1、1毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化自由曲面形貌测量技术研究1前言随着工业技术的进步以及经济的发展，产品性能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具有先进的性能，还要有流畅、造型富有个性的外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观一般由复杂的自由曲面组成。而传统的产品开发模式很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由曲面1。对于外观以复杂自由曲面为主的装备，目前一般的设计方法是采用逆向工程技术，即首先利用三维数据采集技术采集装备实物模型表面三维数据，然后借助逆向工程软件对获取的三维数据点云进行处理，最终利用CAD/CAM系统软件重构出满足一定几何精度的装备数字几何模型。2
2、2三维数据采集技术三维数据采集（又称产品表面数字化）是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。准确、快速、完备地获取实物的三维几何数据,即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理,是实现反求工程的重要步骤之一。目前，用于采集产品表面数据的测量设备和方法多种多样，原理各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。3反求工程中自由曲面的测量方法主要有3种一是接触式测量法，如三坐标测量法；二是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、全息法、深度图像三维
3、测量法；三是逐层扫查测量法，如工业CT法、核磁共振法（MRI）、自动断层扫查法等。43三坐标测量机31三坐标测量机测量原理三坐标测量机是一种高效率的新型精密测量仪器，通用性强，已被广泛应用于机械制造、汽车等行业中。其三维微测头TP200是一种高精度测头感应器，通过三维变形量可以给计算机提供瞬时受力情况，计算机能根据测头的受力情况调整对三坐标测量机X、Y、Z三轴伺服马达的速度分配，使得微测头的综合变形量始终保持在某一定值附近，2即使测头与被测样件基本保持恒力接触，从而自动跟踪工件表面轮廓形状的变化。当测头上的测针沿着样件表面逐点运动时，通过反作用力使测针发生形变，这种形变通过连接到探针上的3个坐
4、标的弹簧产生位移反应出来，其大小和方向由传感器测出。经模数转换，将测出的信号反馈给计算机，计算机逐点记录、显示空间三维点的坐标（X、Y、Z），再通过一系列的数学运算，求得所需的结果。5632测头半径空间补偿接触式测头测量曲面,坐标测量机给出的是测端球心的轨迹。由于测球总是有一定的半径R,因此它是与被测曲面相距R的包络面。在用三坐标测量机测得代表球心轨迹的曲面后,为得到所需测量的表面,应作测头半径补偿,求出与球心轨迹构成的曲面相距R的包络面。图1测头半径补偿如果被测曲面的形状已知,并可以用一定的解析函数表示,那么就可以用解析的方法求出曲面各点的法线方向,按照求得的法线方向确定测得的球心轨迹上与之
5、相对应的点,对它进行测头半径补偿。自由曲面难以用解析函数表示,因此也难以用解析方法求其包络面。为了求球心轨迹的包络面,必须知道曲线的法线方向。由测得的球心O沿着曲面的法线方向移过距离R,即可以得到测头与被测曲面的接触点P,如图1所示。测头半径补偿需沿三维曲面的法向进行。确定曲面法向经常用微平面法、微球面法和曲面拟合法等。11134测量数据处理数据处理主要过程为数据预处理,数据拟合和曲面构造过程。10反求工程的原始信息是点数据的层析图形,故这种点图实质上是二值位图。计算机图形学中处理二值位图的滤波去噪、提取边界的算法在这里是适应的。一般处理过程分3步进行一是对数据进行滤波二是数据拟合三是表面建模
6、。3实际测量当中由于各种人为及随机因素的影响,测量结果中包含影响以后工序的无用数据。若直接将测量数据用于曲线、曲面造型,势必会造成重构曲面不能满足精度要求,对于那些测量误差太大的无效测量点数据,还会导致拟合曲面发生干涉、翘曲等变形,甚至导致曲面无法拟合。因此,需要根据零件曲面的几何特性及生成规律,在进行曲面重构之前进行测量数据预处理,对数据点的可靠性进行评估,利用CAD造型软件的编辑功能对误差较大的数据点进行修正,对于误差太大的无效数据点给予删除,以保证生成的拟合曲线曲面光顺、平滑。这实际上是用某种平滑滤波函数来大大减少数据量,这样做可以剃出疵点,减小表面噪声,同时对比较粗糙的被测表面也可起到
7、平滑作用。最终实现用某种特定的数学形式唯一地表示出这个三维曲面,以便采用丰富的CAD/CAM工程软件进行产品的设计工作。在反求工程中,最简单的噪声去除方法是人机交互,通过图形显示,判别明显坏点,在数据序列中将它们删除。这种方法缺陷明显,即不能处理大量的“点云”,所以常用程序判断滤波、N点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡而曼滤波相结合的自适应滤波法。目前提出的分块滤波技术可实现噪声点的快速、精确过滤,其基本思想是提取实体表面的特征分界线和具有明显几何特征的几何元素,依次将整个曲面分块,对平滑面片数据、特征分界线、明显特征几何元素分别进行噪声判断,这样可实现较为准确的过滤。除此以外,在数据采集过程
