（测试计量技术及仪器专业论文）复杂曲面零件的rerprt集成技术研究.pdf

摘要 反求工程与快速原型、快速模具技术相结合将从根本上改变传统产品在研发期 的产品设计和制造模式，使快速响应市场需求的产品开发成为现实，它能解决大量 传统加工方法难以解决甚至不能解决的河题，使产品零件制造在提高质量、缩短研 发周期、节约开发费用、提高制造柔性等方面取得了明显的效果。 本论文以水龙头、喷头快速开发作为应用对象，深入探讨了以反求工程( r e ) 快速原型( r p ) 和快速模具制造集成技术为核心的复杂曲面产品快速开发模式，在 分析和比较了各种测量方法以及测量方法的选择以后，详细研究了反求工程数据获 取及预处理方法，通过对水龙头扫描数据的获取及预处理，从中摸索出数据预处理 的一般操作流程。 此外，对曲面重构的基本原理和方法进行了研究，将精度分析、光顺性等评价 应用到曲面重构过程中，应用s u r f a c e r 和p r o ，e 软件平台构建符合要求的曲面和 c a d 实体模型。 论文根据各种快速原型工艺的特点，从材料、精度、速度、模型特性等方面讨 论了r p m 技术对复杂曲面产品的适应性。对快速原型制造技术的主要方法及加工 过程的数据转换、模型的分层处理、扫描路径生成，s t l 文件信息处理，快速成型 件表面工程技术及成型精度进行了详细地论述。 最后，论文对基于反求工程和快速原型技术的快速硅胶制模作了理论和实践的 研究，并将硅胶模技术应用于喷头花洒模具的快速制造中，构建了复杂曲面类零件 基于r e r p r t 系统集成技术的快速开发新模型。 本论文的研究成果完成了从复杂曲面零件模型的三维表面测量到c a d 模型重 构到快速原型制造到快速硅胶模制造全过程的开发研究。对基于反求工程和快速原 型技术的快速模具制造技术具有一定的参考价值，为快速制模技术的发展，以及在 实际生产中的应用提供了新的途径，具有较高的经济效益和应用价值。而且通过 反求工程和快速原型快速模具技术相结合应用，反过来也促进了各种先进制造技术 的进一步发展，拓宽了它们在生产实践中的应用领域。 关键词：反求工程；数字化；曲面重构；c a d 模型重构；快速原型技术；快速模具 a b s l 砒c t a b s t l 。a c t r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) a n d ( r e ) ，c o m b i n e dw i t hr t , m a yf u n d a m e n t a l l yc h a n g e t h et r a d i t i o n a lm o d eo fp r o d u c t i o nd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g ，i tb e c o m e st ob er e a l i t yt o d e s i g na n dm a n u f a c t u r ep r o d u c t sr a p i d l y i no r d e rt of i tt h en e e do f m a r k e tr a p i d l y i tc a l l a c c o m p l i s hm a n yp r o b l e m st h a t c a nn o tb es o l v e db yt r a d i t i o n a lm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g y i ti sau s e f u lt e c h n o l o g yt h a tc a l li m p r o v et h eq u a l i t yo f t o o l i n g ，s h o r t e nt h e d e s i g np e r i o d ，s a v ee x p e n s ea n di m p r o v ef l e x i b i f i t y i nt h i sp a p e r ，t h er a p i dd e v e l o p m e n to f t a pi su s i n ga st h eo b j e c tt os t u d yt h ep a t t e r no f r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p l i c a t e dc u r v e ds u r f a c e o fw h i c hr e a n dr pa n dr t & ma r e t h ek e ye n a b l i n gt e c h n o l o g i e s t h et e c h n i q u e so fd a t ag a i n i n ga r ep r e p r o c e s s i n gi nr e a r ed i s c u s s e di nd e t a i la f t e ra l lk i n d so fm e a s u r i n gm e t h o d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a n dc h o s e ni