（化工过程机械专业论文）逆向工程中三坐标测量数据处理的研究及系统开发.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 世2 3 5 7 8 逆向工程是当前机械行业的一个热点，是实现产品快速制造的重要手段。三 坐标数据测量是逆向工程的基础，而三坐标测量数据处理则是其中的一个重要环 节，在很大程度上制约着逆向造型的质量和效率。本文在归纳、总结国内外研究 现状和存在问题的基础上，围绕三坐标测量数据处理中的若干问题如数据转换、 重定位整合和对称基准重建等进行了研究，并自主研制开发了三坐标测量数据辅 助处理系统。 在数据转换中，针对目前应用软件进行格式转换的单性和单向型，研究开 发了多种测量数据格式和多种i g e s 格式间的双向转换，并提供了测量数据文件 存放的规范化，g e s 数据自动分色、分层等功能。 在重定位整合中，根据三点定位原理，利用刚性变换矩阵，将多次定位下的 测量数据整合到一个坐标系中。整个变换过程为刚性变换，产品不会发生扭曲变 形。系统根据文件命名规则，搜索和建立整合路径，全自动完成重定位整台。 对称基准是产品的各种形位基准中最重要和最常见的几何特征，正确地识别 对称基准对减少测量、造型工作量，提高造型质量有重要作用。本文将对称基准 重建这一过程等价转换为：通过一系列空间旋转、平移变换，使对称产品处于以 x z 平面为对称面的位置，从而达到重建目的。按实现方法分为：手工整段重 建、手工分段重建和自动重建。 最后，根据理论研究结果，在w i n d o wn t 9 8 平台上采用v i s u a lc h 进行系 统开发，并应用于一系列摩托车外观塑件测量数据的检验处理。实践表明该系统 较好地解决了数据格式的多对多转换、重定位整合以及对称基准重建等问题，使 三坐标测量数据处理的效率和质量得咀明显提高。， 关键词：逆向工程数据处理格式转换重定位整合对称基准重建 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s e e n g i n e e r i n g i sa na d v a n c e d d e s i g nt e c h n o l o g y u s e d p o p u l a r l y i n m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g 3 dm e a s u r e m e n ti sab a s i cp r o c e s s ，a n dd a t ap r o c e s s i n gi s o n eo f t h em o s ti m p o r t a n tp r o c e s s e si ni - e v e r s ee n g i n e e r i n g ，w h i c ha f f e c tt h e q u a l i t y o f p r o d u c t 1 1 l i sp a p e r d i s c u s s e ss e v e r a lf a c t o r si nd a t a p r o c e s s i n g ，s u c h 够d a t a t r a n s f o r m d a t ar e p o s i t i o n s y m m e t r i c a if e a r t r er e b u i l d i n g w i 廿lt h ea n a l y s i so n 也e c u r r e n t l yu s e dm e t h o d s ，n e wt e c h n i q u e sr r cp u tf o r w a r d e d t oi m p r o v et h ee f f i c i e n c y a n d q u a l i t yf o r r e v e r s ee n g i n e e r i n g i nd a t ap r o c e s s i n g ，t h ep r o c e s s i n gs y s t e mi sa p p l i c a b l ef o ra l lk i n d so fc v i ma n d c 删c a m s y s t e m s ，d i r e c tt h es t o r eo f a l lf i l e s ，a n dp r o v i d ed i f i e r e n tc o l o rn u m b e r s a n dl e v e l so f t h ei g e sf i l e s w h i l et h ep r o g r a mu s e db e f o r ec a n td o n l e p r o c e s s i n gs y s t e m c a l lt r a n s f o n nt h od a t u mm e a s u r e di nd i f f e r e n tc o o r d i n a t e s y s t e m si n t o o u ec o o r d i n a t es y r s t e mb a s e do nt h et h e o r yt h a tt h r e ed a t u mp o i n t s c o n s t r u c ta no r t h o g o n a lc o o r d i n a t es y s t e m t h e r ei sn od i s