（机械工程专业论文）弧面凸轮的反求工程研究.pdf

弧面凸轮的反求工程研究 摘要 弧面分度凸轮机构具有结构简单、定位可靠、传动平稳、分度 准确等突出优点，但由于构件弧面凸轮的工作廓面为空间不可展曲 面，对它进行设计加工存在一定难度，运用反求工程理论进行弧面 凸轮的快速建模，是一种新型的设计方法。本课题利用三维激光扫 描仪采集弧面凸轮的表面数据，基于曲面重构理论反求得到弧面凸 轮的三维模型，对重构模型的质量进行了检测，并研究了模型的后 续应用开发。 本文研究的内容可以归纳如下： 1 数字化测量系统的对比研究，分析接触式测量方式与非接触式 测量方式的优缺点，介绍几种有代表性的测量设备，对弧面凸轮进 行了数字化测量。 2 研究采集到的数据处理方法，分析几种实用的滤波方法和数据 “点云 的精简方法，总结了数据处理过程的特点和基本要求。 3 分析传统曲面造型方式和快速曲面造型方式的特点，得出了曲 线、曲面拟合的插值与逼近构造方法，给出了几种常用曲线和曲面 的参数化表达方法，探索利用反求工程软件g e o m a g i cs t u d i o 完成一 种弧面凸轮的n u r b s 曲面重建的过程。 4 讨论模型光顺性的评价标准，给出了几种模型光顺性分析方法， 并利用三维检测软件g e o m a g i cq u a l i f y 对重建的弧面凸轮模型进行 检测，得到模型重构的评价结果。 5 在三维软件p r o e n g i n e e r 中建立了弧面分度凸轮机构的装 配模型，分析了模型的干涉情况。使用动力学分析软件a d a m s 进 行模型的仿真分析，得到从动件的速度曲线。通过以上的应用验证 了弧面凸轮模型重构方法的合理性和模型后续应用开发的可行性。 本课题的创新之处有以下三点： 1 将反求工程理论运用到对弧面凸轮的研究中，提出一种新的设 计方法，有效的缩短了弧面凸轮的设计开发周期。 2 使用g e o m a g i cq u a l i f y 对重构模型和原始数据“点云”进行对 比检测，提出了一种反求模型检测的方法，适用于所有的反求模型 的检测。 3 研究弧面凸轮模型的后续应用，通过对弧面凸轮及其从动件进 行装配仿真来验证反求结果的实用性和合理性，为其它产品的反求 研究提供参考。 关键词：弧面凸轮，反求工程，激光扫描仪，曲面重构，g e o m a g i c 软件 r e s e a r c ho nr e v e r s ee n g i n e e r i n go f g l o b o i d a li n d e x i n gc a m a bs t r a c t g l o b o i d a li n d e x i n gc a mm e c h a n i s mh a sa d v a n t a g e so fs i m p l e s t r u c t u r e ，r e l i a b l el o c a t e d ，s t e a d yt r a n s m i s s i o na n da c c u r a t ei n d e x i n g h o w e v e r t h ew o r k i n gc o n t o u rs u r f a c eo fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mi sa n n o n d e v e l o p a b l es u r f a c ei ns p a c e t h i sc h a r a c t e r i s t i cm a k e si t d i f f i c u l t t o d e s i g na n dp r o c e s s i n g t h et h e o r yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi s an e w d e s i g nm e t h o do fg l o b o i d a li n d e x i n gc a m t h i sp a p e rc o l l e c t ss u r f a c e d a t ao fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mu s i n g3 d l a s e rs c a n n e r ，o b t a i n e d3 d m o d e lo fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mb a s e do ns u r f a c er e c o n s t r u c t i o n t e c h n i q u e ，d e t e c t e d 3 dm o d e la n dr e s e a r c h e dt h ed e v e l o p m e n to f s u b s e q u e n ta p p l i c a t i o n t h i sp a p e ri n c l u d e saf e wa s p e c t s ： 1 