 基于n u r b s 的曲面造型1 9 2 4 本章小结2 2 一i v 东北大学硕士学位论文 目录 第3 章基于逆向工程的阀体设计2 4 3 1 阀体铸件模型重建技术路线分析2 4 3 1 1 正逆向集成建模2 4 3 1 2i g e s 图形文件转换格式2 4 3 1 3 阀体铸件正逆向混合设计的实现过程2 6 3 2 阀体内腔的数据获得方法2 7 3 3 阀体铸件数据采集方法的确定2 8 3 3 1 本课题所采用的试验设备2 8 3 3 2 阀体铸件测量过程中的关键问题。3 0 3 4 阀体外腔自由曲面处的c a d 建模。3 4 3 4 1 阀体外腔自由曲面处建模的分析3 4 3 4 2 阀体模型重构过程中自由曲线的拟合3 5 3 4 3 曲线编辑。3 6 3 4 4 曲线分析3 7 3 5 实体造型3 8 3 5 1 外腔实体造型。3 8 3 5 2 内腔建模3 9 3 5 3 内外腔拼合3 9 3 6 本章小结4 l 第4 章c a d 模型误差来源分析和误差纠正方法4 2 4 1 点云与模型的误差4 2 4 2 误差来源分析4 4 4 3c a d 模型修正4 5 4 3 1 基于原型的修正4 5 4 3 2 基于对称面修正4 6 4 3 3 基于装配关系修正4 7 4 3 4 基于有限图纸资料修j 下4 7 4 3 5 基于样件实物修正4 8 4 4 本章小结4 9 ， 一v 一 东北大学硕士学位论文 目录 第5 章结论与建议5 0 5 1 结论5 0 5 2 建议5 0 参考文献5 1 致 射5 3 一v l ， l ， 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 1 课题研究背景 第1 章绪论 阀体因其通常包含自由曲面和内腔结构而成为设计领域的瓶颈问题，传统的 设计方法通常是在二维图上表达几个截面，再提供一个或几个样品，根据制造样 板经过反复的试验与修改，难以直接根据产品功能和用途正向进行三维造型和制 造，导致了产品精度低，开发周期长，最终性能不能完全达到要求。传统的产品 设计方法已经不能适应这种形势，这种需求推动着新的设计方法的诞生。 逆向工程是综合性很强的前沿学科，是近年发展起来的一系列分析方法和应 用技术的组合。它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础， 运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、 深化和再制造，是已有设计的再设计。利用逆向工程技术对阀体进行c a d 建模 可以得到理想c a d 模型，目前已成为适应现代制造技术的发展趋势。 1 2 逆向工程的含义 逆向工程又称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根 据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的c a d 模型，从而实现产品设计与 制造的过程。与正向工程的从无到有不同，逆向工程是在没有设计图纸或者没有 c a d 模型的情况下，对现有的产品样机或者是设计者以粘土或木模等手段表达的 设计思想等实物为对象，运用先进的测量手段，进行三维数字化处理，并以获得 的三维离散化数据为基础，进行三维数据重构，构造出实物的c a d 数据模型，并 进行修改或再设计，最后通过先进的制造技术，如数控加工中心或快速成型技术 ( r h 之a p i dp r o t o t y p i n g ) ，完成产品或原型的制作。以上产品开发过程，称为逆 向工程或反求工程技术( r e ) 。逆向工程流程示意图见图1 1 所示。 1 3 逆向工程主要研究内容 逆向工程在实施过程中所涉及的内容和面临的问题很多，是一个系统工程。 逆向工程系统可分为三个主要部分：产品实物的三维数字化即三维测量、离散三 维数据的重构、数据文件自动生成系统及产品加工制造。 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 ( 1 ) 产品实物的三维数字化 即数据的获取，就是利用三维物体轮廓测量技术，采用三坐标测量机( c m m ) 、 三维激光扫描设备或其它测量装置，快速、准确、完整的获取零件表面的数字化 几何信息。三维数字化是逆向工程的首要前提，也是重构合理实体q 蛆模型的重 要保障，它为后续流程提供准确、可靠的三维离散数据。 ( 2 ) 原型c a d 模型的重建 对获取的数据进行一系列的处理，如数据拓扑的建立、数据的预处理、曲线 曲面的生成、实体的生成等，生成c a d 模型。对于形状复杂的点云，经过数据处 理，按测量数据的几何属性对其进行分割，被分割成特征相对单一的块状点云， 然后将分割后的三维数据在c a d 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片 的求交与拼接获取零件表面的c a d 模型。 ( 3 ) 数据文件自动生成系统及产品制造系统 在完成c a d 模型的重建后，后续应用的一个选择是利用快速原型技术，制造 原型和模具。另一个选择是，将建立的c a d 模型输入到机床或加工中心( n c ) ， 生成刀路文件，进行产品的批量自动加工成型。 图1 1 逆向工程的基本工作流程 f i g 1 1r e v e r s ee n g i n e e r i n gb a s ew o r kf l o w 1 4 逆向工程的应用 随着新的逆向工程原理和技术的不断引入，逆向工程已经成为联系新产品开 发过程中各种先进技术的纽带。成为消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的主要技术手段。具体来说，逆向工程技术的应用主要集中在以下几个方面： ( 1 ) 在诸如飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发中，产品的空气动力学性 能和美学设计显得特别重要的领域。这些产品的几何外形通常不是应用c a d 软件 直接设计的，而是首先制作木质或粘土全尺寸或比例模型，然后利用逆向工程技 术重建产品数字化模型。逆向工程技术在此类产品的快速开发中显得举足轻重。 ( 2 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，经常要对已有的构件做局部修改 的领域。在原始设计没有三维产品数字化模型的情况下，如果能将实物零件通过 测量数据预处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型进行修改以后再进行 加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥正向设计 不可替代的作用。 ( 3 ) 在缺乏二维设计图样或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化为计算机 表达的产品数字化模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析( c a e ) 、计算机 辅助制造( c a m ) 等先进技术，进行产品创新设计。 ( 4 ) 某些大型设备，如航空发动机、气轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导 致整机停止运行。通过逆向工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从 而提高设备的利用率并延长使用受命。 ( 5 ) 一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制、医学领域中人体骨骼及关节等 的复制、假肢制造、以及在制造特种服装及头盔等，需要首先建立人体的几何模 型。这些情况都必须从实物模型出发得到产品数字化模型。 铲 ( 6 ) 借助于工业c t 技术，逆向工程不仅可以产生物体的外形形状，而且可以快 速发现、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的主要手段。 1 5 逆向工程的国内外研究状况 逆向工程测量规划与重建技术领域内的研究，在国外已形成一定规模，并也 具有一定的深度。一些重要的国际与国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨 论作为一个重要的会议专题。如g e o m e t r i cm o d e l l i n ga n dp r o c e s s i n g s e r i e s ，i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g ea 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，著名的c a d 杂志也在1 9 9 7 年编发了一个反向工程研究 专集。从重要文献和会议情况看，国外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单 位与个人，发表的文章也逐年递增。目前，逆向工程已发展为c a d j ，c a m 一个相 对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量，图象处理，计算机视觉，几何造 一3 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 型和数字化制造等许多方面。 