逆向工程中數(shù)字化測(cè)量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

1、第9期羅大兵等:逆向匸程中數(shù)7化測(cè)罐與點(diǎn)公數(shù)據(jù)處理-# -機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Machinery Design & 'lanufaclure文堂編小 1001 - 3997(2005 >09 - 0056 - 02逆向工程中數(shù)字化測(cè)量與點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理羅大兵 高 明I：培俊(0勺南交通大學(xué)機(jī)械學(xué)院，成都610031)Digitized measurement and point clouds data processing of reverse engineeringLUO Da - bing. GAO Ming. WANG Pei - jun(School of Mechanic

2、al Engineering. Siutlnvest Jiaolong L niversity, Chengdu 61003 L (Jiina I-【摘要】逆向匸程作為新產(chǎn)品開發(fā)和消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段，其應(yīng)用越來(lái)越受到重視。本i文主要總了逆向工程中數(shù)據(jù)測(cè)量方法及影響測(cè)量梢度的因熱從噪聲去除/視對(duì)齊裁據(jù)光順、數(shù)據(jù): I梢箭.數(shù)據(jù)分割等方聞?dòng)懻摱↑c(diǎn)云數(shù)抓的處脛方法.i1關(guān)鍵詞：逆向工程：數(shù)字化測(cè)雖：點(diǎn)云處理!(Attract l.U un important method of' developing new protiuds and absorbing advanced tech

3、nology, re i : tme engineering is attached more and more im/rlance. This paper summarized the methods of digitized -V meMUrement and the facts tiffed ling measurement accuracy, discussed the methods of point 一 data processing iI from seferal aspects, such as noise data deletion, multi - rieiv regisl

4、rulion, data smoothness, data reduction .t and data segmentation etc.：siKey words: Reverse Engineering; Digitized Measurement; Point - Data Processing?© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期羅大兵等:逆向匸程中數(shù)7化測(cè)罐與點(diǎn)公數(shù)據(jù)處理-# -© 1994-2006 China Ac

5、ademic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期羅大兵等:逆向匸程中數(shù)7化測(cè)罐與點(diǎn)公數(shù)據(jù)處理-57 -中圖分類右：TP391.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A逆向工程件為一種新產(chǎn)品開發(fā)和消化.吸收先進(jìn)技術(shù)的甫 契手段,在制逍業(yè).特別是航空汽車、犀托車尊行業(yè)中的應(yīng)用 越來(lái)越受到重視.這輕主©討論點(diǎn)云8( IK的測(cè)尺處理方法.1數(shù)字化測(cè)最實(shí)物廉星的數(shù)字化測(cè)雖是逆向匸程實(shí)現(xiàn)的星礎(chǔ)和關(guān)鍵技 術(shù)之只冇選用介理的測(cè)位方式和操作過(guò)程.才能高效地獲 度的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量方式可分為接繳式Mh II接觸式 測(cè)雖和斷層掃描三類接

6、觸式測(cè)磧典型的測(cè)磺系統(tǒng)為三坐標(biāo)測(cè)應(yīng)機(jī)(CMM).已 右兒卜年的歷史發(fā)展相均成熟仃較島的準(zhǔn)確性和町靠性.11 與被測(cè)件表面的反射性、顔色及曲率等關(guān)系不大但其測(cè)欣速 度慢需對(duì)測(cè)lil探頭半Q進(jìn)行補(bǔ)償.接觸力將便探頭y被測(cè)件 Z間發(fā)生財(cái)部變形血妙響測(cè)屆椅度。兇此當(dāng)要求較為的測(cè)蜀速 度或被漢I件農(nóng)而材料較軟時(shí)不宜采用接觸式測(cè)雖.*來(lái)稿H期：2005 -0116非接觸式測(cè)吊主耍是運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)采集.其測(cè)城 系統(tǒng)通常稱為3D打描儀測(cè)業(yè)方法仃激光三角形法、激光測(cè)齟 法結(jié)構(gòu)光法、干涉法、結(jié)構(gòu)分析法零.非接觸式iWfiW測(cè)就速 度快、不必做探頭和仝補(bǔ)償、被測(cè)件材料不受限制等廉虬近年 采發(fā)展十分迅速.在實(shí)際

