摘要 面向敏捷制造的使能技術(shù)研究和應(yīng)用 摘要 當(dāng)前，市場競爭日益加劇。為了在競爭中占據(jù)有利的地位，企業(yè)必 須對(duì)動(dòng)態(tài)變化和難以預(yù)測的市場需求作出快速響應(yīng)。本文為了提高企業(yè) 的產(chǎn)品快速能力，研究面向敏捷制造的使能技術(shù)，進(jìn)行集成反求工程系 統(tǒng)的研究開發(fā)，其包括數(shù)據(jù)采集與處理、模型重構(gòu)、產(chǎn)品制造等子系統(tǒng)。 1 數(shù)據(jù)采集與處理。比較了常用的數(shù)據(jù)獲取方法，分析了數(shù)據(jù)采集 設(shè)備和策略，闡述了數(shù)據(jù)對(duì)齊、平滑、精簡及分割等點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的 技術(shù)流程。 2 模型的三維實(shí)體重構(gòu)。首先闡述了基于三角b e z i e r 曲面、b 樣條 和n u r b s 曲面的曲面模型重構(gòu)的理論。其次討論了基于特征的反求建 模技術(shù)，給出了基于曲面特征和基于截面特征的反求工程建模策略。然 后分析了r e c a d 復(fù)合實(shí)體建模的關(guān)鍵技術(shù)，提出了一種基于點(diǎn)云切 片的截面特征線提取建模方法，避免了大規(guī)模散亂點(diǎn)云的復(fù)雜三角化計(jì) 算，提高了建模效率，減少了重構(gòu)誤差。最后對(duì)反求模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn) 行了分析。 3 基于反求工程的產(chǎn)品制造。對(duì)快速原型與快速模具制造技術(shù)的原 摘要 理及過程、數(shù)控加工工藝優(yōu)化進(jìn)行了論述。 4 工程應(yīng)用實(shí)例。利用研究的集成反求工程系統(tǒng)，在i m a g e w a r e $ 1 u g i i 軟件平臺(tái)環(huán)境下，對(duì)一個(gè)汽車閥體的反求工程實(shí)體建模進(jìn)行具體的 工程應(yīng)用研究，并通過快速原型和快速模具制造裝備及其數(shù)控機(jī)床進(jìn)行 了產(chǎn)品制造，證實(shí)了系統(tǒng)的有效性和可行性，達(dá)到了要求的精度和效率， 可進(jìn)一步研究加以改進(jìn)應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：敏捷制造，反求工程，模型重構(gòu)，快速原型，快速模具， 數(shù)控加工 碩_ ：學(xué)位論文 a b s t r a c t t h es t u d ya n da p p l i c a t i o no f e n a b l i n g t e c h n o l o g yf o ra g i l em a n u f a c t u r i n g a bs t r a c t p r e s e n t l y , t h em a r k e tc o m p e t i t i o ni n t e n s i f i e sd a yb yd a y e n t e r p r i s e s m u s tr e s p o n dr a p i d l yt ot h ec h a n g i n ga n du n c e r t a i nm a r k e ti no r d e rt o o v e r c o m et h e i rc o m p e t i t o r s a i m e dt oi m p r o v ee n t e r p r i s e s a b i l i t yi nt h e r a p i dd e v e l o p m e n to fn e wp r o d u c t s ，t h i sd i s s e r t a t i o ns t u d i e dak i n do f i n t e g r a t e ds y s t e mo fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，i n c l u d i n gd a t aa c q u i s i t i o na n d p r o c e s s i n gs u b - s y s t e m ，m o d e lr e c o n s t r u c t i o ns u b s y s t e ma n dp r o d u c t m a n u f a c t u r i n gs u b s y s t e m ， f o r e n a b l i n gt e c h n o l o g y o f a g i l e m a n u f a c t u r i n g i tc o m p a r e dt h em e t h o d so fu s u a ld a t aa c q u i s i t i o n ，a n a l y z e dt h e e q u i p m e n t sa n dt a c t i c so fd a t aa c q u i s i t i o n ，d i s c u s s e dt h et e c h n o l o g yo f p o i n tc l o u d d a t a p r e p r o c e s s i n g a b o u td a t ar e g i s t r a t i o n ，s m o o t h n e s s ， r e d u c t i o na n ds e g m e n t a t i o ni nt h e c h a p t e ro fd a t aa c q u i s i t i o n a n d p r o c e s s i n g i nt h ec h a p t e ro fm o d e lr e c o n s t r u c t i o n ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o nb a s e d o nt r i a n g u l a rb e z i e r s u r f a c e ，b - s p l i n e a n dn u r bs s u r f a c ew a s i n t r o d u c e d t h er e v e r s em o d e l i n gt e c h n i q u eb a s e do nt h ef e a t u r eo f s u r f a c eo rs e c t i o nw a sd i s c u s s e dn e x t t h e nt h ek e yt e c h n o l o g yo f - i i i 碩i ：學(xué)位論文 a b s t r a c t r e c a dc o m b i n e ds o l i d m o d e l i n gw a sa n a l y z e d an e wm o d e l i n g m e t h o da b o u tt h ee x t r a c t i n go fs e c t i o nf e a t u r el i n eb a s e do np o i n tc l o u d c r o s ss e c t i o nw a sp r o p o s e d ，w h i c hc a na v o i dt h ec o m p l e xt r i a n g u l a r f a c t o rc a l c u la t i o