1 9 9 8 年全球逆向工程技术系统加工中心达到3 3 1 个卜1 ，拥有快速成型机6 6 0 台套，同时有2 7 个快速成型设备制造公司，1 2 个大的材料供应商，1 5 个专业软 件公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和科研机构以及2 2 7 个提供赞助的基金会 以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体。在 经过了初期5 0 的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保 持在1 7 左右l 引。 迄今，在国际市场不仅有许多逆向测量设备，也出现了多个与逆向工程相关 的软件系统，主要有：美国i m a g e w a r e 公司的s u r f a c e r1 2 0 、英国d e l c a m 公司 产品的c o p y c a d 、英国m d t v 公司的s t r i m a n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，英国 r e n i s h a w 公司的t r a c e ，在一些流行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类 似模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功能、p r o b n g i n e e r i n g 中的p r o s c a n 功能、 c i m a t r a n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。日本开发了m r ic t 重构三维 实体的软件，英、法等国能将扫描数据在数控设备上复制，美国开发了c t 可视 化可转成i g e s 的软件。 国内已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西 安交通大学c i m s 中心的面向c m m 的逆向工程测量机的研究【3j 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【4 v i 、浙江大学生产工程研究所得三 角面片建模【6 1 、南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心的基于海量散乱点三 角网格曲面重建和自动建模方法【7 1 、华中科技大学的曲面测量与重建和西北工业 大学的数据点处理、建模【8 、9 】等。 在数字化测量设备的研制方面，与国外相比，国内起步较晚，经费较少，创 新性成果较少。国内北京机床研究所于1 9 8 2 年研制出第一台c l w 6 3 型万能测量 机，同年研制出带气动导轨的c l z 8 6 4 型手动c m m 。华中理工大学开发了三维激 光彩色扫描系统3 d l c s 9 5 ，1 9 9 5 年获得国家专利。 1 6 课题研究内容 对逆向工程中的一些常用的数据测量方法进行研究，比较其各自的优缺点。 对点云对齐、点云精简等数据预处理关键技术进行探讨，针对当前精简方法中存 在特征点丢失的情况，提出基于垂距的自适应数据采样点云精简方法，通过实验 分析算法性能。 一4 一 ， 东北大学硕士学位论文第2 章逆向工程申的关键技术研究 第2 章逆向工程中的关键技术研究 2 1 数据测量方法 数据测量是指通过特定的测量设备和测量方法，获取实物模型表面离散点的 几何坐标数据的过程。数据测量是逆向工程技术的基础，是三维坐标点的来源。 同时，测量点的分布和数量的多少都影响模型重构的方法和效果。如何根据几何 外形选取不同的测量方法和测量路径，一直是数据测量技术的主要研究内容1 1 0 - 1 7 l 。 研究人员长期以来对这一问题进行了的大量研究，测量系统与物体的作用包括光、 声、电、机等方式，本文对这些测量方法进行归类，并对常用的三维数据获取技 术的原理、优点和局限性进行简要的介绍和分析。逆向工程中数据测量方法主要 有三种：一是接触式测量法；二是非接触测量法：三是逐层扫描测量法【1 8 1 ，见图 2 1 。 2 1 1 接触式数据测量 图2 1 数据测量方法 f i g 2 1d a t am e a s u r em e t h o d 传统的坐标测量机多采用机械探针等触发式测量，可通过编程规划扫描路径 进行点位测量，每一次获取被测形面上的一点的x , y , z 坐标值。典型代表是三坐标 测量机法。 三坐标测量机( c m m ) 法，主要是利用接触探头( 有各种不同直径和形状的探针) 一6 一 东北大学硕士学位论文 第2 章逆向工程中的关键技术研究 逐点地捕捉实物模型表面数据。这是目前应用最广的自由曲面三维模型数字化方 法之一【1 9 i 。当探头上的探针沿实物表面运行时，实物表面的反作用力使探针发生 形变。