畢業(yè)論文-逆向工程在曲面零件設(shè)計(jì)與檢測(cè)的應(yīng)用研究

1、逆向工程在曲面零件設(shè)計(jì)與檢測(cè)中的應(yīng)用研究application and study of reverse engineering in the surface accessory design method and inspection47摘 要隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高，人們對(duì)曲面零件的精度要求越來(lái)越高。但是由于曲面零件形狀復(fù)雜，用傳統(tǒng)的檢具檢驗(yàn)時(shí)難度大，且檢測(cè)精度不高，如何采用有效的方法取代傳統(tǒng)的檢測(cè)工具，提高曲面零件檢測(cè)精度是實(shí)際中急待解決的問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)逆向工程中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲面重構(gòu)和曲面分析方法的研究，仔細(xì)分析了逆向工程軟件imageware的功能和基本原理

2、，總結(jié)出imageware在曲面重構(gòu)和曲面檢測(cè)中的方法、步驟和經(jīng)驗(yàn)，為曲面零件的逆向造型設(shè)計(jì)和數(shù)字檢測(cè)提供了理論和操作技術(shù)保障。以逆向工程在曲面零件高爾夫球頭造型方法中的實(shí)現(xiàn)為例，針對(duì)自由曲面在散亂點(diǎn)基礎(chǔ)上重塑問(wèn)題進(jìn)行了研究，并在理論及應(yīng)用中得到了相應(yīng)的結(jié)論和實(shí)現(xiàn)。通過(guò)對(duì)高爾夫球頭應(yīng)用逆向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面零件三維曲面重構(gòu)，為在此基礎(chǔ)上新產(chǎn)品的二次開(kāi)發(fā)奠定了基礎(chǔ)。在對(duì)誤差檢測(cè)理論以及現(xiàn)行形位誤差檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行深入分析的基礎(chǔ)上，提出了將逆向工程應(yīng)用于復(fù)雜曲面零件的數(shù)字化檢測(cè)方法。通過(guò)建立曲面匹配，將測(cè)量所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)與數(shù)學(xué)模型在逆向工程軟件imageware進(jìn)行形位誤差比較。該檢測(cè)方法能夠檢測(cè)出

3、傳統(tǒng)方法難以達(dá)到足夠精度要求的復(fù)雜曲面誤差，對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)檢測(cè)的自動(dòng)化、數(shù)字化具有重要的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：曲面零件；imageware；nurbs；面輪廓度誤差；高爾夫球頭abstractalong with the develop of science technology and manufacture, the precision of inspection in surface accessory are enhancing gradually. but almost the surface accessory are complexity, using traditional tool

4、s to inspect is difficult and not exactitude. how to use another effective method to replace traditional way evaluate inspecting precision is urgent problem to be solved.through analyzing the software “imageware” function and fundamental, this paper studies the key technology of complicated surface,

5、 described indetail the reverse engineering technology: point data obtaining, surface construction, surface analysis etc, provides theory and technology foundation for applying reverse engineering to the model design and inspection of surface accessory.this paper takes the achievement of reverse eng

6、ineering which applies on the surface accessory golf head model as a goal, carries out research aim at the reconstruction problem of free curved surfaces of surface accessory based on scattered points. through applying reverse design to surface accessory, obtains 3d curved surface reconstruction of

7、surface accessory. this project establishes the base of further design of successive cad/cam systems.on the basis of reverse engineering and error inspection theory, this project brings forward digitized inspection method which applies reverse engineering to surface accessory. through establishing c

8、urved surface mating, putting points data and theory model to comparison and obtains inspect report. this method can inspect accuracy complicated surface that traditional method cant meet sufficient accuracy requirements. it has application prospect to carryout the manufactured on-line automation an

9、d digitization.keyword: surface accessory; imageware; nurbs; surface figure error; golf head目 錄第一章 緒論11.1 本課題研究的學(xué)術(shù)背景11.2 逆向工程與檢測(cè)技術(shù)21.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容3第二章 逆向工程及其測(cè)量方法研究42.1 逆向工程概述42.2 逆向工程測(cè)量方法72.3 逆向工程測(cè)量設(shè)備112.4 逆向工程測(cè)量數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換12第三章 逆向工程三維模型重構(gòu)技術(shù)133.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理133.2 三維曲面重構(gòu)技術(shù)153.3 模型質(zhì)量評(píng)價(jià)17第四章 逆向工程在曲面零

10、件檢測(cè)與設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究204.1 測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)概述204.2 面輪廓度誤差的檢測(cè)214.4 imageware軟件介紹244.3 高爾夫球頭數(shù)據(jù)采集及預(yù)處理254.5 高爾夫球頭的曲面重構(gòu)284.6 曲面零件誤差檢測(cè)314.7 高爾夫球頭測(cè)量過(guò)程中的精度分析33結(jié) 論34參考文獻(xiàn)35致 謝37第一章 緒論1.1 本課題研究的學(xué)術(shù)背景隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，利用cad/cam技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程和檢測(cè)，已經(jīng)成為cad/cam領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并且成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的主要領(lǐng)域【1】。傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣，再制造出產(chǎn)品，我們稱之為正向工程(或順

11、向工程)，而產(chǎn)品的逆向工程是根據(jù)零件(或原型)生成圖樣，再制造產(chǎn)品。逆向工程是針對(duì)消化吸收先進(jìn)技術(shù)采取的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的結(jié)合。目前，逆向工程技術(shù)在我國(guó)曲面零件產(chǎn)品的生產(chǎn)過(guò)程的應(yīng)用主要是從實(shí)物模型到基于三坐標(biāo)測(cè)量的空間數(shù)據(jù)點(diǎn)云，再利用逆向工程軟件得到其cad模型【2】，最后通過(guò)cad軟件進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)，形成優(yōu)化及系列化的cad模型。數(shù)字化檢測(cè)技術(shù)是一項(xiàng)具有廣泛應(yīng)用前景的高新技術(shù)，對(duì)于檢測(cè)手段的柔性化、自動(dòng)化具有重要的意義。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高，人們對(duì)于曲面零件的精度要求也越來(lái)越高，而曲面零件形狀復(fù)雜，用傳統(tǒng)的檢具檢驗(yàn)時(shí)難度大，且檢測(cè)精度不高，如何采用有效的方法取代傳統(tǒng)的檢

12、具，提高曲面零件的檢測(cè)精度是實(shí)際生產(chǎn)中急待解決的問(wèn)題。本課題正是在這一背景下設(shè)立的。本課題以復(fù)雜曲面零件高爾夫球頭為研究對(duì)象，采用逆向工程軟件imageware，運(yùn)用基于nurbs曲面重構(gòu)方法進(jìn)行了高爾夫球頭的曲面構(gòu)造，得到了高質(zhì)量的nurbs曲面。同時(shí)在逆向工程軟件imageware的曲面重構(gòu)和曲面比較的功能相結(jié)合的基礎(chǔ)上，研究了數(shù)字化檢測(cè)的技術(shù)，并給出了幾種典型的零件誤差數(shù)字化檢測(cè)的具體方法和實(shí)現(xiàn)步驟，該方法成功地解決了傳統(tǒng)檢具精度低、檢測(cè)成本高的問(wèn)題，對(duì)于實(shí)現(xiàn)檢測(cè)的自動(dòng)化、柔性化和數(shù)字化有重要的應(yīng)用前景。1.2 逆向工程與檢測(cè)技術(shù)1.2.1逆向工程的重要意義逆向工程是先用一定的測(cè)量手段對(duì)