t o r t i 0 1 1i np r o d u c tb e c a u s e o ft h er i g i d _ f a a n s f o 咖t h e s y s t e m w i l lf u r l s ht h et r a n s f o r m a u t o m a t i c a l l yb y s e a r c h i n ga n d b u i l d 也ep a t hf o rr e p o s i t i o n w i t hd i s t i n g u i s h i n gt h es y m m e t r i c a lf e a t u r eo f p r o d u c t ，t h ew o r k l o a do fm e a s u r e a n ds c u l p tw i l lb ed i m i n i s h e d ，a n dt h eq u a l i t yo f p r o d u c tw i l lb eg u a r a n t e e d i nt h i s p a p e r , t h er e b u i l d i n gp r o c e s si s f i n i s h e di ft h ex - zp l a n ei st h es y m m e t r i c a lp l a n eo f t h ep r o d u c ta f t e rr o t a t i n ga n dm o v i n gt h ep r o d u c ti n 3 d t h ep r o c e s si sc o m p o s e do f m a n u a lr e b u i l d i n gi nw h o l e ，i np a r t s a n da u t o m a t i cr e b u i l d i n g f i n a l l y , a f t e ra ni n t e r a c t i v ep r o c e s s i n gs y s t e mi sd e v e l o p e db a s e do nv c 抖o n w i n d o w s ，i ti sa p p l i e df o rt h em e t r i c a ld a t u mo fa l lk i n d so fp l a s t i cp r o d u c t so f m o t o r c y c l e t h e r e s u l tm a k e ss u r et h a tt h en e w s y s t e mi se f f i c i e n t 抽d a t af o r m a t t i n g d a t aa s s e m b l i n ga n ds y m m e t r i c a lf e a t u r er e b m l d i n g a l s ot h ep r o c e s s i n gq u a l i t yi s g u a r a n t e e d 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 a t ap r o c e s s i n g ，d a t af o r m a t t i n g ，d a t ar e p o s i f i o n , s y m m e t r i c a lf e a t u r er e b u i l d i n g 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 内容提要叙述了逆向工程的基本概念、研究内容、应用领域及实现过程，总结 了逆向工程中数据处理的研究现状，提出了应该重点解决的理论与技术问题。最 后给出了本论文的选题意义和主要研究内容。 。 1 1 引言 在产品开发和制造过程中，己广泛使用计算机几何造型技术，但是，仍有许 多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e dd e s i g n ， 简称c a d ) 模型描述的，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，以期利用计算机 辅助制造( c o m p u t e a i d e d m a n u f a c t u r e ，简称c a m ) 、快速原形制造工具( r a p i d p 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 t d a t am a n a g e m e n t ，简称p d m ) 、及计算机集成制造系统( c o m p u t ei n t e g r a t e m a n u f a c t u r es y s t e m ，简称c i m s ) 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 系统中的一 个相对独立的范畴，即“逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，简称r e ) ，或称反向 工程、反求工程等“。 传统的产品实现通常是从概念设计到图纸，再制造出产品，而产品的逆向工 程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) ，是根据零件( 或原型) 生成图纸，再制造产品。