（材料加工工程专业论文）模具工作面激光强化处理系统的反向工程技术研究.pdf

上海交通大学硕士学位论文 摘要 j 模具技术水平是衡量一个国家制造业发展水平的一个重要尺度，我们不光要从模具的设计工艺 上来改进我们的技术，也要改进模具的表面状况以提高模具的使用寿命和使用质量。传统的表面处 理方法已经无法满足模具的高性能要求，开展高密度能量表面强化技术，特别是激光强化处理技术， 对于制造业特别是汽车制造业具有深远的意义，国内外很多专家、学者和工程师都非常重视，在不 断地努力研究。 鉴于此，中科院、上海交通大学以及上海大众汽车有限公司三方共同合作研究“模具工作面激 光强化处理系统”。在系统的构建过程中，为了实现表面处理系统的自动化、集成性和高效性，也 为了精确地处理模具工作面( 尽可能使工作表面性能一致) ，系统研究引入了反向工程( r e v e r s e 一 e n g i n e e r i n g ) 技术。 本文首先分析和建立了激光表面强化处理系统，并指出了其应用范围，其中计算机智能控制模 块是系统的核心部分，它对系统的应用效果以及应用的可靠性、智能性至关重要，它所涉及的主要 技术就是反向工程技术。然后，本文就主要分析和研究系统中应用的反向工程技术，从三维坐标仪 得到数据点云开始，分析了数据点云的预处理技术，包括坐标补偿、坐标变换、去除噪音点以及点 云的组织方式等等：研究了点云的三维曲面拟合算法，从两个角度、针对不同特点的点云提出了两 种不同的拟合算法，并分析比较了两种算法的优缺点，这部分是本文的研究重点，也是模块的核心 和关键部分；实例演示并检验相应预处理和曲面拟合算法的误差；最后进行了总结和展望。 f 分析点云的预处理技术时，其核心部分是研究点云的组织方式，以便于进行以后的曲面拟合工 作，本文引用了o c m 截面正交模型，并根据课题的实际需要对模型进行了相应的改进。研究点云 的曲面拟合算法时，由于不同的应用场合有不同的需拟合表面，也有不同的误差要求，因此相应的 应该有不同的曲面拟合算法。曲面拟合算法的优越与否应该从应用的效率以及应用的精确度两方面 结合起来考虑。鉴于此，本论文提出了两种算法，分别是基于双向的加权递推模型的自由曲面拟合 以及基于b s p l i n e 曲线和曲面的一维曲面拟合算法。基于加权双向递推模型的自由曲面拟合算法， 以任意分布的型值点决定其控制区域内各位置的血面形状，这种影响的大小与该型值点到该位置的 距离有关。在型值点数量比较小的情况下，计算速度和c p u 、内存占用率均比较好，而且该算法 不需要事先对数据点云以一定方式进行组织，该拟合算法适用于数量比较小、而且所反映的曲面起 伏相对来说较大的散乱点云。基于b - s p l i n e 曲线和曲面的一维曲面拟合适用范围较广，但算法比较 复杂。在传统的直接的b s p l i n e 曲面拟合算法的基础上，从提高计算速度和减小c p u 、内存占有 率的角度出发，牺牲了一定的拟合精度，降低了算法的维数，但当经过一定的迭代次数后，其误差 会有明显改善，从而能够获得令人满意的反向工程曲面，该拟合算法基本上适用于任何情况，但从 有效性和精确性的角度出发，它主要应用于数量比较大、点云分布比较密集的数据点云。 i 、 ，一、 关键字：。邀光表面强化处理、数据点煎处理、o c m 截面正交模型、双向加权递 推模型、b 样条曲面j ，0 ，“ ( i 占塑銮望盔兰堡圭堂篁丝塞 a b s t r a c t t e c h n i c a ll e v e lo fm o u l di so n eo fi m p o r t a n tc r i t e r i at om e a s u r ed e v e l o p m e n tl e v e lo f o n ec o u n t r y s m a n u f a c t u r i n g w en e e di m p r o v e o u rt e c h n i q u eb ye n h a n c i n gt e c h n o l o g yo fm o u l d a tt h es a m et i m e ，w e n e e da l s oa m e n df a c i a ls i t u a t i o no f m o u l ds oa st oi m p r o v es e r v i c el i f ea n ds e r v i c eq u a n t i t y t h et r a d i t i o n f a c i a lt r e a t m e n tm e t h o d sc a n n o tc o n t e n tc o r r e s p o n d i n gr e q u i r e m e n t d e v e l o p i n gh i g h - d e n s i t ye n e r g y f a c i a lt r e a t m e n tt e c h n i q u e ，e s p e c i a l l yl a s e rt r e a t m e n tt e c h n i q u e ，h a sf a r - r e a c h i n ge f f e c tf o rm a n u f a c t