13、實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，而后把測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物cad模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的全過(guò)程，它在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用具有非常重要的意義。首先，它能夠拓展設(shè)計(jì)師的設(shè)計(jì)思維。其次，它縮短了設(shè)計(jì)周期，降低了設(shè)計(jì)成本。最后，它對(duì)消化和吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)有著重要的意義。1.2.2檢測(cè)技術(shù)檢測(cè)是檢驗(yàn)和測(cè)量的統(tǒng)稱，測(cè)量能獲得具體的數(shù)值，而檢驗(yàn)不能獲得具體的數(shù)值，只能判斷合格與否。由此可見(jiàn)，檢測(cè)是組織互換性生產(chǎn)中必不可少的重要措施。檢測(cè)是保證機(jī)械工程質(zhì)量的基本方法和手段。機(jī)械制造業(yè)的發(fā)展要求開(kāi)發(fā)新的測(cè)量與檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)高精度、高效率的測(cè)量和檢測(cè)。檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了從人力檢測(cè)、人工檢測(cè)、電檢測(cè)

14、到計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)階段。幾何量檢測(cè)在我國(guó)具有悠久的歷史，幾何量檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展是和機(jī)械加工發(fā)展分不開(kāi)的，加工精度的提高，一方面對(duì)測(cè)量器具的精度要求也隨之提高，另一方面，加工精度本身也要通過(guò)精確的檢測(cè)來(lái)體現(xiàn)和驗(yàn)證。計(jì)算機(jī)輔助檢測(cè)計(jì)劃(caip)系統(tǒng)已成為caq系統(tǒng)的重要組成部分，它的核心問(wèn)題是解決如何檢測(cè)零件。在柔性制造中三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(cmm)是重要的檢測(cè)手段，在制造企業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。從某種意義上講，我們可以這樣說(shuō)：“沒(méi)有檢測(cè)，就沒(méi)有產(chǎn)品的質(zhì)量”。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和工藝技術(shù)的結(jié)合，將有力地促進(jìn)和提高生產(chǎn)過(guò)程的機(jī)械化、自動(dòng)化水平，有效地減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高勞動(dòng)生產(chǎn)率，降低原輔材料的消耗，從而為企

15、業(yè)帶來(lái)豐厚的經(jīng)濟(jì)效益。1.3 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀日本、美國(guó)等工業(yè)強(qiáng)國(guó)在逆向工程方面的研究依然走在世界的前列，他們對(duì)逆向工程技術(shù)的研究有許多值得我們借鑒的地方。在國(guó)內(nèi)，上海交通大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、廣東省機(jī)械研究所、天津大學(xué)等科研機(jī)構(gòu)都對(duì)逆向工程技術(shù)進(jìn)行了研究。目前，在我國(guó)基于實(shí)物的逆向工程廣泛地應(yīng)用在產(chǎn)品復(fù)制和仿制，尤其是外觀設(shè)計(jì)產(chǎn)品方面，相對(duì)容易實(shí)現(xiàn)。目前基于cad/cam系統(tǒng)的數(shù)字掃描技術(shù)為實(shí)物逆向工程提供了有力的支持，在進(jìn)行數(shù)字化掃描、完成實(shí)物的3d重建后，通過(guò)nc加工就能快速的生產(chǎn)所需要的產(chǎn)品。通過(guò)逆向工程，在消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的基礎(chǔ)上，建立和掌握自己的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)技術(shù)，進(jìn)行產(chǎn)

16、品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，即在copy的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)而創(chuàng)新，這是提升我國(guó)制造業(yè)的必由之路。作為新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的重要手段，逆向工程的研究受到廣泛的重視，我國(guó)已把逆向工程作為國(guó)家863高新技術(shù)項(xiàng)目在cims研究中的重要單元技術(shù)，進(jìn)行了深入的研究，一些重要的國(guó)際和國(guó)內(nèi)的學(xué)術(shù)會(huì)議也將逆向工程及相關(guān)技術(shù)作為一個(gè)重要的會(huì)議專題。從重要文獻(xiàn)和會(huì)議情況看，國(guó)內(nèi)外已形成了一批長(zhǎng)期從事逆向工程研究的單位和個(gè)人，發(fā)表的文章也逐年遞增。目前逆向工程已發(fā)展為cad/cam系統(tǒng)中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支，其相關(guān)領(lǐng)域包括幾何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)、幾何造型和數(shù)字化制造等。1.4 本課題主要研究?jī)?nèi)容本課題的主要研究?jī)?nèi)容包括：(1)

17、逆向工程測(cè)量方法、使用設(shè)備以及數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換。(2) 逆向工程關(guān)鍵技術(shù)。(3) 以高爾夫球頭為例，研究點(diǎn)云的獲取、預(yù)處理以及曲線、曲面的重構(gòu)方法。(4) 運(yùn)用逆向工程軟件imageware，將掃描的點(diǎn)云與其三維數(shù)學(xué)模型進(jìn)行匹配，檢測(cè)其是否在公差范圍內(nèi)。第二章 逆向工程及其測(cè)量方法研究2.1 逆向工程概述“逆向工程”(reverse engineering，re)，也稱反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，它是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路。廣義的逆向工程是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列工作方法的技術(shù)組合，是一門跨學(xué)科、跨專業(yè)、復(fù)雜的系統(tǒng)工程。它包括影響逆向、軟件逆向和實(shí)物逆向等三

18、方面。目前，大多數(shù)關(guān)于逆向工程的研究主要集中在實(shí)物的逆向重構(gòu)上，即產(chǎn)品實(shí)物的cad模型重構(gòu)和最終產(chǎn)品的制造方面，稱為“實(shí)物逆向工程”16。在某種意義上說(shuō)，“實(shí)物逆向工程”(簡(jiǎn)稱逆向工程)可定義為：逆向工程是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)閏ad模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的工程17。傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣，再制造出產(chǎn)品，最后通過(guò)檢測(cè)和性能測(cè)試，這種開(kāi)發(fā)模式的前提是已完成了產(chǎn)品的藍(lán)圖設(shè)計(jì)或cad造型，稱為預(yù)定模式(prescriptive model)，我們也稱之為正向工程(或

19、順向工程)。正向工程流程如圖2.1所示。規(guī)格確定設(shè)計(jì)圖紙cad模型制造檢測(cè)圖2.1 正向工程開(kāi)發(fā)流程圖隨著計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的理論和技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用以及cad/cae/cam集成系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和商業(yè)化，產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程設(shè)計(jì)首先通過(guò)測(cè)量掃描儀以及各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品實(shí)物信息，然后利用成熟的cad/cae/cam技術(shù)，快速準(zhǔn)確的建立實(shí)體幾何模型，在工程分析的基礎(chǔ)上，數(shù)控加工出產(chǎn)品模具，最后制成產(chǎn)品、實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品或模型設(shè)計(jì)產(chǎn)品的整個(gè)生產(chǎn)流程，具體流程如圖2.2所示。2.1.1逆向工程的在引進(jìn)技術(shù)中的應(yīng)用市場(chǎng)全球化使國(guó)家、企業(yè)面臨的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制已滲透到各個(gè)領(lǐng)域，隨著科學(xué)技術(shù)的高