c o m p a r a t i v es t u d yo nd i g i t a lm e a s u r e m e n ts y s t e m ，a n a l y z e dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fc o n t a c tm e a s u r i n ga n dn o n - c o n t a c t m e a s u r i n g ，c o m p l e t e dd a t ac o l l e c t i n go fg l o b o i d a li n d e x i n gc a m 2 r e s e a r c h e dm e t h o d st ot r e a td a t ac l o u d a n a l y z e ds e v e r a lu s e f u l m e t h o d so ff i l t e rm e t h o da n dd a t ac l o u dr i g h t s i z i n g ，s u m m a r i z e d c h a r a c t e r i s t i c so fd a t ap r o c e s s i n ga n db a s i cr e q u i r e m e n t so fd a t a p r o c e s s i n g 3 a n a l y z e dc h a r a c t e r i s t i c so ft r a d i t i o nc u r v e ds u r f a c em o d e l i n g a n d r a p i d c u r v e ds u r f a c e m o d e l i n g ，o b t a i n e di n t e r p o l a t i n g a n d a p p r o x i m a t i o n o fc u r v eo rc u r v e d s u r f a c e ，g a v ep a r a m e t e r i z a t i o n m e t h o do fu s e f u lc u r v e sa n dc u r v e ds u r f a c e s e x p l o r e daw a yt of i n i s h t h ep r o c e s so fr e c o n s t r u c tn u r bsc u r v e ds u r f a c eo fg l o b o i d a li n d e x i n g c a m b yu s i n gg e o m a g i cs t u d i o 4 d i s c u s s e de v a l u a t i o ns t a n d a r do ff a i r n e s so fm o d e l s ，g a v e s e v e r a im e t h o d st oa n a l y s i st h ef a i r n e s so fm o d e l s ，d e t e c t e d3 dm o d e l o fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mb yu s i n gg e o m a g i cq u a l i f y 9o b t a i n e dt h e r e s u i to fm o d e le v a l u a t j o n i 5 f o u n d e da s s e m b l e dm o d e lo fg l o b o i d a l i n d e x i n g c a m m e c h a n i s ma n da n a l y z e di n t e r f e ：r e n c eu s i n gp r o e n g i n e e r f i n i s h e d m o t i o ns i m u l a t i o na n do b t a i n e dv e l o c i t yc u r v eo fd r i v e nd i s ku s i n g a d a m s t h er a t i o n a l i t yo fg l o b o i d a li n d e x i n gc a mr e c o n s t r u c t s m e t h o da n dt h ef e a s i b i l i t yo fm o d e la p p l i c a t i o n sw e r ev e r i f i e dt h r o u g h t h e s ea p p l i c a t i o n s t h e r ea r et h r e ei n n o v a t i v epoi n t s ： 1 u s i n gr e v i s ee n g i n e e r i n gi n t or e