u r i n g n o w m a n ys p e c i a l i s t ，s c h o l a ra n de n g i n e e rf r o mo u rc o u n t r ya n df o r e i g nc o u n t r yp a ym u c ha t t e n t i o nt o l a s e rt r e a t m e n t t e c h n i q u ea n d d ot h e i rb e s tt or e s e a r c hi t i nv i e wo f t h i ss i t u a t i o n ，c h i n aa c a d e m yo fs c i e n c e s ，s h a n g h a ij i a ot o n gu n i v e r s i t ya n ds h a n g h a i v o l k s w a g e nc o l t dd e v e l o pc o m m o nj o i n ts t u d yi n “l a s e rt r e a t m e n ts y s t e mf o rm o u l d w o r k f a c e i nt h e p r o c e s so fs y s t e mc o n s t r u c t i o n ，i no r d e rt or e a l i z i n ga u t o m a t i o n ，i n t e g r a t i o na n dh i g h - e f f i c i e n tq u a l i t yo f f a c i a lt r e a t m e n ts y s t e m ，i no r d e rt ot r e a t i n gm o u l dw o r k f a c ep r e c i s e l y ( a su n i f o r mc h a r a c t e rw o r k f a c ea s p o s s i b l e ) ，t h er e s e a r c ho f s y s t e m l e a d si n t or 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 f i r s t l y , t h i sp a p e ra n a l y z e sa n db u i l d su pl a s e rf a c i a l t r e a t m e n ts y s t e ma n dp o i n t so u ti t s r a n g eo f a p p l i c a t i o n a n dt h e n ，t h i sp a p e ra n a l y z e sa n dr e s e a r c h e sr 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 i ns y s t e m f i r s t g e t m e a s u r e m e n td a t a b yc m m a n a l y z ep r e t r e a t m e n tt e c h n o l o g y o fm e a s u r e m e n td a t a , s u c ha s c o o r d i n a t ec o m p e n s a t i o n ；c o o r d i n a t et r a n s i t i o n ；g e t t i n gr i do f n o i s ea n do r g a n i z a t i o ns t y l eo f m e a s u r e m e n t d a t a r e s e a r c h3 ds u r f a c el o f t i n ga l g o r i t h mo fm e a s u r e m e n td a t a p r o p o s et w ok i n d so fs u r f a c el o f t i n g a l g o r i t h mf r o mt w oa s p e c t s f o rv a r i e dm e a s u r e m e n td a t a a n a l y z ea n dc o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so ft w ok i n d so fa l g o r i t h m t h i sp a r ti sr e s e a r c hi m p o r t a n tp o i n to f t h i sp a p e r , a n da l s oi s k e r n e la n d k e yp o i n to f s y s t e m a n dt h e n , d e m o n s t r a t et h es o f t w a r ep a c k a g e b a s e do nt h e s