no fl a r g e - s c a l ec o n f u s e dp o i n tc l o u d ，i m p r o v et h e e f f i c i e n c yo fm o d e l i n ga n dr e d u c et h ee r r o ro fr e c o n s t r u c t i o n l a s t l yt h e q u a l i t ye v a l u m i o no f r e v e r s em o d e lw a sa n a l y z e d t h et h e o r ya n d p r o c e s so fr a p i dp r o t o t y p i n ga n dr a p i dt o o l i n g ，t h e t e c h n o l o g yo p t i m i z a t i o no fn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gw e r ed i s c u s s e d i nt h ec h a p t e ro f p r o d u c tm a n u f a c t u r i n gb a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n g i nt h ec h a p t e ro fe n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o n ，t h er e v e r s ee n g i n e e r i n g s o l i dm o d e l i n go fa na u t o m o b i l ev a l v eb a s e do nt h ei m a g e w a r ea n du g i i s o f t w a r ew a sc o m p l e t e d ，t h eo b je c t sw e r et h e nm a n u f a c t u r e du s i n gr a p i d p r o t o t y p i n g ，r a p i dt o o l i n g a n dn u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n gt e c h n i q u e t h ee x p e r i m e n t sp r o v et h ev a l i d i t ya n df e a s i b i l i t yo ft h es y s t e m ，t h e p r e c i s i o na n de f f i c i e n c ya t t a i nt ot h ed e m a n da l r e a d y , a n dt h es y s t e mc a n b em o d i f i e da n d a p p l i e d k e yw o r d ： a g i l em a n u f a c t u r i n g ，r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，m o d e l r e c o n s t r u c t i o n ，r a p i dp r o t o t y p i n g ，r a p i dt o o l i n g ， n u m e r i c a lc o n t r o lm a c h i n i n g i v 東華大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：我恪守學(xué)術(shù)道德，崇尚嚴(yán)謹(jǐn)學(xué)風(fēng)。所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的 指導(dǎo)f ，獨(dú)立進(jìn)行研究一i ：作所取得的成果。除文中已明確注明和引 玎的內(nèi)容外，本論文不包 含任何其他個(gè)人或集體己經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品及成果的內(nèi)容。論文為本人親自撰寫，我對(duì) 所寫的內(nèi)容負(fù)責(zé)，并完全意識(shí)到本聲明的法律結(jié)果由本人承擔(dān)。 學(xué)位論文作者簽名：微華 日期： 如乒 ；ai b 東華大學(xué)學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書 學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，同意學(xué)校保留并向國家 有關(guān)部i 、j 或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，允許論文被查閱或借閱。本人授權(quán)東華人學(xué)可 以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等 復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。 保密口，在年解密后適片j 本版權(quán)一f 5 。 本學(xué)位論文屬?。?不保密口。 學(xué)位論文作者簽名：鏘 指導(dǎo)教師簽名： 日期少7 年三月晌 j 嗨犯 麟叩年；月廠日 碩士學(xué)位論文第一章緒論 第一章緒論 計(jì)算機(jī)技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的廣泛應(yīng)用與發(fā)展，打破了原有的時(shí)空界限 與觀念，使信息的傳輸量與傳輸速度大幅度提高，市場也從地方行業(yè)的 小市場變成全球的跨行業(yè)的大市場。一方面市場趨向全球化，競爭加??； 另一方面需求主導(dǎo)市場，并向個(gè)性化方向發(fā)展。市場需求的多樣化，使 得商務(wù)環(huán)境和制造模式發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，以生產(chǎn)規(guī)模( 5 0 ，6 0 年代) 、 牛產(chǎn)成本( 7 0 年代) 和產(chǎn)品質(zhì)量( 8 0 年代) 為競爭手段的傳統(tǒng)制造戰(zhàn)略向著 以快速市場響應(yīng)為競爭手段的新的制造戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移，在這種情況下，如何 敏捷地采用可利用的知識(shí)和技術(shù)，快速開發(fā)新產(chǎn)品，重組資源，組織生 產(chǎn)，滿足用戶“個(gè)性化產(chǎn)品的需要，就成為企業(yè)能否贏得競爭、不斷 發(fā)展的關(guān)鍵。 1 1 敏捷制造使能技術(shù) 2 0 世紀(jì)7 0 年代，由于美國在制造業(yè)方面戰(zhàn)略和戰(zhàn)術(shù)上的失誤，使 得美國的制造業(yè)嚴(yán)重地衰退，經(jīng)濟(jì)情況空前滑坡。而日本及歐洲各國積 極參與國際市場的激烈競爭，導(dǎo)致美國在整個(gè)國際市場中占有的份額急 劇下降。為了奪回在制造業(yè)上的優(yōu)勢，l9 91 年美國國會(huì)提出了重振美國 制造業(yè)雄風(fēng)的目標(biāo)，并委托里海( l e h i g h ) 大學(xué)聯(lián)合美國l3 家大公司的高 級(jí)行政、技術(shù)總裁和著名專家，經(jīng)過半年多的艱苦工作，前后耗資5 0 萬美元，完成了著名的“2l 世紀(jì)制造業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略 報(bào)告。