nt h i sp a p e r b ya c q u i r i n ga n dp r e p r o c e s s i n gs c a n n i n gd a t ao ft a p ，t h e g e n e r a lm a n i p u l a t i o nf l o wo f d a t ap r e p r o c e s s i n gi se x p l o r e d i na d d i t i o n ，t h eb a s i ct h e o r ya n dm e t h o d so fs u r f a c er e c o n s t r u c t i o na r er e s e a r c h e d t h es u r f a c ec a nb ec o n s t r u c t e dr a p i d l ya sr e q u e s t e di ft h ed i f f e r e n c ea n da c c u r a c y a n a l y s i sa r ea p p l i e dt ot h es u r f a c er e c o n s t r u c t i o np r o c e s s t h ep a p e ra l s or e s e a r c h e st h e m e t h o do fc a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o n b a s e do nt h es u r f a c e ra n dp r o es o f t w a r e p l a t f o r m a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe a c hr p i v lp r o c e s s ，t h et h e s i s d i s c u s s e dt h e a d a p t a b i l i t yo fr p mt e c h n o l o g yt ot h ec o m p l i c a t ec u r v e ds u r f a c ep r o d u c tf r o mt h ev i e w o f m a t e r i a l ，a c c u r a c y , e f f i c i e n c ya n dm o d e lc h a r a c t e r i s t i c a n dt h ep a p e ra l s od i s c u s st h e m a i nm e t h o do fr p & mt e c h n o l o g y , t h ed a t ae x c h a n g ei nm a c h i n i n g ，t h em o d e ls l i c i n g p r o c e s s i n g ，t h ec r e a t i o no fs c a n n i n gp a t h ，s t l f i l ei n f o r m a t i o np r o c e s s i n g ，s u r f a c e p r o c e s s i n gt e c h n o l o g ya n dt h ep r o t o t y p i n ga c c u r a c y l a s t , t h ep a p e rm a k e sr e s e a r c h0 nt h et h e o r ya n dp r a c t i c eo ft h er a p i ds i l i c o n e r u b b e rt o o l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nr ea n dr p w eu s e dt h et e c h n o l o g yt om a k et h e s i l i c o n er u b b e rm o l df o rt a p ，a n dc o n s t r u c tan e wm o d eo f t h ec o m p l i c a t ec u r v e ds u r f a c e p r o d u c td e v e l o p m e n tb a s e do nr e r p r tc o m b i n e dt e c h n o l o g y t h i sp a p e rh a sr e f e r e n c ev a l v ef o rt h er a p i dt o o l i n gt e c h n o l o g yb a s e do nr ea n dp p i ta c c o m p l i s h e st h es t u d yf r o m3 d - m e a s u r e m e n to ft h ec o m p l i c a t e ds u r f a c ep a r t sm o d e l t oc a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o nt or p & ma n