ea l g o r i t h m sb y e x a m p l e sa n dp r o b et h ed e v i a t i o no ft h e s ea l g o r i t h m s f i n a l l y , g i v eas u m m a r y o ft h er e s e a r c ho ft h i s p a p e ra n dp r o p o s e s o m ea d v i s ef o rf u t u r er e s e a r c h r e s e a r c h i n gi no r g a n i z a t i o ns t y l eo f d a t ap o i n t si st h e c o r ep a r to f a n a l y z i n gp r e - o p e r m i o nt e c h n i q u e t h i sp a p e rc i t e so c mm o d e la n dm a k es o m ei m p r o v e m e n to no c mm o d e l a c c o r d i n g t op r a c t i c a ln e e do f s u b j e c t d u r i n gs t u d y i n gs u r f a c er e c o n s t r u c t i o no fd a t ap o i n t s ，b e c a u s eo fv a r i o u ss i t u a t i o n s ，v a r i o u s r e q u i s i t i o n sa n dv a r i o u ss u r f a c e s ，t h e r es h o u l db ev a r i o u ss u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s t os o l v e v a r i o u sp r o b l e m s w h e t h e rak i n do fs u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h mi sg o o do rn o t ，i td e p e n do nt w o a s p e c t s t h ef i r s tp o i n t i se f f i c i e n c yi np r a c t i c a lu s e t h es e c o n dp o i n ti sa c c u r a c yi np r a c t i c a lu s e s ot h i s p a p e rp r o p o s e st w ok i n d so fs u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m s ，t h a t i n c l u d eb i d i r e c t i o n a ld e d u c t i o n m o d e lw i t he x p o n e n ts u r f a c er e c o n s t r u c t i o na n do n ed i m e n s i o ns u r f a c er e c o n s t r u c t i o nb a s e db s p l i n e c u r v e sa n ds u r f a c e s t h ef i r s tk i n do f a l g o r i t h md e t e r m i n e ss u r f a c es h a p eo f a l lp o s i t i o nb yv i r t u eo fa l l c o n t r o lp o i n t sa n dt h ei n f l u e n c ee x t e n ti si nt h eg i f to ft h ed i s t a n c eb e t w e e nt h i sp o s i t i o na n dc o n t r o l p o i n t s i nt h es i t u a t i o no f l e s sc o n t r o lp o i n t s ，t h ef i r s tk i n do fa l g o r i t h mh a v es a t i s f i e dc o m p u t i n gs p e e d a n ds a t i s f t e dc p u ，m e m o r y u s i n gr a t i o f u r t h e r m o r e ，t h ea l g o r i t h md o e sn o tn e e d t oo r g a n i z ed a t ap o i n t s 占竖銮塑盔堂堡主堂堡堡塞 i na d v a n c e i naw o r d ，t h ea l g o r i t h mi sa p p l i