20、度發(fā)展，科技成果的應(yīng)用已成為推動(dòng)生產(chǎn)力發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步的重要手段。如何更快、更好的發(fā)展科技和經(jīng)濟(jì)，世界各國(guó)都在研究對(duì)策，充分利用別國(guó)的科技成就加以消化與創(chuàng)新，進(jìn)而發(fā)展自己的技術(shù)已成為普遍的手段。事實(shí)證明，技術(shù)引進(jìn)是吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)，促進(jìn)民族經(jīng)濟(jì)高速度增長(zhǎng)的戰(zhàn)略措施，要掌握這些技術(shù)，正常途徑就是通過(guò)逆向工程。實(shí)際上任何產(chǎn)品問(wèn)世，不管是創(chuàng)新、改進(jìn)還是仿制，都蘊(yùn)涵著對(duì)已有科學(xué)、技術(shù)的繼承、應(yīng)用和借鑒18。pdm系統(tǒng)制造系統(tǒng)camcad/cae系統(tǒng)模具新產(chǎn)品cad模型重建快速成型rp產(chǎn)品樣件數(shù)據(jù)預(yù)處理形狀數(shù)據(jù)采集實(shí)物樣件二維圖樣、技術(shù)文件仿制改制產(chǎn)品圖2.2 逆向工程開(kāi)發(fā)流程圖引進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)一般分

21、為三個(gè)階段：(1)使用階段 對(duì)引進(jìn)的生產(chǎn)設(shè)備等硬件技術(shù)會(huì)操作、使用、維修，在生產(chǎn)中發(fā)揮作用。對(duì)圖樣、生產(chǎn)工藝等軟件應(yīng)通過(guò)加工和生產(chǎn)實(shí)踐的應(yīng)用了解其特點(diǎn)及不足之處，即做到“知其然”。(2) 消化階段 對(duì)引進(jìn)產(chǎn)品或設(shè)備的設(shè)計(jì)原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝、生產(chǎn)管理方法等進(jìn)行深入的分析研究，用科學(xué)的設(shè)計(jì)理論和測(cè)試對(duì)其性能進(jìn)行計(jì)算測(cè)定，了解其原料配方、工藝流程、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、質(zhì)量控制、安全保護(hù)等技術(shù)，即做到“知其所以然”。(3) 創(chuàng)新階段 對(duì)引進(jìn)技術(shù)消化綜合，博采眾家之長(zhǎng)，結(jié)合深入的科學(xué)研究，通過(guò)移植、綜合、改造等手段，開(kāi)發(fā)具有本國(guó)特色的創(chuàng)新技術(shù)，并爭(zhēng)取進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)某些技術(shù)從輸入到輸出的轉(zhuǎn)化。在只有產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬?/p>

22、型條件下，可以基于產(chǎn)品實(shí)物逆向工程對(duì)產(chǎn)品零件進(jìn)行生產(chǎn)制造，除實(shí)現(xiàn)對(duì)原型的仿制外，通過(guò)重構(gòu)產(chǎn)品零件的cad模型，在探詢和了解原設(shè)計(jì)技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)原型的修改和再設(shè)計(jì)，以達(dá)到設(shè)計(jì)創(chuàng)新、產(chǎn)品更新之目的。對(duì)于其他具有復(fù)雜曲面外形的零部件，逆向工程更成為其主要的設(shè)計(jì)方式。2.1.2逆向工程的在實(shí)際中的應(yīng)用在產(chǎn)品造型日益多元化的今天，逆向工程已經(jīng)成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不可或缺的一部分，其應(yīng)用范圍主要在以下幾個(gè)方面：(1) 在對(duì)產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，如何根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型，快速建立三維cad模型，就必須引入逆向工程技術(shù)。(2) 當(dāng)設(shè)計(jì)需要實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，首先要求在實(shí)體模型、縮小模型

23、的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試(如風(fēng)洞試驗(yàn)等)建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是有復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的試驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毥柚嫦蚬こ蹋D(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維cad模型及模具。(3) 在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整的情況下，在對(duì)零件原形進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或cad模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的nc代碼或快速原型加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個(gè)相同的零件。(4) 在模具行業(yè)，常需要通過(guò)反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面得到符合要求的模具。然而這些幾何外形的改變，卻往往未曾反映在原始的cad模型上。借助于逆向工程的功能和在設(shè)計(jì)、制造間所扮演的角色，設(shè)計(jì)者現(xiàn)在可以建立或修改在制造過(guò)程中變更過(guò)的設(shè)

24、計(jì)模型。(5) 很多物品很難用基本幾何來(lái)定義和表現(xiàn)，例如流線型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕及不規(guī)則線條等，在這種場(chǎng)合下，必須引入逆向工程，以加速產(chǎn)品設(shè)計(jì)，降低開(kāi)發(fā)的難度。(6) 逆向工程在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上同樣具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。利用逆向工程技術(shù)，可以直接在已有的國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計(jì)模型重構(gòu)、再優(yōu)化設(shè)計(jì)與制造，吸收并改進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)的產(chǎn)品和技術(shù)，極大地縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，有效地占領(lǐng)市場(chǎng)。(7) 逆向工程也廣泛的應(yīng)用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等等。此時(shí)，不需要復(fù)制整個(gè)零件，只是借助于逆向工程技術(shù)抽取原來(lái)零件的設(shè)計(jì)思想，用于指導(dǎo)新的設(shè)計(jì)。(8) 特種服裝、頭盔的制

25、造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需要首先建立人體的幾何模型。(9) 在rpm的應(yīng)用中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過(guò)逆向工程技術(shù)，可以方便的對(duì)快速原型制造的原型產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，逆行重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)反復(fù)迭代可使產(chǎn)品完善?，F(xiàn)代逆向工程技術(shù)除廣泛應(yīng)用在上述的汽車工業(yè)、航天工業(yè)、機(jī)械工業(yè)、消費(fèi)性電子產(chǎn)品等幾個(gè)傳統(tǒng)領(lǐng)域外，也開(kāi)始應(yīng)用于休閑娛樂(lè)方面，比如用于立體動(dòng)畫、多媒體虛擬實(shí)境、廣告動(dòng)畫等；另外在醫(yī)學(xué)科技方面，比如人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造、人體外形量測(cè)、醫(yī)療器材制作等，也有其應(yīng)用價(jià)值。2.2 逆向工程測(cè)量方法數(shù)據(jù)測(cè)量，又稱產(chǎn)品表面數(shù)字化，是指通過(guò)特定的測(cè)量