dr a p i ds i l i c o n er u b b e rt o o l i n gm a n u f a c t u r i n g a n da l s op r o v i d e san e wa p p r o a c hf o rt 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 a p i dt o o l i n g i n i n d u s t r yp r o d u c t i o n s ot h e r e s e a r c ho ft h i sp a p e rh a sp r e f e r a b l eb e n e f i ta n d a p p l i c a t i o nv a l u e o nt h ec o n t r a r y ，w i t ht h e c o m b i n a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d r a p i dp r o t o t y p i n ga n dr a p i dt o o l i n g ，i ta l s oa c c e l e r a t e st h ed e v e l o p m e n to fa d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g i e sa n de x t e n d st h ea p p l i c a t i o nf i e l do f t h e m k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ：d i g i t i z i n g ：c u r e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ：c a d m o d e lr e c o n s t r u c t i o n ；r a p i dp r o t o t y p i n g ；r a p i dt o o l i n g 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成 果。本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在 文中以明确方式标明。本人依法享有和承担由此论文产生的权利 和责任。 声明人( 签名) ： 寸浮抄 汐乡年，月? 日 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦 门大学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸 质版和电子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允 许论文进入学校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关 数据库进行检索，有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密 的学位论文在解密后适用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 0 ( 请在以上相应括号内打“4 ”) 作者签名：， 可浮阢 导师签名：邓渺承 日期：抛占年夕月衫日 e t 期：口多年夕月加期：口莎年7 月耐日 第一章绪论 1 1引言 第一章绪论 在全球化知识经济时代的今天，市场竞争日益激烈，产品更新换代的步伐不断 加快。缩短产品的开发周期，提高企业快速反应市场的能力已是企业成败的关键。 制造业对一个国家国民经济的高速增长起着至关重要的作用。它不仅要为本国市场 提供优质先进和物美价廉的消费品，还要为国际市场提供有竞争力的高附加值的出 口商品。当今的时代己经是信息时代，全球统一市场逐渐形成，这样就加剧了世界 市场的竞争，使得市场对产品的价格和性能更为敏感，尤其在制造业，产品的生命 周期变得越来越短，产品的更新换代频繁，生产类型由大批量n d , 批量、单件。创 新战略是企业生存的生命线，产品创新己成为工业创新的核心，亦是2 1 世纪全球 制造业竞争的核心。因此，快速、高效地开发新产品是企业在竞争中取得的一个关 键因素。 实现新产品的快速、高效开发涉及多领域的先进技术，例如：反求工程( r e ) 、计 算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助工程( c a e ) 、计算机辅助制造( c a m ) 、新材料， 以及与产品相关的工艺装备的快速制造等。 改革开放以来，我国的制造业取得了长足的发展。目前，中国制造业居全球第 四位，许多家用电器主导产品的产量居世界第一位，制造业增加值占g d p 的比重 基本维持在4 5 以上，中国财政收入的一半来自于制造业，制造业吸收了将近一半 的城市就业人口，2 0 世纪9 0 年代以来，制造业已成为中国最大的出口机器，创造 了中国接近四分之三的外汇收入1 2 1 。 但是，我国制造业与世界先进水平相比仍有较大差距。大多数企业无法以市场 需要的快速响应速度开发新产品，这种现状已严重制约了国家整体经济实力和科技 水平的提高，以及参与国际市场的竞争能力。