s e a r c ho fg l o b o i d a li n d e x i n g c a m ，m e n t i o n e dan e wd e s i g nm e t h o d ，e f f e c t i v e l yc u tt h ed e s i g nc y c l e ofgl o b oi d a li n d e x i n gc a m 2 u s i n gg e o m a g i cq u a l i f yt o t e s t r e c o n s t r u c tm o d e la n dp o i n t c l o u d ，m e n t i o n e dat e s t i n gm e t h o do fr e v i s em o d e l ，i tc a nb eu s e dt ot e s t a l lr e v e r s em o d e l 3 r e s e a r c h a p p l i c a t i o n s o fg l o b o i d a l i n d e x i n g c a mm o d e l ， p r a c t i c a lu t i l i t y a n dr a t i o n a l i t ya r et e s t e d b yu s i n gs i m l u l a t i o no f g l o b o i d a li n d e x i n gc a ma n dc a mf o l l o w e r ，i tp r o v i d ear e f e r e n c et o o t h e rr e s e a r c h k e yw o r d s ：g l o b o i d a li n d e x i n gc a m ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，3 d l a s e r s c a n n e r ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o nt h e o r y , g e o m a g i c i v 弧面凸轮的反求工程研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着科学技术的巨大进步，各种机械设备也不断的发展创新，现今机械设 备的发展趋势可以大致分为两个方向，即机械设备的高速化、自动化和机械设 备的高精度、多功能。在这样的发展趋势引导下，自动机械产品凭借结构和功 能等方面的独特优势，在科技飞速发展的今天占据了重要的地位。在自动机械 设备中要通过间歇型运动机构来实现周期性的运动，例如加工中心上的自动换 刀装置等。常用的间歇型运动机构种类很多，如不完全齿轮机构、棘轮机构等 等1 ，但是许多间歇运动机构具有精度不高，传动可靠性较差这样的缺点，只 能用于低速或轻载的加工场合。此外，计算机电子技术的发展使得利用计算机 技术控制自动机械变为现实，但是在现在的技术背景和经济发展程度下，电子 技术应用的成本较高，不能取代间歇机构得到广泛的使用。在这样的背景下， 弧面分度凸轮机构由于出色的性能而发展壮大起来，并逐步走向成熟【引。 弧面分度凸轮机构也称为蜗形分度凸轮机构或滚子齿形分度凸轮机构i ， 它产生于2 0 世纪2 0 年代，由美国f e r g u s o n 公司首先进行系列化、标准化生产。 弧面分度凸轮机构由三个构件组成：即弧面凸轮、从动盘以及从动盘上径向均 匀分布的若干个滚子组成，见图1 1 。弧面分度凸轮机构与其它的问歇运动机 构相比，具有结构简单、定位可靠、传动平稳、分度准确等突出优点，并且 具有多种多样满足不同需求的运动规律可以选择，所以弧面分度凸轮机构在自 动机械中已经成为了首选的精密分度机构。 图1 1 弧面分度凸轮机构 f i g 1 - 1 g l o b o i dl n d e x i n gc a mm e c h a n i s m 陕西科技大学专业学位硕士论文 现在的机械设备结构复杂，在实际生产中，产品的设计资料可能还不完整， 尤其是进口设备涉及到保密的内容。一旦大型机械设备中的机构损坏需要维修 或者重新制造，机构资料的缺乏就会使操作难度增加，影响设备的正常使用。 而弧面分度凸轮机构设计和加工制造的难点在于构件弧面凸轮不是规则的几 何结构，其工作廓面为复杂曲面，具有空间不可展性，运用传统的设计方法进 行新产品的设计过程比较复杂繁琐。反求工程是近年来发展起一种先进设计理 论，研究弧面凸轮的反求设计是弥补该机构设计资料不足，并吸收国内外先进 设计和生产制造技术的重要手段，对促进弧面凸轮等自由曲面类产品的研究发 展有着重要的意义。 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 是综合应用现代先进设计理论、生 产制造技术等多领域的相关知识，以现有的产品或者产品的影像资料等作为研 究对象，研究和分析产品的生产制造特点，探索掌握其关键技术，设计开发出 更为先进的同类产品的过程【引。 