c a b l et os c a r e rp o i n t st h a th a v el i r l en u m b e ra n dl e s s f l u c t u a t i o n t h es e c o n dk i n do fa l g o r i t h mh a sm o r ee x t e n s i v ea p p l i c a t i o nr a n g e b a s e do nt r a d i t i o n b s p l i n es u r f a c er e c o n s t r u c t i o na l g o r i t h m ，a tt h ec o s to f s o m er e c o n s t r u c t i o np r e c i s i o n ，t h ea l g o r i t h m d e g r a d e sd i m e n s i o n a l i t yo f a l g o r i t h m ，e n h a n c e sc o m p u t i n gs p e e da n d d e c r e a s e sc p u ，m e m o r yu s i n gr a t i o m o r e o v e r , b yw a yo fs o m et i m e s o fi t e r a t i o n s ，t h e p r e c i s i o n w i l lh a v ee v i d e n ti m p r o v e m e n t t h e a l g o r i t h m i s a p p l i c a b l e t oa l lk i n d so fd a t ap o i n t st h e o r e t i c a l l y b u tg i v i n gc o n s i d e r a t i o n st op r e c i s i o na n d e f f i c i e n c y , i tw i l lb ea p p l i e d t od a t a p o i n t st h a th a v el a r g en u m b e r a n di sd e n s e k e y w o r d s ：l a s e rf a c i a lt r e a t m e n t ，m e a s u r e m e n td a t ap r e t r e a t m e n t ，o c m ：o r t h o g o n a l c r o s s s e c t i o n m o d e l ，b i d i r e c t i o n a l d e d u c t i o nm o d e lw i t h e x p o n e n t ， b s p l i n es u r f a c e i i i 上海交通大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 毕业课题的选题背景及意义 模具工业，特别是汽车行业中的模具技术水平，是衡量一个国家制造业发展水平的一个重要尺 度。世界各制造业强国无一不具备先进的模具技术，它们的经济发展跟模具工业也有着极其密切的 关系。我国的模具技术水平，虽然起步比较晚，但经过改革开发几十年的飞速发展，已经具备了一 定的实力。但是相比国外先进国家的模具水平，我国的技术无论从生产质量、效率、使用寿命以及 生产的自动化程度都有明显的差距，对此，我们不光要从模具的设计工艺上来改进我们的技术，也 要改进模具的表面状况以提高模具的使用寿命和使用质量。 当今世界正处于一个飞速发展的时期，模具成形加工技术也在不断的快速发展，现今面临的紧 迫问题是高强度化、高速度化和高精度化，即被加工材料高强度化、采用连续自动压力机及加工频 率增加的高速度化、以高质量加工为目的的高精度化，因此对模具工作面提出了越来越高的要求。 尽管多年来，研制出了许多新模具材料以及对原有模具钢的热处理工艺进行了改进和优化，但许多 场合下仍然无法满足模具的高性能要求。而表面强化处理可以兼顾模具的众多要求，它成为提高模 具使用寿命和改善被加工工件质量的重要手段，具有较好的技术经济效果。表面强化技术是在保证 材料整体强度的基础上，赋予材料表面以各种优异的性能，如高的硬度、耐磨性、耐蚀性、耐热性 以及高的耐疲劳性能，从而能极大的提高工作面的质量和使用性能，成倍的延长使用寿命。 从1 9 世纪工业革命开始，特别是6 0 年代形成表面科学以后，表面技术得到迅速发展。其目的 是提高材料抵御环境作用能力以及赋予材料表面某种功能特性，其方法有1 施加各种覆盖层，比如： 涂层技术、氧化、磷化和包箔等：2 机械、物理、化学等方法，改变材料表面的形貌、化学成分、 相组成、微观结构或应力状态。表面处理技术是表面技术的一个应用，包括表面覆盖技术、表面改 性技术以及复合表面处理技术三部分，其中表面覆盖技术包括有电镀、化学镀、堆焊以及离子镀等， 而表面改性技术包括有表面熟处理、化学热处理、喷丸强化、高密度能量表面强化等，复合表面处 理技术就是几种表面处理技术的结合，如熟喷涂和喷丸、激光和化学热处理等。