26、設(shè)備和測(cè)量方法，將物體的表面形狀轉(zhuǎn)換成離散的幾何點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，在此基礎(chǔ)上，就可以進(jìn)行復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)和制造。因而，高效、高精度的實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，是逆向工程實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一，是逆向工程中最基本，最不可缺少的步驟。數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程的基礎(chǔ)，測(cè)得數(shù)據(jù)的質(zhì)量事關(guān)最終模型的質(zhì)量，直接影響到整個(gè)工程的效率和質(zhì)量。目前，用來(lái)采集物體表面數(shù)據(jù)的測(cè)量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。不同的測(cè)量方式，不但決定了測(cè)量本身的精度、速度和經(jīng)濟(jì)性，還造成了測(cè)量數(shù)據(jù)類型及后續(xù)處理方式的不同。根據(jù)測(cè)量探頭是否和零件表面接觸，逆向工程中物體表面三維數(shù)據(jù)的獲取方法基本上可以分為兩大類，即接觸式與非接觸

27、式。根據(jù)測(cè)頭的不同，接觸式又可分為觸發(fā)式和連續(xù)式；非接觸式根據(jù)原理不同，又可分為光學(xué)式和分非光學(xué)式。其中光學(xué)式包括三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計(jì)算機(jī)視覺(jué)法、激光干涉法、激光衍射法等；而非光學(xué)式則包括ct測(cè)量法、mri測(cè)量法、超聲波法和層析法等。各種測(cè)量方法的具體分類如圖2.3所示。表面數(shù)字化方法接觸式非接觸式觸發(fā)式連續(xù)式光學(xué)式非光學(xué)式三角形法結(jié)構(gòu)光法激光干涉法計(jì)算機(jī)視覺(jué)法超聲波法層析法ct測(cè)量法mri測(cè)量法圖2.3 實(shí)物數(shù)字化方法2.2.1接觸式測(cè)量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)接觸式測(cè)量一般采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x，沿著樣件截面線進(jìn)行測(cè)量，將復(fù)雜的三維曲面測(cè)量轉(zhuǎn)化為二維測(cè)量，按曲面曲率的變化不均勻的布點(diǎn)。接觸式數(shù)據(jù)采集方法

28、包括使用基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集、磁場(chǎng)法、超聲波法等。(1)觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集采用觸發(fā)探頭，當(dāng)探頭的探針接觸到樣件的表面時(shí)，由于探針尖受力變形觸發(fā)采樣中的開(kāi)關(guān)，這樣通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針尖(測(cè)球中心點(diǎn))的當(dāng)時(shí)坐標(biāo)，逐點(diǎn)移動(dòng)，就能采集到樣件表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。(2)連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法 連續(xù)式數(shù)據(jù)采集采用模擬量開(kāi)關(guān)采樣頭，由于數(shù)據(jù)采集過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的，速度比點(diǎn)接觸觸發(fā)式采樣頭快許多倍，采樣精度也較高。此外，由于接觸力較小，允許用小直徑的探針去掃描具有細(xì)微部分或由較軟材料制造的模型。由于采樣速度快，連續(xù)式數(shù)據(jù)采集可以用來(lái)采集大規(guī)模的數(shù)據(jù)。(3) 磁場(chǎng)法 該方

29、法是將被測(cè)物體置于被磁場(chǎng)包圍的工作臺(tái)上，手持觸針在物體表面上運(yùn)動(dòng)，通過(guò)觸針上的傳感器感知磁場(chǎng)的變化來(lái)檢測(cè)觸針位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件表面的數(shù)字化。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：(1)準(zhǔn)確性及可靠性高。因接觸式探頭發(fā)展已有幾十年，其機(jī)械街頭及電子信號(hào)已相當(dāng)成熟。(2)與工件的反射性無(wú)關(guān)。接觸式為探頭直接接觸工件表面，故與工件表面顏色與曲率關(guān)系不大。(3)被測(cè)物體固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，并配合測(cè)量軟件，可快速準(zhǔn)確的測(cè)量出物體的基本幾何形狀，如面、園、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)：(1)為測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)而使用特殊的夾具，會(huì)導(dǎo)致較高的測(cè)量費(fèi)用。不同形狀的產(chǎn)品需要不同的夾具，而使成本大幅度增加。(2)探頭會(huì)因?yàn)榻佑|力而磨

30、損，為保證精度需要經(jīng)常校正探頭的直徑。不當(dāng)?shù)牟僮鲿?huì)是探頭變形或損壞，也會(huì)影響被測(cè)物體的表面精度。同時(shí)也可能損傷被測(cè)件表面。(3)由于是逐點(diǎn)測(cè)量，所以測(cè)量速度較慢，效率低。(4)由于其內(nèi)部原件和測(cè)量方式先天限制，存在著難以克服的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)誤差。(5)一些工件內(nèi)圓角較小，可能用探頭無(wú)法測(cè)量；對(duì)于復(fù)雜的三維曲面，用球頭測(cè)量曲面修正較困難。2.2.2非接觸式測(cè)量方法及其優(yōu)缺點(diǎn)非接觸式測(cè)量設(shè)備是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用的物理現(xiàn)象，如聲、光、電磁等，來(lái)獲取物體表面的三維坐標(biāo)信息。其中，以應(yīng)用光學(xué)原理發(fā)展起來(lái)的測(cè)量方法應(yīng)用最為廣泛如激光三角法、結(jié)構(gòu)光法等。由于其測(cè)量迅速，且不與工件接觸，因而對(duì)于質(zhì)地柔

31、軟的零件也能測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到人們的重視。(1) 激光三角法 激光三角法是根據(jù)光學(xué)三角形測(cè)量原理，利用光源和光敏元件之間的位置和角度關(guān)系來(lái)計(jì)算零件表面點(diǎn)的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。其基本原理是：利用具有規(guī)則幾何形狀的激光投影到被測(cè)量表面上，形成的漫反射光點(diǎn)的像被安置于某一空間位置的圖像傳感器吸收，根據(jù)光點(diǎn)(光帶)在物體上成像的偏移，通過(guò)被測(cè)物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系，按三角幾何原理即可測(cè)量出被測(cè)物體的空間坐標(biāo)。(2) 結(jié)構(gòu)光法 把一定模式的光源(如光柵)投影到被測(cè)件表面，受被測(cè)物體表面高度的限制，光柵影線發(fā)生變形，利用兩個(gè)鏡頭獲取不同角度的圖像，通過(guò)解調(diào)變形光柵影線，就可以得到被測(cè)表面的整幅圖像上

32、像素的三維坐標(biāo)。(3) 工業(yè)ct法 是一種射線成像檢驗(yàn)技術(shù)，它對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行斷層截面掃描，以x射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，用數(shù)學(xué)方法經(jīng)過(guò)電子計(jì)算機(jī)處理而重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。(4) 核磁共振法(mri) 其基本原理是用磁場(chǎng)來(lái)標(biāo)定物體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當(dāng)被激發(fā)的核在動(dòng)態(tài)過(guò)程中自動(dòng)到靜態(tài)場(chǎng)的平衡時(shí)，把吸收的能量發(fā)射出來(lái)，然后利用線圈來(lái)檢測(cè)這種信號(hào)，信號(hào)輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。(5) 超聲波法 是當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體時(shí)，在被測(cè)物體的兩種介質(zhì)邊界表面會(huì)發(fā)生回波反射，通過(guò)測(cè)量回波與零點(diǎn)脈沖的時(shí)間間隔，計(jì)算出各面到零點(diǎn)距離的方