正向设计方法是在市场调查的情况下根据市场的具体需求来开发设计满 足各种功能的新产品，对设计图纸或虚拟产品模型校验符合要求后制造出新产 品，具体流程如图1 2a ) 。而产品的反求则是通过对现有的产品进行各个方面 的分析研究，来设计制造出新的仿形产品，或者对现有产品进行设计结构的改 进。具体的实现过程是以现有的产品或者模型为基础，通过数字化的测量手段， 得到产品轮廓的三维数据“点云 ，再采用专业的反求工程软件重建出产品的 c a d 模型，进而进行后续的改进或者加工制造1 7 1 ，如图1 2b ) 所示。 a )正向工程流程 a ) p r o c e s s e so ff o r w a r de n g i n e e r i n g 2 弧面凸轮的反求工程研究 实 物 或 模 型 驷i 莩 鬲主 o il 薹 造型规律选择il 晴 原型修改 产 品 数 字 化 模 型 产 品 创 新 设 计 薪 声 晶 数 字 化 模 型 改型设计 计 算 机 辅 助 分 析 新 产 品 b ) 反求工程流程 b ) p r o c e s s e so fr e v e r s ee n g in e e r i n g 图1 2 正向工程和反求工程 f i g i - 2f o r w a r de n g i n e e r i n ga n dr e v e r s ee n g i n e e r i n g 简而言之，正向设计过程是从图纸到产品的过程，而反求工程是从现有产 品到图纸，再到开发设计新产品的过程。反求工程理论在实际生产中有重要意 义，例如对于进口设备，缺乏设备零件的图纸时，利用反求工程可以实现零件 的反求，满足产品的替换维修需求。 本文基于反求工程曲面重构理论，利用三维激光扫描仪对一种弧面凸轮进 行了数据采集与处理，完成模型重建，建立产品的三维模型，并通过对模型的 后续开发应用，研究弧面凸轮的反求过程。 1 2 凸轮反求工程的国内外研究现状及应用 反求工程理论产生于2 0 世纪8 0 年代初，由日本名古屋工业研究所、美国 3 m 公司和美国u v p 公司提出并广泛应用于生产实践【。近年来，许多国家和 地区对反求工程技术也有了深入的研究成果，特别是在商用反求工程软件的开 发方面有显著成绩，从较早的p r o e n g i n e e r 中的s c a n t o o l s 模块、u g 的反求处理模块，到现在的美国e d s 公司的i m a g e w a r e 系列软件、r a i n d r o p g e o m a g i c 公司的g e o m a g i e 系列、p a r a f o r m 公司的p a r a f o r m 软件、日本h z s 公司的g r a d e c u b e n c 软件等等，这些工程应用软件的发展都推进了反求 工程技术的快速发展1 9 1 。 国内的对反求工程理论的研究则起步较晚，目前，国内主要有清华大学、 西安交通大学等高校从事反求工程理论的研究开发，但是还没有形成实现设计 开发和生产制造紧密结合的市场经济实体。国内具有代表性的研究成果有：西 反隶软件h数据获取 陕西科技大学专业学位硕士论文 安交通大学计算机集成制造中心的面向三坐标测量仪的反求工程测量方法研 究【t o l ；西北工业大学的“点云 处理研究【】；武汉华中科技大学的对自由曲面 测量和产品模型重建的研究【”】等等。在应用软件的研究上，我国各个高校和相 关研究机构也取得了一定的成绩，如西北工业大学的n p u s r m s 系统和浙江 大学的r e - - s o f t 系统等【1 3 】。但是和国外的商用软件相比，国产的反求处理软 件与其它软件之间的数据共享功能不够强大，应用上一直没有得到大幅推广， 缺乏竞争力。 反求工程技术的应用大幅缩短了新产品的开发时间，提高了企业的市场竞 争力，为企业带来了显著的经济效益。我国作为生产制造的大国，反求工程技 术的推广可以有效的帮助我们的制造业吸收国外先进设计方法和制造技术，提 高我们的科学创新水平，推动制造业的快速新型化发展。 反求工程的主要应用领域可以概括如下： ( 1 ) 产品仿制和改型设计。主要是指对于汽车、家用电器、玩具、快速 消费品等产品的外形改造和创新设计方面，缩短产品开发时间，有效的提高企 业的市场竞争力。 ( 2 ) 快速模具制造领域。反求工程技术的应用有利于模具行业引进新的 设计和生产技术。 ( 3 ) 产品的数字化检测。对加工后的产品进行扫描测量，得到零件的三 维模型，通过该模型与原始零件的对比可以直观的表示误差情况，有效检测制 造误差，数字化检测是反求工程技术发展的一个新方向。 ( 4 ) 医学领域断层扫描。医学领域断层扫描技术是反求工程技术在医学 领域应用的主要方向，为医学研究提供了准确的信息。 ( 5 ) 艺术品、文物等的复制。这项技术的应用在保护古代艺术文化领域 有着重要的意义【一t 们。 反求工程技术是一门融合多学科知识的交叉学科，也是一项集实用性和开 拓性为一体的先进生产技术。在工程设计领域，需要应用诸如设计、制造、检 测、维修等多方面的知识；在先进设计领域，需要优化设计理论、价值工程、 有限元分析、物流工程等知识；在计算机领域，需要掌握计算机软件操作知识 等等。总之，反求工程技术的应用领域广泛，应用方式也多种多样。