自2 0 世纪9 0 年代中期以来，企业所 面临的经营环境迅速变化，市场不断成熟并趋于全球化，市场的变化速度明显加快。 与此同时，技术开发的速度加快，产品淘汰率加速，产品生命周期缩短。要在这种 激烈竞争的环境中站稳脚跟，企业必须加快产品开发速度。而实物的反求工程、快 速原型和快速模具技术以及在快速产品开发中的独特优势，得到了业内的广泛重视 复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究 和迅速发展。 随着市场对产品个性化需求的增长，复杂曲面零件的设计占整个产品设计的比 例还将逐步增大，其代表性也日趋突出。显然，传统的设计制造模式因开发周期长 很难适应市场竞争的需求。而反求工程能从一个己存在的复杂曲面零件或产品原型 入手，对其进行测量、数字化处理，再经过改进或创新后，构造出工件的c a d 模 型。 然后在新构建工件三维c a d 模型的基础上，对其进行适当的前处理，再把经 过处理的三维c a d 模型数据输入快速原型机中。快速制得我们所需要的产品原型 件。快速原型与传统的加工方法相比，最大的区别在于它彻底摆脱了传统韵“去除” 加工法( 部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件) ，而采用全新韵“增长”加 工法( 用一层一层的成型材料逐步叠加成工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维 加工的组合) ，因此，它不必采用传统的加工机床和工装、夹具等，而且可以很容易 地制造传统切削加工难以加工的带有复杂曲面和内孔的工件。 在反求工程和快速原型技术制得的原型件的基础上，我们可以采用直接( 不经过 工艺转换，在快速原型机上直接制成满足工艺要求的模具) 或间接( 把快速原型机上 制得的工件用作原型母件，结合各种先进模具制造技术快速精确地制造各种模具) 的方法快速制造我们所需要的模具。据不完全统计，在国外，商品化并相当广泛应 用的快速模具制造方法已有2 0 多种，应用领域不仅遍及汽车、轻工家电、卫浴具 和玩具等制造行业，而且还深入到医疗领域等。各种快速模具技术的出现和应用， 不仅很好的满足了对产品开发的速度和制造技术的柔性要求，适应了产品的生产模 式由传统的大批量生产向能灵活适应市场的中、小批量生产转变，而且缩短了制模 时间，减少成本及产品开发的固定费用( 包括人员、设备等) ，促进了企业产品的快 速开发、生产能力的形成，增强了企业的市场适应能力【3 1 4 1 1 2 国内外发展及现状综述 反求工程技术是2 0 世纪8 0 年代初由美国b d 公司、日本名古屋工业研究所和 美国e f g 公司共同研制开发的技术3 1 。在激烈的市场竞争中，这项技术被先进工业 国家有远见的企业所采用，为大幅度缩短新产品开发周期发挥了重要作用。据统计， 随着全球化的发展，经济技术交流臼益频繁，各国7 0 以上的技术都源于国外，反 求工程作为掌握新技术的一种手段，可使产品研制周期缩短4 0 以上。 2 第一章绪论 近年来，国内外反求工程技术己有了很大的发展。从国外来看，国外很多公司、 大学致力于反求工程的研究，并己经发展得比较成熟。早在9 0 年代初，k w o k 等人 将三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，简称c m m ) 与a u t o c a d 图形软件 结合，使每一个测量点由c m m 进行数字化，程序记录有关的坐标值，自动转化为 i g e s 格式四。他们开发的反求工程系统具有实时可视化的功能，可以动态监测扫描 过程，便于及时修改。目前国外较著名的反求工程软件有： ( 1 ) i c e ms u r f 、p r 0 ，s c a n t o o l s ，他们是p t c 公司的产品，可以用于处理测 量点数据，带有进行逆向曲面设计的模块。i c e m s u r f 是一个a 级自由曲面的构造 工具，他的最主要特点是直接构造曲面( 无需先构造曲线) 和曲面质量的动态评价( 曲 面调整中的曲面诊断结果动态更新) ，i c e ms u r f 还能把点云数据自动转换成三角 形面片模型，可以用它来求任意截面线、边界线和特征线，也可以用它来做快速成 型或n c 加工编程。但这个面并不是一个传统意义上的曲面模型。p r o ，s c 心r r o o l s 是一个完全集成于p r o e n g i n e e r 实体建模中的逆向曲面构造包。可以接受有序点 ( 测量线) ，也可以接受大量测量点数据，以用来构造非a 级的自由曲面。 ( 2 ) 具有曲面反求重构模块的c a d c a m 软件中，还有英国d e l c a m 公司的 c o p y c a d 。c o p y c a d 采用三角化曲面造型方法，它提供了一种能从数字化测量 数据生成c a d 表面的综合工具，接受三坐标测量机、探测仪和激光扫描器所测到 的数据。该软件可以让用户快速作出高质量、复杂的表面，能完全控制表面边界的 选择，自动形成符合规定精度的平滑、多面块曲面。因此创造性地提出了反求工程 新法：局部逆向工程技术【6 j 。 ( 3 ) 美国e d s 公司的i m a g e w a r e 也是用来做反求工程的优秀软件之一，它可以 非常好的处理大数据量问题，它处理数据的流程遵循点一曲线一曲面原则，流程简 洁清晰，软件易于使用c ”。