7、應(yīng)用中越來(lái)越占主導(dǎo)地位非接觸式 測(cè)就的梢度易受工件農(nóng)面反射轉(zhuǎn)性及環(huán)境光線等的/響.噪ff 較髙.工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法(1CT)於對(duì)被測(cè)件進(jìn)行逐層掃 描獲得一系列斷層斟像切片和數(shù)據(jù).包括內(nèi)挪結(jié)構(gòu)的完整信 息1月此可適用于任何結(jié)枸形狀但精度較低.獲得島箱度的點(diǎn)公數(shù)據(jù).除f介理選擇測(cè)竝方式外在操作 過(guò)程中還應(yīng)注意以下問(wèn)題， 測(cè)凰設(shè)涪的標(biāo)址測(cè)雖系統(tǒng)只仃進(jìn)彳丫將確的杯定才能 控制點(diǎn)云的謀差.在設(shè)備槪運(yùn)、環(huán)境變化或長(zhǎng)期工作麻可能導(dǎo) 致標(biāo)定值偏移故應(yīng)巫新標(biāo)泄。 環(huán)境捽制測(cè)訛過(guò)程中測(cè)彳系統(tǒng)和被測(cè)件不應(yīng)發(fā)生振動(dòng)： 不同的測(cè)蚩系統(tǒng)仃待定的溫度要求.匸作壞境的溫度應(yīng)便J調(diào) 節(jié);運(yùn)用)t學(xué)原理的非接觸式測(cè)訛對(duì)環(huán)境

8、光線仃較島耍求壞境 光紐不儻過(guò)強(qiáng).11光照應(yīng)均勻. 粧測(cè)件預(yù)處理絕大爹數(shù)測(cè)就系統(tǒng)對(duì)被測(cè)件卜的孔惜. 凹邊等無(wú)法進(jìn)行數(shù)據(jù)采集這樣在堆型時(shí)會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)“空白”將 堆人數(shù)據(jù)處理和逆向建模的雄度故測(cè)蟻詢可采川石膏、油泥等 對(duì)被測(cè)件進(jìn)行填充:采用光學(xué)原理式測(cè)秋時(shí)被測(cè)件顏 色宜為淺色，且和周國(guó)其它物體應(yīng)行反差同時(shí)被測(cè)件麥面不應(yīng) 反光.不満足這此耍求時(shí)可采用肴色港透探傷劑對(duì)被測(cè)件農(nóng)面 進(jìn)行啖涂石色處理啖涂時(shí)應(yīng)保證涂岌的均勻。 測(cè)園路徑規(guī)劃采用接觸式測(cè)城時(shí)需對(duì)測(cè)址略衿進(jìn)行規(guī) 劃.以冇序、快速、高效地采集數(shù)據(jù).而避免測(cè)頭與被測(cè)件發(fā)生 碰撞.乎動(dòng)式2坐標(biāo)測(cè)fit機(jī)的M路艮由操作音自行決定.計(jì) n機(jī)數(shù)字控制型（cnc

9、 測(cè)量機(jī)可由軟件控制進(jìn)行f I動(dòng)測(cè)乩 2點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理敵7化測(cè)嚴(yán)紂到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不可避免地存在些何題.需 進(jìn)和故據(jù)的處理.這址逆向匸程的關(guān)鍵壞恢兀結(jié)杲曲接形響 到r;期模乜匝枸的質(zhì)尿.點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括喙聲公除.褻視 對(duì)齊、數(shù)抑梢簡(jiǎn)數(shù)據(jù)光順、數(shù)擁分割等諸姜方曲。2. 1噪聲去除測(cè)園過(guò)程中由于測(cè)殂設(shè)備精度、操作？f經(jīng)臉、被測(cè)件表面 碩斌、壞境等因責(zé)的步響.容劾產(chǎn)主 陀噪曲點(diǎn)（測(cè)嚴(yán)以無(wú)點(diǎn)）. 這些點(diǎn)將形響飯構(gòu)模型的尢順性痕將兀剔除。噪聲點(diǎn)的判別 冃前主耍方法如下： 血接講別對(duì)一些明顯的片就點(diǎn)點(diǎn)和散乩點(diǎn)，可通過(guò)肉眼 判別直接刪除。 曲找憐充法利用加小二乘法通過(guò)豉而數(shù)抓的杵末點(diǎn)擬 介曲線.檢代中何并數(shù)撫點(diǎn)