33、法。(6) 層析法 是一種直接從樣件到模型的實(shí)用、可靠的方法，它在美國(guó)首先研制成功，用于測(cè)量物體截面輪廓的幾何尺寸。與接觸式測(cè)量相比，優(yōu)點(diǎn)如下：(1)不必做探頭半徑修正，激光點(diǎn)位置即為工件表面位置。(2)測(cè)量速度快，不必像接觸式觸發(fā)式探頭那樣逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。(3)由于是非接觸式的，可測(cè)量軟工件、薄工件，不可接觸的高精度工件。(4)與被測(cè)物體無(wú)接觸，因此不會(huì)損壞工件表面。(5)由于測(cè)取點(diǎn)云數(shù)據(jù)較多，且速度快，獲得數(shù)據(jù)全，非常適合于掃描零件自由曲面的立體造型。當(dāng)然，非接觸式測(cè)量?jī)x也存在著一些缺點(diǎn)：(1)因?yàn)榉墙佑|式探頭大多使用光敏位置探測(cè)器psd(position sensitive detecto

34、r)來(lái)檢測(cè)光點(diǎn)位置，目前psd的精度一般，psd目前精度不高，均0.02mm。(2)由于其探頭大多是接收工件表面的反射光或者散射光，易受工件表面的反射特性(reflectivity)影響，如反射光強(qiáng)度、被測(cè)物光順程度、被測(cè)物顏色。(3)psd易受環(huán)境光線及雜散光影響，故噪聲信號(hào)比較多，需要進(jìn)行后續(xù)處理。(4)只能夠?qū)ぜ喞鴺?biāo)點(diǎn)大量取樣，對(duì)邊線處理、凹孔處理及不連續(xù)形狀的處理較困難。(5)使用ccd(charge coupled device)作探測(cè)器時(shí)，成像鏡頭的焦距會(huì)影響測(cè)量精度，在工件幾何外形變形大時(shí)成像會(huì)失焦，成像模糊。(6)由于它采取的測(cè)量方法多是掃描式大規(guī)模取樣，所以造成了數(shù)據(jù)量

35、很大這個(gè)問(wèn)題，使得后續(xù)處理較為繁復(fù)。2.3 逆向工程測(cè)量設(shè)備三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(coordinate measuring machine，cmm)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種高效率的新型精密測(cè)量?jī)x器。起初是作為一種檢測(cè)儀器，對(duì)零件和部件的尺寸、形狀及相互位置進(jìn)行檢測(cè)。此外，還可用于劃線、定中心孔、光刻集成線路等，由于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)具有對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描來(lái)制備數(shù)控加工程序的功能，因此一開(kāi)始就被選為逆向工程的主要數(shù)字化設(shè)備并一直使用至今。作為一種測(cè)量?jī)x器，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要是比較被測(cè)量和標(biāo)準(zhǔn)量，并將比較結(jié)果用數(shù)值表示出來(lái)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)需要三個(gè)方向的標(biāo)準(zhǔn)器，利用導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)沿相應(yīng)方向運(yùn)動(dòng)，還需要三維測(cè)頭對(duì)被測(cè)

36、量進(jìn)行探測(cè)和瞄準(zhǔn)。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可分為主機(jī)、測(cè)頭、電氣系統(tǒng)三大部分，如圖2.4所示。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的原理是：將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算可求出被測(cè)得幾何尺寸、形狀和位置。圖2.4 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的組成2.4 逆向工程測(cè)量數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換目前應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)際中的造型軟件多種多樣，如imageware、ug、pro/e、autocad等。每一個(gè)cad系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)文件，數(shù)據(jù)文件格式與每個(gè)cad系統(tǒng)自己的內(nèi)部數(shù)據(jù)模式密切相關(guān)，市場(chǎng)上流行的cad/cam系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)品模型的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，從而極大地影響了設(shè)計(jì)和制造各部門之間或企業(yè)

37、之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接的自動(dòng)化，給cad/cam的數(shù)據(jù)通信帶來(lái)困難，因此迫切希望實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換文件格式的標(biāo)準(zhǔn)化。目前已制定了幾個(gè)主要數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，如iwm格式、iges格式和step格式等。為了方便不同系統(tǒng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，一些商品化的cad/cam系統(tǒng)都具備有多個(gè)數(shù)據(jù)交換接口，imageware軟件系統(tǒng)就具有iwm、ascii、txt、iges、step、stl、obj等多種輸入、輸出轉(zhuǎn)換格式。第三章 逆向工程三維模型重構(gòu)技術(shù) 3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理3.1.1點(diǎn)云通常把三維空間中的點(diǎn)集稱為“點(diǎn)云”（point cloud）或“點(diǎn)群”，最小的“點(diǎn)云”只包含一個(gè)點(diǎn)，高密度“點(diǎn)云”可達(dá)幾百萬(wàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)。通

38、過(guò)不同設(shè)備所采集到的是一系列三維空間點(diǎn)坐標(biāo)，由于不同的測(cè)量方法及測(cè)量軟件，采集的數(shù)據(jù)組織方式不同，需采用的處理方式也不同。測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)可分為以下幾類。(1)散亂點(diǎn)云 此類點(diǎn)云成分布散亂無(wú)序狀態(tài)，沒(méi)有明顯的幾何特性，通常是cmm在隨機(jī)測(cè)量方式下或激光測(cè)量機(jī)經(jīng)多次測(cè)量結(jié)果疊加所得到的數(shù)據(jù)。(2)網(wǎng)絡(luò)化點(diǎn)云 此類點(diǎn)云中所有點(diǎn)都與參數(shù)域中一個(gè)均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)對(duì)應(yīng)，通常是將cmm、激光掃描系統(tǒng)、投影光柵測(cè)量系統(tǒng)及立體視差法獲得的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)網(wǎng)格化插值后所得數(shù)據(jù)。(3)掃描線點(diǎn)云 此類點(diǎn)云由一組掃描線組成，掃描線上所有的點(diǎn)均位于掃描平面內(nèi)，通常是cmm、激光掃描系統(tǒng)沿直線掃描獲得的數(shù)據(jù)或者是線結(jié)構(gòu)光掃描測(cè)量所

39、得數(shù)據(jù)。 (4)三角化點(diǎn)云 三角化點(diǎn)云的測(cè)得點(diǎn)皆為某些三角形的頂點(diǎn)，通常是激光掃描系統(tǒng)測(cè)量后經(jīng)過(guò)三角化后所得的數(shù)據(jù)。此外，按點(diǎn)的分布密度可分為高密度點(diǎn)云和低密度點(diǎn)云。cmm的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)量在及時(shí)到幾千點(diǎn)之間，為低密度點(diǎn)云。測(cè)量速度及自動(dòng)化程度高的光學(xué)法和斷層測(cè)量法獲得的數(shù)據(jù)點(diǎn)一般從幾萬(wàn)到幾千萬(wàn)點(diǎn)不等，為高密度點(diǎn)云。3.1.2點(diǎn)數(shù)據(jù)預(yù)處理非接觸測(cè)量法測(cè)得的數(shù)據(jù)非常龐大，并常常帶有許多的雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，影響后續(xù)的曲面、曲線重構(gòu)過(guò)程。因此，需要在曲面重構(gòu)前，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一些必要的處理，以獲得滿意的數(shù)據(jù)，為曲面重構(gòu)過(guò)程做好準(zhǔn)備，即點(diǎn)云預(yù)處理。點(diǎn)云預(yù)處理主要包括點(diǎn)云對(duì)齊、點(diǎn)云過(guò)濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)插補(bǔ)和點(diǎn)云分割