文献 1 1 将“反求工程”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。”广义的逆向工程包括形状( 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，大多数有关“逆向工程” 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，“逆向工程”可定义为：“逆向工程”是与将实物转交为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。因此，大多数有关逆向工程的研究都集中 在几何形状反求，或许计算机辅助反求几何建模( r e v e r s eg e o m e t r i cm o d e l i n g ) 是这一概念更为准确的表述 7 1 ，本文所指的逆向工程即指这一概念。 实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对己有科学、 技术的继承和应用借鉴，反求工程在只有产品原型或实物模型条件下对产品零件 进行生产制造。它和传统的仿制技术最大的区别在于：反求工程通过重构产品零 件的c a d 模型，可对原型进行修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目 的，仿制是最低层次上的反求。逆向工程技术是消化、吸收先进技术，进行新产 品开发、设计、创新的重要技术手段嘲。对于具有复杂曲面外形的零部件，逆向 工程更成为主要的设计方式，如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制作 l ：l 的木或陶土模型，然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、完善 最后经c a m 完成模具。图1 1 是逆向工程的工作流程图1 1 ”。 浙江大学硬士学位论文 圃。回 口 臼巨亟堕臼叵固圈臼压巫 日卤日回曲日匝囹日回回 1 2 逆向工程的应用 在制造领域内逆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j 。 ( 1 ) 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日 益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土 或泡沫模型代替c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换 为c a d 模型。 ( 2 ) 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， 最终可通过运用逆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。 ( 3 ) 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。若将晟 终符合要求的模具测量并反求出其c a d 模型，在再次制造该模具时就可运用这 一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造 成本。 ( 4 ) 以已有产品为基准点进行设计成为当今的一条设计理念。目前，我国 在设计制造方面距发达国家还有一定的差距，利用逆向工程技术可以充分吸收国 外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立于更高的起点，同时加快某些产品 的国产化速度i l “。 ( 5 ) 艺术品、考古文物的复制。 ( 6 ) 人体中的骨头、关节等的复制、假肢制造，以及特种服装、头盔的制 造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。 ( 7 ) 在r p m 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方 便地对快速原形制造的原形产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足， 进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。 ( 8 ) 借助于层析x 射线摄像法( c t 技术) ，逆向工程不仅可以产生物体的 外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷从而成为工业产品 无损探伤的重要手段i “j 。 2 浙江大学硕士学位论文 1 3 产品的数字化测量 从图1 1 的逆向工程流程看出，零件的数字化和c a d 模型重建是逆向建模的 两项关键技术i l5 1 。零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表 面离散点的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面 的建模、评价、改进、制造。因而，如何高效、高精度地对样件表面数据采集， 一直是逆向工程的主要研究内容之一。一般说来，三维表面数据采集方法可分为 接触式数据采集和非接触式数据采集两太类，接触式有基于力一变形原理的触发 式和连续扫描式数据采集。