如今，此模块可以和机械设计自动化软件i - d e a s 和 p r o e n g i n e e r ( 简称p r o e ) 合成一体。 与国外相比，国内研究起步晚、经费投入较少，限制了高水平研究的开展，创 新性研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。浙江大学是国内进行 反求工程研究比较早的单位之一。他们研究了测量数据测头补偿问题：曲面轮廓度 误差的可视化算法以及三角b e z i e r 曲面重构方法；而且他们还开发出了反求工程 c a d 系统r e s o f t 软件。另外，西安交通大学也开发了反求工程的核心软件一c a d 重构软件；西北工业大学，华中科技大学，南京航空航天大学等都在着手此方面的 复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究 研究。由于缺乏自主的c a d c a m 软件的支撑，所有国内反求工程的上游测试设备 和下游应用( c a d c a e c a m ) 基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数 据转换和应用上一直滞后于国外相关产品，开发的软件势单力薄，与国外软件相比 处于竞争的劣势。 但无论是国外还是国内，反求工程的应用技术都获得了良好的经济效益。法国 的轿车生产商e b f 公司对其座椅应用反求工程技术，使时间缩短到原来的五分之 一。我国的东风汽车公司也展开了反求工程技术的应用，不仅拥有意大利产 3 2 5 0 m m x 3 2 5 0 m m 三坐标测量机，还有数码摄影光学扫描仪，采用德国g o m 公司 生产的a t o s 光学扫描器和美国柯达公司d c s 4 6 0 数码相机及处理系统，率先在国 内采用数码摄影、光学扫描，作为空间三维信息的获取手段，从而实现了从实物至 建立数学模型到出工程图纸到模具制造的全过程，成功地实现了反求工程技术的开 发和应用。高速扫描和反求工程技术在汽车工业的应用，大大缩短了汽车模具研制 周期，促进了模具制造水平的发展。不可否认，我国对反求工程的研究和应用和许 多发达国家相比还有很大的差距。因此我们必须重视它，努力进行研究和应用它， 才能在产品设计上赶上或超过发达国家。 快速原型技术是当今世界上发展最快的制造技术，在过去十多年的时间里，从 只有一家公司的一台设备发展到现在有3 0 多种快速成型类产品，目前随着r p 工业 的兴起，国内外有数百家大学、研究机构和企业竟相研发快速原型制造技术。美国 在这个领域一直处于领先地位。 r p 制造商主要在美国、欧洲和日本，如提供s l 工艺快速成型设备的美国3 d 系统公司、a a r o f l e x 公司和日本的c m e t 公司，提供f d m 工艺快速成型设备的美 国s t r a t a s y s 公司，提供s l s 工艺快速成型设备的美国d t m 公司，提供l o m 工艺 快速成型设备的美国h e l i s y s 公司，提供3 d p 工艺快速成型设备的美国的z 公司等。 提供专业快速成型软件系统的主要有美国s o l i dc o n c e p t 公司的b r i d g e w o r k s 软件产 品、b e l g i a n 公司的m a g i c s 和c t m o d e l l e r 软件、d e s k a r t e s 公司的r a p i d t o o l s 软件 等。而从事专业快速成型服务的s b 全世界多达2 8 4 家，其中1 4 5 家在美国，约占 总数的5 1 。在欧洲多数国家集中于r p 的应用研究，德国公司e o s 公司和 f o c k e l & s c h w a r z e 公司在开发和销售r p 系统。在我国，目前己有清华大学生产的 l o m 和f d m 系列成型机、西安交通大学开发的l p s ，c p s 系列快速成型机( s l ) 、 华中科技大学开发l o m 工艺的成型设备、北京隆源自动成形系统有限公司开发的 4 第一章绪论 a f s 快速成型机( s l s ) 。在国外，美国的3 d 系统公司、d a y t o n 大学、麻省理工学 院、斯坦福、t e x a s 大学、日本东京大学、新加坡国立大学和南洋理工大学等竞相 开发快速成型设备。关于快速成型技术的学术会议也很多，比如在d a y t o n 大学从 1 9 9 0 年开始每年召开的r p 国际会议、在t e x a s 大学召开的快速成型研讨会。 快速成型技术的研究主要集中在以下几个方面： c a d 数据处理的研究。 成型工艺即提高快速原型的制作质量( 包括原型精度、强度和制作效率 等) 的研究。 开发新的成型工艺方法。 成形材料的开发。 正是由于反求工程技术的出现和发展，我们才能在已有工件和原型的基础 上，快速、准确的构造出所需要的三维几何实体模型，再通过快速原型技术直接或 间接的制造出可用于生产实践的各种快速模具。基于反求工程和快速原型技术的快 速模具制造技术由于技术集成度高，数字模型到物理模型转换速度快，与采用传统 的数控技术制造模具相比，可使模具的制造时间减少1 3 ，成本下降2 0 一3 0 ，不 仅能适应各种新产品的概念设计，而且能方便各种复杂程度的模具制造。