目前，利 用反求工程技术进行三维设计包括两个主要方面：一是样件的数字化；二是对 产品进行数据采集与处理、曲面造型和评价。本课题对弧面凸轮的反求研究主 要内容是进行模型的重构和评价。 4 弧面凸轮的反求工程研究 1 3 课题研究的内容 1 3 1 数据采集与处理 采用三维激光扫描仪公司自主开发的扫描软件r e s c a n 对弧面凸轮进行扫 描，经过若干次的扫描得到模型各个面的坐标数据的“点云。 对扫描得到的“点云 数据进行分析和研究，根据不同的“点云 状况完 成噪声点的剔除、精简、滤波、平滑等光顺处理以及数据的分割和拼合处理， 总结了数据处理的一般方法和规律。 1 3 2 自由曲面重构 运用自由曲面重构理论，研究数据的拟合方式，讨论自由曲面的插值和逼 近的一般形式，通过对测量的数据“点云 直接进行曲面片拟合，获得曲面片 经过过渡、混合、连接形成最终的n u r b s 曲面模型。利用计算机辅助设计技 术，完成曲面模型的处理，总结出复杂曲面的重构方法和规律。 1 3 3 模型品质评价 研究反求工程中的模型品质评价指标和量化指标，讨论模型的光顺性评价 标准，探讨自由曲面的光顺处理办法，并给出重构模型光顺性的几种实用的分 析方法，运用计算机检测软件得到重构后弧面凸轮的误差分析结果，为曲面重 构质量进行评价。 1 3 4 模型应用开发 将重构后的n u r b s 曲面模型在专业的三维绘图软件中进行模型的后续开 发应用，包括弧面凸轮的后续建模，模型的装配和运动仿真分析等，通过模型 的实践应用说明了建模的合理性和后续应用的可行性。 1 4 课题研究的意义 本文通过对弧面凸轮进行反求工程研究提出了弧面凸轮产品设计的新方 法，大大缩短了弧面凸轮的开发周期，并提高了弧面凸轮的设计效率，有效的 填补了这一领域的空白，为复杂的自由曲面类产品实现快速建模提供了重要参 考。同时，通过对弧面凸轮重构模型进行虚拟装配和运动仿真分析，严格的论 证了模型重构的合理性和后续产品应用开发的可行性，为其它产品的反求理论 研究提供了指导。 陕西科技大学专业学位硕士论文 2 数据采集 在实际的应用中，反求的产品或者零件通常具有特殊的几何结构特征或者 难以掌握的曲面特征，这就意味着要进行反求的产品很难通过传统的测量方式 得到产品的几何数据。所以，对模型进行数字化测量，获取准确的几何特征数 据是反求工程的关键技术之一1 1 7 1 ，它关系到后续模型重建的质量。 模型数据采集是指通过数字化测量设备，如三坐标测量机( c m m ) 、激光 扫描系统等采集产品表面的几何空间坐标数据，然后再基于这些数据点来进行 产品的仿制和改型。现在用来进行数字化测量的设备和方法很多，它们的特点 各不相同，我们在进行反求工作时要根据模型的实际条件和经济效益考虑，选 择最合适的数据采集方法和设备。 2 1 数据采集的基本方法及分类 数据采集就是采用数字化测量设备和方法，获取产品的表面数据“点云 ， 从而得到模型重构和模型评价所需要的数据的过程。反求工程实现的关键技术 之一就是正确的选择适合模型特征、符合经济效益的数据采集方法，快速而精 确的产品数据采集方法决定了后续模型重构质量【- 。目前，常见的数字化测量 设备有很多，例如三坐标测量机、便携式关节臂测量机、激光测量系统、结构 光测量系统等。它们的测量原理各不相同，设备的价格也有很大差异，在实际 应用中，要根据模型的特征和精度要求做出相应的选择。 目前，应用于反求工程的数字化测量设备多种多样，根据测量时测量仪器 的测头是否与被测量零件接触，可以把数字化测量设备分为接触式和非接触式 两大类【t 9 2 1 ) 。如图2 1 所示，常用接触式测量设备包括三坐标测量机( c o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e s ) 和机械手臂测量机等。非接触式测量设备则涉及光学、 声学、磁学等多个领域内容，常用的设备有三维激光扫描系统、c t 断层扫描 设备、超声波测量系统等。 6 弧面凸轮的反求工程研究 图2 - 1 数字化测量设备分类 f i g 2 - 1c l a s s i f i c a t i o n so fd i g i t a lm e a s u r i n ge q u i p m e n t 计算机技术和光学、电子技术的快速发展也带来了数字化测量技术的发展。 这些方法的自动化程度高，且测量速度快，对于表面结构复杂的产品可以实现 快速精确的测量。 现在的数字化测量方法虽然多种多样，但是各自具有优缺点和不同的适用 范围，具体选用何种方法要根据模型的几何特征和生产要求来确定。所以没有 哪一种单一的方法能够满足所有的需求，实际应用中可以采用多种测量方式配 合使用进行产品的数据采集。 2 1 1 主要的测量设备介绍 ( 1 ) 三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，c m m ) 三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e s ，c m m ) 起源于2 0 世纪6 0 年代，是一种对产品进行空间坐标采集的仪器。三坐标测量机在汽车、电子、 航天航空等领域应用十分广泛，可以实现精密、高效的数据采集和检测。