而非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光 干涉法、结构光学法、图像分析法等，见图1 2 。另外，随着工业c t 技术的发 展，断层扫描技术也在逆向工程取得了应用 1 4 j o 图1 2 零件数字化方法 1 3 1 接触式数字采集方法 接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、超声波法等1 1 包”j 。 ( 1 ) 触发式数据采集方法 触发式数据采集方法，最早是用于长度量检测，其原理很简单。当采样测头 的探针刚好接触到样件的表面时，探针尖的受力产生微小的变形，触发采样中的 开关，使数据采集系统记下探针尖( 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坐标数据。在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移 一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出 以免过量而折断，因此数据采集速度较低。 ( 2 ) 连续式数据采集方法 连续式数据采集采用模拟量开关采样头，它的原理是利用悬挂在三维弹簧系 统中的探针的位置偏移所产生的电感或电容的变化，进行机一电模拟量的转换。 当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏 移量的电流或电压信号。例如，英国r e n i s h a w 公司专为连续扫描设计的s p z l 型采样头，它具有内装式直线驱动相位积分输出的插补器，x y z 坐标的分辨 率皆可达到l p - m 。由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触式触发采样头 快许多倍，采样精度也较高【l ”。此外由于接触力较小，允许用小直径的探针 去扫描具有细微部分或由较软材料制作的模型。由于采样速度快连续式数据采 集可以用来采集大规模的数据。 ( 3 ) 磁场法 浙江大学硕士学位论文 该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运 动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数 字化其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件【1 9 】。 1 3 2 非接触式数字采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，它有激光三角形 法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。 ( 1 ) 激光三角测距法 2 0 , 2 ” 激光三角测距法是逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，其基本原理 为：激光二极管所发出的激光，经过透镜聚焦投射到样件表面，被表面反射或漫 射，反射或漫射的激光通过收集透镜聚焦，就成了位置测量器( 如摄像机) 上的 小光点。采样头和模型之间的距离，可以根据反射光点的位置计算出来， 、n i s h a w 公司o p 3 m 型光学采样头，就是为激光数据采集而设计的，其主要 特点是： 探针不与样件接触，因而能对松软材料的表面进行数据采集，并能很好 地测量到表面尖角、凹位等复杂轮廓。 数据采集速度很快，可将大型表面在c m m 或数控机床上迅速完成数据 采集。所采集的数据是表面上的实际数据，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。 ( 2 ) 距离方法吲 利用光束的飞行时间来测量被测点与参考平面的距离，主要有脉冲波、调幅 连续波、调频连续波等工作方式，由于激光的单向性好，多采用激光为能量源， 这种方法的精度也较高。 ( 3 ) 结构光法例 将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比 不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。这种方法中最典型的是 s h a d o wm 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，造价比 较低，但精度较低，操作复杂。 ( 4 ) 图像分析法例 与结构光方法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体从一点 在两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形 状的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确 描述复杂曲面的三维形状。 ( 5 ) 工业计算机断层扫描成像法瞄刈 工业计算机断层扫描成像( 简称i c t ) 是对产品实物经过i c t 层折扫描后， 获得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部 结构的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析；还可以提取产品 工件的截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。i c t 的最大优点 在于它能测量工件内部断面的信息并且不损坏实物。