应用TRIZ理论的表面集成数字化方法研究.pdf

试验研究现代制造工程 M o d 唧M 粕u f 如t u r in gE n 舀n e e r in g 2 0 1 4 年第2 期 应用T 砒Z 理论的表面集成数字化方法研究 杨雪荣 成思源 张湘伟 郭钟宁 广东工业大学机电工程学院 广州51 0 0 0 6 摘要 表面数字化是逆向工程的关键技术之一 针对其精度和效率难以同时提高的冲突 运用发明问题解决理论 n I z 中的冲突解决理论来分析问题 用通用技术特性参数描述冲突 利用冲突矩阵从4 0 条发明原理中找到有启示作用的发 明原理 根据分割和预操作发明原理 将两种不同传感器有机集成 形成一个整体系统 实现优势互补 形成多传感器 集成测量新方法 实验结果表明 该方案可有效解决逆向工程表面数字化的精度和效率之间的冲突 能够同时提高表 面数字化的精度和效率 关键词 逆向工程 表面数字化 发明问题解决理论 T R I Z 发明原理 冲突矩阵 中图分类号 T H l 2 2 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 1 3 1 3 3 2 0 1 4 0 2 0 0 1 0 0 5 S u r f a c ein t e l l ig e I l td ig it iz a t io nt e c h n o l o g yb a s e do nT R I Z Y a n gX u e r o n g C h e n gS iy l l a n Z h a n gX ia n g w e i G u oZ h o n g I l in g F a c u l t yo fE l e c 咖m e c h 枷c sE n 西n e e r in g G u a n g d o n gu n iV e r s it yo fT e c h n o l o g y G u 锄g z h o u51 0 0 0 6 C h in a A b s t r a n S l 耐砬ed i舀t iz a t io nis t l l ek e ys t e pinr e v e r s ee n 西n e e r in g a n ditisd i珏ic u l tt oim p r o v et l l ed ig it iz e da c c u m c ya n de 俄 c ie n c ys im l l l t 明e o u s l y n e o r yo fI n v e 而v eP r o b l e mS 0 l v in g T R I Z t l l e o r yisu s e dt o 锄a l y s e st l l ec o n t m d ic t o r yin f b 瑚a t io n 蛐d u n iv e r s a lt e c h n o l o g yc h a r a u c t e rp a r a m e t e r sa r eu s e dt od e s c r ib ep m b l e m t l l e nt l l ein v e n t io nt l l e o r ya r ef o u n df 而mt l I ec o n 协a d ic t io n m a t r ixt os o l v et I isp r o b k m A c c o r d in gt ot l l ed iv is io n 粕dt l l ea d v 肌c eo p e r a t io no ft h ein v e n t io np f in c ip l e t h ed i船r e n ts e n s o 玛 a 托in t e 铲砒e d av a r ie t yo fs e n s o r sc a nf h U yp l a yt h e irr e s p e c t iv ea d v 粕t a g e s b u ta l s ot of o 皿aw h o l es y s t e mt oc o m p l e m e n to n e a n o t l l e rt of o 硼am u l t i s e n s o r in t e 乎 a t e dm e a s u r e m e n t T h ee x p e r im e n t a lr e s u l t ss h o wt l l a tt h ise v o l u t io ns c h e m ec a ne 珏 e c t iv e l y s o l v et h ep m b l e mo fs u r f a c ed i画t iz a t io ninr e v e r s ee n 百n e e r in g w h ic hc a nim p m v e 山ea c c u m c ya I l de m c ie n c yo fs u r f a c ed i舀t iz a t io nint h ec u n e n te q u ip m e n tt e c h n o l o g yc o n d it io n s K e yw o r d s r e v e 瑁ee n 西n e e r in g s u r f 如ed ig it iz a t io n T R I z in V e n t