基于逆向工程的三維測(cè)量技術(shù)的研究

1、 基于逆向工程的三維測(cè)量技術(shù)的研究Research of 3D Measurement Based on Reverse -engineering喻彩麗(浙江科技學(xué)院機(jī)械與汽車工程學(xué)院,浙江杭州310023摘要:本文提出一種基于逆向工程技術(shù)的復(fù)雜曲面產(chǎn)品快速制造技術(shù),主要通過(guò)3D 激光掃瞄測(cè)量設(shè)備獲取曲面數(shù)據(jù),根據(jù)曲面特征對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行除噪、壓縮、規(guī)則化處理,利用曲面型值點(diǎn)直接作成NC 刀路。該方法有效避免了繁雜的曲面重構(gòu)過(guò)程,提高了復(fù)雜曲面產(chǎn)品制造的效率。關(guān)鍵詞:復(fù)雜曲面;三維測(cè)量;數(shù)據(jù)處理;曲面重構(gòu)1引言逆向工程是近幾年來(lái)飛速發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù),測(cè)量機(jī)作為這一系統(tǒng)中的一個(gè)重要環(huán)節(jié),得到廣泛應(yīng)用

2、。現(xiàn)代激光掃瞄測(cè)量?jī)x是非接觸式設(shè)備的典型代表,其特點(diǎn)是把實(shí)體的模型轉(zhuǎn)化成數(shù)字化三維坐標(biāo)。其測(cè)量技術(shù)也比較成熟,因此在曲面造型設(shè)計(jì)中得到廣泛應(yīng)用。本文通過(guò)3D 激光掃瞄進(jìn)行三維數(shù)據(jù)采集,由點(diǎn)云直接生成曲面數(shù)模。23D 激光掃瞄技術(shù)3D 激光掃瞄的特點(diǎn):激光掃瞄速度快、精確度適當(dāng),并且可以掃描立體的物品獲得大量點(diǎn)云數(shù)據(jù),以利曲面重建,掃瞄完后在計(jì)算機(jī)讀出數(shù)據(jù),通常這部份稱為逆向工程技術(shù)的前處理過(guò)程。三維激光掃瞄技術(shù)(3D Scan 是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù),主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃瞄,以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的

3、數(shù)字信號(hào),為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。33D 激光掃瞄測(cè)量數(shù)據(jù)處理技術(shù)311生成的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理掃瞄得到數(shù)據(jù)會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差,尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù),測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn),可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面,所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理。(1去掉噪音點(diǎn),常用檢查方法是將點(diǎn)云顯示在圖形終端上,或者生成曲線曲面,采用半交互半自動(dòng)的光順?lè)椒▽?duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)整。(2數(shù)據(jù)插補(bǔ),對(duì)于一些掃描不到的區(qū)域,其數(shù)據(jù)只能通過(guò)數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來(lái)補(bǔ)齊,這里要考慮兩種曲面造型技術(shù),基于點(diǎn)的曲面逆向造型和基于點(diǎn)的曲面擬合技術(shù)。312數(shù)據(jù)擬合面向C AD/C AM 建模技術(shù)的測(cè)量過(guò)程通常采用樣

4、條曲線曲面擬合方法。B 樣條曲線的基函數(shù)為B 樣條基Fl ,n (t ,Fl ,n (t 的具體含義如下:F l ,n (t =n n !n -1j =0(-1j C j n +1(t +n -l -j n(1式中:0t 1;l =0,1,n 。由此,可以推廣得B 樣條曲線得定義:給定m +n +1個(gè)型值點(diǎn),用向量Qi 表示(i =0,1,m +n 稱n 次參數(shù)曲線:p i ,n (t =nl =0Q i +lF l ,n (t (i =0,1,m (2為n 次樣條的第i 曲線。這樣一共有m +1段B 樣條曲線,把相鄰的Q i +1和Q i +l +1(l =0,1,n -1用直線段連接起來(lái)得

5、到的折線多變形成為第i 段的B 特征多變形。由第i 段的B 特征多變形決定了第i 段的B 樣條曲線。因此,B 樣條曲線是一段連接起來(lái)的,并保持C m +1階連續(xù)。在實(shí)際應(yīng)用中,最常用的是二次B 樣條曲線和三次B 樣條曲線。分析二次B 樣條曲線的形成:根據(jù)上式(2,令n 等于2,則得到二次B 樣條曲線定義為:P i ,2=2i =0Q l +iF l ,2(t (0t l (3根據(jù)式(1,計(jì)算基函數(shù)F l ,2(t :l =0,F 0,2(t =12(t +22-3(t +12+3 t 2=12(t 2-2t +1l =1,F l ,2=12(t +12-3t 2=12(-2t 2+2t +1l

6、 =2,F 2,2(t =12t2(4代入式(3得P i ,2(t =12(t 2-2t +1Q i +12(-2t 2+2t +1Q i +12t 2Q 2+1(583計(jì)量與測(cè)試技術(shù)2010年第37卷第7期由上式得t=0,P i,2(0=12(Q i+Q i+1t=1,P i,2(1=12(Q i+1+Q i+2(6由上兩式可推出,二次B樣條曲線的起點(diǎn)在向量Q i Q i+1的中點(diǎn)上,終點(diǎn)在向量Q i+1Q i+2的中點(diǎn)上,對(duì)式(5求導(dǎo)可知二次B樣條曲線起點(diǎn)得切向量為Q i Q i+1,終點(diǎn)得切向量Q i+1Q i+2,亦即曲線在起點(diǎn)處得切線為Q i Q i+1,曲線在終點(diǎn)處的切線為Q i+