是测量没有备件或复制品的 复杂形状结构实物的唯一方法。但测量成本较高，精度较低。 ( 6 ) 逐层切削照相测量法【1 副 逐层切削照相测量法是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚度去逐层切 削实物，并对每一断面进行照相，获取截面图像数据。其轮廓测量精度可高达 4 浙江大学硕士学位论文 0 0 2 5 4 r n m ，是目前断层测量精度最高的方法，而且成本较低，但它的突出缺 点就是损坏了实物“卅。 非接触式激光三角形法由于同时拥有精度和速度的特点，因而在逆向工程中 应用最为广泛激光三角形法又根据光源不同可分为点光源和线光源两种不同的 方式，不同的方式所得到的数据的组织方法是不一样的。基于点光源扫描测头一 次只能测量一个点，测头在给定平面内( 扫描平面) 沿给定方向运动，形成扫描 线，依次移动平面可以扫描整个曲面轮廓，而基于线光源扫描测头一次测量一条 线。由于测量视野的限制一般需要分区测量，并且为了能不遗漏测量区域，各区 最好有一定量的重合。 目前基于接触式连续扫描测量方法由于具有高精度、较高速度，同时价格较 合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。 除触发式数据采集外，其他各种方法都能对零件表面实现密集的数据采集， 在逆向工程中，这种极为密集的测量数据被称为“点云”。密集、散乱的“点云” 数据是逆向工程的数据采集的主要特点之一。 1 3 3 数据获取存在的问题 当用测量设备获取零件形状数据时，为使得到的数据真实、完整，应重视并 解决以下问题1 7 。 标定( c a l i b r a t i o n ) 精度( a c c u r a c y ) 可测性( a c c e s s i b i l i v y ) 阻碍( o e c l u s i o n ) 固定( f i x t u r e ) 多视图( m u l t i p l e v i e w s ) 数据处理( d a t a p r o c e s s i n g ) 零件的统计分布( s t a t i s t i c a ld i s t r i b u t i o n so f p a r t ) 表面粗糙度( s u r f a c ef i n i s h ) 数据通讯( d a t ac o m m t m i c a t i o n ) 探头半径补偿( c m m p r o b e r a d i u sc o m p e n s a t i o n ) ( 1 ) 标定：所有测量系统都需要精确的标定，以便确定坐标原点，探头补 偿值和系统误差。同时，在测量过程中，由于环境的影响，会使标定值发生偏移， 这时应重新进行标定。当更换被测件时，系统也应重新定位。 ( 2 ) 精度：精度表示测量设备的测量误差范围以及可测分辨率。精度与测 量设备和测量状态有关如光学测量的精度取决于影像系统的解析度，离被测表 面的距离以及扫描系统的精度。 ( 3 ) 可测性：由于零件的几何结构及拓扑的干扰，部分区域的扫描数据不 容易测到，即发生测量干涉现象。通常采取多次扫描来解决，但在某种测量方法 下可测性是有限的，一些数据仍然不能完全获取，如通孔的数据。 ( 4 ) 阻碍：主要发生在光学、声、磁测量方法中，被测物体形状表面的阴 影和障碍对扫描介质产生阻碍，通常可采取多种扫描设备来解决这个问题 2 0 】。 但如果是由于装夹造成，夹具和被测零件的接触部分是无法测量的，此时只能改 变夹具装夹部位再进行扫描，这样对同一个零件就会存在多个测量数据( 多视问 题) 。多视问题一般由下面测量方法引起：当测量零件的位置在测量过程中发生 浙江大学颐士学位论文 改变，如由于零件的可测性和夹具的影响，需移动或转动零件，以及零件须分别 进行装配和单件测量时。由于模型重建时，同一个零件的所有测量数据必须统一 到一个造型坐标下，因此应将多次测量数据进行对齐，此时多视问题会带来数据 对齐误差。 ( 5 ) 数据处理：对得到的测量数据在c a d 模型重建之前应进行数据预处理， 主要是排除噪声数据和异常数据、压缩和归并冗余数据，通常采取过滤方法去除 噪声，以及平滑填补处理方法对测量数据进行整形处理。但这样的处理方法有时 会丢失有用的数据信息，如在表面曲率变化较大的区域( 表面棱线和脊线附近) ， 对数据的过滤和平滑填补处理损失了尖角特征，给特征识别带来困难啪】。 同样的问题是丢失数据恢复，由于部分区域的不可测和阻碍造成测量数据不 完备，而且在曲率急剧变化的区域如尖角附近，即使可测，得到的数据也是相当 不可靠的。这部分数据需要在模型重建过程中根据曲面结构特征进行数据插补， 寻求恢复。 ( 6 ) 零件的统计分布问题：在进行实物测量反求时，选取的实物件仅仅是 产品原件的一个样本，由于原件产品在设计制造过程中存在误差，实物模型的几 何尺寸必然和设计模型之间存在偏差。如何在反求过程中，根据样本重建原设计 模型也是逆向工程中值得研究的一个问题。其他如表面的粗糙度的影响也可以归 人样本问题。 ( 7 ) 数据通讯问题：测量设备得到是点的坐标值，与现有的c a d c a m 系 统存在一个接口问题，这里我们主要讨论三坐标测量机与c a d c a m 系统的数 据通讯。随着计算机技术的发展，三坐标钡9 量机的测试过程已完全实现计算机控 制，可以根据被测零件的几何外形，自动生成测量路径，三坐标测量机和 c a d c a m 系统的一体化集成成为发展趋势，形成一个全面的设计制造信息处理 系统，为产品的质量保证体系提供了有效的手段f 2 , 4 。 最新的坐标测量机带有通用的数据转换处理器。