三坐 标测量机的工作方式是通过设备上测头的移动获取产品的空间坐标值，生成通 用的数据点文件，通过计算得到产品的几何尺寸和形位公差等参数。三坐标测 量机是反求工程中应用最早的数据采集设备之一，现在在反求工程中依然占有 重要的地位。目前，三坐标测量机已经发展达到了较高的水平，可以满足不同 生成的需求。例如d e a 公司的d i g i s t r a n 扫描系统，扫描速度可以达到每分钟 7 陕西科技大学专业学位硕士论文 8 米，扫描精度达到3 0 1 上m 。 三坐标测量机的突出优势就是价格低廉、设备精度高，因此在各种领域应 用非常广泛。但是这种接触式测量方式也有其明显的弊端，与非接触式测量方 法相比，它的扫描速度慢，自动化程度低，而且对测头接触不到的模型表面、 或者表面柔软的零件无法进行测量。 ( 2 ) 三维激光扫描仪 三维激光扫描仪 z 2 j 属于典型的非接触式测量方法，它是通过激光测距原理 ( 包括相位激光和脉冲激光) ，瞬间获得空间坐标值。该设备克服了接触式测 量设备扫描速度慢、对模型表面要求较高的缺点，由于测量的高效性和广泛性， 使它在反求工程中的应用日益广泛。 三维激光扫描仪的自动化程度高、扫描速度快、适用范围广、并且不存在 测头半径补偿的问题。但是缺点是测量精度较低，采集到的数据“点云 数量 大，而且设备的价格较昂贵，限制了它的发展应用。 ( 3 ) 工业c t 断层扫描设备 三坐标测量机和三维激光扫描仪有一个共同的缺点，那就是对于零件的内 部无法进行测量，工业c t 断层扫描设备【：，坝0 可以弥补这样的不足。工业c t 断层扫描设备就是运用工业计算机断层扫描成像技术( i n d u s t r i a lc o m p u t e r t o m o g r a p h y ，i c t ) ，实现对产品内部和表面轮廓的测量。i c t 技术属于非接触 式测量设备的范畴，但是和三维激光扫描仪相比，又能够获得零件的内部结构， 适用于不可拆卸的产品的数字化测量。但是该技术扫描得到的数据精度不高1 ( 一般在o 1m m 数量级) ，价格比普通的非接触式测量设备高，暂时无法实现 大范围推广应用。如果工业c t 断层扫描技术可以突破这样的缺点，将来必会 带来反求工程数字化测量技术的突破性发展。 2 1 2 两种测量方式的比较 ( 1 ) 接触式测量的特点 接触式测量系统的测量精度高，发展较为成熟，被测量物体表面的颜色、 材质等因素不影响测量结果。接触式测量技术还可用于对产品的尺寸、角度、 形位公差等特征的检测。同时，接触式测量方法的缺点也显而易见：这种方法 测量效率较低，对于大型零件测量时间花费较长；测头与被测物体之间存在摩 损，需要定期对测头进行校正；要计算测头的半径补偿，会带来测量误差；对 测量表面易发生变形的零件有较大误差。 ( 2 ) 非接触式测量的特点 非接触式测量的测量速度快，测量面积大，并且所得数据较为完整。同时， 8 弧面凸轮的反求工程研究 非接触式测量无需进行测头的半径补偿，对于表面材质较软和不适合接触测量 的产品可以直接测量，得到误差较小的数据。非接触式测量方法的不足之处有： 对零件表面的反光程度、测量时周围的环境等有较高的要求，测量精度低，设 备价格较高等1 2 5 1 。 2 2 三维激光扫描仪应用 现对本课题采用的深圳思瑞测量技术有限公司生成的三维激光扫描仪和 扫描控制软件r e s c a n 进行简单的介绍，分析数据扫描的方法，研究总结数字 化测量过程中的基本要求。 2 2 1 设备组成 1 ：z 轴立柱2 ：y 轴横梁3 ：镜头4 ：支撑座5 ：转台 6 ：平台 7 ：底座 图2 2 三维激光扫描仪 f i g 2 23 dl a s e rs c a n n e r 本套三维激光扫描系统由机台、测头、控制箱和计算机四部分组成，如图 2 2 所示为设备的激光扫描部分。控制箱上接设备的线路和开关，计算机部分 包含扫描软件r e s c a n 、运动控制卡和多媒体视频卡( 影像卡) 。 设备的主要性能为：测头分辨率为0 0 01m m ，二次元测量精度为0 0 2 m m ， 三维测量精度0 0 5 m m ，测量景深10 0 m m ( 有效景深10 0 m m ) ，单次扫描宽度 5 0 m m ，操作系统m i c r o s o f tw i n d o w s 9 5 9 8 2 0 0 0 n t x p ，数据输出格式 9 ri lliif【 陕西科技大学专业学位硕士论文 a c si i 。 2 2 2 扫描软件概况 该套三维激光扫描仪所采用的软件为r e s c a n ，是思瑞测量技术( 深圳) 有限公司自主开发的三维激光扫描系统的控制软件，可以实现对扫描过程的控 制和测量范围的设置。 图2 - 3 三维激光扫描仪控制软件r e s c a n f i g 2 - 3w o r k i n gi n t e r f a c eo fr e s c a n 该软件由控制菜单和画面显示区域两部分组成，见图2 3 所示。