其中，高密度能 量表面强化这个名词是近年来才出现的，其涵义是在金属表面施以极高的能量使之发生物理、化学 变化，达到强化金属表面的目的。利用高密度能量进行热处理，具有节约能源、防止环境污染、提 高生产率及产品质量等优点，所以各工业发达国家都对高密度能量表面强化技术非常重视，纷纷广 泛地开展了研究工作f l l 2 l 。 高密度能量加热，可在几分之一甚至千分之一秒内把金属材料由室温加热到奥氏体转变温度或 熔化温度。如此快速加热，给金属表面强化带来了一些新的概念和特点： ( 1 )快速加热淬火能获得超细化晶粒，大幅度提高材料的强度和韧性： ( 2 )能进行金属表面快速熔化及合金化，在极短时间内可以获得一般热处理十几小时才能 第1 页 上海交通大学硕士学位论文 达到的金属渗层； ( 3 )能进行表面上釉处理，获得一种具有高耐蚀性和耐疲劳特性的非晶态或微晶态组织 ( 4 )进行表面覆层强化。 当激光束照射到金属材料表面时，表面很薄一层吸收能量，温度上升，快速加热到相变温度以上， 而内部材料则保持冷态，并能迅速传热使表层极具冷却，达到自身淬火目的。对于钢铁材料，表层 被快速加热到相变点以上并转变为奥氏体，在冷态基体自冷作用下淬火。冷却速度大致为1 0 4 c s ， 超过常规表面淬火冷却速度，可获得极细的马氏体组织。激光淬火可以得到优质的硬化层，具有热 处理变形小、不需要淬火介质、可实现表面薄层和局部淬火以及可硬化极小部位等优点。 鉴于此，中科院、上海交通大学以及上海大众汽车有限公司三方共同合作研究“模具工作面激 光强化处理系统”，项目属于中科院创新项目，上海交通大学的合同编号为：0 0 0 4 2 。课题的研究 内容包括下面几个部分：激光表面处理系统的设计与制定；模具工作面点云的测量；点云的预处理、 曲面重建以及方形网格划分：激光表面处理的实际应用和验证。在系统的构建过程中，为了实现表 面处理系统的自动化、集成性和高效性，也为了精确地处理模具工作面( 尽可能使工作表面性能一 致) ，系统研究引入了反向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 技术。反向工程技术是指对存在的实物模型和 零件进行测量、建模、分析、修改、加工、检测的整个过程，反向工程是产品快速升级换代的一种 有效手段，而且反向工程的某些应用是不能用正向工程( 起源于概念设计的产品设计制造过程，相 对反向工程而言：f o r w a r d e n g i n e e r i n g ) 来完成的，目前，反向工程主要应用在以下几个方面：起源 于物理模拟的新零件的设计、已有零件的复制、损坏或磨损零件的还原、数值化模型检测以及在艺 术领域和生物工程中的应用。本表面处理系统利用三坐标测量仪和反向工程技术得到被处理表面相 应方形区域中心点位置及其法向量，然后通过计算机进行智能控制，精确、高效地进行表面强化处 理工作，提高模具表面硬度、耐磨性及耐蚀性等材料表面性能，从而达到提高模具使用质量和延长 模具使用寿命的目的。 1 2 国内外相关技术研究现状 1 2 1 模具表面强化处理技术 传统的模具表面强化处理技术包括渗碳及碳氮共渗、c d 渗碳法、气体法低温表面强化热处理、 渗硼与渗铬处理、化学气相沉积( c v d ) 和物理气相沉积( p v d ) 以及t d 法等技术p l 。随着激光技术的 不断发展以及激光技术的应用不断取得成效，激光表面处理已经越来越广泛地应用到实际生产中 ( 特别是汽车制造行业) ，中国激光专业分会理事长邓树森先生介绍了激光加工的原理、特点及其应 用【4 】；文献5 1 介绍了日本汽车制造业利用激光加工技术的现状；文献 6 1 设计了一套激光加工系统对 汽车模具金星表面处理，具有一定的自动化、智能化：y e h u 与c w c h e n 7 研究了激光涂层技术 在板料防磨损中的应用；c h r i s t o p h i s l 从实际应用效果中出发论证了激光表面处理在机械零件中应用 的优势。除激光外，还有电子束、等离子束、电火花、超高频感应冲击及太阳能等也可以作为高密 度能量表面强化的热源口j ，在金属材料表面相变强化、表面熔化及合金化方面得到应用。首先电子 第2 页 上海交通大学硕士学位论文 束在工业中的应用已有2 0 多年的历史，在焊接、冲孔等加工应用中比较成熟，广泛应用于航空、 航天及电子技术中；其次是太阳能的利用，能源短缺是世界性问题，开发新能源及开发节能工艺、 新技术是今后研究的方向之一，利用高聚焦的太阳能为热源进行金属表面局部加热，可在很短的时 间内达到相变温度以上，撤离热源之后，未加热基体迅速传热并导致表面自冷淬火，太阳能局部表 面强化具有设备简单、投资费用低、操作安全易行、维护技术简单等优点；其他高密度能量表面强 化技术，比如：高频脉冲感应加热、高频电阻感应加热、氧乙炔爆炸喷涂法等，虽然有一定的应用， 但技术尚处在研究阶段，应用不是很广泛。 1 2 2c a d c a m 技术 ( i ) c a d 技术发展 c a d 技术是随着计算机图形技术、计算机外围设备、图形设备及软件技术的发展而发展的。从 六十年代中期开始，伴随着计算机硬件水平和系统软件性能的逐步提高，基于几何设计的c a d 系 统经历了二维绘图系统到三维系统的演化，即由线框造型到表面造型，进而发展到三维实体造型系 统口】。