10、到曲線的臬離是古超過(guò)允許值來(lái)判 定其足否為噪聲點(diǎn) 角度判斷法檢金點(diǎn)沿打描線方向與潞后兩點(diǎn)形成的夾 角廿小于允許值則該點(diǎn)可視為噪點(diǎn) 1d計(jì)如樣 到建銭（弦的距離廿該即離大于允許值則視為噪點(diǎn)2.2多視對(duì)齊由于夜測(cè)件過(guò)大（如汽彳段鍛件的測(cè)磺）或形狀貝雜.測(cè)屋 時(shí)往往不俺次測(cè)出所有數(shù)據(jù).而需耍從不同位覽.多視角進(jìn)行 姜次劃嚴(yán).再將這歧點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)齊.拼接參P2數(shù)據(jù)對(duì)齊實(shí)質(zhì)為 界求采n不同坐標(biāo)系下點(diǎn)云何的空伺變換,以進(jìn)行空間匹ne. a 體為計(jì)弊満足如卜11標(biāo)用數(shù)的竝轉(zhuǎn)和半移吱換她陣R.r：min£ R pi* T qj、（p.r（74為需對(duì)齊的點(diǎn)云這足個(gè)高度芥線性問(wèn)題點(diǎn)云對(duì)齊的研究主耍集中于尋

11、 求該創(chuàng)題的快速仃效的求解方法。其中赧”名的是BZ和 Mckay于1992年提出的ICP算法點(diǎn)云對(duì)齊方法主5! fir對(duì)ftMM直接對(duì)齊和£ J-圖形的時(shí) 齊兩種，采用對(duì)數(shù)擁的克接對(duì)齊方法時(shí)徐點(diǎn)云需仃明顯待征. 當(dāng)被測(cè)件將征不明顯時(shí)可在其上人工粘曲轉(zhuǎn)征點(diǎn)。而基于圖 形的對(duì)齊方法.則是先對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行局部造型.再對(duì)齊這些兒何 圖形.但很多時(shí)像局部堆型因難.相比之下該方法對(duì)齊效卒更 低目前各種癇用逆向軟件基本都提供"視対齊功能.如點(diǎn) 云處理軟件PohworlM采用了敵州的直接對(duì)齊方法而囪而取構(gòu) 軟件Imagcwarr則網(wǎng)種方法都采用（柑比之.b Iniagrwarv操作 員雜.對(duì)齊

12、效率低點(diǎn)云對(duì)齊后還應(yīng)去掉以點(diǎn)云甫魯?shù)娜哂鄶?抑;并姒終將它們拼介為一個(gè)斃整的點(diǎn)云2.3數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)采用接觸式3D打描儀iJHj測(cè)雖時(shí)何次打描勻到的測(cè)址 敵按是成千匕萬(wàn)的海最點(diǎn)云.卄對(duì)這歧點(diǎn)云克接造空 -方面大 MIK的”儲(chǔ)和處理iflicnn：機(jī)資源便處理速度受慢浪費(fèi) 時(shí)間刃 方啲并不於所仃的數(shù)據(jù)點(diǎn)也曲而垂構(gòu)的都陡用上.w 此仆必要在保證一定輕度的敢提下對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行橋簡(jiǎn)點(diǎn)加的箱簡(jiǎn)町來(lái)用下列方式，平均材簡(jiǎn)一原點(diǎn)公中毎it 個(gè)點(diǎn)保用個(gè);按弾離椅簡(jiǎn)一刪除一歧點(diǎn)后使保留的點(diǎn)云中 點(diǎn)卩點(diǎn)何的覽離均人某值：按戎偏足梢簡(jiǎn)圖2為對(duì)汽午段 並件點(diǎn)云分別采用三種輕簡(jiǎn)方式結(jié)果對(duì)比.由圖中町知按孩偏 羞粘簡(jiǎn)可使曲年變化人的