該報(bào)告在對(duì)社 會(huì)發(fā)展趨勢的深刻剖析后，指出了制造業(yè)的方向，提出了敏捷制造( a g i l e m a n u f a c t u r i n g ) 的概念和哲理，描繪了一個(gè)嶄新的工業(yè)生產(chǎn)模式一全球化 敏捷制造模式。該報(bào)告在世界范圍內(nèi)引起了強(qiáng)烈反響【l ，2j 。 敏捷制造的核心是敏捷性，它是企業(yè)在不斷變化、不可預(yù)測的經(jīng)營 環(huán)境中善于應(yīng)變的能力，是企業(yè)在市場中生存和領(lǐng)先能力的綜合表現(xiàn)， 具體表現(xiàn)在產(chǎn)品的需求、設(shè)計(jì)和制造上具有敏捷性。其核心競爭力包括 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 市場響應(yīng)能力、產(chǎn)品開發(fā)能力和資源利用能力【3 1 。 敏捷制造的總體技術(shù)【4 】包括敏捷制造方法論和敏捷制造綜合基礎(chǔ)， 如圖1 1 所示。敏捷制造方法論是為正確理解敏捷制造哲理、正確考察、 分析和描述敏捷制造系統(tǒng)、正確開發(fā)和實(shí)施敏捷制造系統(tǒng)而提出的一套 完整的、開放的方法體系。敏捷制造綜合基礎(chǔ)為敏捷制造方法論提供了 全方位的支持環(huán)境、技術(shù)與工具等。 圖1 1 敏捷制造的總體技術(shù) 敏捷制造使能技術(shù)( e n a b l i n gt e c h n o l o g yf o ra g i l em a n u f a c t u r i n g ， e t a m ) 是指實(shí)施敏捷制造的必要技術(shù)和工具，可以歸納為敏捷制造信息 服務(wù)技術(shù)、敏捷管理技術(shù)、敏捷設(shè)計(jì)技術(shù)、可重組和可重用的制造技術(shù) 四類，這些技術(shù)都是基礎(chǔ)技術(shù)的綜合，是敏捷制造的基礎(chǔ)。敏捷制造使 能技術(shù)通常是共性和單項(xiàng)技術(shù)，是面向某一類問題而發(fā)展起來的，因此 適用面廣、影響大。敏捷制造的使能技術(shù)為制造企業(yè)經(jīng)營牛產(chǎn)與管理提 供使能服務(wù)，在企業(yè)生產(chǎn)業(yè)務(wù)活動(dòng)的不同階段發(fā)揮作用，其突破通常能 大幅度提升企業(yè)的敏捷性和競爭力。敏捷制造的使能技術(shù)是開放的，可 以不斷擴(kuò)大和完善。 l9 9 5 年1 1 月美國正式發(fā)布了敏捷制造使能技術(shù)戰(zhàn)略發(fā)展計(jì)劃 ( t e c h n o l o g i e se n a b l i n ga g i l em a n u f a c t u r i n gs t r a t e g i cp l a n ，t e a m ) 。 t e a m 計(jì)劃的豐要內(nèi)容有： ( 1 ) 產(chǎn)品并行設(shè)計(jì)面向制造能力和供應(yīng)能力的設(shè)計(jì)工具； ( 2 ) 制造計(jì)劃和控制集成的產(chǎn)品制造過程，用于制造計(jì)劃和車間 碩十學(xué)位論文第一章緒論 控制過程的快速迭代的自動(dòng)化工具；用于過程和資源的最優(yōu)化的宏觀和 微觀計(jì)劃器； ( 3 ) 虛擬制造用于制造過程的集成模擬和建模工具；產(chǎn)品加工前 的過程優(yōu)化； ( 4 ) 智能閉環(huán)過程強(qiáng)化制造過程控制；用于關(guān)鍵過程的開放式結(jié) 構(gòu)的控制器和算法。 此外，在其他國家也開展了大量敏捷制造的研究。9 0 年代，日本提 出一個(gè)名為“智能制造系統(tǒng)( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ，i m s ) 的 國際性研究計(jì)劃，在完成了可行性分析并確定組織結(jié)構(gòu)后，于19 9 5 年 正式起動(dòng)。德國、法國和英國也都參加了一項(xiàng)主題為“未來的工廠 的 尤里卡項(xiàng)目，為實(shí)施敏捷制造進(jìn)行基礎(chǔ)性研究工作。 在我國，國家8 6 3 c i m s 主題從l9 9 3 年就開始了對(duì)敏捷制造的跟蹤 研究，并結(jié)合我國企業(yè)狀況進(jìn)行了大量的調(diào)查研究。國家自然科學(xué)基金 委員會(huì)( n s f c ) 每年均資助了敏捷制造方面的研究項(xiàng)目。國內(nèi)學(xué)者對(duì)敏捷 制造的方法論、關(guān)鍵技術(shù)，敏捷制造的總體技術(shù)體系和評(píng)價(jià)體系，敏捷 制造的使能技術(shù)等進(jìn)行了研究和應(yīng)用1 3 巧j 。 周煥明，鄧宏籌等1 6 1 探索、分析了適合我國國情的敏捷制造使能技 術(shù)，并提出了8 項(xiàng)豐要研究內(nèi)容和應(yīng)部署的使能技術(shù)實(shí)質(zhì)性工作。 我國自從19 8 6 年以來，不少企業(yè)陸續(xù)采用了先進(jìn)的制造模式、技 術(shù)與系統(tǒng)，如柔性制造系統(tǒng)( f m s ) 、計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)( c i m s ) 和全面 質(zhì)量管理( t q m ) 等。但是，在實(shí)施先進(jìn)的制造模式和系統(tǒng)的過程中，只 有較少的企業(yè)能按既定的計(jì)劃實(shí)施并取得預(yù)定的經(jīng)濟(jì)效益，相當(dāng)一部分 實(shí)施企業(yè)是高投入、低效益，即具備了很好的裝備和技術(shù)，但未能形成 相應(yīng)的生產(chǎn)利潤和擴(kuò)大再生產(chǎn)的勢頭。分析其中的主要因素是： ( 1 ) 在全球經(jīng)濟(jì)一體化的進(jìn)程中，企業(yè)缺乏對(duì)市場的快速響應(yīng)能力， 產(chǎn)品開發(fā)能力弱，尤其是不適應(yīng)大規(guī)模定制生產(chǎn)對(duì)企業(yè)開發(fā)能力的巨大 挑戰(zhàn)； ( 2 ) 企業(yè)管理和生產(chǎn)調(diào)度遠(yuǎn)不能適應(yīng)動(dòng)態(tài)變化的制造環(huán)境，造成企 業(yè)的有限資源不能綜合優(yōu)化利用、生產(chǎn)能力不均衡、生產(chǎn)時(shí)續(xù)時(shí)斷、庫 碩+ 學(xué)位論文 第一章緒論 存不能處于最佳狀態(tài)、物料供應(yīng)具有一定的盲目性、生產(chǎn)計(jì)劃及控制信 息的不及時(shí)和不準(zhǔn)確性等； ( 3 ) 企業(yè)制造系統(tǒng)的效率不能充分發(fā)揮，處于高投入、低水平運(yùn)轉(zhuǎn)， 不能有效實(shí)現(xiàn)制造系統(tǒng)的過程監(jiān)控和設(shè)備的有效利用。 1 2 反求工程 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式很難用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述飛機(jī)、汽 車和船舶外形、工藝美術(shù)品等自由曲面。