目前实体造型系统在c a d ，c a m 领域逐步达到了实用程度，使得产品的物性( 体积、重量、 重心及转动惯量等) 计算、有限元网格划分、过程仿真、干涉检验、n c 编程、机器人零件方位识 别及零件分类等过程的处理成为可能l l 。 特征技术的出现为实体模型向产品模型的转化建立了桥梁，基于特征的实体造型已成为一个研 究的新热点。目前国内外有关特征技术的研究主要集中在特征识g i j ( f e a t u r er e c o g n i t i o n ) 、特征映射 ( f e a t u r em a p p i n g ) 和特征造型( f e a t u r e - b a s e dd e s i g n ) 等几个方面。数据结构上相继出现了改进的翼边 结构、对称结构、半边结构、混合边结构和放射性结构等。c s g 和b r e p 已成为表示实体的两种主 要形式。 ( 2 、c a m 技术发展 c a m 技术主要指数控加工及其相关工装、工艺过程设计等。1 9 5 2 年，美国麻省理工学院( m i t ) 研制成功了世界上第一台数控机床，开始了c a m 的发展过程。为了解决数控加工编程问题，m 1 t 设计了一种专门用于机械零件n c 加工程序编制语言，称之为( a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gt o o l ，a p t ) 。 其后，法国、日本、德国也相继在此基础上研制了i f a p t 、m i n i a p t 和e a a p t 。 c a m 功能由最初的二维或二维半发展到五轴自由曲面加工。但是c a m 单独发展时没有解决 数控编程难度和加工速度之间不相适应的矛盾，而且数控程序的正确与否要采用数控绘图仪或在机 床上多次试切的方法验证，周期长而且价格昂贵。数控加工( n c ) 与计算机辅助数控程序编制技术的 出现，标志着柔性制造时代的开始。柔性制造系统( f m s ) 可以有效、快速、高质量地组织生产。 c a m 中n c 指令生成时原始数据的来源有三处，即工程图纸、c a d 的数据文件和实物模型。 工程图纸目前在国内的许多企业中还用得非常普遍，工程人员根据图纸进行数控编程或根据图纸的 尺寸将工件图输入c a m 系统自动生成n c 加工指令；第二种情况是c a d 系统完成其设计任务后， 将其所形成的有关信息，传给c a m 阶段的产品模型；第三种情况则需要借助测量设备对实物模型 进行数据点的采集，将实物的外形数据直接传给c a m 系统，该方法适合于复杂外形的产品，也是 第3 页 上海交通大学硕士学位论文 反向工程的一个研究方向。 ( 3 ) c a d ( 2 a m 软件的发展 c a d c a m 软件从六十年代出现到九十年代在工业领域中广泛应用，其发展过程已经经历了三 代，并且朝着智能化、集成化的方向发展。 第一代c a d c a m 软件开发于六十年代，这一代系统将原来的手工设计和绘图用计算机进行， 主要是解决了二维电子化绘图问题，系统工作在线框模型下，还处于探索阶段，并没有多少商用系 统；到了七十年代，随着几何造型技术( 主要是曲面造型和实体造型) 的产生和应用，以及计算机硬 件和系统软件性能的提高，c a d c a m 软件便进入了蓬勃发展的第二代。第二代c a d c a m 软件的 出现可以说是c a t 由理论走向实用的真实开端，三维几何造型为产品的设计提供了快速精确的造 型方法；实体几何模型所支持的有限元前、后置处理技术为引入有限元法进行设计过程的分析模拟 提供了有效的支持；数控编程软件的逐步完善为在数控机床上加工高精度复杂零件提供了手段。这 一时期，大量的c a d c a m 软件产品得到了推广和应用，如：法国达索飞机公司的c a t i a 、美国 e d s 公司的u g i i 、c v 公司的c a d d s 、s d r c 公司的i - d e a s 、a u t o d e s k 公司的a u t o c a d 软件等。 上述第二代c a d c a m 软件产品虽然获得了广泛应用，但在支持系统集成、面向机器的信息 理解等方面，由于其分散的数据结构和数据库管理机制的限制，难以满足现代制造环境对产品信息 综合处理和统一管理的要求。八十年代中后期，伴随着产品信息交换技术、数据库技术、尤其是特 征技术等的逐步发展，以美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 为代表的第三代c a d c a m 软件面世了， 它改变了传统的设计观念，以新的设计思想、先进的软件设计技术开发出了具有同一的数据结构、 单一的数据库的真正集成的c a d c a m 软件系统，上述所提到的第二代c a d c a m 软件也在这方 面做了改进和版本升级。这类软件的特点是参数化的尺寸驱动、基于特征的产品三维造型、完整统 一的产品模型、系统全关联性等。 ( 4 ) c a d 模型几何数据的表示方法 c a d 的三维模型有三种层次的建立方法，即线框、曲面和实体，分别对应于一维的线、二维 的面、三维的体来构造形体。早期的c a d 系统往往分别对待以上三种造型方法。从第二代的c a d 系统开始，将三者有机地结合起来，在建立产品几何模型时兼用线、面、体三种设计手段。 