13、部分保皿更篡的點(diǎn).這對(duì)曲而載構(gòu)足 令利的（訂原點(diǎn)云（M平均輔簡(jiǎn)（e）«WWWM（d）tt弦仮左搐簡(jiǎn)圖2汽乍覆孟件點(diǎn)云帶簡(jiǎn)方式對(duì)比2.4數(shù)據(jù)光顧受人為和環(huán)境岡索的彩響.測(cè)饋的數(shù)據(jù)將包含噪聲.為降 低噪聲對(duì)后續(xù)纜模的滋響町對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行光順處理.UP對(duì)點(diǎn)點(diǎn) 進(jìn)行池波。常用的濾波昇法勺髙斯«；ausMan）濾波、半均 （/Xvrmging）濾波和中值（Mrdhm）濾波三種 A斯濾波指釆IT點(diǎn) 的權(quán)重為島斯分布.半均效柴小.故濾波時(shí)曉較好地保持廉形 貌平均濾波折采樣點(diǎn)的值為以數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平句值。中值滋 波折采樣點(diǎn)的值為以數(shù)舟點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值.這種濾波"J牧好地消 除無(wú)剌這三種方式

14、可根抑具體情況靈活應(yīng)用點(diǎn)云濾波主耍 是針對(duì)有睜點(diǎn)公進(jìn)行的若點(diǎn)云無(wú)序則可能出現(xiàn)意外絡(luò) 數(shù) 折光噸與維持點(diǎn)云高箝度在一定程度匕是對(duì)立的.點(diǎn)云精度越 可能比順性tMMLrfu處用度可能降低 W此操作時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品的用途和要求介理地設(shè)譽(yù)濾波參數(shù).2. 5數(shù)據(jù)分割ifiW況下.被測(cè)件不是由一個(gè)曲面構(gòu)成的.而是由若干 門山曲而、規(guī)則曲面及平面姐成.故在曲面重構(gòu)前霜耍根據(jù)被 測(cè)件外現(xiàn)待點(diǎn)進(jìn)彳J數(shù)據(jù)分割.以便對(duì)不同部分采用介理的方法 構(gòu)邀曲面最后再將所仔曲而片折接、縫介成個(gè)整體.點(diǎn)云數(shù) 撫的分割方法分為測(cè)雖過(guò)程中的分抽和測(cè)雖后的分割。測(cè)誼過(guò)程中的分割繪指接觸式測(cè)就過(guò)程中.提作人員根據(jù) 被測(cè)件的外形抽征人為進(jìn)行曲

15、面劃分.檢據(jù)劃分結(jié)果觀劃測(cè)敬 路他將不同曲面的測(cè)址保存為不同的點(diǎn)云該方法分割效果 依賴丁操（1*的經(jīng)衆(zhòng)和被測(cè)件外觀的貝雜度.© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved ki.ncl第9期2005年9月-58 -機(jī)械設(shè)計(jì)與制造Machinery Design & Manufacture丈堂“小 1001 -3997(2005 >09-0058 -02基于數(shù)字樣機(jī)技術(shù)的新產(chǎn)品開發(fā)文懷興 郭 就 劉 止(陜西科技人學(xué)機(jī)也工程學(xué)院咸陽(yáng)712081)Deve

16、lopment of new product on the basis of digital prototypeWEN Huai - xingt GUO Hui» LIU Zheng(Shaanxi Llniversity of Science and lechnologj Xianyang 712O8L China)-【摘?！空撌隽藟綣" Pru/Engineer軟件為屮心的數(shù)7樣機(jī)設(shè)汁過(guò)程,通過(guò)建模、優(yōu)化、動(dòng)態(tài)仿貞等tf關(guān)鍵技術(shù)的研究與實(shí)現(xiàn)，構(gòu)建了集成的虛擬設(shè)計(jì)與制造環(huán)境，可以快速開發(fā)出滿足設(shè)計(jì)要求的創(chuàng)新: I產(chǎn)品。關(guān)鍵詞：數(shù)了樣機(jī)：Pro/Engineer:按摩機(jī)|A