40、等，其工作流程圖如圖3.1所示。讀入點(diǎn)云是否存在多視點(diǎn)點(diǎn)云對(duì)齊多視點(diǎn)云檢查數(shù)據(jù)去除雜點(diǎn)點(diǎn)云分塊否是圖3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程(1)點(diǎn)云過(guò)濾 點(diǎn)云過(guò)濾包括異常點(diǎn)(誤差點(diǎn))處理和數(shù)據(jù)平滑兩部分。通過(guò)測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，無(wú)論是接觸式測(cè)量還是非接觸式測(cè)量，都不可避免的會(huì)引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)。測(cè)量數(shù)據(jù)上的壞點(diǎn)可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以必須對(duì)原始測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以去除壞點(diǎn)。噪聲點(diǎn)是由于測(cè)量過(guò)程中受到各種人為或隨機(jī)因素的影響而產(chǎn)生的，它的存在影響后續(xù)的模型重建及生成的模型質(zhì)量。為降低和消除這種負(fù)面影響，需要對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑濾波，以得到精確的模型和高質(zhì)量的特

41、征提取效果。采用平滑法處理方法，應(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。(2)點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn) 激光掃描測(cè)量每分鐘會(huì)產(chǎn)生成千上萬(wàn)個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，如果直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行造型處理，大量的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理成為不可突破的瓶頸。因此，有必要在保證精度的前提下，減少數(shù)據(jù)量。(3)數(shù)據(jù)插補(bǔ) 在造型時(shí)就會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)“空白”現(xiàn)象，這樣的情況使逆向建模變得困難，一種解決的辦法是通過(guò)數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來(lái)補(bǔ)齊“空白”處的數(shù)據(jù)，最大限度獲得實(shí)物剪裁前的信息，這將有助于模型重建工作，并使恢復(fù)的模型更加準(zhǔn)確。目前應(yīng)用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補(bǔ)方法或技術(shù)主要有實(shí)物填充法、造型設(shè)計(jì)法和曲線、曲面插值補(bǔ)充法。(4)數(shù)據(jù)分割 數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子

42、曲面的類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組，這樣全部數(shù)據(jù)將劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，后續(xù)的曲面模型重構(gòu)時(shí)，先分別擬和單個(gè)曲面片，再通過(guò)曲面的過(guò)渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個(gè)曲面縫合成一個(gè)整體。3.2 三維曲面重構(gòu)技術(shù)3.2.1曲線擬合造型曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，也是最重要的一環(huán)。在逆向工程中，一種常用的方法是，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過(guò)插值(interpolation)或逼近(approximation)擬和成樣條曲線(或參數(shù)曲線)，再利用造型工具完成曲面片造型，最后通過(guò)延伸、剪裁和過(guò)渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。圖3.4給出了基于曲線的模型重建過(guò)程。數(shù)字化設(shè)備數(shù)據(jù)預(yù)處理曲線擬合曲面片重建曲面

43、模型實(shí)體模型下游應(yīng)用圖3.4 基于曲線模型重建技術(shù)3.2.2曲片面直接擬合造型上述的先擬和數(shù)據(jù)點(diǎn)為曲線，再由曲線進(jìn)行曲面造型的方法僅適合處理數(shù)據(jù)量不大(如cmm測(cè)量數(shù)據(jù))、而且數(shù)據(jù)呈有序排列的情況。曲面模型重建11的另一種方法是直接對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬和，獲得曲面片經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接形成最終的曲面模型，其過(guò)程見(jiàn)圖3.5所示。曲面直接擬和造型既可以處理有序點(diǎn)，也能處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)(散亂點(diǎn))。在逆向工程曲面造型中，需要根據(jù)實(shí)際的情況分析點(diǎn)云數(shù)據(jù)，選擇最為合適的曲面造型方法。數(shù)字化設(shè)備數(shù)據(jù)預(yù)處理曲面片擬合曲面模型重建模型評(píng)價(jià)實(shí)體模型下游應(yīng)用圖3.5 曲面片擬合造型3.2.3非均勻有理b樣條(nur

44、bs)曲線和曲面(1)nurbs曲線、曲面定義nurbs曲線為一分段的矢值有理多項(xiàng)式函數(shù)，其表達(dá)式為 (3.1)其中為控制頂點(diǎn)，為權(quán)因子， 為k次b樣條基函數(shù)nurbs曲面則由下式定義 (3.2)其中為控制頂點(diǎn)，為權(quán)因子，和分別為沿u向的k次和沿w向的1次b樣條基函數(shù)。(2) nurbs曲線、曲面性質(zhì)nurbs曲線具有如下一些重要的性質(zhì)：線性變換的幾何不變性、如無(wú)內(nèi)重接點(diǎn)，則k次nurbs曲線是(k-1)階可微的、對(duì)控制頂點(diǎn)網(wǎng)格的逼近具有局部性、nurbs曲線包含在控制頂點(diǎn)形成的凸包內(nèi)、nurbs曲線具有變差減小的性質(zhì)。nurbs曲面的性質(zhì)：有理b樣條曲面具有與非有理b樣條曲面相類似的幾何性質(zhì)

45、，也就是說(shuō)，nurbs曲線的大多數(shù)性質(zhì)都可推廣到nurbs曲面。因此，nurbs曲面具有如下性質(zhì)：局部性質(zhì)是nurbs曲線局部性質(zhì)的推廣、與非有理b樣條曲面有同樣凸包性、幾何不變性。nurbs曲面是非有理與有理bezier曲面及非有理b樣條曲面的合適推廣，非有理與有理bezier曲面及非有理b樣條曲面是nurbs曲面的特例。(3) nurbs曲線、曲面方法的優(yōu)點(diǎn)其優(yōu)點(diǎn)有：可用一個(gè)統(tǒng)一的表達(dá)式同時(shí)精確表示標(biāo)準(zhǔn)的解析形體(如圓錐曲線、旋轉(zhuǎn)面等)和自由曲線、曲面；為了修改曲線、曲面的形狀，既可借助調(diào)整控制頂點(diǎn)，又可利用權(quán)因子，因而具有較大靈活性；與多項(xiàng)式b樣條一樣，nurbs方法的計(jì)算也是穩(wěn)定的；n