反求工程就為制造業(yè)提供了一 個(gè)全新的、高效的重構(gòu)于段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)物模型到c a d 模型的轉(zhuǎn)換，縮 短產(chǎn)品的制造周期，快速的響應(yīng)市場。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種方法， 在2 0 世紀(jì)9 0 年代初，反求工程就引起各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。 利用測量技術(shù)、c a d c a m 技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的反求 工程及其應(yīng)用，已成為c a d c a m 領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn) 7 - 1 0 】。 反求工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g 又稱逆向工程) 就是根據(jù)已經(jīng)存在 的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)( 設(shè)計(jì)圖紙或c a d 模型) ，反求設(shè) 計(jì)和正向設(shè)計(jì)的思想和方法是不同的，反求設(shè)計(jì)主要是根據(jù)掃描獲取的 點(diǎn)進(jìn)行擬合進(jìn)而得到曲線曲面，而正向設(shè)計(jì)豐要是參數(shù)化和交互式的設(shè) 計(jì)方式，因此在具體工程設(shè)計(jì)中把反求設(shè)計(jì)的自由曲面設(shè)計(jì)與正向設(shè)計(jì) 的參數(shù)化設(shè)計(jì)和特征建模結(jié)合起來，取長補(bǔ)短。提高設(shè)計(jì)的效率，降低 設(shè)計(jì)的成本和時(shí)間。研究正反向復(fù)合設(shè)計(jì)的技術(shù)與方法對(duì)有復(fù)雜型面的 結(jié)構(gòu)產(chǎn)品設(shè)計(jì)有著現(xiàn)實(shí)的工程和技術(shù)意義【1 1 ，12 1 。 反求工程技術(shù)是2 0 世紀(jì)8 0 年代初分別由美國3 m 公司、日本名古 屋工業(yè)研究所以及美國u v p 公司提出并研制開發(fā)成功的。在越來越劇 烈的市場競爭中，這項(xiàng)技術(shù)早已被先進(jìn)工業(yè)國家有遠(yuǎn)見的企業(yè)所采用， 為大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期發(fā)揮了重要作用。 1 2 1 軟件系統(tǒng) 近年來，國內(nèi)外對(duì)反求工程技術(shù)進(jìn)行了大量的理論研究并發(fā)表了許 多研究論文 1 3 - 1 6 】。l9 9 7 年，c a d 雜志出版了關(guān)于反求工程的專輯 【c a d 9 7 】，在該專輯中，v a r a d y 等人對(duì)反求工程中的幾何反求技術(shù)作了 碩士學(xué)位論文第章緒論 一量 很好的綜述。迄今，國外開發(fā)了多個(gè)具有反求工程功能的系統(tǒng)和模塊， 主要有：美國r a i n d r o p 公司出品的g e o m a g i c 、美國e d s 公司的 l m a g e w a r e ( 原s u r f a c e r ) 、英國d e l c a m 公司產(chǎn)品c o p y c a d 、韓國i n u s 公司出品的r a p i d f o r m 等等，以及一些大型的軟件里面集成的反求模塊 c a t i a d s e 、p r o s c a n t o o l s 等。 在我國，浙江大學(xué)、清華大學(xué)，華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、北 京航空航天大學(xué)等開展了反求工程建模技術(shù)的研究，并取得了很多可喜 的成果。其中浙江大學(xué)最早在我國推出了r e s o f t 反求工程軟件系統(tǒng)】。 這些系統(tǒng)主要以交互操作和曲面重建為主，同時(shí)一些系統(tǒng)也逐漸采 用了特征建模技術(shù)，可以進(jìn)行一些簡單的特征的重建( 如i m a g e w a r e 可 以進(jìn)行一些簡單的二次曲面的特征識(shí)別和重建) ，用戶可以方便地對(duì)測 量數(shù)據(jù)進(jìn)行簡化、光順及擬合等。通過數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，可與其它系統(tǒng)進(jìn) 行數(shù)據(jù)交換。按所構(gòu)建的曲面種類可分為n u r b s 曲面系統(tǒng)和三角b e z i e r 曲面系統(tǒng)。目前主要以n u r b s 曲面系統(tǒng)為主。n u r b s 曲面是當(dāng)前工業(yè) 界c a d 數(shù)據(jù)交換的標(biāo)準(zhǔn)，所以此類系統(tǒng)與目前商品化c a d c a m 系統(tǒng) 的數(shù)據(jù)交換非常方便，缺點(diǎn)是所構(gòu)造的曲面不是實(shí)體模型，而是片體狀 態(tài)需要與c a d 系統(tǒng)結(jié)合建立實(shí)體模型。生成三角b e z i e r 曲面的系統(tǒng)主 要為r e s o f t ，其早期功能主要集中在散亂數(shù)據(jù)的三角化和三角曲面建 模方面，首先生成三角形網(wǎng)格，然后提取曲面特征，精化三角形網(wǎng)格， 最后構(gòu)造三角b e z i e r 曲面，保證曲面片之間g o 光滑連接。優(yōu)點(diǎn)在于三 角形曲面能靈活地表現(xiàn)各種復(fù)雜曲面，缺點(diǎn)是與目前的商用c a d c a m 兼容性差：后來，在三角曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了n u r b s 曲面的分塊 重構(gòu)，其應(yīng)用也越來越廣泛。 無論采用三角曲面還是四邊域曲面建模，所得到的曲面模型只能實(shí) 現(xiàn)對(duì)樣件的原樣拷貝，很難提取和表達(dá)隱含在點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的特征信息和 原始設(shè)計(jì)信息，而且重建的模型也很難進(jìn)行修改，無法實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)和 系列化設(shè)計(jì)。正向設(shè)計(jì)中的特征造型技術(shù)己經(jīng)比較成熟，由于特征是幾 何參數(shù)、約束信急、拓?fù)湫偶钡雀鞣N信息的綜合表達(dá)，顯然，采用特征 表達(dá)的反求工程模型，相對(duì)于傳統(tǒng)的曲面模型具有無可比擬的優(yōu)勢。為 碩士學(xué)位論文 第一章緒論 了得到基于特征表達(dá)的參數(shù)化反求工程c a d 模型，將正向設(shè)計(jì)中的特 征技術(shù)引入到反求工程中，已成為近年來國內(nèi)外學(xué)者研究的重點(diǎn)，反求 工程中的各種特征處理技術(shù)也相繼得到了研究。但是這些特征技術(shù)相對(duì) 獨(dú)立，沒有形成系統(tǒng)的基于特征的反求工程技術(shù)。 