因此，复 杂曲面的r e r p r t 集成技术已成为当前模具制造业的热点，并被广泛的研究和应 用。该技术被美国汽车工程杂志评为全球1 5 项重大技术之首1 1 ，受到全球制造业 的广泛关注。 近年来，基于反求工程和快速原型技术的快速模具制造技术得到重大的发展。 据不完全统计，在国外，商品化并相当广泛应用的快速模具制造技术已有2 0 多种， 应用领域不仅遍及汽车、轻工家电和玩具等制造行业，还深入到医疗领域等。 然而在我国，快速模具制造还是一种鲜为人知的技术，应用十分有限。据初步 统计，目前我国具有快速模具制造能力的主要单位有2 0 多家，绝大多数单位制作 的快速模具与国外商品化快速模具相比，有以下明显差距： ( 1 ) 品种不到1 0 种，远远少于国外己商品化的2 0 多种，特别在高档快速模具的 研发、生产上有较大差距。 ( 2 ) 由于能制作的快速模具的品种有限，因此，在快速模具的制作上缺乏灵活性 和适应性，难以充分满足具体客户的不同的要求。 ( 3 ) 不具备大型快速模具的生产能力。 复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究 ( 4 ) 多数制模材料依赖进口，使快速模具的制造成本大大提高，限制了快速模具 制造技术的应用和发展。 由以上可以看出，与国外同行相比我国在机械设计制造及模具技术等各方面的 差距均较大，特别是在航空、航天、汽车、轻工家电以及电子医疗工业等方面都存 在新产品开发缓慢等问题。又由于缺乏先进的反求工程、快速原型及快速模具等先 进技术的集成配合，造成开发周期长、产品质量低、市场竞争力弱等缺陷和不足。 正由于此，我们可以预见，复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术的开发应用和技术 服务市场在未来的几年内必将得以迅速增长。为我国机械制造行业开创出一个美好 的前景暇9 。1 0 1 。 1 3 课题的来源及主要研究内容 本课题“复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究”来源于厦门市科技计划重 点项目“基于r e r p s e 复合技术的复杂造型出水器快速制造新技术研究”( 项目编 号：3 5 0 2 2 2 0 0 3 1 1 1 0 ) 。和厦门市重点产学研项目“高档新型出水器快速制造新技术 研发”( 项目编号：厦经发2 0 0 4 3 3 2 ) ，两个研究项目均由集美大学机械工程学院牵 头，与路达( 厦门) 工业有限公司进行合作。 我国正在大力发展制造业，作为正在崛起的厦门工业现以汽车、家庭卫浴、轻 工家电、制鞋业等为主体经营发展，对各种成形模具的需求量很大。由于国内外越 来越激烈的市场竞争，各企业因产品开发周期缩短及生产力形成速度加快而对快速 模具的设计制造提出了越来越迫切的要求。作为经济特区的厦门模具制造业更需要 大力开发和应用快速模具设计制造技术。 复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究正是在此要求下提出的。 通过这一集成技术，我们可以充分吸收国内外的先进设计制造成果，并通过消化和 创新发展出有自主知识产权的技术。与传统的从零开始的开发创造过程相比，这项 技术不仅大大降低了制模成本，而且大大缩短了研发周期，从而抢得市场先机。 本论文主要以路达( 厦门) 工业有限公司的水龙头、喷淋花洒喷头产品的反求 设计及其快速原型、快速模具制造为实例对反求工程和快速原型、快速模具集成技 术进行如下研究工作： ( 1 ) 从当前的数字化测量技术出发，分析各种测量方法的优缺点，选择适合的测 量方法。 6 第一章绪论 ( 2 ) 水龙头、喷头产品的数字化及数据处理：采用a t o s 三维扫描仪获取水龙头、 喷头三维数据，并对数据进行噪声点剔除，点云精简，点云多边形网格化，点云 的对齐和多视拼合等预处理。 ( 3 ) 零件原形c a d 模型的重建：基于s u r f a c e r 软件平台的n u r b s 曲线、曲面 的处理方法，对测得的数据进行曲线、曲面的拟合，获取原形表面的构造模型。再 经p r o e 三维造型软件构建实体模型。 ( 4 ) 以重构的水龙头的几何模型为基础，研究如何利用其三维几何信息分析零 件的成型工艺，并对s t l 数据文件信息处理，快速成型件的表面工程技术及成型精 度进行了详细地论述。 ( 5 ) 以喷头花洒产品的硅橡胶模具制造为对象，对基于r e 和r p 技术的真空注 型硅橡胶模具的制造工艺、硅胶模的特点、类型、制作方法及精度进行了研究。并 通过制造试验的实践，构建出复杂曲面类零件基于r e r p r t 集成技术的快速开发 新模型。 复杂曲面零件的n e r p r t 集成技术研究 第二章反求工程技术及其应用 2 1 反求工程的基本概念 在逐渐进入知识经济时代的今天，企业成功的关键往往是客户急需的新产品 的上市速度和交货期。企业必须把产品“新”和上市“快”作为其发展战略。创新 战略是企业生存的生命线，产品创新已成为工业创新的核心，亦是本世纪全球制造 业竞争的核心。而由于人的思维活动和创造活动不可能隔断基础和历史，所以在原 有产品的基础上进行再设计和再创造，是实现产品创新的有效方法之一。反求工程 产品创新工作模式最好地表现了这一思想。同时，反求工程也为产品上市“快”提 供了可能。