显示区域 l i v ei m a g e 可显示动态影像及静态影像，c u r v ei m a g e 用于显示标定过程中的 垂直激光和水平激光，控制菜单由t a b l ec o n t r o l 、c a m e r aa n dl a s e rc o n t r o l 、 s y s t e mp a r a m e t e r s 、c a l i b r a t i o n 、e n g i n e e r 五个菜单及扫描控制区组成。 ( 1 ) 扫描前的准备工作 首先要对需要测量的模型喷涂白色粉末状的色彩反差剂，使模型达到最佳 反射颜色。接下来要考虑模型的摆放方式，选择合适的夹具，调整摆放角度， 减少摆放次数，并尽最大可能消除死角，保证采集到最完整的数据。 ( 2 ) 现场环境设定 由于此设备三维激光扫描仪采用的是发射激光的方式进行扫描，所以要求 工作现场的外界光线不能太强烈，扫描时，尽量要拉上窗帘、关闭室内灯光， 否则影响扫描结果。同时，还要根据要求保证工作地点的振动、湿度等外界条 件符合要求。 1 0 弧面凸轮的反求工程研究 ( 3 ) 选择测量方式 r e s c a n 软件能够实现平面扫描和旋转扫描两种扫描。两种扫描方式均可 以自动将多次扫描得到的“点云”进行拼合，得到完整的数据“点云”。对于 结构简单地棱柱状模型或者只需要获取部分特征的复杂模型，适宜选用平面扫 描方式：而对于圆柱类零件，则适合使用旋转扫描方式。 ( 4 ) 扫描参数设定 由于设备激光长度的限制，测量时必须要保证测量的范围都在软件设定的 网格中，故待测物体与测头的距离对测量结果有重要影响，保证合理的测量范 围是保证模型精度的重要条件。 ( 5 ) 模型的自动扫描 完成模型预处理和扫描参数设定后，就可以对模型进行自动扫描。扫描文 件用英文格式命名后保存。 2 3 弧面凸轮扫描 利用三维激光扫描仪完成弧面凸轮的扫描，如图2 4 所示。本次实验选择 的弧面分度凸轮机构的分度数为8 ，动静比为1 ：2 ，中心距为8 0 m m ，旋向为右 旋。 图2 - 4 弧面凸轮数据采集 f i g 2 - 4d a t aa c q u i s i t i o nf o rg l o b o i di n d e x i n gc a m 对于该弧面凸轮的数据采集步骤如下： 陕西科技大学专业学位硕士论文 1 ) 将反色剂均匀的喷涂在弧面凸轮的表面，待反色剂晾干后将工件摆放 在转台中间位置，调整到最佳扫描角度，减少工件的摆放次数。 2 ) 根据设备的操作要求开始扫描，使用旋转扫描方法进行扫描，通过多 次扫描后得到所需要的弧面凸轮的“点云图，图2 5 是将多次扫描结果拼合 后的“点云”图， 图2 5 弧面凸轮“点云”图 f i g 2 5p o i n tc l o u do fg l o b o i d a li n d e x i n gc a m 由于弧面凸轮的结构特殊性，在扫描过程中，会出现有些“死角 在一次 摆放后无法扫到的情况。可以将弧面凸轮倾斜摆放，对“死角 进行重新扫描， 再通过软件进行数据“点云 的多视拼接，得到完整的数据“点云。 2 4 数据“点云 坐标系摆正 由于扫描后得到的“点云”坐标系是默认为三维激光扫描仪的坐标系，所 以必须通过坐标系调整对数据“点云”进行摆正，使坐标系的x y 平面穿过 “点云 的中间平面，z 轴与“点云的中心轴重合，只有完成坐标系的调整 才能进行模型后续的开发应用。对于弧面凸轮数据“点云的坐标摆正包括原 点坐标调整和x y 平面的摆正，将i m a g e w a r es u r f a c e r 软件和g e o m a g i cs t u d i o 软件结合运用可以得到理想的效果。 1 2 弧面凸轮的反求工程研究 2 5 小结 ( 1 ) 本章总结了反求工程中进行数据采集的常用方法和常用的设备分类， 以三种典型设备为例，分析比较了接触式测量方法和非接触式测量方法的优缺 点，对于反求工程中数据采集方法的选择提供了参考。 ( 2 ) 以本课题使用的数据采集设备为例，介绍了这一类型三维激光扫描 仪的结构和操作软件，以及利用它进行数据采集的基本步骤。 ( 3 ) 与实际应用相结合，阐述了对弧面凸轮进行扫描的过程，得到完整 的数据“点云 ，为进行良好的曲面建模工作打下基础。 陕西科技大学专业学位硕士论文 3 数据分析处理 由三维激光扫描仪采集的模型数据“点云中包括了大量的噪声点和冗 余数据点，我们在进行模型重构之前必须对原始数据“点云进行处理，消除 数据中明显不符合要求的“错点 ，并精简“点云 数量，提高模型重构的效 率和模型质量。 3 1 数据分类 通过三维激光扫描仪获取的数据信息包含大量的数据点，我们通常把这些 点集合形象的称为“点云 ( p o i n tc l o u d ) ，根据扫描设备的不同特点，可以 得到以下不同类型的“点云 【2 6 】： ( 1 ) 无序“点云 数字化测量设备在随机扫描模式下得到的“点云 呈散乱状态，没有明确 的几何形状特点，更不能反映模型的几何特征，这种类型的“点云 称为无序 “点云 【2 7 】，无序“点云很难拟合成符合要求的产品模型。 ( 2 ) 扫描线“点云 扫描线“点云 是若干条呈扫描线形状的“点云集合。三坐标测量仪和 三维激光扫描仪在沿竖直方向扫描时得到的数据“点云 为扫描线“点云。 ( 3 ) 网格化“点云 网格化“点云 是指扫描得到的数据“点云 所有的点都能够与参数域 中均匀网格的顶点一一对应。