1 2 2 應(yīng)用領(lǐng)域 反求工程作為一個(gè)迅速發(fā)展的學(xué)科，它逐漸應(yīng)用到較多的領(lǐng)域，概 括起來有以下一些具體應(yīng)用【18 2 1 】： ( 1 ) 在諸如飛機(jī)、汽車、摩托車、家用電器等產(chǎn)品開發(fā)中，產(chǎn)品的 空氣動(dòng)力學(xué)性能和美學(xué)設(shè)計(jì)顯得特別重要，一般是首先制作木質(zhì)或粘土 全尺寸或比例模型，然后利用反求工程技術(shù)重建c a d 模型。因此，反 求工程技術(shù)在此類產(chǎn)品的快速開發(fā)中顯得舉足輕重。 ( 2 ) 對(duì)現(xiàn)有產(chǎn)品的局部修改。由于工藝、美觀、使用效果等方面的 原因，經(jīng)常要對(duì)已有的產(chǎn)品做局部修改。在原始設(shè)計(jì)沒有三維c a d 模 型的情況下，若能將實(shí)物構(gòu)件通過反求得到與實(shí)際相符的c a d 模型， 對(duì)c a d 模型進(jìn)行修改以后再進(jìn)行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。 ( 3 ) 對(duì)以已有產(chǎn)品為基礎(chǔ)進(jìn)行的設(shè)計(jì)。在缺乏二維設(shè)計(jì)圖紙或者原 始設(shè)計(jì)參數(shù)情況下，借鑒別人的成功設(shè)計(jì)并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行產(chǎn)品再創(chuàng)新 設(shè)計(jì)是在劇烈競爭的市場中趕超同類行業(yè)先進(jìn)水平的一個(gè)重要捷徑，也 是當(dāng)今的一條新的設(shè)計(jì)理念。 ( 4 ) 磨損或損壞物體的還原。某些大型設(shè)備，如航空發(fā)動(dòng)機(jī)、汽輪 機(jī)組等，常會(huì)因?yàn)槟骋涣悴考膿p壞而停止運(yùn)行，通過反求工程手段， 可以快速生產(chǎn)這些零部件的替代件，從而提高設(shè)備的利用率和使用壽 命。 ( 5 ) 一些特殊領(lǐng)域，如：藝術(shù)品、建筑、考古文物的復(fù)制，醫(yī)學(xué)領(lǐng) 域中人體骨骼、關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造，特種服裝、頭盔的制造需要 首先建立人體的幾何模型，這些情況下都必須從實(shí)物模型出發(fā)得到c a d 模型。 ( 6 ) 產(chǎn)品的檢測。測量產(chǎn)品的三維點(diǎn)云，與c a d 模型進(jìn)行比較，分 析產(chǎn)品的制造誤差。 碩士學(xué)位論文第一章緒論 1 2 3 關(guān)鍵技術(shù) 反求工程的關(guān)鍵技術(shù)包括： ( 1 ) 數(shù)據(jù)采集 數(shù)據(jù)采集的主要任務(wù)是獲取模型表面的三維坐標(biāo)信息，是反求工程 的基礎(chǔ)，是曲面重建中數(shù)據(jù)點(diǎn)的來源。同時(shí)，測量數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布與數(shù)量 的大小也影響曲面重建的方法和效果。數(shù)據(jù)采集分為接觸式和非接觸式 【2 2 彩】。典型的接觸式測量設(shè)備是三牮標(biāo)測量機(jī)( c o o r d i n a t i o nm e a s u r i n g m a c h i n e ，c m m ) 。近年來發(fā)展起來的斷層掃描測量能夠同時(shí)測量樣件的 表面和內(nèi)部特征【26 1 ，但設(shè)備價(jià)格比較昂貴。 ( 2 ) 數(shù)據(jù)預(yù)處理 預(yù)處理豐要包括數(shù)據(jù)的多視圖拼合 2 7 - 2 9 】，數(shù)據(jù)的平滑、精簡和分割 等。對(duì)具有掃描線特征的測量數(shù)據(jù)，可以通過高斯濾波 3 0 1 的方法去除噪 聲點(diǎn)，對(duì)于散亂的測量數(shù)據(jù)可以先對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行三角化處理然后用基 于網(wǎng)格光順的方法去除噪聲點(diǎn)【3 1 1 。m a r t i n 等于19 9 6 年在歐盟的哥白尼 項(xiàng)目中提出了使用均勻網(wǎng)格的數(shù)據(jù)精簡方法，該方法克服了均值和樣條 曲線簡化的阻滯，適合于簡單零件表面瑕點(diǎn)的快速去除。缺點(diǎn)是由于使 用均勻網(wǎng)格對(duì)零件的形狀捕捉不靈敏【32 1 。韓國的k h l e e 3 3 3 4 】等于2 0 01 年提出了一種用于激光掃描測量的數(shù)據(jù)精簡方法即非均勻網(wǎng)格法，對(duì)處 理具有變化尺寸的自由形狀物體方面更加有效。目前數(shù)據(jù)分割方法主要 有：基于邊的方法【35 1 、基于面的方法【36 1 。 ( 3 ) 曲面重構(gòu) 曲面重構(gòu)是反求工程中的重要內(nèi)容，也是研究最多的技術(shù)。文獻(xiàn) 3 7 4 0 從不同的角度對(duì)曲面重建的各類方法進(jìn)行了分類總結(jié)。根據(jù)所使 用的曲面的數(shù)學(xué)模型，曲面重建可分為函數(shù)曲面方法、隱函數(shù)曲面方法、 三角網(wǎng)格模型方法、三角b e z i e r 曲面和n u r b s 曲面方法。就目前的研 究成果來分析，比較成熟的技術(shù)主要有以b 樣條或n u r b s 曲面為基礎(chǔ) 的矩形參數(shù)域曲面構(gòu)造和以b e z i e r 曲面為基礎(chǔ)的三角形參數(shù)域曲面構(gòu) 造方法。 對(duì)于三角b e z i e r 曲面的研究一直非常活躍，在三角網(wǎng)格基礎(chǔ)上構(gòu)造 碩士學(xué)位論文第一章緒論 三角b e z i e r 曲面方法有兩種：一是整體求解線性方程組【4 1 】；另一種是 借助于三角形的c l o u g h t o c h e r 分割【42 1 。浙江大學(xué)開發(fā)了r e s o f t 系統(tǒng)， 一定程度上解決了三角曲面模型與其它基于四邊域參數(shù)曲面的 c a d c a m 系統(tǒng)兼容性問題。 在確定數(shù)據(jù)的分塊區(qū)域后，用n u r b s 曲面擬合一個(gè)矩形域內(nèi)曲面 的數(shù)據(jù)點(diǎn)是一個(gè)研究非常多的問題 4 3 , 4 4 。作為n u r b s 曲面的特例， b s p l i n e 曲面具有較多的優(yōu)點(diǎn)，如直觀性，凸包性及局部性等，在實(shí)際 應(yīng)用中較多。n u r b s 曲面具有b 樣條曲面的優(yōu)點(diǎn)，并能精確地表示二 次曲面，具有更大的靈活性。曲面擬合方法可分兩類：插值和逼近【45 1 。 反求工程軟件提供了許多真正實(shí)用的曲面反求操作手段，但在功能 覆蓋域、自動(dòng)化程度、穩(wěn)定性、與其它c(diǎn) a d 軟件的兼容性方面還不夠 成熟，特別是智能化程度很低，更多的工作必須由熟練掌握反求構(gòu)型的 操作者來完成。 ( 4 ) 基于特征的反求工程 將正向設(shè)計(jì)中的特征技術(shù)引入到反求工程中，通過抽取表達(dá)原始設(shè) 計(jì)意圖的、蘊(yùn)涵在測量數(shù)據(jù)中的特征，重建出基于特征表達(dá)的參數(shù)化 c a d 模型。目前主要形成了3 種具有代表性的基于特征的反求工程c a d 建模方法【4 0 】：特征模板匹配法、特征元提取法和直接基于點(diǎn)云數(shù)據(jù)的特 征處理方法。 ( 5 ) r e c a d 復(fù)合建?！? 2 】 ( 6 ) 模型精度評(píng)價(jià)【4 6 】 1 3 產(chǎn)品制造 快速原型【4 7 】( r p ：r a p i dp r o t o t y p i n g ) 制造技術(shù)是一種綜合c a d 、 數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)、材料科學(xué)以及機(jī)械電予工程為一體的新興技術(shù)， 可直接、快速、準(zhǔn)確地將產(chǎn)品設(shè)計(jì)者的思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑?或零件，從而可以對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估、修改以及功能測試，大大 縮短產(chǎn)品的研制周期?？焖倌＞? r t ：r a p i dt o o l i n g ) 制造技術(shù)以快速 原型作母模來翻制模具并牛產(chǎn)實(shí)際材料的產(chǎn)品，進(jìn)一步發(fā)揮了快速成型 碩十學(xué)位論文第一章緒論 制造技術(shù)的優(yōu)越性，可在短期內(nèi)迅速推出滿足用戶需求的一定批量的產(chǎn) 品，大幅度降低了新產(chǎn)品開發(fā)研制的成本和投資風(fēng)險(xiǎn)，縮短了新產(chǎn)品研 制和投放市場的周期，在小批量、多品種、改型快的現(xiàn)代制造模式下具 有強(qiáng)勁的發(fā)展勢頭。 快速原型與快速模具技術(shù)是當(dāng)今世界上發(fā)展最快的制造技術(shù)，有數(shù) 百家大學(xué)、研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)競相開發(fā)的前沿制造技術(shù)。美國在這個(gè)領(lǐng)域 一直處于領(lǐng)先地位，而歐洲國家、日本和中國也取得了豐碩成果。19 8 7 年初，美國3 ds y s t e m s 公司首次推出商業(yè)化的快速原型制造設(shè)備sl a 1 ， 標(biāo)志著快速原型制造技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的開始。時(shí)至今日，3 ds y s t e m s 公司 仍是全球生產(chǎn)快速原型設(shè)備最大的公司，在國際市場上占有約6 0 的份 額。國內(nèi)于19 9 3 年首次發(fā)表了快速原型制造技術(shù)的文章，19 9 4 年美國 企業(yè)在上海國際模具展覽會(huì)上展出了r a p i dp l a n tm a n u f a c t u r i n g ( 快速工 廠制造) 的快速零件制造技術(shù)，引起了人們的注意。同年，在北京舉行的 國際機(jī)床博覽會(huì)上首次展出了我國自己設(shè)計(jì)制造的快速原型設(shè)備。9 0 年 代中期清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、 北京隆源公司等就率先開展了快速原型制造技術(shù)的研究和應(yīng)用工作，并 取得了豐碩的成果 4 8 - 5 0 】。 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工現(xiàn)代化的重要基礎(chǔ)與關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用數(shù)控加工 可以大大提高生產(chǎn)率，穩(wěn)定加工質(zhì)量，增加生產(chǎn)柔性，實(shí)現(xiàn)對(duì)各種具有 復(fù)雜特征和曲面類的零件的自動(dòng)化加工，有利于加快產(chǎn)品的開發(fā)和更新 換代，提高企業(yè)對(duì)市場的適應(yīng)能力，因此，復(fù)雜特征和自由曲面的數(shù)控 加工在國內(nèi)外工業(yè)制造領(lǐng)域越來越受到重視。數(shù)控加工的質(zhì)量與數(shù)控加 工的工藝有著莫大的關(guān)系，尤其是復(fù)雜類零件的數(shù)控加工。數(shù)控加工工 藝參數(shù)的優(yōu)化，自動(dòng)編程技術(shù)的采用，可以提高加工質(zhì)量，減少輔助加 工時(shí)間，提高企業(yè)的效率 5 1 - 5 5 】。 1 4 論文的課題來源與內(nèi)容安排 開展支持敏捷制造的使能技術(shù)及其工程應(yīng)用研究，使中國企業(yè)在較 短時(shí)間內(nèi)、花較少的代價(jià)盡快適應(yīng)國際市場的競爭并縮短與世界先進(jìn)工 碩十學(xué)位論文第一章緒論 業(yè)化國家的差距，具有重要的理論價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。 本課題是以國家8 6 3 機(jī)器人主題“面向任意形狀工件的通用夾具研 制與工業(yè)化裝備 、“支持產(chǎn)品快速開發(fā)的主動(dòng)尋位自動(dòng)化通用安裝系 統(tǒng) 等項(xiàng)目的研究成果為背景而進(jìn)行的推廣應(yīng)用研究，研究面向敏捷制 造的使能技術(shù)，進(jìn)行集成反求工程系統(tǒng)的研究開發(fā)，如圖1 2 所示。 圖1 - 2 集成反求工程系統(tǒng)框架 其中，數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)的任務(wù)是測量規(guī)劃、測量和數(shù)據(jù)處理 轉(zhuǎn)換；模型重建子系統(tǒng)主要包括模型重建、模型分析、模型評(píng)價(jià)等模塊， 與目前的c a d 造型軟件或c a d c a e c a m 系統(tǒng)不同的是數(shù)據(jù)結(jié)果是面 向集成的數(shù)據(jù)模型結(jié)構(gòu)造型、有專用的反求功能( 曲線、曲面擬合等) 和重構(gòu)模型評(píng)價(jià)功能等；產(chǎn)品制造子系統(tǒng)主要是加工制造設(shè)備，包括各 種數(shù)控機(jī)床、快速成型機(jī)等，測得的數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)處理和轉(zhuǎn)換，輸入到加 工制造系統(tǒng)，最終得到產(chǎn)品樣件、實(shí)物和模具。由于本選題尚處于初步 研究階段，一些裝備正處于選購和調(diào)試階段，有待于今后的進(jìn)一步努力。 碩十學(xué)位論文 第一章緒論 本文以提高企業(yè)的對(duì)市場的快速響應(yīng)能力、提高產(chǎn)品開發(fā)能力作為 目的，響應(yīng)敏捷制造的核心理念，對(duì)集成反求工程系統(tǒng)進(jìn)行理論和應(yīng)用 研究，主要研究內(nèi)容如下。 第二章為數(shù)據(jù)采集與處理方法介紹。分析比較接觸式、非接觸式測 量方法及復(fù)合式測量等數(shù)據(jù)采集方法，給出數(shù)據(jù)采集設(shè)備和策略，討論 多視圖點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼合、點(diǎn)云的平滑、精簡、分割等點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理技 術(shù)。 第三章為模型的三維實(shí)體重構(gòu)。