能将数据转换为i g e s 格式， 但多数坐标机仍需要设计数据转换程序，以便于输入c a d c a m 系统进行后续 处理。 ( 8 ) 测量探头半径补偿：主要发生在接触式c m m 测量系统，当探头和被测 表面接触时，实际得到的数据坐标并不是接触点的坐标，而是探头球心的坐标， 对规则表面如平面，接触点数值和球心点数值相差一个半径值，在测量方向和平 面的法线方向相同时，相应方向的坐标加上半径值即是接触点坐标( 二维补偿) 。 但测量表面是曲面，测量方向和测量点的法矢不一致，用平面球头半径进行补偿 会造成补偿误差【2 7 l 。 1 4 测量数据处理 产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，无论是接触式的数控测量机还是 非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界 附近的测量数据。测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面， 所以对原始测量数据应进行预处理以去掉坏点，为了避免一次测量带来误差大 的隐患，对同一点可进行多次测量( 基准点) ，取算术平均值。 6 浙江大学硕士学位论文 1 4 1 异常点处理 依据测量点的布置情况，测量数据可分为两类：截面测量数据和散乱测量数 据。对于截面测量数据，常用的检查方法是将这些测量数据点显示在图形终端上 或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法对测量数据进行检查、调整。 对于散乱测量数据点，由于拓扑关系散乱，执行光顺预处理十分困难，只能通过 图形终端人工交互检查、调整。 等截面数据扫描通常是根据被测量对象的几何形状，锁定一个坐标轴进行数 据扫描，这样得到的数据是一个二维数据点集，由于数据量大，测量时不可能对 一个点重复测量( 基准点除外) 。这容易产生测量误差，在曲面造型中，数据中 的“跳点”和“坏点”对曲线的光顺性影响较大，“跳点”也称失真点，通常由 于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成，对人工手动测量，还 会由于操作误差如探头接触部位错误使数据失真。因此测量数据的预处理首先是 从数据点集中找出可能存在的“跳点”。如果在同一截面的数据扫描中，存在一 个点与其相邻的点偏距较大，我们可以认为这样的点是“跳点”，判断“跳点” 的方法有： ( 1 ) 直观检查法：通过图形终端，用肉眼直接将与截面数据点集偏离较大 的点或存在于屏幕上的孤点剔除。这种方法适合于数据的初步检查，可从数据点 集中筛选出一些偏差比较太的异常点。 ( 2 ) 曲线检查法：通过截面的数据的首末数据点用最小二乘法拟合得到 一条样条曲线，曲线的阶次可根据曲面截面的形状设定，通常为3 4 阶，然后 分别计算中间数据点到样条曲线的欧氏距离，如果| | e 。l | e ， e 为给定的 允差则认为p i 是坏点，应以剔除，见图1 3 。 a p 1 p 5p 7 b 图1 3 点到样条曲线的距离 ( 3 ) 弦高差方法：连接检查点前后两点，计算p i 到弦的距离，同样如果f j e ，| 1 e ， e 为给定的允差，认为p i 是坏点，应以剔除。这种方法适合于测 量点均布且点较密集的场合，特别是在曲率变化较大的位置，见图1 4 。 图1 4 弦高差处理方法 上述方法都是一种事后处理方法，即已经测量得到数据，再来判断数据的有 效性，根据等弦高差的方法，还可以建立一种测量过程中即可对测量位置确定和 测量数据进行取舍的方法，具体为编制c m m 测量程序，给定允许弦差，当测量 7 浙江大学硕士学位论文 扫描时，不断计算运动轨迹当前采样点和已记录点的连线( 弦) 到该段运动轨迹 中心的高度h ，通过和给定弦差来判定当前采样点是否列入记录。 1 4 2 数据插补 对一些探头无法测到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里 考虑两种曲面造型技术，基于点一样条的曲面反求造型和基于点的曲面拟合技 术。前者曲面的生成取决于网格曲线，这时首先利用已得到的测量数据生成截面 样条曲线，根据曲面的几何形状，采取曲线切向延拓、抛物线延拓和弦向延拓的 方法，将样条曲线延拓通过需插补的区域，对特征边界处，数据不整齐的情况也 可以采用此方法进行数据的整形处理；后者也是先进行截面曲线延拓，然后选取 曲线上的控制点作为插科点。两种情况得到的数据点都需在生成曲面后，根据曲 面的光顺和边界情况反复调整，以达到最佳效果，而且只适合于规则数据点的处 理。 1 4 3 数据平滑 数据平滑目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。采 用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。我们考虑无限个 节点处型值的平滑问题，平滑后的型值由原型值线性迭加而成 船j 。 所谓平滑后数据比平滑前数据“平滑”，直观上就是新数据的“波动”不超 过原数据的“波动”，这种“波动”可用各阶差分度量。实际应用时不单要求处 理后的数据要较前平滑，同时要求前后两组数据的“偏离”也不能过大。对同一 平滑公式，这两个要求是相互矛盾的。 平滑处理方法有：平均法、五点三次平滑法和样条函数法1 2 9 1 。 1 4 4 数据光顺 光顺泛指光滑、顺眼。曲面造型中，给定数据点及端点约束条件，不仅是构 造出插值样条曲线，还要求构造的曲线符合光顺性的要求，因为曲面的光顺性取 决于曲线的光顺性。