17、bstract! This paper introduces lhe design procedure of digital protol)e on the basis of Pro/Engineer. H)the research and achievement of model developing, optimizing and dynamic emulating, we produce t the ent ironmeiH of visual design and nianiifucttiring. As a result, u e deielop lhe neu prinlucl a

18、ccording the demands in a short period.Key words: Digital prototype： Pro/Engineer： Massage appliance中圖分類號(hào)：TP39I.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第9期2005年9月-# -1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved,

19、第9期2005年9月-# -1引言數(shù)字膵機(jī)技術(shù)也稱虛擬樣機(jī)技術(shù).是20世紀(jì)80年代隨若 計(jì)刃機(jī)技術(shù)而迅速發(fā)展起來(lái)的頂新技術(shù).其孩心足機(jī)械系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿典技術(shù)同時(shí)還包括三維CAD建模、仃限兀 分析加優(yōu)化等相關(guān)技術(shù)運(yùn)用敵字樣機(jī)技術(shù)可以縮短機(jī)械產(chǎn)2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與功能2. 1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)木汝設(shè)計(jì)上嬰在敎7樣機(jī)設(shè)計(jì)理論的指導(dǎo)下通過(guò)以Pro/ E為中心的-系列軟件的聯(lián)合使用.優(yōu)化設(shè)計(jì)出符合便用整求 的三維整旬按摩機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖I所示.1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reser

20、ved, 第9期2005年9月-# -品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期.減少產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和成軋 提為產(chǎn)品質(zhì)雖 與性能.獲得鼓優(yōu)的創(chuàng)新產(chǎn)品目曲該技術(shù)已在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)中 人呈應(yīng)用推動(dòng)f仝球制造業(yè)利新產(chǎn)朋開發(fā)技術(shù)的快辿發(fā)燼-為此.我們?cè)趧?chuàng)新產(chǎn)品一三織廉芟按摩機(jī)的開發(fā)中采用 r該技術(shù),建立了產(chǎn)乩的三維實(shí)體模里.分析研究了產(chǎn)品的製 配性可制造性和運(yùn)動(dòng)特性.模擬產(chǎn)品的裝配和工作過(guò)程在虛 擬環(huán)境下進(jìn)行設(shè)計(jì)iffl試.達(dá)到了產(chǎn)品設(shè)計(jì)性能整求,為生產(chǎn)物 理樣機(jī)提供了理論依據(jù)該產(chǎn)品空2004年全國(guó)大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新 設(shè)計(jì)大賽西北地區(qū)比賽中榮獲二等獎(jiǎng)一體化用戶成fflI設(shè)計(jì)過(guò)程的系統(tǒng)總體松圖2.2系統(tǒng)功能*來(lái)誓日如2005-01 -13

21、業(yè)拉設(shè)計(jì)和制造環(huán)境丄姿包拈以卜兒個(gè)功能模塊。鬪訊斤的分割是指測(cè)欣完成.并對(duì)點(diǎn)云進(jìn)彳J噪聲去除、多PX撫光甌.數(shù)據(jù)分割等方面對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理進(jìn)行了討論。在產(chǎn)品1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved, 第9期2005年9月-59 -對(duì)齊我據(jù)W簡(jiǎn)、散抑;光噸麻進(jìn)行的分割.這種分割緡進(jìn)行笑雜的推理計(jì)算具體有基F邊和基r-ifti 兩種判定方法。廉于邊的方法是指通過(guò)敵據(jù)點(diǎn)法矢斤的究變或 衙階呂散不連續(xù)判定其圧會(huì)為邊界點(diǎn)連接外邊界點(diǎn)成対閉環(huán). 則邊界壞內(nèi)的點(diǎn)云為一個(gè)曲面片.諛?lè)椒ㄖ挥玫竭吔缇植繑?shù) 擁.II易受噪點(diǎn)彬響可能出現(xiàn)借謀的推理結(jié)果.菇于面的方法 址將具有相