闡述曲面模型重構(gòu)的理論，討論基 于特征的反求建模技術(shù)，對(duì)r e c a d 復(fù)合實(shí)體建模的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析 和研究，并對(duì)反求模型的質(zhì)量評(píng)價(jià)進(jìn)行討論。 第四章為產(chǎn)品制造。闡述快速原型與快速模具制造技術(shù)的基本原 理、制造工藝及其適用場合，討論基于反求工程的快速原型加工過程， 對(duì)數(shù)控加工工藝的優(yōu)化進(jìn)行了研究。 第五章進(jìn)行了工程實(shí)際應(yīng)用研究。對(duì)一個(gè)汽車閥體的反求工程實(shí)體 建模進(jìn)行具體的工程應(yīng)用研究，通過快速原型和快速模具制造技術(shù)及其 數(shù)控加工進(jìn)行了實(shí)現(xiàn)，取得了較好的精度和效率。 第六章對(duì)本文的工作進(jìn)行了總結(jié)和展望。 碩十學(xué)位論文第章數(shù)據(jù)采集與處理 第二章數(shù)據(jù)采集與處理 集成反求工程系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與處理子系統(tǒng)的任務(wù)是測量規(guī)劃、 測量和數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)換。模型表面的數(shù)據(jù)采集是反求工程技術(shù)的重要組成 部分，是整個(gè)反求工程的基礎(chǔ)。測量的精度與速度，將制約著整個(gè)反求 工程的質(zhì)量。因此反求工程的首要任務(wù)是提取對(duì)象表面的三維坐標(biāo)信 息，只有獲得模型表面三維信息才能實(shí)現(xiàn)模型的重構(gòu)與制造。另一方面， 由于目前數(shù)據(jù)采集過程中，非接觸式測量方法在工業(yè)界得到越來越廣泛 的應(yīng)用，通過該測量方法測得的數(shù)據(jù)非常龐大，并常常帶有許多雜點(diǎn)、 噪聲點(diǎn)，勢必影響后續(xù)的曲線、曲面重構(gòu)過程。因此，需要在曲面重構(gòu) 前，對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以獲得滿意的數(shù)據(jù)，為模型重構(gòu)做好準(zhǔn)備。 2 1 數(shù)據(jù)采集方法 圖2 1 數(shù)據(jù)采集方法 根據(jù)測量探頭是否和零件表面接觸，零件表面數(shù)據(jù)采集方法可分為 接觸式、非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類。接觸式包括基于力一變形原理的觸 發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集；而非接觸式豐要有激光三角測量法、激光 測距法、圖像分析法等。數(shù)據(jù)采集方法如圖2 1 所示，其中復(fù)合測量系 碩十學(xué)位論文第章數(shù)據(jù)采集與處理 統(tǒng)綜合接觸式和非接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行集成。 2 1 1 接觸式測量 接觸式測量是利用測量探頭在與被測量物體進(jìn)行接觸時(shí)觸發(fā)一個(gè) 記錄信號(hào)，并通過相應(yīng)的設(shè)備記錄下當(dāng)時(shí)的標(biāo)定傳感器數(shù)值，從而獲取 三維數(shù)據(jù)信息。接觸式測量方法( t a c t i l em e t h o d s ) 采用三坐標(biāo)測量機(jī) ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 或機(jī)器人手臂進(jìn)行測量。 三絲標(biāo)測量機(jī)是2 0 世紀(jì)6 0 年代發(fā)展起來的一種高效率的新型精密 測量儀器。它廣泛應(yīng)用于制造、電子、汽車和航空航天等工業(yè)中，是以 精密機(jī)械為基礎(chǔ)，綜合應(yīng)用光學(xué)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)， 主要包括四個(gè)部分：機(jī)體、數(shù)據(jù)處理及控制系統(tǒng)、測頭、測量及控制軟 件。由于三坐標(biāo)測量機(jī)具有對(duì)連續(xù)曲面進(jìn)行掃描獲取數(shù)據(jù)點(diǎn)的功能，因 此一開始就被選為反求工程的主要數(shù)字化設(shè)備并一直使用至今。 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度一般都很高，可達(dá)到0 5 9 m ，并且與測量 范圍沒有直接的聯(lián)系，可直接測量工件的特定幾何特征。但是，其最主 要的缺點(diǎn)在于：需逐點(diǎn)測量，測量速度慢，效率低；接觸力會(huì)造成工件 及探頭表面磨損，影響光滑度；測量工件內(nèi)部時(shí)，形狀尺寸會(huì)影響測量 值且探頭不易深入；對(duì)i n i 凹變化大的復(fù)雜曲面的測量非常閑難。 利用三坐標(biāo)測量機(jī)對(duì)模型表面進(jìn)行測量時(shí)，首先要確定測量路徑， 通過對(duì)模型表面特征截面線進(jìn)行測量來獲得模型表面的數(shù)字信息。在模 型表面曲率變化小的地方測量點(diǎn)可以少一些，在模型表面曲率變化大的 地方要適當(dāng)增加測量點(diǎn)的數(shù)量，以保證運(yùn)用反求軟件反求所獲得的曲面 與實(shí)際的零件模型之間的誤差達(dá)到所要求的精度范圍。 三坐標(biāo)測量機(jī)的測量方法主要有連續(xù)掃描測量法和點(diǎn)位測量法。前 者指測量探頭始終與模型表面接觸，并沿模型表面慢慢移動(dòng)，按模型表 面方向、曲率的變化，適時(shí)調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度，連續(xù)完成空間曲線、曲面的 測量。后者是利用觸發(fā)式探頭，按被測曲線逐點(diǎn)采樣，取得被測曲線的 一系列點(diǎn)的坐標(biāo)值。三坐標(biāo)測量機(jī)是通過測量模型表面特征截面線，獲 得測量點(diǎn)，因而測量點(diǎn)的數(shù)量比較稀疏，適合于采用各種通用c a d 軟 件來進(jìn)行c a d 數(shù)學(xué)模型的曲面反求。隨著各種通用c a d 軟件的曲面造 碩士學(xué)位論文第二章數(shù)據(jù)采集與處理 型功能的加強(qiáng)，利用稀疏的數(shù)據(jù)量也能很好地完成曲面反求，這使得三 坐標(biāo)測量機(jī)得到了廣泛的應(yīng)用。 2 1 2 非接觸式測量 非接觸式三維數(shù)據(jù)測量設(shè)備是利用某種與物體表面發(fā)生相互作用 的物理現(xiàn)象來獲取其表面三維信息，如聲、光、磁等。其中應(yīng)用光學(xué)原 理發(fā)展起來的現(xiàn)代三維形狀測量方法應(yīng)用最為廣泛。非接觸式測量具有 測量精度較差，無法判定特定的幾何特征；在陡峭面處不易測量，激光 無法照射到的地方無法測量；工件表面與探頭表面不是垂直，則測得的 誤差變大；工件表面的陰暗程度會(huì)影響測量的精度等缺點(diǎn)。但是，由于 非接觸式測量具有測量速度快，曲面數(shù)據(jù)易獲?。豢蓽y量柔軟、易碎、 不可接觸、薄件、皮毛、復(fù)雜曲面( 玩具、雕塑) 等工件；無接觸力， 不損傷工件表面精度等優(yōu)點(diǎn)，正越來越受到人們的重視。 