开发出合适的反求工程系统，再结合c a x 、r p 和r t 技术，就可以大 大加快新产品的开发速度，迅速抢占市场。因此，在基于原有产品的产品创新设计 和抢占市场方面，反求工程有着其它技术所无法替代的独特作用。 反求工程o 也) 可定义为：以先进产品及设备的实物、软件( 包括图纸、程序、技 术文件等) 或图象、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。 从上面的定义看出，反求工程不仅仅是简单地再现产品模型，而是要进一步改 进、提高产品原型。广义的产品“反求工程”包括形状( 几何) 反求、工艺反求和材 料反求等诸多方面，是一个复杂的系统工程。目前，国内外大多数有关“反求工程” 的研究都集中在结构的几何形状，及重建产品实物的c a d 模型方面。在这一意义 下，“反求工程”可定义为：与将实物转变为c a d 模型的相关的数字化技术和几何 模型重建技术的总称。本文所说的反求工程都是指这种狭义的定义。 反求工程是指根据实物模型测得的数据，构造出c a d 模型，继而将这些模型 和设计表征用于产品的分析和制造 1 3 , 1 4 。工程上，经常要在只有产品原型或实物模 型，而没有产品图的条件下进行制造，或者零件具有非常复杂的自由曲面，其设计 表达或数学几何模型的建立非常困难。在这种情况下，通过三坐标测量仪或激光扫 描仪等数字化设备，将实物模型转化为数字化的点云，然后进行曲面拟合和c a d 建模，得到样件的数字模型。在重构出自由曲面和建立c a d 模型后，就可以对它 进行后序的操作，如零件设计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控加工、快 第二章反求工程技术及其应用 速成型加工指令生成等。r e 技术是快速开发复杂曲面类零件的有效方法。 概括起来说，反求工程可分为如下几步： ( 1 ) 数据获取( d a t ac a p t u r i n g ) 利用各种接触式或非接触式数据获取设备，按照某种规则进行数据获 取，获得的数据经补偿等一系列操作以某种格式存入计算机。 ( 2 ) 数据处理( d a t ap r o c e s s i n g ) 获得的数据为适合拟合，需进行去噪声、精简等处理。 ( 3 ) 分块及曲面拟合( s e g m e n t a t i o na n ds u r f a c ef i t t i n g ) 对大量散乱数据按某种规则进行分块处理，分别进行曲面拟合，再总体 考虑进行曲面延拓、拼接等操作，形成复杂曲面 ( 4 ) c a d 建模( c a dm o d e lc r e a t i o n ) 对产生的曲面进行误差检验、光顺处理后，进行拉伸、旋转、缝合、切 割实体、实体之间的交、并、差运算等获得满意的实体模型 1 1 , 1 2 , 1 3 】。 2 2 反求工程的测量技术 2 1 1 测量方法分类 在反求工程中，复杂曲面的测量采集( 实体数字化) 是极为关键的一步。数据 化点云的特点和采集精度，直接影响着反求工程技术的方法选择和实体c a d 模型 的重构精度。随着传感技术、控制技术、制造技术、软件工程等相关技术的发展， 目前复杂曲面零件数据采集主要有两类：接触式、非接触式。见图2 1 所示。 图2 。1 曲面数字化方法 复杂曲面零件的r e r p r t 集成技术研究 由于接触式测量方法共有的缺点是曲面数字化速度慢，对操作者要求高。在 未知产品几何模型的前提下，不能保证所选择测点分布的合理性。有可能造成在相 对平滑的部分选择多余测点，在曲率变化的地方损失关键点，而且不适合测量软 质或易划伤的物体，对于复杂的曲面如喷淋卫浴件测量很不方便。 下面主要讨论比较适合复杂曲面测量的非接触式的立体视觉法、激光三角扫描 法i c t 、m r i 逐层扫描、自动断层扫描、光栅法等技术。 2 2 1 1 立体视觉法( 被动三角法) 立体视觉法是一种被动式方法。它通过匹配确定物体上同一点在两幅图像上的 对应位置，由视差计算距离。立体视觉法主要分为单目视觉法、双目视觉法和三目 视觉法。双目视觉法是人类获取距离信息的主要方式，它是根据立体视差即被测点 在左、右c c d ( c h a r g e c o u p l e dd e v i c e ) 摄像机( 图像传感器) 成像面上成像点 位置的差异来进行测距【14 】。其中立体匹配问题是双目视觉测量的一个主要难点所 在，国内外众多学者对此进行深入而持久的研究，提出了大量的匹配算法并进行了 实验验证。三目视觉方法主要是为了增加几何约束条件，减小双目视觉中立体匹配 的困难，但结构上的复杂性也引入了测量误差，降低了测量效率，在实际中应用较 少。单目视觉方法只用一个摄像机，结构简单，相应的对摄像机的标定也较为简单。 同时避免了双目视觉中立体匹配的困难。但是，这种方法涉及平面图像的三维重建， 不适合需要精确位置的复杂曲面测量。 双目立体视觉的基本原理如图2 2 所示： 分别从两点e l 、e r 上观测物体上一点p 。左、右两个观测位置l 、r 共面，中 心点分别为o l 、o r 。点p 在图像面l 、r 上的投影为p l 、p r ，直线e l p l 、e r p r 的 交点为p 。这时，e l 、p l 、e r 、p r 四点共面。p 点的坐标可由p l 、p r 的对位置求出。 设坐标系x y z 的原点为e l ，x 轴与x l ( x r ) 平行，y 轴与y l ( y r ) 平行，z 轴 与o l e l 共线。