46、urbs曲線、曲面在線性變換下是幾何不變的，線性變換系指縮小、旋轉(zhuǎn)、平移、減變，平行與透視投影等；已具有功能完善的幾何計(jì)算工具，其中包括節(jié)點(diǎn)插入與刪除、節(jié)點(diǎn)加密、升階、分割等的算法與程序。(4) nurbs曲面造型方法的研究nurbs曲面外型比較復(fù)雜，它的造型方法主要有：直接給定控制頂點(diǎn)、給定曲面上的點(diǎn)、基于四條邊界構(gòu)建、由準(zhǔn)線和方向矢量生成柱面、由軸線和母線生成旋轉(zhuǎn)面。3.3 模型質(zhì)量評(píng)價(jià)應(yīng)予以考慮的模型精度評(píng)價(jià)主要解決以下問(wèn)題：(1) 由逆向工程中重建得到的模型和實(shí)物樣件的誤差到底有多大；(2) 所建立的模型是否可以接受；(3) 根據(jù)模型制造的零件是否與數(shù)學(xué)模型相吻合。3.3.1參數(shù)曲線幾

47、何連續(xù)性定義曲線的光順性有兩種不同的度量：一種是沿用函數(shù)曲線的可微性，組合參數(shù)曲線構(gòu)在連接處具有直到n階的連續(xù)導(dǎo)矢，即n次連續(xù)可微，這種光順性稱之為n階參數(shù)連續(xù)性；另一種稱為幾何連續(xù)性。3.3.2參數(shù)曲面幾何連續(xù)性定義與參數(shù)曲線相似，參數(shù)連續(xù)性同樣不能確定度量曲面連接的光順性參數(shù)曲面的連續(xù)性也需要用幾何連續(xù)性來(lái)評(píng)價(jià)。如果兩曲面具有公共連接線，則稱它們是位置連續(xù)的，曲面的零階幾何連續(xù)與零階參數(shù)連續(xù)也是一致的。3.3.3曲線、曲面光順評(píng)價(jià)和處理(1)曲線的光順評(píng)價(jià)和處理方法 對(duì)曲線而言，三維工程軟件系統(tǒng)中的曲線曲面造型功能或模塊一般都提供曲線曲率數(shù)值的形象化表示，在有關(guān)軟件中通常稱為曲率梳。曲率梳

48、是曲線各點(diǎn)處曲串的矢量表示，通過(guò)它可以直觀的評(píng)價(jià)曲線的光順情況，以便通過(guò)調(diào)整控制定點(diǎn)手工修改。曲線的光順處理方法如圖3.6。曲線光順?lè)椒ㄟx點(diǎn)修改法優(yōu)化法整體優(yōu)化法局部?jī)?yōu)化法圖3.6 曲線光順?lè)椒?2)曲面的光順評(píng)價(jià)和處理方法 曲面品質(zhì)分析方法主要是分析曲面的光順性，盡管可以通過(guò)曲面的曲率變化來(lái)評(píng)價(jià)光順效果，但并無(wú)具體的曲率值作依據(jù)，多數(shù)場(chǎng)合，還是以人的眼光來(lái)判斷曲面是否光順(觀察曲率圖、矢量圖和反射線圖等)。因此，光順性評(píng)價(jià)歸入非量化指標(biāo)。有一些實(shí)用、有效的曲面評(píng)價(jià)方法：1.反射線法(reflect curve)：反射線是顯示一線性光源由某一特定方向反射在曲面上的反射曲線。圖形中只能顯示通過(guò)特

49、定點(diǎn)的反射曲線，或是特定范圍內(nèi)反射曲線。曲線上的細(xì)微缺陷，可以通過(guò)反射線的不規(guī)則扭曲反映出來(lái)。2.高光線法：高光線法是一種簡(jiǎn)化的反射線法，它取消了視點(diǎn)。高光線是曲面上一些點(diǎn)的集合，這些點(diǎn)的法矢和光線的垂直距離等于零，它可以通過(guò)計(jì)算等高線獲得，具有較快的速度，是一種有效的、適合于實(shí)時(shí)曲面質(zhì)量評(píng)價(jià)。3.等照度法：等照度法是曲面上具有相同光照的點(diǎn)的集合所形成的曲線。4.焦點(diǎn)曲面法：設(shè)是參數(shù)曲面，廣義的曲面定義為 (3.3)其中是一標(biāo)量因子，是一標(biāo)量函數(shù)，它由兩個(gè)主曲率和決定，是曲面的法矢。焦點(diǎn)曲面實(shí)質(zhì)上等效于函數(shù)偏置曲面。式中不同的曲率函數(shù)可用于觀察不同的曲率特征。曲面的光順處理主要有下面兩種形式：

50、(1)將曲面的光順性轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格線的光順性問(wèn)題處理；(2)根據(jù)曲面特有的一些量對(duì)曲面進(jìn)行光順處理，而不僅僅考慮曲面的網(wǎng)格線，具體的方法有能量法、最小二乘法、回彈法、基樣條法、圓率法、磨光法等。3.3.4精度量化指標(biāo)在逆向工程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，均會(huì)產(chǎn)生誤差，從而導(dǎo)致相當(dāng)數(shù)量的積累誤差。逆向模型與實(shí)物樣件的總誤差即是各個(gè)環(huán)節(jié)的傳遞累積誤差，其數(shù)學(xué)式為 (3.4)其中為總誤差；為原型誤差；為測(cè)量誤差；為數(shù)據(jù)處理誤差；為造型誤差；為制造誤差。一般的情況下，定義各項(xiàng)誤差的均方根作為精度誤差，即精度量化指標(biāo)，則有 (3.5)模型與實(shí)物的對(duì)比問(wèn)題轉(zhuǎn)換為計(jì)算點(diǎn)到曲面的距離，其精度指標(biāo)可以采用以下幾個(gè)距離指標(biāo)表示：最

51、大距離、平均距離和距離誤差估計(jì)等。第四章 逆向工程在曲面零件檢測(cè)與設(shè)計(jì)的應(yīng)用研究4.1 測(cè)量與檢測(cè)技術(shù)概述4.1.1誤差所謂誤差通常是指實(shí)際測(cè)得值與被測(cè)量的真值之間的差。若對(duì)某量的測(cè)得值為，該量的真值為，則誤差為 (4.1)在本文中所指的誤差是指理想模型(理想要素)與實(shí)際零件(實(shí)際被測(cè)要素)之間進(jìn)行比較的差值，而不考慮測(cè)量誤差。理想要素：具有幾何意義的要素，即幾何的點(diǎn)、線、面。實(shí)際要素：零件上實(shí)際存在的要素。被測(cè)要素：在零件設(shè)計(jì)圖樣上給出了形狀和位置公差的要素，也就是需要被檢測(cè)的對(duì)象。在零件設(shè)計(jì)圖樣上體現(xiàn)的是理想基準(zhǔn)要素，而在實(shí)際零件上的則是實(shí)際基準(zhǔn)要素?；鶞?zhǔn)要素：確定關(guān)聯(lián)要素位置，即確定關(guān)聯(lián)