基于光學(xué)三角型原理的激光掃描法是根據(jù)光學(xué)三角型測量原理，以 激光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點(diǎn)、單線條、多線條等，將其投 到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收光的反射能量， 根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成像的偏移，通過被測物體基平面、像點(diǎn)、像 距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的深度信息。 基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法是將光柵條紋投射到被測物 體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生 變化，利用數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲 取被測物體表面的三維信息。 基于工業(yè)c t 斷層掃描圖像法是對(duì)被測物體進(jìn)行斷層截面掃描，經(jīng) 處理重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信 息。該方法可以對(duì)被測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行無損測量，但該方法 測量精度低，造價(jià)高。 立體視覺測量方法是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩 個(gè)或多個(gè)攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之r 位置的空間幾何 關(guān)系來獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺測量方法可以對(duì)處于兩個(gè)或多 個(gè)攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測量，而無須掃描裝置。這種方 碩十學(xué)位論文第二章數(shù)鋸采集與處理 法在機(jī)器人視覺和工業(yè)檢測中常采用，測量速度快，但精度很低。 非接觸式激光三角形法由于同時(shí)擁有精度和速度的特點(diǎn)，因而在反 求工程中應(yīng)用最為廣泛，激光三角形法又根據(jù)光源不同可分為點(diǎn)光源和 線光源兩種不同的方式，不同的方式所得到的數(shù)據(jù)的組織方法是不一樣 的?；邳c(diǎn)光源掃描測頭一次只能測量一個(gè)點(diǎn)，測頭在給定平面內(nèi)( 掃描 平面) 沿給定方向運(yùn)動(dòng)，形成掃描線，依次移動(dòng)平面可以掃描整個(gè)曲面輪 廓，而基于線光源掃描測頭一次測量一條線，由于測量視野的限制一般 需要分區(qū)測量，并且為了能不遺漏測量區(qū)域，各區(qū)域最好有定量的重 合。 目前基于接觸式連續(xù)掃描測量方法由于具有高精度、較高速度，同 時(shí)價(jià)格較合適等諸多優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用潛力也相當(dāng)大。除觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集外， 其他各種方法都能對(duì)零件表面實(shí)現(xiàn)密集的數(shù)據(jù)采集，在反求工程中，這 種極為密集的測量數(shù)據(jù)被稱為“點(diǎn)云 。密集、散亂的“點(diǎn)云 數(shù)據(jù)是 反求工程的數(shù)據(jù)采集的主要特點(diǎn)之一。 2 1 3 復(fù)合多測頭式測量 復(fù)合式測量采用復(fù)合測頭，即接觸式測頭和非接觸式測頭結(jié)合的方 法，充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)對(duì)模型進(jìn)行測量【5 6 】。該系統(tǒng)由c m m 、結(jié)構(gòu)光 傳感器( s t r u c t u r e d 1 i g h ts e n s o r ) 、觸發(fā)式測頭( t r i g g e rp r o b e ) 和旋轉(zhuǎn)工作 臺(tái)( r o t a r yt a b l e ) 集成為一個(gè)多測頭測量系統(tǒng)，如圖2 2 所示。 結(jié)構(gòu)光傳感器( 非接觸式測頭) 結(jié)合旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)由不同的角度掃描 模型的輪廓，接觸式測頭則測量模型的邊界和關(guān)鍵特征。如圖2 3 所示， 圖中( a ) 為模型輪廓的掃描數(shù)據(jù)，( b ) 為邊界及關(guān)鍵特征的測量數(shù)據(jù)，( c ) 為兩種數(shù)據(jù)的拼和，( d ) 為模型的s t l 格式。兩種方式產(chǎn)生的數(shù)據(jù)可以 拼合為一個(gè)數(shù)據(jù)體，該系統(tǒng)測量數(shù)據(jù)的總體精度為0 0 3 r a m 。 2 2 數(shù)據(jù)采集設(shè)備和策略 2 2 1 數(shù)據(jù)采集設(shè)備 本文反求模型測量使用的n e x t e c 激光測量系統(tǒng)的w i z p r o b e 激光 掃描傳感器( 圖2 4 ) 。該傳感器裝載在?？怂箍礸 l o b a ls t a t u s7 l0 7 三坐標(biāo) 十學(xué)位論女g # 散據(jù)采集與* 日 崮2 - 2 菩測頭測帶系統(tǒng) 團(tuán) 圖2 3 模型復(fù)臺(tái)測暈效糶 、 一 f；。；。 刪暈機(jī)( h2 5 ) i ，反求數(shù)扔 聚馕月來州激光j 描；對(duì)丁件的制造精 艘分析時(shí)采刖接觸式洲頭刪趕。 圖蠶 閏24 凇，t 扣捕忙感器 罔2 5 一“b 托、測暈機(jī) 海丸斯康9 1 0 b a ls t a t u s7 10 7 測量儀e i 海兜斯康測量技術(shù)( 青島) 柏限 公習(xí)( br o w n s h a r p e 阿哨1 k 產(chǎn)1 5 ”。g l o b a ls t a t u s7 l0 7 的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為高 強(qiáng)度的結(jié)構(gòu)、獨(dú)屯運(yùn)行的一i 標(biāo)軸、會(huì)屬光柵系統(tǒng)，世得設(shè)備的測量系統(tǒng) 剛使柏- 加速，減述，或是州、境存扯某種搬動(dòng)的情況下仍能保持極高的測量 精度。同時(shí)測量系統(tǒng)具打非常小的系統(tǒng)分辨牢，保證了測量數(shù)據(jù)具訂穩(wěn) 定的重復(fù)柏度。w 】z p r o b c 激光掃描頭測量原理為獨(dú)特的一角法刪盈、 分榍式光枉刊c c d 形式。h 采樣卿牢為5 0 點(diǎn)秒，最優(yōu)化精度可邊1u m ， 刪緊叫兒1 7 沒柯噪音點(diǎn)的產(chǎn)牛。，將其皺載在測量機(jī)刪席上，運(yùn)行穩(wěn)定， 能保持較好的精度重復(fù)| 生。利片j 刪莊的 角b 角的旋轉(zhuǎn)，能達(dá)到對(duì)模型 的較人范【目的測昔。 2 , 22 數(shù)據(jù)采集策略 和數(shù)據(jù)采集過利中，t 件的材料、彤狀、尺寸以及t 件中小