但一条曲线光顺与否，常因人而异，缺乏统一的判据。目前 广泛采用的曲线光顺准则为p 叫： ( 1 ) 曲线应当是光滑的，通常拥有c 2 连续； ( 2 ) 没有多余的拐点； ( 3 ) 曲率变化应当均匀。 曲线光顺的处理方法有最小= 乘法、能量法、回弹法、基样条法、圆率法、 磨光法等，各种光顺方法的主要区别在于使用不同的目标函数以及每次调整型 值点的数量。整体光顺是每次调整所有的型值点，局部光顺法是每次只调整个 别“坏”点。 圆率法是一种广泛使用的曲线光顺方法，其方法简单，计算稳定快速，不用 计算生成插值样条曲线，避免了计算的复杂性和因采用不同的插值函数而引起偏 差。最d x - - 乘法、能量法和回弹法都是用到全部型值点来修改是一种整体修改 浙江大学硕士学位论文 的方法，基样条法和圆率法则是选点修改，即保留好点只改动坏点，尽量少改 动。以上光顺处理方法适合于曲面截面数据光顺，对边界铡量数据点的光顺处理 需采取另外的方法。因为测量造型有其特殊性，一方面由于精度的要求，不允许 对测量数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求；另一方面由于实物边界曲线 的多样性，边界上某些特征点( 边界线折拐点) 必须予以保留，而不能被视为“坏” 点。 1 4 5 数据点的参数化 采用多项式插值函数时，取定x o y 坐标系后，x 坐标严格递增的三点唯一决 定一条抛物线，n + 1 个点唯一决定一个不超过1 3 次的插值多项式。但在采用参数 多项式插值曲线时却不是这样。顺序通过三点可以有无数条抛物线。顺序通过n + 1 个点的不超过n 次的参数多项式曲线也可以有无数条。欲唯一地决定一条插 值于n + 1 个点p 。，i = 0 ，l ，- - , r l 的参数插值曲线或逼近曲线必先给数据点p i 赋于相 应的参数值u i ，使其形成一个严格的递增的序列u ：u o u 1 u 。，称为关于参 数u 的一个分割。对一组有序的数据点决定一个参数分割称之为对这组数据点实 行参数化。对数据点实行参数化有如下方法： ( 1 ) 均匀参数化( 等距参数化) 法； ( 2 ) 积累弦长参数化； ( 3 ) 向心参数化法： ( 4 ) 修正弦长参数化。 1 5 接触式手工测量数据处理的功能分析 根据我们接触式手工测量数据处理的实际需要，在分析了已有数据处理方式 的基础上，提出了以下三个以提高逆向工程质量和效率为目的的数据处理方式， 他们分别是测量数据格式转换，测量数据重定位整合和测量数据对称基准重建。 1 5 1 测量数据的格式转换 最新的三坐标测量机带有通用的数据转换处理器，能将测量数据转换为 c a d c a m 系统所能识别的i g e s 格式，但此类数据转换程序仅仅适用于该类型 的测量机和某一固定的c a d c a m 系统，而且转换功能单一，往往需要逐个输 入需转换的测量数据文件名，转换完成的i g e s 文件中所有空间点往往处于同一 图层空间点显示颜色单一。给产品造型工作带来困难。而且，目前我国企业使 用的三坐标机大多未更新、换代，为配合c a d c a m 的使用，需要自己设计数 据转换程序。 针对以上问题，在分析多种测量机输出数据格式和各种c a d c a m 系统所识 别的i g e s 格式的基础上，编制了一个将测量机数据文件转换为i g e s 格式文件 的转换程序，应用于产品的逆向工程，实现了测量机与c a d c a m 系统的集成。 该转换系统适用于目前市场上流行的各种接触式测量机和各类c a d c a m 系统， 并满足于数据格式的逆转换。同时为了识别不同类型的测量数据，实现了i g e s 9 浙江丈学硕士学位论文 数据自动分色分层。此外自动规范文件存放，按照不同的数据格式( 测量数据 格式、中间数据格式、i g e s 数据格式) 以及不同的产品和部件的数据自动实 现文件的分类存放。 1 5 2 测量数据的重定位整合 在产品的外形测量过程中，往往不能在同一坐标系将产品的几何数据一次测 出。其原因一是产品尺寸超出测量机的行程，二是测量探头不能触及产品的反面， 三是测量过程中产品位置发生了移动，四是重新装夹产品补测数据。这时就需要 在不同的定位状态( 即不同的坐标系) 下测量产品的各个部分，称为产品的重定 位测量。而在造型时则应将这些不同坐标系下的重定位数据变换到同一坐标系 中，这个过程称为重定位数据的整合。对于复杂或较大的模型，测量过程中常需 要多次定位测量，最终的测量数据就必需依据一定的转换路径进行多次重定位整 合，把各次定位中测得的数据转换成一个公共定位基准下的测量数据。 目前，现有的c a d c a m 造型软件均没有专门的重定位整合功能，完全依靠 造型人员人工逐次找对，实现重定位整合，戴率不高。其具体做法为：在测量件 上选取两次定位状态下均可测量的不在同一直线上的三个点，作为这两次定位状 态下的基准点。在两次定位测量过程中，分别测量两次定位状态下基准点的坐标 值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度。最后，在c a d f c a m 系统中显示两次定位下的测量数据，并移动某定位下的所有测量数据，使该定 位下的所有测量数据整合到另一定位状态下。移动规则为使两次定位测量中测量 精度最高的一个基准点的两次测量数据点相重台，精度最高两点的两次测量数据 点的连线相重合，两次定位下三个基准点构建的平面相重合。达到以上要求，即 实现了手工的重定位整合。该过程完全依靠造型人员手工进行，其实现质量和效 率均不高当需要实现多次重定位整合时，工作量显著提高，从而影响了造型效 率。 