iV et I l e o r y c o n t r a d ic t io nm a t r ix O 引言 逆向工程技术作为消化吸收先进技术和缩短产 品设计开发周期的重要支撑技术 在先进制造领域被 广泛地应用 提高逆向工程的精度 效率以及集成化 和智能化水平 一直是国内外学术界广泛关注的热点 问题u 引 逆向工程的实施首先需要通过特定的测量 设备和测量方法获取实物表面离散点的几何坐标数 据 实现表面数字化 再进行数据处理与C A D 建模 获取数据精度与获取数据时间是数字化方法最基本 的指标 数字化方法的精度决定了C A D 模型的精度 及反求的质量 而测量速度在很大程度上影响着反求 过程的快慢 目前常用的各种数字化方法在这两方 面各有优缺点 且有一定的适用范围 因而如何高效 高精度且完整地完成各种类型实物表面的数据采集 是逆向工程的主要研究内容之一 发明问题解决理论 T h e o r yo fI n v e n t iv eP r o b l e m S o l v in g 7 m I z 是一种易学易用的创新理论体系 具有 普遍性 实用性和可操作性强的特点 用T R I z 分析 方法可以快速发现设计中存在的冲突本质 T R I z 发 明原理指出了合理解决冲突的方向及方法 J 针对 目前逆向工程表面数字化的现状 本文利用T R I z 对 其存在的冲突问题进行分析和研究 寻求可行的解决 方案 国家自然科学基金项目 5 1 1 0 5 0 7 8 广东省省部产学研结合项目 2 0 1 1 A 0 9 1 0 0 0 0 4 0 2 0 1 2 B 1 1 0 0 1 9 0 广州市科技计划项目 2 0 1 3 J 4 3 0 0 0 1 9 广东 省创新方法工作专项项目 2 0 1 1 8 0 6 1 1 0 0 0 0 1 广东省创新方法与决策管理系统重点实验室开放课题项目 2 0 1 l A 0 6 0 9 0 1 0 0 1 1 6 D 1 0 杨雪荣 等 应用耵u z 理论的表面集成数字化方法研究2 0 1 4 年第2 期 1 T 砒Z 及冲突矩阵 T R I z 研究始于1 9 4 6 年 前苏联著名发明家阿奇 舒勒领导的研究机构分析了世界近2 5 0 万件高水平的 发明专利 并综合多学科领域的原理和法则后 建立 起T R I Z 体系 1 R I z 包含用于问题分析的分析工具 用于系统转换的基于知识的工具和理论基础 这些 方法的应用解决了很多产品与过程创新中的难题 对 创新设计及工程实践有指导意义 其中冲突矩阵表的 应用最为广泛 u z 通过对大量专利的详细研究 分析 比较和 统计 总结提炼出工程领域内常用的表述系统性能的 3 9 个通用工程参数 以及其中任意两个参数 改善的 参数和恶化的参数 产生冲突时 化解该冲突所使用 的4 0 项发明原理H 引 阿奇舒勒将工程参数的冲突 与4 0 项发明原理建立了对应关系 整理成一个矩阵 即冲突矩阵 冲突的解决模式如图l 所示 首先使用通用工程 参数对特定问题进行表达 确定冲突 即将一个具体 问题转化并表达为一个豫I z 问题 然后使用冲突矩 阵找出相对应的发明原理 4 0 项发明原理并不是针 对某个具体的领域 而是通用的发明原理 它所描述 的是问题可能解的抽象概念 剖 实践证明 这些原 理几乎概括了所有技术领域的问题 为设计者提供了 解决问题的可能方向 因此更具有普遍意义 但其抽 象性和概括性又为T R I z 解到领域解的转化带来了困 难 所以设计者要根据特定的问题 结合具体领域的 知识 选择可用的发明原理 应用该原理产生一个特 定的解 应用4 0 条 图1 冲突的解决模式 2 冲突矩阵在逆向工程中的应用 2 1 分析问题 目前 用来实现逆向工程中实物表面数字化的测 量设备和方法多种多样 其原理也各不相同 不同的 测量方法 不但决定了测量本身的精度 速度和经济 性 还使测量数据类型及后续处理方式产生不同 根据测量探头是否和零件表面接触 可将测量分 为接触式和非接触式两种 2 1 1 接触式测量方法 接触式测量的代表是三坐标测量机 C M M 它一 直是逆向工程的主要三维数字化工具旧J 其采样精度 可达零点几微米 而且测量重复性好 不受物体表面 颜色和光照的限制 但是如果被测物体形状复杂 不 仅需要采集大量的数据点 而且需要精细的路径规划 以确定和优化测头移动方向 0 数据采集的位置 此 时应用三坐标测量机则非常耗时 2 1 2 非接触式测量方法 1 非接触式测量方法包括非光学和光学两大 类 非光学非接触式测量方法主要包括 工业C T 法 核磁共振法和超声波法等 其中工业C T 法是对 被测物体进行断层截面扫描 以x 射线的衰减系数 为依据 数据经过处理后重建断层截面图像 根据不 同位置的断层图像可建立物体的三维信息 该方法 可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测 量 1 但该方法造价高 测量系统的空间分辨率 低 获取数据时间长 设备体积大 所以没有广泛应 用于三维物体轮廓测量 核磁共振法和超声波法主 要用于医学诊断中 2 随着计算机技术和光电技术的发展 基于光学 原理 以计算机图像处理为主要手段的光学非接触式 测量技术得到了飞速发展 由于其数据获取速度快 人为因素减少 大大缩短了逆向工程的数字化时间 被公认为是最有前途的非接触式表面数字化方法 光学测量方法具有测量效率高 但测量精度较 c M M 低 