网络化“点云 的获取是将三坐标测量仪和三维 激光扫描仪采集到数据“点云 进行网格插值。 ( 4 ) 多边形“点云 利用工业c t 断层扫描设备、等高线测量设备等方法得到的数据“点云 具有以下特征：将“点云 某一个平面内的点按照最小距离顺序连接，可以得 到若干平面多边形，这种特征的“点云”称为多边形“点云 2 s 1 。 3 2 多视图数据拼合 在反求工程的数据采集阶段，通过一次装夹就能完成零件的测量是较少见 的，大多数的数字化测量都要对零件进行多次装夹，多次摆放，这样的一次装 夹称为一个视图。为使模型数据完整，我们需要利用多视图数据拼合的方法来 对数据进行处理，即视图的归一化。 1 4 弧面凸轮的反求工程研究 常用的“点云 数据拼合方法有三种：点位法、固定球法、平面法【：，】。“点 位法 是在拼合时从测量点中选定若干个不共线的点，并用这些非共线点作为 各视图的局部坐标系进行拼合。“固定球法则是通过测量与零件关联的非共 线球体来实现数据拼合。 目前，所用到的多视图数据拼合方法都只是对各个视图的数据进行简单的 相加或者相减，并没有讨论多视图数据拼合后的融合情况和光顺特性，这也是 反求工程研究的难点之一。 3 3 数据“点云刀噪声点的处理 “点云 数据中的噪声点是指在零件扫描时，由于设备精度和周围环境等 因素的影响，会出现与被测模型完全无关的误差数据“点云”，也称为体外点 或坏点。无论采用何种测量设备，噪声点都是无法避免的，我们在对数据“点 云”进行处理时第一步就是剔除粗大、明显噪声点，提高后续模型的质量。 最常用的“点云 噪声点是通过目测判断明显的体外点，然后手动进行删 除；再利用专业的反求工程软件来判断噪声点，通过人机交互方式进行删除。 常用的反求软件中判断噪声点的方法有曲线距离检查法和弦高差判定法【，们。曲 线距离检查法是利用最小二乘法，将一个平面内的数据点拟合成一条曲线，然 后分别计算中间各点到曲线的距离，若某点到拟合曲线的距离大于给定值，则 可以确定该点为噪声点。弦高差法是连接某点相邻的前后两点，计算出该点到 这段弦的距离，若大于给定的允差，则将该点视为噪声点。 3 4 数据平滑 为继续降低或消除噪声点对反求工程后续模型重建的影响，可以通过平滑 滤波对数据“点云 进行处理，滤波可以实现对数据“点云 噪声的大范围剔 除、数据“点云 合理精简等处理。下面分别介绍三种常用滤波器的工作原理 和应用范围，几种滤波器的滤波效果如图3 1 所示。 陕西科技大学专业学位硕士论文 厦始数据蒿斯滤波 叙纵 平均滤波 中值滤波 图3 1 三种滤波器的滤波效果 f i g 3 - 1t h r e ee f f e c t so ff i l t e r s ( 1 ) 高斯( g a u s s i a n ) 滤波器 高斯滤波器是根据高斯函数的形状来选择权值的低通线性滤波器】，它对 于减少符合正态分布模型的噪声点非常有效。高斯滤波器的平均效果较小，对 于保持数据“点云 分布形状十分有用。 ( 2 ) 平均( a v e r a g i n g ) 滤波器 平均滤波器是将各个采样点的值用滤波窗口内数据点的平均值进行替代， 这种方法的平滑方式太过单一，会造成数据信息特征的模糊，所以对于曲率变 化大的模型平滑的效果并不理想。 ( 3 ) 中值( m e d i a n ) 滤波器 与平均滤波器相比，中值滤波器是将各个采样点的值用滤波窗口内数据点 的统计中值进行替代，这样的滤波方式可以很好的保持边界数据的原貌，而且 对于去除数据中毛刺的效果很好f 3 2 l 。 3 5 数据精简 三维激光扫描系统可以实现产品快速的扫描，但是扫描得到的数据“点云 往往数量庞大，点的数量动辄上千万，如此庞大的数据点集将给模型重构时的 数据处理增加难度。在实际应用中，往往也不需要如此高密度的靠点云来表 示模型特征，我们考虑基于保持模型几何特征的原则对数据“点云 进行采样， 通过某种采样方法来精简“点云 数量，这样可以加大运算速度，提高产品设 计的效率。 对于合理的数据精简办法，国内外学者也进行了多方面的研究。日本的藤 1 6 弧面凸轮的反求工程研究 本等人提出控制数据“点云 误差率的概念，马丁等人提出被广泛应用的均匀 网格法精简数据“点云 ，所谓均匀网格化方法【，】就是首先通过构建网格来均 匀划分所有的数据点，再从每个网格所有的数据点中计算出一个中值数据点， 取代其它点，以此实现数据“点云 的精简。需要注意的是，对于曲率变化大 的产品的数据“点云 精简不宜采用该种办法，应为此方法缺乏曲率敏感性。 3 6g e o m a g i cs t u d i o 中数据处理的应用 g e o m a g i cs t u d i o 是由美国r a i n d r o p ( 雨滴) 软件公司推出的g e o m a g i e 系 列软件中的一款专业数据处理和曲面重构软件1 。g e o m a g i es t u d i o 提供多样化 的数据“点云”处理方式和准确合理的曲面重构方法，最后可以得到n u r b s 曲 面模型，并能够与其它后续处理软件实现完美的兼容，例如可以在 p r o e n g i n e e r 、u g 等三维造型软件中创建模型其它特征、可以利用m a s t e r c a m 生成数控加工指令、可以利用c u l t