这种形变通过连接到探针上的三个坐标的弹簧产生位移反应出来，其方向 和大小由传感器测出。经模拟转换，将测出的信号反馈给计算机，经相关的处理 得到所测量点的三维坐标。 2 1 2 非接触式数据测量法 非接触式三维数据获取方法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，主要包括激光三角形法、结构光法、工业c t 法等 【、2 1 1 。 ( 1 ) 激光三角形法( l a s e r t r i a n g u l a t i o nm e t h o d ) ：是迄今逆向工程中曲面数据采集 运用最广泛的方法。其测量的基本原理是利用有规则几何形状的测量光源投影到 被测表面上，形成漫反射光带，并成像于空间位置的图像传感器，根据三角形原 理可测出被测表面各点的空间坐标。测量精度在o 0 1 毫米左右，采样速度可以达 到每秒数万点【2 2 1 。激光三角法测量原理如图2 2 所示。 z 附搁 蠛彳7 j z l j 7 1 - 置 】 1 1 。 7 f 讯竹b - o 臻蠹惫：镀佐 图2 2 激光三角形测量原理 h g 2 2l a + s e rt r i a n g l em e a s u r et h e o r y ( 2 ) 结构光法( s t r u c t u r em e t h o d ) ：该方法将一定模式的光照射到被测样件的表面， 然后摄取反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面点的位置。 这种方法中最典型的是s h a d o w m o i r e 干涉条纹法，它的特点是不需要坐标测量机 等精密设备，造价较低，但精度较低，操作复杂。 2 1 3 逐层扫描式数据测量法 逐层扫描测量法主要包括工业计算机断层扫描成像( 又称工业o r ) 法2 3 1 、核磁 一彳一 东北大学硕士学位论文第2 章逆向工程中的关键技术研究 共振法【2 4 1 和自动断层扫描法等。 ( 1 ) 计算机工业c t 法( i n d u s t r i a lc o m p u t e rt o m o g r a p h y ，简称i c l 3 ：该方法以测 量物体对x 射线的衰减系数为基础，是对产品实物经过c t 层析扫描后，获得一 系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了样件截面轮廓及其内部结构的 完整信息，不仅可以进行样件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品样件的 截面，并由样件系列截面数据重建样件的三维几何模型。c t 的最大优点在于它能 测量样件的内部截面的信息，因而适用于任意的形状结构。但其测量精度较低。 ( 2 ) 自动断层扫描法( a u t o m a t i cc r o s ss e c t i o ns c a n n i n gm e t h o d ，即a c s s ) ：该方 法采用材料逐层铣削与逐层光扫描相结合的方式，快速、准确、自动地测量零件 的表面和内部尺寸。它的片层厚度最小可达0 0 1 3m m ，测量不确定度为0 0 2 5m i l l 。 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 般零件的测量需数小时以上。 2 1 4 各种测量方法的比较 由于测量原理的不同，各种测量方法各有所长，同时有各有一定的限制【氓矧。 表2 1 为几种主要的测量方法在精度、测量速度、适用范围、成本等方面的比较。 表2 1 几种测量方法的比较 测量方法分辨率测量速度可测量轮廓的对材料是测量成本 ( m m ) 复杂程度否有限制 上述的各种测量方法在测量精度、速度、可测量轮廓的复杂程度、对材料是 否有限制等因素来选择和应用合适的测量方式，以得到最佳的产品三维描述。 2 2 测量数据预处理 随着现代测量技术的发展，以扫描测量为基础的“点云”数据采集量可高达 一8 一 东北大学硕士学位论文 第2 章逆向工程中的关键技术研究 几十兆甚至上百兆字节【2 7 i ；这些数据之问通常没有相应的、显式的拓扑关系，其 中还包括大量无用数据并且存在着噪声。因此，逆向时必须首先经过数据预处理， 为后续的曲线曲面重构奠定良好基础f 2 8 i 。数据预处理包括过滤、对齐、筛减、去 噪、精简等，各项具体工作间的相互关系比较密切，它们之间的先后顺序直接影 响着数据预处理的最终结果。目前这些工作的进行顺序和具体方法并无一致标准。 2 2 1 多视点云对齐 在逆向工程中，点云的对齐问题分为多视点云的对齐和与c a d 模型对齐两种 类型【2 9 】。 ( 1 ) 多视点云对齐 在对实物样件实行数字化时，往往不能在同一坐标系下将产品的所有数据一 次测出，因此需要将从各个不同视角测得的点云数据进行多视定位。