三种表示方法各有优势i l l 】：线框的定义过程简单，线框的数据存储量小，操作灵活，线框功能 也是进一步构造曲面模型和实体模型的基础工具，是交互式c a d 系统改善用户界面的有力手段， 但线框模型的几何描述能力差，对几何形状的理解容易产生多义性，不能进行消隐和浓淡显示。曲 面模型是线框模型向实体模型的过渡，是线框和实体模型不可取代的，也是实体造型的基础，它定 义了形体边界的所有组成面，可以实现形体的消隐显示和浓淡显示、计算表面积和表面曲率、求两 个形体的交线、生成数控加工指令。早期的曲面模型采用松散的数据结构，面的表示采用解析方程， 不存在边界，几何和实体描述完全与实体模型不兼容；近年来随着参数曲面和曲线的广泛应用，曲 面的表示越来越多地采用有界和裁剪形式。实体模型也从过去的多面体逼近开始转向准确的曲面表 示。曲面和实体两种模型相互靠拢，其间的差异只有拓扑结构严密程度上的区别，曲面模型中的各 第4 页 上海交通大学硕士学位论文 个面松散，而实体模型中面缝合在一起，从任一条边或一个面出发可以编历整个实体。在实体造型 技术中，目前采用的方法主要有体素构造法( c s o ) 、和边界表示( b - r c p ) 、扫描法( s w e e p ) 、和空间分 割法，其中实体模型中最主要的两种表示方法是体素构造法( c s g ) 、和边界表示( b - r e p ) 。 1 2 3 反向工程技术 反向工程相关技术概论 在产品开发及制造过程中，几何造型技术己使用得相当广泛。但是，由于种种原因，仍有许多 产品并非由计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，简称c a d ) 模型描述，设计和制造者面对的 是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为c a d 模型，以 利用计算机辅助设计和制造( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，简称c a d c a m ) 、 快速原形制造，快速工具( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e r a p i dt o o l i n g ，简称r p m r t ) 、产品数据 管理( p r o d u c ed a t am a n a g e m e n t ，简称p d m ) 等先进技术对其进行处理或管理。目前，与这种从实物 样件获取产品数学模型相关的技术，已发展为c a d c a m 中的一个相对独立的范畴，即“反向工 程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。很多文献将“反向工程”定义为“针对消化吸收先进技术的一系列分 析方法和应用技术的结合。它是以先进产品设备的实物、软件( 包括图纸、程序、技术文件等) 或 影像( 图像、照片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业 知识进行系统深入地分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品”。广 义的产品“反向工程”包括形状( 几何) 反向、工艺反向和材料反向等诸多方面，是一个复杂的系 统工程。目前，大多数有关“反向工程”问题的研究都集中在几何形状、即重建产品实物的c a d 模型方面。在这一意义下，“反向工程”可定义为：“反向工程”是与将实物转变为c a d 模型相关 的数字化技术和几何模型重建技术的总称。通过“反向工程”可构造实物的c a d 模型，使得那些 以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造过程中充分利用c a d c a m 、r p m 、p d m 等先进制 造及管理技术。同时，“反向工程”的研究也可为快速产品设计、快速原型制造等提供关键技术支 持。 反向工程是对实物进行数字化测量，在此基础上构造c a d 模型，建立好c a d 模型后，就可 以对其进行一些后续的处理，这些后续处理可以借助正向工程的工具和技术，而这些工具和技术目 前已经比较成熟，因此反向工程的关键技术主要是前面几个流程。 圈1 - i反向工程通用流程图 f i g1 - 1f l o w c h a r to f r e v e r s ee n g i n e e r i n g 从图1 - 1 反向工程通用流程图来看，目前反向工程的研究与应用都是按照图上三种流程进行的，第 一种是最常用的流程：从数字化到c a d ，评估通过后进行相应的c a e 分析，然后工艺评估通过后 第5 页 上海交通大学硕士学位论文 进行c a m ，最后得到成品；第二种是跳过c a d 模型直接由数字化产生分析模型( c a e ) ；第三种模 型是直接由数字化模型产生制造模型( c a m ) 。一般来讲，第二和第三种流程是针对有着特殊需求的 特殊应用场合而产生的，因为虽然它们节省了建模时间，但由于没有c a d 模型，难以进行产品的 修改、再设计，所以说第一种流程是一种通用的流程，应用范围也最为广泛。