52、要素位置對(duì)象的基礎(chǔ)。幾何量誤差：零件在加工過(guò)程中，由于種種因素的影響，不可能作的絕對(duì)準(zhǔn)確，其制造的零件的幾何參數(shù)總是不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差。幾何誤差可以分為以下幾種：(1)尺寸誤差 工件加工后的實(shí)際尺寸與理想尺寸之差。(2)幾何形狀誤差 工件加工后除有尺寸誤差外，還會(huì)有幾何形狀誤差。一般分為兩種宏觀幾何誤差(通常所指的形狀公差)和微觀幾何形狀誤差(通常所指的表面粗糙度)。(3)相互位置精度誤差 工件加工后，各表面或中心線之間的實(shí)際相互位置與理想位置的差值。4.1.2測(cè)量技術(shù)概述檢測(cè)就是確定被測(cè)量是否在規(guī)定的驗(yàn)收極限范圍內(nèi)，以便作出零件是否合格的判斷，而不是一定要確定其準(zhǔn)確的量值。零件應(yīng)按規(guī)定的極

53、限，即公差來(lái)制造。公差是允許工件尺寸、幾何形狀和相互位置變動(dòng)范圍。工件的誤差在公差的范圍內(nèi)，為合格件；超出了公差的范圍，為不合格件。公差時(shí)允許實(shí)際參數(shù)值的最大變動(dòng)量，也是允許的最大誤差。誤差是在加工過(guò)程中產(chǎn)生的，而公差則是設(shè)計(jì)人員給定的。(1)檢測(cè)的基準(zhǔn) 按標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，基準(zhǔn)是確定用以限定被測(cè)要素變動(dòng)理論邊界的公差帶方向和位置的理想幾何要素，是確定具有特定功能關(guān)系的要素之間實(shí)際幾何關(guān)系的依據(jù)。要定量的確定它的數(shù)值，就需要用一個(gè)具有理想形狀的幾何要素作基準(zhǔn)來(lái)測(cè)定。由于加工誤差的必然存在，所有工件的實(shí)際基準(zhǔn)都必然存在一定的誤差，因此由實(shí)際零件(即實(shí)際基準(zhǔn)要素)建立基準(zhǔn)時(shí)，基準(zhǔn)為該實(shí)際基準(zhǔn)的理想要素，而

54、理想要素的位置應(yīng)符合最小條件，即實(shí)際被測(cè)要素對(duì)理想要素的最大變動(dòng)量為最小。有實(shí)際基準(zhǔn)要素建立起來(lái)的基準(zhǔn)，其位置應(yīng)當(dāng)是評(píng)定該實(shí)際基準(zhǔn)要素誤差時(shí)按最小條件確定的理想要素的位置。所謂最小條件，就是理想要素處于符合最小條件是的位置時(shí)，則實(shí)際被測(cè)要素對(duì)理想要素的最大變動(dòng)量為最小。最小條件是由基準(zhǔn)實(shí)際要素建立理想基準(zhǔn)的基本原則。(2)檢測(cè)的原則 由于零件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、尺寸大小和精度要求以及檢測(cè)設(shè)備條件等的不同，從檢測(cè)原理上可以將常用的檢測(cè)方法概括為以下幾種檢測(cè)原則：1.與理想要素比較原則：是指將實(shí)際被測(cè)要素與理想要素作比較，在比較過(guò)程中獲得測(cè)量資料，按這些資料來(lái)評(píng)定誤差。2.測(cè)量坐標(biāo)值原則：是指利用測(cè)量器具

55、上的坐標(biāo)系(直角坐標(biāo)系、極坐標(biāo)系、圓柱坐標(biāo)系等)，測(cè)得實(shí)際被測(cè)要素上各測(cè)點(diǎn)對(duì)該坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，再經(jīng)過(guò)計(jì)算確定誤差值。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)就是采用測(cè)量坐標(biāo)值原則對(duì)零件進(jìn)行誤差檢測(cè)的。3.比較特征參數(shù)原則：是指通過(guò)比較理想模型與實(shí)際模型上具有代表性的參數(shù)，用它來(lái)表示整個(gè)零件的誤差值。4.2 面輪廓度誤差的檢測(cè)面輪廓度公差是指實(shí)際被測(cè)輪廓面對(duì)理想輪廓面的允許變動(dòng)量。工程中，許多復(fù)雜曲面，其面輪廓具有重要的作用，所以面輪廓度誤差的測(cè)量、評(píng)定和控制就有著重要的意義。面輪廓度公差帶是指包絡(luò)一系列直徑為公差值t的球的兩包絡(luò)曲面之間的區(qū)域，這些球的球心應(yīng)位于由理論正確尺寸確定的或者由基準(zhǔn)和理論正確尺寸確定的理想輪廓面

56、上。見(jiàn)圖4.1所示。圖4.1 面輪廓公差帶4.2.1面輪廓度誤差的評(píng)定方法面輪廓誤差度通常采用最小區(qū)域法和最小二乘法來(lái)評(píng)定，但這兩種方法產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)，處理起來(lái)比較困難，一般也采用一些近似的評(píng)定方法，例如截面法和三遠(yuǎn)點(diǎn)法。下面進(jìn)行分別介紹。(1)最小區(qū)域法 最小區(qū)域法是指由兩個(gè)曲面包圍形成實(shí)際輪廓面時(shí)，理想輪廓面穿過(guò)實(shí)際被測(cè)輪廓面，這兩個(gè)輪廓面分別至實(shí)際輪廓面的法向距離相等，且它們之間的寬度為最小的包容區(qū)域。(2)最小二乘法 面輪廓度誤差評(píng)定通常按照最小區(qū)域原則進(jìn)行，但復(fù)雜的空間曲面實(shí)現(xiàn)最小條件比較困難，因而用最小二乘法則更具實(shí)用價(jià)值。對(duì)于自由曲面的形狀誤差的評(píng)估，目前主要采用最小二乘方法，使得

57、所有測(cè)點(diǎn)的形狀誤差的和最小來(lái)獲得。 (4.2)其中 其中，為測(cè)量得到的測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)，為曲面上具有實(shí)際測(cè)點(diǎn)距離最短的點(diǎn)。該方法能有效地排除系統(tǒng)定位的影響，保證獲得自由曲面形狀誤差評(píng)定的可靠結(jié)果。(3)截面法 截面法是指測(cè)量實(shí)際被測(cè)要素輪廓面若干截面的線輪廓度誤差，取各個(gè)截面的誤差值中最大者作為該輪廓面的面輪廓誤差值，當(dāng)使用截面法評(píng)定時(shí)，計(jì)算各測(cè)量截面全面測(cè)點(diǎn)的偏離值后，取其中最大值(絕對(duì)值的兩倍)作為被測(cè)零件的面輪廓度誤差，即，它就是按截面法評(píng)定的面輪廓度誤差值，當(dāng)其不大于圖樣上給定的輪廓度公差值時(shí)，即為合格。(4)三遠(yuǎn)點(diǎn)法 三遠(yuǎn)點(diǎn)法是指以通過(guò)實(shí)際被測(cè)輪廓面上相距最遠(yuǎn)的三點(diǎn)的理想輪廓面作為評(píng)定基準(zhǔn)，取測(cè)點(diǎn)各點(diǎn)相對(duì)于它的偏離值(法向距離)中最大偏離值與最小偏離值之差作為面輪廓度的誤差值。在它上面的測(cè)點(diǎn)的偏離