8、中常采用取样SAMPLING和弦差分CHORDALDEVIATION进行数据精简,以减少数据采集量。75“点云”处理通常把三维空间中的点集称为“点云”POINTCLOUD或“点群”。最小的“点云”只包含一个点,高密度“点云”可达几百万数据点。8点云数据处理主要包括无用杂点删除、多视点云对齐、数据点云合成、点云数据编辑、数据点云精简及数据点云平滑等。36常用软件简介逆向工程技术在理论上受到了学术界的广泛关注，其成果的商业应用也倍受重视。而商业应用的关键就是逆向工程CAD建模软件的开发，下面介绍几种比较著名的逆向工程软件。61IMAGEWAREIMAGEWARE是由美国UGS公司提供的逆向工程造型
9、软件，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些数据构造的A级曲面具有良好的品质和曲面连续性。它的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造4的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、圆度等几何公差。962GEOMAGICGEOMAGIC是美国RAINDROP公司的逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速地构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域从工业设计到医疗仿真等，用户包括通用汽车、BMW等大制造商63COPYCADCOPYCAD是英国DELCAM公司的CAD系列产品之一，是一个功能强大的逆向工程系统。用户利用COPYCAD可
10、以快速编辑数字化数据，并能生成高质量的复杂表面。COPYCAD可以完全控制表面边界的选择，自动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面，还能保证相邻表面之间相切的连续性。64RAPIDFORMRAPIDFORM是由韩国INUS公司开发的逆向工程软件。主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。它提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以方便地利用以前构造的曲线网格，经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。65RESOFTRESOFT是由我国浙江大学和杭州一茗软件有限公司联合推出的完全具有自主知识产权的逆向工程CAD建模系
11、统。它不仅具有大多数的商业逆向工程建模软件具有的特征识别及处理的功能，其系统构架和数据定义、功能模块划分和操作管理等方面都充分体现了以产品的特征抽取、运算、再现和质量评价为核心的技术特色和先进性，是一个比较完善的基于特征的逆向工程CAD建模系统。27结束语随着科技的不断发展和进步，自由曲面相貌测量技术在生产活动中的应用不断深化。加强相应的研究，探索新方法的可行性已受到工程技术人员的关注，也变得相当有意义。相信在不久的将来，自由曲面形貌测量技术的研究成果会不断涌现，现阶段所面临的一些问题也将得以解决。参考文献1许志龙，冯培锋，李延平，付泽民，闫永刚，龚志坚复杂曲面反求工程的数据采集与处理J,机电
12、产品开发与创新,20056959752张瑞,李建华逆向工程的关键技术及其最新发展J,先进制造技术高层论坛暨制造业自动化与信息化技术研讨会,2007111261303王格芳,吴国庆,沙晓光,吕艳梅激光测量的自由曲面点云数据处理方法J,工程图学学报,2008533374俞芙芳,王志鑫基于三坐标测量的产品自由曲面反求J,工程塑料应用,2005552555刘峰,姜芳,葛汉林基于LKG90CS三坐标测量机的自由曲面测量J,产品聚焦,2008101001016高国军,陈康宁,张申生用接触式坐标测量进行自由曲面反求的方法研究J,机械科学与技术,2000194967许英勋,丁浩,朱世根自由曲面反求工程关键技术
13、J,机械传动，2006（3）32398张舜德,朱东波,卢秉恒反求工程中三维几何形状测量及数据预处理J,机电工程技术,200117109王华侨,李玉丰,盛学斌基于UGNX/IMAGEWARE产品逆向工程技术及其应用研究J,现代制造,2007511011410喻彩丽,楼少敏,吴作伦,管爱枝面向CAD/CAM技术的自由曲面测量方法J,机械制造,20088687011王红敏,孙殿柱,张志诚基于CMM的曲面检测技术与测头半径补偿J,工具技术,200610777912崔焕勇,李兆前,高琦自由曲面CMM测量中球头半径空间补偿方法的研究J,机床与液压,20063666813卢红,张仲甫测头半径补偿的方法J,组合机床与自动化加工技术，2001（3）394114WERNERAREVERSEENGINEERINGOFFREEFORMSURFACEJJOURNALOFMATERIALPROCESSINGTECHNOLOGY,1998,7612813215SAITOKNONCONTACT3DDIGITIZINGANDMACHININGSYSTEMFORFREEFORMSURFACEJANNALSOFCIRP,1991,401483486