存在测量盲区等特点 光学测量方法以激光 扫描系统和立体视觉系统应用最为广泛 1 激光扫描系统可以通过激光扫描被测物体 每秒获取几千个数据点 精度一般达到几十微米 测 量获得的是大量的点云数据 2 I 2 立体视觉系统可在大的空间范围瞬时获取大 量的数据点n3 1 而不用移动光学测头 但数据量大 增 加了数据处理时间 由于目前视觉测头的镜头大多 使用摄像镜头 测量精度低 只有1 0 0 2 0 0 岬 而且 通常所获得的点云数据是无序的 具有固定的密度 这些均影响了其在逆向工程中的应用 3 组合测量法的代表为层析法 它是将研究的 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 外轮廓数 2 0 1 4 年第2 期现代制造工程 M o d e mM a n u f a c t u r in gE n g in e e r in g 据 并将其组合起来获得零件的三维数据 层析法可 对任意形状 任意结构零件的内 外轮廓进行测量 但 测量方式是破坏性的 2 1 3 多传感器集成测量方法 近年来多传感器集成测量方法的研究作为在理 论上 应用上极具发展前景的新思路 已引起了各国 学者的广泛关注 各国学者对多传感器集成测量系 统的研究主要有两大类 多视觉传感器的集成测量 接触式传感器和非接触式传感器的集成测量 1 多视觉传感器集成测量系统比单一传感器测 量系统的测量视角扩大了很多 且i贝0 量数据更丰富 但人们始终不能从根本上解决视觉传感器测量过程 中存在的精度低 测量数据量大 以及测量数据可能 不完整等问题 2 国内外学者虽然对接触式传感器和非接触式 传感器集成方案已进行了一定的探索 但多数集成系 统只是利用视觉信息引导C M M 进行测量 提高c M M 的测量效率 最终参与c A D 建模的只有c M M 测量数 据 存在视觉传感器与c M M 重复测量问题 造成信息 资源的浪费 4 I 没有解决单一传感器测量效率和精度 之间存在矛盾的问题 应用T R I z 的技术冲突解决方法来解决上述问题 时 应首先分析问题 将一般领域问题描述转换成3 9 个通用工程参数中的下述两个参数 需要改善的是数 字化的效率 即第3 9 号工程参数 生产率 效率的提高 带来了精度的下降 所以恶化的参数为第2 8 号工程参 数 测试精度 根据这两个工程参数 查找冲突矩阵 得到4 项发明原理 原理1 分割 原理1 0 预操作 原理3 4 抛弃与修复作用 和原理2 8 机械系统 如 表1 所示 表l表面数字化的冲突对应的发明原理 是 泌孝数 第2 8 号参数 测试精度 改善参数 o 第3 9 号参数 生产率 l 1 0 3 4 2 8 四条发明原理中 原理3 4 抛弃与修复 通常适用 于具有多功能或多组件问题 原理2 8 机械系统 指用 机械系统代替非机械系统 而原理l 分割 及原理1 0 预操作 对本问题有启示作用 2 2 解决方案 根据查找冲突矩阵得出的各项发明原理 经过分 析 选择发明原理 分割原理和预操作原理 根据发 明原理的启示 形成多传感器集成测量方案 如图2 所 12 示 该集成i贝0 量方案由结构光视觉传感器和C M M 接 触式测头两种传感器组成 其中结构光视觉传感器 由线结构光发射器 x 方向和y 方向 和一个c c D 摄 像机组成 由C C D 摄像机获取光条纹图像得到物体表 面一个截面的测量数据 结构光视觉传感器在C M M 精密伺服机构的驱动下对被测物体进行扫描 得到物 体表面的三维信息 C M M 接触式测量虽然精度高 但 效率低 如果实物表面所有数据均由C M M 测量得到 无法满足逆向工程高效率的要求 所以借鉴预操作 原理 在c M M 测量之前先进行光学测量 完成物体表 面初始测量 然后指导C M M 进行智能化测量 提高测 量精度 借鉴分割原理 对被测物体分区域进行测 量 在精度要求不高 自由表面曲率变化不大的区域 只用视觉测量 而在视觉测量盲区 表面曲率变化大 表面局部精度要求高或有几何特征的区域 用C M M 接触式测头进行局部高精度的测量 然后用少量的 C M M 测量的高精度信息去修正 补充视觉传感器测量 的信息 从而提高测量结果的精度及完整性 以满足 高精度 高效率的要求 此方案在实物表面数字化阶段充分发挥了不同 传感器的各自优势 又使之成为一个整体系统 且两 种测量方法均具有统一坐标系 无需进行坐标变换 使系统结构简单 多传感器集成测量方案的测量流 程如图3 所示 视觉传感器和c M M 测量结果均参加 最终的C A D 建模 实现了不同测量传感器在测量精度 和效率方面的互补 匿 亟粤卜苎网 毒蔚阁 l 误差较大的区域l 杨雪荣 等 应用T R I z 理论的表面集成数字化方法研究 2 0 1 4 年第2 期 2 3 实例验证 由于c M M 接触式测头测量自由曲面的效率远低 于结构光视觉传感器 故本文多传感器集成测量方案 中C M M 接触式测头只在特征元素及结构光视觉传感 器的测量盲区和测量误差较大的区域进行测量 其他 区域采用光学测量 所以效率远远超过C M M 接触式 测量 下面通过对如图4 所示的被测物体原始C A D 模 型进行测量 来比较视觉测量与多传感器集成测量两 种方案的表面数字化精度的优劣 图4 被测物体的原始c A D 模型 1 采用视觉测量方案对被测物体表面进行初始 数字化 得到如图5 a 所示的扫描点云数据 重建如图 5 b 所示的C A D 模型I a J