p l 、p r 的在坐标系x y z 中的坐标分别为( x l 、y l ) 、( x r 、y r ) 。e l 、 r l 距离为d ，e l 到观测面l 、r 的距离为e 。 此时，点p l 、p r 在坐标系x y z 中的坐标分别为 p l ( x l ，y l ，一e ) ，p r ( x r ，y r ，一e ) 设a e l p l = 毛b + 口b b ，则a x l = d + a x r ，所以a = 竺_ 一 屯一 因此，点p 在坐标系x y z 中韵坐标为 第二章反求工程技术及其应用 z 图2 2 双目立体视觉法的基本原理 随着高性能计算机系统及数码相机等数字成像设备的出现，立体视觉技术得到 了很快的发展，目前己达到实用化程度，成为现代光学测量技术中重要的一支，并 出现了多个实用测量系统。如日本k a r a i 等研制的利用一般相机进行三维形状测量 的p e r s 系统1 1 5 。美国s c h i m i d t 等开发的以c c d 摄像机为基础的三维测量系 统1 6 1 等。德国g o m 公司新近推出咀数码相机为基础的系列三维测量系统 1 7 - 1 8 1 包 括a t o s 、a t o s 、t r i t o p 等。它们是首批商用系统，已在通用、雷诺等著名 企业中得到成功的应用。国内多家大型企业和研究单位、大专院校等单位也己引进 了g o m 公司的a 1 d s 系列产品。 2 212 激光三角扫描法( 主动三角法) 由于激光的单向性好，信噪比高，激光已成为主动三角法的首选光源。 激光三角扫描法的基本过程为：首先由光源( 卤素灯) 产生编码光栅，这正是 光栅投影到被测样件表面产生一系列图像，这些被测实体表面漫反射图像被c c d 相机摄取，然后通过图像处理方法分析这些图像，计算被测样件表面点的空间位置。 激光三角测量法硬件有投影光源，c c d 摄像头、图像采集卡相应的连接线与光 源以及微型机算计组成，该系统采用两个参数完全相同的c c d 摄像头对称放置，可 减少测量盲区，提高测量精度。三角测量法利用基准面、像点、物距、像距等之间 的关系，计算物体的z 坐标值。 羔兰兰 复杂曲面零件的糊讲t 啉集成技术研究 点光源入射三角法基本测量原理如图2 3 所示 图2 3 点光源入射三角法的基本测量原理 图2 3 中i 为入射光，卜成像透镜，n 一成像屏，f 一成像透镜的焦距，l 0 _ 成 像透镜l 的物距，l 广成像透镜l 的像距，0 一l 光轴与入射光线i 的交点，p 一 物面上的光点，p ，0 分别是p ，0 的像点，h 一物面上光点相对于基准面的m 的 高度，a 一漫反射光入射角，m 一目标平面，卜参与平面。 由几何光学原理可得： 1 _ 土：土 一k ， ( 2 - 1 ) h c o ，s 口：l o - ：h s i n a 一一一一一一一一 ( 2 2 ) 彤l 整理得： h 。磊五云z l o 了x h i 蕊 ( 2 3 ) 式中：k 、l 。a 是系统参数，都是固定值，这样可以由h 计算出h 的值。 激光三角法的优点是结构简单、分辨率高、工作距离大。但原理上存在非线性，被 测面表面的粗糙度、漫反射率和倾角对测量结果有影响，被测面倾角不宣大于 4 5 0 ，对一些具有复杂变化的曲面测量效果较差。 第二章反求工程技术及其应用 2 2 1 3i c t 腿i 逐层扫描 i c t ( i n d u s t r i a lc o m p u t e dt o m o g r a p h y ) 扫描技术是目前测量复杂内腔型 曲面的最先进的方法之一。i c t 进行三维曲面测量的工作原理是：利用一定波长、 强度的射线( 目前一般为xy 射线) 从不同方向照射被测物体，由光电转换器 件采集透射或反射的射线，根据所采集射线的强弱，通过图像处理技术，形成各 个断层的平面图像。然后根据一系列连续的断层图像，经处理后即可得到被测零件 的三维表面形状。m r i ( m a g n e t i cr e s o n a n c ei m a g i n g ，即核磁共振) 扫描技术的 原理和i c t 的原理不一样，它是通过相位编码和频域编码获得图像信息。m r i 一 般应用于医学领域，如人体组织、器官图像的三维重建，它不适合非生物体的测量。 目前，i c t 和w r i 扫描技术的空间分辨率还比较低，如美国l l n l 实验室研制 的高分辨率i c t 系统分辨率为0 0 1 蛐，国内研制的i c t 分辨率最高可达到0 0 2 5 m ； 所得到图像的外缘有时模糊不清；对扫描对象的厚度还有限制，如国内目前i c t 的 扫描最小层厚只能达到1 咖，最大厚度约为1 0 0 m 等效钢；同时，数据采集需要 的时间较长，重建图像工作量大，设备成本高，因此一般工业应用还比较少。但这 种方法具有良好的应用前景，它特别适合对封闭型体的内部结构进行检测，如航空、 航天部件的内部缺陷及类型的检测。 2 2 。1 4 自动断层扫描法 自动断层扫描( 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 g 即a c s s ) 是近年来发 展起来的一种测量技术。其基本过程是：将所研究的零件原形填充后，采用逐层铣 削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外