逆向工程在曲面零件设计与检测的应用研究.docx
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逆向工程在曲面零件设计与检测的应用研究
逆向工程在曲面零件设计与检测中的应用研究
ApplicationandStudyofReverseengineeringinthesurfaceaccessorydesignmethodandinspection
摘要
随着科学技术的发展和制造水平的提高,人们对曲面零件的精度要求越来越高。
但是由于曲面零件形状复杂,用传统的检具检验时难度大,且检测精度不高,如何采用有效的方法取代传统的检测工具,提高曲面零件检测精度是实际中急待解决的问题。
本文通过对逆向工程中的点云数据获取、数据预处理、曲面重构和曲面分析方法的研究,仔细分析了逆向工程软件Imageware的功能和基本原理,总结出Imageware在曲面重构和曲面检测中的方法、步骤和经验,为曲面零件的逆向造型设计和数字检测提供了理论和操作技术保障。
以逆向工程在曲面零件高尔夫球头造型方法中的实现为例,针对自由曲面在散乱点基础上重塑问题进行了研究,并在理论及应用中得到了相应的结论和实现。
通过对高尔夫球头应用逆向设计,实现了复杂曲面零件三维曲面重构,为在此基础上新产品的二次开发奠定了基础。
在对误差检测理论以及现行形位误差检测技术进行深入分析的基础上,提出了将逆向工程应用于复杂曲面零件的数字化检测方法。
通过建立曲面匹配,将测量所得的点云数据与数学模型在逆向工程软件Imageware进行形位误差比较。
该检测方法能够检测出传统方法难以达到足够精度要求的复杂曲面误差,对于实现生产检测的自动化、数字化具有重要的应用前景。
关键词:
曲面零件;Imageware;NURBS;面轮廓度误差;高尔夫球头
Abstract
Alongwiththedevelopofsciencetechnologyandmanufacture,theprecisionofinspectioninsurfaceaccessoryareenhancinggradually.Butalmostthesurfaceaccessoryarecomplexity,usingtraditionaltoolstoinspectisdifficultandnotexactitude.Howtouseanothereffectivemethodtoreplacetraditionalwayevaluateinspectingprecisionisurgentproblemtobesolved.Throughanalyzingthesoftware“Imageware”functionandfundamental,thispaperstudiesthekeytechnologyofcomplicatedsurface,describedindetailthereverseengineeringtechnology:
pointdataobtaining,surfaceconstruction,surfaceanalysisetc,providestheoryandtechnologyfoundationforapplyingreverseengineeringtothemodeldesignandinspectionofsurfaceaccessory.Thispapertakestheachievementofreverseengineeringwhichappliesonthesurfaceaccessorygolfheadmodelasagoal,carriesoutresearchaimatthereconstructionproblemoffreecurvedsurfacesofsurfaceaccessorybasedonscatteredpoints.Throughapplyingreversedesigntosurfaceaccessory,obtains3Dcurvedsurfacereconstructionofsurfaceaccessory.ThisprojectestablishesthebaseoffurtherdesignofsuccessiveCAD/CAMsystems.Onthebasisofreverseengineeringanderrorinspectiontheory,thisprojectbringsforwarddigitizedinspectionmethodwhichappliesreverseengineeringtosurfaceaccessory.Throughestablishingcurvedsurfacemating,puttingpointsdataandtheorymodeltocomparisonandobtainsinspectreport.Thismethodcaninspectaccuracycomplicatedsurfacethattraditionalmethodcan’tmeetsufficientaccuracyrequirements.Ithasapplicationprospecttocarryoutthemanufacturedon-lineautomationanddigitization.