因此反向工程的关键 技术通常为数字化测量技术以及反向工程几何建模技术，这其中涉及到许多技术模块，比如：数据 点云的预处理、点云的组织方式、区域分割、曲面拟合以及误差检验，这些也都是本论文研究的主 要部分和难点部分。 反向工程的数字化测量技术是指由实物测量出数据点的过程，根据测量过程是否破坏工件，可 以分为破坏性测量方法和非破坏性测量方法，破坏性测量方法主要是自动断层扫描法【1 2 1 ，该技术采 用逐层去除材料与逐层扫描相结合的方法，其特点是可以测量内轮廓数据，而且测量精度高，片层 最小可达0 0 i m m 。而非破坏性测量方法i l 根据测量设备与被测工件之间的作用方式又可以分为接 触式测量和非接触式测量，接触式测量仪器最常用的是三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r em a c h i n e ， c m m ) ，其优点是不受物体表面颜色及光照的限制、对物体边界也能准确测量；缺点是可能丢失某 些测头达不到的数据、不可测量某些测头不可触及的软材料。非接触式测量又可以分为主动式测量 和被动式测量，主动式测量系统中成像设备发出一束信号( 光源或声源) ，通过接受从物体表面反射 回来或穿透物体的信号生成图像，而被动式测量系统则没有。当今最为常用的主动式测量系统是激 光三角形测量法【1 4 1 ，其优点是测量速度非常快，但对于表面粗糙度、漫反射率敏感。被动法非接触 测量系统是由物体辐射信号或物体表面反射信号生成图像，基于焦距测距法、全息法属于被动式测 量系统，被动式测量系统目前在反向工程应用的不多。 反向工程中的几何建模技术是指由测量数据建立c a d 模型的过程，是反向工程中的最为重要 的技术部分。目前，根据具体的应用情况产生了许多特定场合下的曲面拟合软件系统。cb r a d l e y “i 开发了拟合3 d 激光扫描数据的软件包，数据点被交互的划分区域，选择相应类型的曲面进行拟合 ( 只实现了标准二次曲面) ，系统根据给定精度进行拟合，建立了相应的c a d 模型；l i a n g c h i a c h e n ”【”1 提出的测量与拟和的集成系统，首先由用户交互地划分测量边界，每个面片的测量中实时 进行b 样条曲面拟合，用拟合结果进行下一个测量点的位置预测，用实测值与预测值得误差控制 测量、拟合精度；c m e n q ”1 开发的系统对测量结果用二次曲面进行实时拟合，拟合产生的测量路 径保证测头始终垂直被测表面，透过多次测量保证测头补偿产生的误差最小，此系统只限于由二次 曲面的测量。这些系统都是根据实际情况选取相应的算法以及设计相应的功能，如果单独从曲面拟 合算法来讲，目前主要有三种曲面构造方案：( 1 ) 以b - s p l i n e 或n u r b s 曲面为基础的曲面构造方案； ( 2 ) 以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面构造方案；( 3 ) 以多面体方式来描述曲面物体。c h i h y o u n g e t c 口0 】 提出的三维数据点拟合方法分为两部分：曲线拟合和优化算法、曲面拟合和光顺算法，前者从每一 组横向数据点拟合成b s p l i n e 曲线( u 方向) ，而后者从曲线组拟合成曲面( v 方向) ，它的最大优点 就是两部分算法都是一维算法，这样节省计算时间和系统资源，特别适合于大型数据点云的拟合； 李江雄口”提出了一种三角曲面递增构造方法，用此方法迭代地构造光滑三角b e z i e r 参数曲面，使 第6 页 上海交通大学硕士学位论文 得曲面逐步逼近测量点，直至曲面对测量点的逼近程度到允许的误差范围内为止，这种方法的优点 是能用较少三角曲面片来表达所要逼近的曲面，同时，由于在每次迭代过程中所修改的三角形数目 是局部的，因而每次只需重新构造比较少的曲面片，所以这种构造逼近曲面的方法具有较高的计算 速度；s h y h h a u rs u e t c 【2 2 1 提出了一种分段曲面函数，把曲面看成由多个小曲面组成，然后进行拼 接；葛屹群【2 3 1 在学士学位论文中主要提出了一种基于d e l a u n a r y 三角划分算法的三维离散点三角划 分算法，为进一步的参数化曲面拟合打下了基础。 1 2 4 反向工程的应用 在制造领域内反向工程有广泛的应用背景。在下列情形下，需要将实物模型转换为c a d 模型。 尽管计算机辅助设计技术( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前还无法 满足一些复杂曲面零件的设计需求，还存在许多使用黏土或泡末模型代替c a d 设计的情况， 最终需要运用反向工程将这些实物模型转换为c a d 模型。 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终，可通过运用反向工 程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的c a d 模型。 由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由c a e 来完成，往 往需要通过实验来最终确定零件的形状；如在模具制造中经常需要通过反复试冲和修改模具型 面方可得到最终的符合要求模具。若将最终符合要求的模具