有些软件给出了一种基准点强制一致化的功能以实现重定位整合，但它没有 考虑同组基准点在多次测量中的误差，重定位整合过程中基准点强制一致化，会 引起产品扭曲变形。 针对上述问题，本文提出了一种基于刚性变换的方便快捷的重定位整合方 法，解决了这一问题。该重定位整合过程中考虑了基准点多次测量值间的误差， 并予以优化；对于多次重定位整合，采取了重定位整合路径优化，以减小重定位 整合中的计算误差，提高整合效率。 1 5 3 测量数据的对称基准重建 逆向工程中涉及到的多数产品零件都是对称的，对称性是对称产品的重要属 性，在产品设计过程中，设计人员通常是先构建一对称基准( 轴或平面) ，然后 完成对称特征的二维绘图或三维造型。对称基准是产品最基本的几何特征之， 但在设计和制造过程结束后，基准信息往往不能直接和准确地在产品上得到反 映，对实物测量造型而言，基准需要通过测量数据进行识别和重构。如果单纯地 对测量点进行曲面拟合来得到产品数据模型，由于原型产品制造、测量及造型的 误差，得到的最终模型不能保证其对称性。因此，对具有几何对称特征的产品， 1 0 浙江大学硕士学位论文 模型重建的方法应是首先重建对称基准面，在造型时完成一半的模型，然后通过 对称平面镜像得到实物另一半模型，这样重建模型是完全对称的。正确地识别及 重建对称基准对减少测量及造型工作量、提高造型质量具有重要意义。 在逆向工程中，现有的c a d c a m 软件均未提供专门功能用于对称基准重 建。因此，重建工作完全依赖造型人员手动进行。工作的基本方法是依靠对特征 对称轮廓线的各向视图反复作镜像比较，据此予以相应调整同时记录下调整过 程。当完成对特征对称轮廓线的对称基准重建时，以记录下的调整过程作用于其 他的测量数据，从而实现所有测量数据的对称基准重建。但由于原型产品在加工 制造过程中有误差，测量过程中存在装夹变形、测量误差，这些都将引入复杂的 不对称因素。给对称基准重建工作造成极大的困难。因此，对称基准重建的效率 低，精度差，制约了逆向产品的开发质量。 鉴于此，针对不同的精度要求，设计开发出手工重建和自动重建两套重建方 法。手工重建中，设计了一个专用的对称基准快速重建工具箱，可方便地实现测 量数据空间变换、空间镜像比较，极大地简化了重建过程，并能达到满意的重建 精度。同时，有效地解决了大型和柔性产品在装夹测量时发生变形，基准重建中 处理数据使其恢复原型的问题；自动重建中，对测量得到的离散化特征轮廓线引 入平均偏差模型，以平均偏差作为评判对称程度的标准，在空间中进行镜像比较 和优化搜索对称基准，实现了对称基准自动重建，并可依据产品各部分对称性要 求的不同，分段设定权值，极大的简化了对称基准重建工作，并可达到很高的对 称精度。 1 6 本学位论文的选题意义及主要研究内容 1 6 1 选题意义 目前随着c a d 、c a m 、c a e 和p d m 等先进技术在各个领域的深入应用， 新技术发展对企业的设计层提出了更高的要求。而维系由计算机和n c 组成的先 进制造技术体系的关键是产品的信息模型，合理、完备、无二义的产品模型贯穿 c a d 、c a m 、c a e 及p d m 整个过程，是实现企业敏捷、柔性制造的基础。 传统几何模型的建立是基于产品或构件的功能和外形，由设计师在c a d 软 件中构造的，这即为正向过程。但在飞机、汽车、工艺美术和模具等行业的设计 和制造过程中，此类产品通常由复杂的自由曲面拼接而成，在概念设计阶段很难 用严密、统一的数学语言来描述，因此，许多产品初始模型必须通过对事先制造 出的术制或泥制模型进行数字化产生。这种以实物模型为依据来生成几何模型的 设计方法即为逆向工程。 现所采用的先进制造方法是将产品设计、机构性能分析、n c 加工及三维检 测等过程融为一体，即根据制造厂商接受的工件型面数据，计算机完成设计并自 动生成n c 指令，通过n c 机床完成产品的制造。这种借助n c 机床和三坐标测 量机不离开加工中心即可实现产品尺寸精度检测的方法，可以大幅度缩短生产周 期，提高加工精度，已成为逆向工程实施的一个重要领域。 尽管对逆向工程技术的研究已取得了相当大的进展，但从实际应用出发，仍 有一些基本问题有待于解决。数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直 接影响后期模型重构的质量和效率。而目前的数据处理存在着以下几个问题： 浙江丈学碗士学位论文 ( 1 ) 三坐标测量机的输出数据通常以文本形式存放，而不同测量机输出数 据的记录格式各不相同。如何实现多种三坐标测量机和c a d c a m 系统的数据 通讯是数据处理的首要问题，而i g e s 格式作为c a d 系统通用的数据格式，是 实现数据通讯的媒介。 ( 2 ) 在产品外形测绘过程中，由于种种原因往往不能在同一坐标系将产 品的几何数据一次测出。而需要在不同的定位状态( 即不同的坐标系) 下测量产 品的各个部分，然后在造型时将这些不同坐标系下的数据变换到同一坐标系中， 即实现测量数据的重定位整合。但产品的装夹变形、测量误差往往会影响变换精 度，降低了造型质量。这就提出了如何在满足精度要求的条件下实现测量数据多 次重定位整合的问题。 ( 3 ) 逆向工程中涉及到许多具备对称性的产品，但产品的基准信息往往不 能直接和准确地在产品上得到反映，对实物测量造型而言，对称基准需要通过测 量数据进行识别和重构。识别并重建产品的对称基准有利于保证产品的对称性， 对提高造型质量、减少测量及造型工作量具有重要意义。 据此，本文从逆向工程数据处理的实际需要出发，实现了多种测量机和 c a d c a m 系统的数据交换，多次定位状态下测量数据的重定位整合和对称产品 测量数据的对称基准重建。最后利用以