Keyword:
SurfaceAccessory;Imageware;NURBS;SurfaceFigureError;GolfHead
第一章绪论
1.1本课题研究的学术背景
随着现代计算机技术及测试技术的发展,利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程和检测,已经成为CAD/CAM领域的一个研究热点,并且成为逆向工程技术应用的主要领域【1】。
传统的产品实现通常是从概念设计到图样,再制造出产品,我们称之为正向工程(或顺向工程),而产品的逆向工程是根据零件(或原型)生成图样,再制造产品。
逆向工程是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。
目前,逆向工程技术在我国曲面零件产品的生产过程的应用主要是从实物模型到基于三坐标测量的空间数据点云,再利用逆向工程软件得到其CAD模型【2】,最后通过CAD软件进行参数化设计,形成优化及系列化的CAD模型。
数字化检测技术是一项具有广泛应用前景的高新技术,对于检测手段的柔性化、自动化具有重要的意义。
随着科学技术的发展和制造水平的提高,人们对于曲面零件的精度要求也越来越高,而曲面零件形状复杂,用传统的检具检验时难度大,且检测精度不高,如何采用有效的方法取代传统的检具,提高曲面零件的检测精度是实际生产中急待解决的问题。
本课题正是在这一背景下设立的。
本课题以复杂曲面零件高尔夫球头为研究对象,采用逆向工程软件Imageware,运用基于NURBS曲面重构方法进行了高尔夫球头的曲面构造,得到了高质量的NURBS曲面。
同时在逆向工程软件Imageware的曲面重构和曲面比较的功能相结合的基础上,研究了数字化检测的技术,并给出了几种典型的零件误差数字化检测的具体方法和实现步骤,该方法成功地解决了传统检具精度低、检测成本高的问题,对于实现检测的自动化、柔性化和数字化有重要的应用前景。
1.2逆向工程与检测技术
1.2.1逆向工程的重要意义
逆向工程是先用一定的测量手段对实物或模型进行测量,而后把测量数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型,并在此基础上进行改进设计及生产的全过程,它在产品设计中的应用具有非常重要的意义。
首先,它能够拓展设计师的设计思维。
其次,它缩短了设计周期,降低了设计成本。
最后,它对消化和吸收国外先进技术有着重要的意义。
1.2.2检测技术
检测是检验和测量的统称,测量能获得具体的数值,而检验不能获得具体的数值,只能判断合格与否。
由此可见,检测是组织互换性生产中必不可少的重要措施。
检测是保证机械工程质量的基本方法和手段。
机械制造业的发展要求开发新的测量与检测方法,实现高精度、高效率的测量和检测。
检测技术的发展经历了从人力检测、人工检测、电检测到计算机辅助检测阶段。
几何量检测在我国具有悠久的历史,几何量检测技术的发展是和机械加工发展分不开的,加工精度的提高,一方面对测量器具的精度要求也随之提高,另一方面,加工精度本身也要通过精确的检测来体现和验证。
计算机辅助检测计划(CAIP)系统已成为CAQ系统的重要组成部分,它的核心问题是解决如何检测零件。
在柔性制造中三坐标测量机(CMM)是重要的检测手段,在制造企业中得到广泛的应用。
从某种意义上讲,我们可以这样说:
“没有检测,就没有产品的质量”。
先进的检测技术和工艺技术的结合,将有力地促进和提高生产过程的机械化、自动化水平,有效地减轻工人的劳动强度,提高劳动生产率,降低原辅材料的消耗,从而为企业带来丰厚的经济效益。
1.3国内外研究现状
日本、美国等工业强国在逆向工程方面的研究依然走在世界的前列,他们对逆向工程技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。
在国内,上海交通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等科研机构都对逆向工程技术进行了研究。
目前,在我国基于实物的逆向工程广泛地应用在产品复制和仿制,尤其是外观设计产品方面,相对容易实现。
目前基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持,在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后,通过NC加工就能快速的生产所需要的产品。
通过逆向工程,在消化、吸收先进技术的基础上,建立和掌握自己的产品开发设计技术,进行产品的创新设计,即在copy的基础上进行改进进而创新,这是提升我国制造业的必由之路。
作为新产品开发的重要手段,逆向工程的研究受到广泛的重视,我国已把逆向工程作为国家863高新技术项目在CIMS研究中的重要单元技术,进行了深入的研究,一些重要的国际和国内的学术会议也将逆向工程及相关技术作为一个重要的会议专题。
从重要文献和会议情况看,国内外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单位和个人,发表的文章也逐年递增。
目前逆向工程已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究分支,其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。
1.4本课题主要研究内容
本课题的主要研究内容包括:
(1)逆向工程测量方法、使用设备以及数据格式转换。
(2)逆向工程关键技术。
(3)以高尔夫球头为例,研究点云的获取、预处理以及曲线、曲面的重构方法。
(4)运用逆向工程软件Imageware,将扫描的点云与其三维数学模型进行匹配,检测其是否在公差范围内。
第二章逆向工程及其测量方法研究
2.1逆向工程概述
“逆向工程”(ReverseEngineering,RE),也称反求工程、反向工程等。
逆向工程起源于精密测量和质量检验,它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。
广义的逆向工程是消化、吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合,是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程。
它包括影响逆向、软件逆向和实物逆向等三方面。
目前,大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上,即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造方面,称为“实物逆向工程”[16]。
在某种意义上说,“实物逆向工程”(简称逆向工程)可定义为:
逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称,是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的工程[17]。
传统的产品实现通常是从概念设计到图样,再制造出产品,最后通过检测和性能测试,这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或CAD造型,称为预定模式(PrescriptiveModel),我们也称之为正向工程(或顺向工程)。
正向工程流程如图2.1所示。
图2.1正向工程开发流程图
随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用以及CAD/CAE/CAM集成系统的开发和商业化,产品实物的逆向工程设计首先通过测量扫描仪以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息,然后利用成熟的CAD/CAE/CAM技术,快速准确的建立实体几何模型,在工程分析的基础上,数控加工出产品模具,最后制成产品、实现从产品或模型—设计—产品的整个生产流程,具体流程如图2.2所示。
2.1.1逆向工程的在引进技术中的应用
市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈,市场经济竞争机制已渗透到各个领域,随着科学技术的高度发展,科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。
如何更快、更好的发展科技和经济,世界各国都在研究对策,充分利用别国的科技成就加以消化与创新,进而发展自己的技术已成为普遍的手段。
事实证明,技术引进是吸收国外先进技术,促进民族经济高速度增长的战略措施,要掌握这些技术,正常途径就是通过逆向工程。
实际上任何产品问世,不管是创新、改进还是仿制,都蕴涵着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴[18]。
图2.2逆向工程开发流程图
引进技术的应用和开发一般分为三个阶段:
(1)使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修,在生产中发挥作用。
对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及不足之处,即做到“知其然”。
(2)消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理方法等进行深入的分析研究,用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定,了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术,即做到“知其所以然”。
(3)创新阶段对引进技术消化综合,博采众家之长,结合深入的科学研究,通过移植、综合、改造等手段,开发具有本国特色的创新技术,并争取进一步实现某些技术从输入到输出的转化。
在只有产品原型或实物模型条件下,可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造,除实现对原型的仿制外,通过重构产品零件的CAD模型,在探询和了解原设计技术的基础上,实现对原型的修改和再设计,以达到设计创新、产品更新之目的。
对于其他具有复杂曲面外形的零部件,逆向工程更成为其主要的设计方式。
2.1.2逆向工程的在实际中的应用
在产品造型日益多元化的今天,逆向工程已经成为产品开发中不可或缺的一部分,其应用范围主要在以下几个方面:
(1)在对产品外形的美学有特别要求的领域,如何根据造型师制作出来的模型,快速建立三维CAD模型,就必须引入逆向工程技术。
(2)当设计需要实验测试才能定型的工件模型时,首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试(如风洞试验等)建立符合要求的产品模型。
此类产品通常是有复杂的自由曲面拼接而成的,最终确认的试验模型必须借助逆向工程,转换为产品的三维CAD模型及模具。
(3)在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下,在对零件原形进行测量的基础上,形成零件的设计图纸或CAD模型,并以此为依据生成数控加工的NC代码或快速原型加工所需的数据,复制一个相同的零件。
(4)在模具行业,常需要通过反复修改原始设计的模具型面得到符合要求的模具。
然而这些几何外形的改变,却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设计、制造间所扮演的角色,设计者现在可以建立或修改在制造过程中变更过的设计模型。
(5)很多物品很难用基本几何来定义和表现,例如流线型产品、艺术浮雕及不规则线条等,在这种场合下,必须引入逆向工程,以加速产品设计,降低开发的难度。
(6)逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。
利用逆向工程技术,可以直接在已有的国内外先进的产品基础上,进行结构性能分析、设计模型重构、再优化设计与制造,吸收并改进国内外先进的产品和技术,极大地缩短产品开发周期,有效地占领市场。
(7)逆向工程也广泛的应用于修复破损的文物、艺术品,或缺乏供应的损坏零件等等。
此时,不需要复制整个零件,只是借助于逆向工程技术抽取原来零件的设计思想,用于指导新的设计。
(8)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据,此时,需要首先建立人体的几何模型。
(9)在RPM的应用中,逆向工程的最主要表现为:
通过逆向工程技术,可以方便的对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量,找出产品设计的不足,逆行重新设计,经过反复迭代可使产品完善。
现代逆向工程技术除广泛应用在上述的汽车工业、航天工业、机械工业、消费性电子产品等几个传统领域外,也开始应用于休闲娱乐方面,比如用于立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画等;另外在医学科技方面,比如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、人体外形量测、医疗器材制作等,也有其应用价值。
2.2逆向工程测量方法
数据测量,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,就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。