7、1Q i+2。同理,可得第i段B樣條曲線的起點(diǎn)的切向量。二次B樣條曲線是一組各段之間具有一階導(dǎo)數(shù)連續(xù)的二次曲線。這樣,以測(cè)量坐標(biāo)數(shù)據(jù)為型值點(diǎn),擬合出B樣條曲線或曲面方程。313曲面的構(gòu)建由三維掃瞄儀所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)建立曲面的方式一般可以分為兩種:一種是以近似的方式、另一種是以插補(bǔ)的方式來(lái)將順序的點(diǎn)數(shù)據(jù)建立成為曲面,以下我們分別就這兩種方法做一介紹:(1近似法(approximation,以近似法來(lái)重建曲面,首先必須先指定一個(gè)容許誤差值(tolerance,并在U、V方向建立控制點(diǎn)的起始數(shù)目,以最小平方法來(lái)擬合出(fit一個(gè)曲面后將量測(cè)之點(diǎn)投射到曲面上并分別求出點(diǎn)到面的誤差量,控制誤差量至指定

8、的容許誤差值內(nèi)以完成曲面的建立,如果量測(cè)的數(shù)據(jù)很密集或是指定的容許誤差很小,則運(yùn)算的時(shí)間會(huì)相當(dāng)?shù)木谩Ｒ越品▉?lái)擬合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需要通過(guò)每個(gè)量測(cè)點(diǎn),因此對(duì)于量測(cè)時(shí)的噪聲將有抑除的作用,綜合以上所述,使用近似法的時(shí)機(jī)通常是點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)多且含噪聲較大的情況下;(2插補(bǔ)法(interpolation,以插補(bǔ)的方式來(lái)進(jìn)行曲面的建立,則是將每個(gè)截面的點(diǎn)數(shù)據(jù),分別插補(bǔ)得到通過(guò)這些點(diǎn)的曲線,再利用這些曲線來(lái)建立一個(gè)曲面。以插補(bǔ)的方式進(jìn)行曲面數(shù)據(jù)建立,其優(yōu)點(diǎn)在于得到曲面一定會(huì)通量測(cè)之點(diǎn)數(shù)據(jù),因此如果數(shù)據(jù)量大的話,所得到的曲面更近似于原曲面模型,然而也因?yàn)槿绱?如果量測(cè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)含大量的噪聲則在重建曲面時(shí)

9、大量的噪聲將被含入而產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。綜合以上所述,以插補(bǔ)法來(lái)重建曲面較佳的使用時(shí)機(jī)是對(duì)于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點(diǎn)群數(shù)據(jù)。4創(chuàng)建產(chǎn)品的C AD模型根據(jù)本文提出的坐標(biāo)測(cè)量方法,我們采用意大利Hexag on旗下DE A的移動(dòng)橋式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)零件進(jìn)行了曲面測(cè)量,根據(jù)測(cè)量點(diǎn)坐標(biāo)值,擬合成曲面如圖1所示:這時(shí)零件一部分形狀,需要測(cè)得其他部位的坐標(biāo)值再疊合,同時(shí)利用UG軟件系統(tǒng)的放樣、豁合、掃掠和四邊曲面等功能進(jìn)行曲面構(gòu)造,最后通過(guò)延伸、過(guò)渡等操作,縫合成整體的曲面模型 。圖1實(shí)體曲面模型5結(jié)束語(yǔ)闡述了三維掃瞄技術(shù)的應(yīng)用范圍,具體分析了三維掃瞄測(cè)量在制造業(yè)中的應(yīng)用,著重闡述了三維掃瞄測(cè)量數(shù)據(jù)處理過(guò)程

10、,并介紹了曲面造型過(guò)程中的幾個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。隨著研究開(kāi)發(fā)的進(jìn)一步發(fā)展,各種新的技術(shù)將不斷出現(xiàn),廣泛應(yīng)用到高等院校的研究課題,利用三維激光掃瞄儀、三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x與C AD、C AM、C AE、RP技術(shù)集成開(kāi)展計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)及先進(jìn)制造技術(shù)的研究工作,并面向整個(gè)離散制造業(yè)和整個(gè)制造過(guò)程開(kāi)展工作,研究領(lǐng)域涉及制造工程、工業(yè)工程、計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)、工業(yè)企業(yè)管理等,研究?jī)?nèi)容包括制造系統(tǒng)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)過(guò)程優(yōu)化、生產(chǎn)計(jì)劃與控制、制造資源的規(guī)劃與管理、管理信息系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造等。參考文獻(xiàn)1唐國(guó)良.Cimatron V12曲面造型與CNC加工M.北京:人民郵電出版社,2002.6.2袁名偉,陳曉曦.現(xiàn)代制造實(shí)驗(yàn)(CNC/CAD/CAM技術(shù)M.北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2005.3單巖,吳立軍.三維造型技術(shù)基礎(chǔ)(CAD實(shí)用技術(shù)M.北京:清華大學(xué)出版社,2004.4單巖,謝斌飛.Imageware逆向造型應(yīng)用實(shí)例M.北京:清華大學(xué)出版社,2007.2.5楊海成,王俊彪.數(shù)字化設(shè)計(jì)制造技術(shù)基礎(chǔ)M.西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,2007.1.6唐一平,洪軍,趙萬(wàn)華.先進(jìn)制造技術(shù)(Advanced M anu facturing T ech2 nologyM.北京:科學(xué)出版社,2006.7鄧三鵬,馬蘇常.先進(jìn)制造技術(shù)M.北京:中國(guó)電力出版社,2006.8?？怂箍禍y(cè)量技術(shù)(青島有限