其主要原因 有：因为产品尺寸超出测量机的行程；或由于在部分区域，受被测实物几何形状 的干涉阻碍。这两种情况都需要在不同的定位状态( 即不同的坐标系) 下测量，所得 的数据都称为多视数据。在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据 统- - n 同一坐标系中，这个数据处理过程就称为多视数据的对齐。 ( 2 ) 与c a d 模型对齐 为了检验逆向工程重建后模型与原始点云的差别，或了解零件发生的变形情 况，或对复杂外形产品进行三维检测时，需要先将点云与c a d 模型对齐，之后才 能使用软件强大的三维比较功能检测差异。 2 2 1 1 基于三个基准点的对齐方法 基于三个基准点的对齐方法，是一种最基本的对齐方法。从本质上来说，它 是一种基于特征的对齐方法，因为实际应用中不可能测量单个的点作为基准点， 而是利用圆心点或球心点作为基准点 ：3 0 l 。 ( 1 ) 对齐的基本理论 实现三维数据点集的对齐，测量数据的多视统一可以看作是一种刚体运动( 数 据点运动时只存在坐标变化，不产生形状变化) ，两个数据点集或者c a d 几何模 型的对齐都属于空间刚体移动，因此多视对齐可看作空间两个刚体的坐标变换， 问题归结为求解对应的转换矩阵。三维图形的坐标变换包括平移、比例、旋转、 错切等几何变换，这里测量数点的对齐问题仅是平移和旋转变换。因此，多视点 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章逆向工程中的关键技术研究 数据的对齐问题就转化为如何求取各视图i 日j 的旋转矩阵变换r 和平移矩阵t 的问 题。建立对应点集距离的最小二乘目标函数，然后利用四元组法、矩阵的奇异值 分解法等方法来求取刚体运动的旋转矩阵和平移矩阵1 3 1 1 。 三点几何坐标变换方法为：测量基准p - ，p 2 ，并1 p 3 。第二次测量时基准点坐标 变为q l 、q 2 和q 3 ，刚体变换可通过三个步骤实现：变换p l 至：l j q 。；变换矢量( p 2 。a ) 到( q 2 吼) ( 只考虑方向) ；变换包含外p 2 与p 3 的平面到包含6 7 l 、吼与吼的甲面 3 2 1 。 算法为： s t e p l ： 作矢量( p ：一a ) 、( 见一a ) 、国：一吼) 与( q 3 一q t ) ； s t e p 2 ：令k = p 2 一p l ，嵋= q 2 一吼； s t e p 3 ：作趱与w 3 ； f 嵋= v l 0 3 一n ) l 嵋一事( q 3 一q 1 ) ( 2 1 ) s t e p 4 ：作矢量k 与职； f 屹一v 3 掌k 峨2 嵋寮w 2 ( 2 2 ) 显然，矢量y 、v 2 、v 构成右手正交系w l 、w 2 与w 3 同样构成右手正交系。 s t e p 5 ：作单位矢量 k 2 商，哆2 尚，嵋= 尚；联2 齑，2 南，嵋2 齑； 。2 渤 s t e p 6 ：把系统 v 】的任意一点p l 变换到系统 w 】，用变换关系式 只一p_fr+t(2-4) s t e p 7 ：因为m 和 w 】是单位矢量矩阵，所以【w 】- 【v 】尺，于是所求的关于【w 】 系统的旋转矩阵为 r = v 】_ 1 【叫； ( 2 5 ) s t e p 8 ：使置= q l 和只= p 。，把方程代入，可得平移矩r ； 丁= q ，一p ，卜】- 1 【w 】；( 2 6 ) s t e p 9 ：将方程改写为 p = p 【1 ，】1 【w 】- p 1 【y 】1 【w 】+ 吼 ( 2 7 ) 图2 3 是三点坐标变换示意图。 2 2 1 2 基于特征的对齐方法 基于特征的对齐方法，就是在要对齐的点云上找出对应的特征，利用特征的 一1 0 一 东北大学硕士学位论丈 第2 章逆向工程中的关键技术研究 对齐来计算出旋转矩阵和平移矩阵，上面提到的基于三点的对齐方法即是这种对 齐方法中的一种特例。大多数对齐命令属于这类，需要提供对应的基本特征才能 进行。基本特征，又称二次特征或原始体素，如点，线，圆，面，球，圆柱，圆 锥等。特征对齐的方式主要有：点与点重合、线与线共线、矢量平行同向重合、 平面共面等。表2 2 显示了不同的特征配对在对齐前、后的比较。 对齐过程为：先把属于基本特征区域的点云分别提取出来( 方法是对点云分块 或切片) ，然后拟合成各个基本特征，最后对应的基本特征对齐。图2 4 为基准点 对齐方法的应用实例。 乃j 巧 一 6 j 巧 y 2 a 吼吼 图2 3 三点坐标变换示意图 f i g 2 3t h r e ec o o r d i n a t et r a n s f o r ms k e t c hm a p 图2 4 基准点对齐方法 f i g 2 4d a t u mm a r ka l i g nm e t h o d i 。、 东北大学硕士学位论文第2 章逆向工程中的关键技术