因而,高效、高精度的实现样件表面的数据采集,是逆向工程实现的基础和关键技术之一,是逆向工程中最基本,最不可缺少的步骤。
数据测量是逆向工程的基础,测得数据的质量事关最终模型的质量,直接影响到整个工程的效率和质量。
目前,用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样,其原理也各不相同。
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。
根据测量探头是否和零件表面接触,逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大类,即接触式与非接触式。
根据测头的不同,接触式又可分为触发式和连续式;非接触式根据原理不同,又可分为光学式和分非光学式。
其中光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等;而非光学式则包括CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。
各种测量方法的具体分类如图2.3所示。
图2.3实物数字化方法
2.2.1接触式测量方法及其优缺点
接触式测量一般采用三坐标测量仪,沿着样件截面线进行测量,将复杂的三维曲面测量转化为二维测量,按曲面曲率的变化不均匀的布点。
接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。
(1)触发式数据采集方法触发式数据采集采用触发探头,当探头的探针接触到样件的表面时,由于探针尖受力变形触发采样中的开关,这样通过数据采集系统记下探针尖(测球中心点)的当时坐标,逐点移动,就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。
(2)连续式数据采集方法连续式数据采集采用模拟量开关采样头,由于数据采集过程是连续进行的,速度比点接触触发式采样头快许多倍,采样精度也较高。
此外,由于接触力较小,允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。
由于采样速度快,连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。
(3)磁场法该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上,手持触针在物体表面上运动,通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置,实现对样件表面的数字化。
接触式测量的优点:
(1)准确性及可靠性高。
因接触式探头发展已有几十年,其机械街头及电子信号已相当成熟。
(2)与工件的反射性无关。
接触式为探头直接接触工件表面,故与工件表面颜色与曲率关系不大。
(3)被测物体固定在三坐标测量机上,并配合测量软件,可快速准确的测量出物体的基本几何形状,如面、园、圆柱、圆锥、圆球等。
接触式测量的缺点:
(1)为测量基准点而使用特殊的夹具,会导致较高的测量费用。
不同形状的产品需要不同的夹具,而使成本大幅度增加。
(2)探头会因为接触力而磨损,为保证精度需要经常校正探头的直径。
不当的操作会是探头变形或损坏,也会影响被测物体的表面精度。
同时也可能损伤被测件表面。
(3)由于是逐点测量,所以测量速度较慢,效率低。
(4)由于其内部原件和测量方式先天限制,存在着难以克服的静态和动态误差。
(5)一些工件内圆角较小,可能用探头无法测量;对于复杂的三维曲面,用球头测量曲面修正较困难。
2.2.2非接触式测量方法及其优缺点
非接触式测量设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象,如声、光、电磁等,来获取物体表面的三维坐标信息。
其中,以应用光学原理发展起来的测量方法应用最为广泛如激光三角法、结构光法等。
由于其测量迅速,且不与工件接触,因而对于质地柔软的零件也能测量等优点,越来越受到人们的重视。
(1)激光三角法激光三角法是根据光学三角形测量原理,利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。
其基本原理是:
利用具有规则几何形状的激光投影到被测量表面上,形成的漫反射光点的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸收,根据光点(光带)在物体上成像的偏移,通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系,按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。
(2)结构光法把一定模式的光源(如光栅)投影到被测件表面,受被测物体表面高度的限制,光栅影线发生变形,利用两个镜头获取不同角度的图像,通过解调变形光栅影线,就可以得到被测表面的整幅图像上像素的三维坐标。
(3)工业CT法是一种射线成像检验技术,它对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据,用数学方法经过电子计算机处理而重建断层截面图像,根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。
(4)核磁共振法(MRI)其基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间位置,然后用射频脉冲序列照射,当被激发的核在动态过程中自动到静态场的平衡时,把吸收的能量发射出来,然后利用线圈来检测这种信号,信号输入计算机,经过处理转换在屏幕上显示图像。
(5)超声波法是当超声波脉冲到达被测物体时,在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射,通过测量回波与零点脉冲的时间间隔,计算出各面到零点距离的方法。
(6)层析法是一种直接从样件到模型的实用、可靠的方法,它在美国首先研制成功,用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。
与接触式测量相比,优点如下:
(1)不必做探头半径修正,激光点位置即为工件表面位置。
(2)测量速度快,不必像接触式触发式探头那样逐点进行测量。
(3)由于是非接触式的,可测量软工件、薄工件,不可接触的高精度工件。
(4)与被测物体无接触,因此不会损坏工件表面。
(5)由于测取点云数据较多,且速度快,获得数据全,非常适合于扫描零件自由曲面的立体造型。
当然,非接触式测量仪也存在着一些缺点:
(1)因为非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD(PositionSensitiveDetector)来检测光点位置,目前PSD的精度一般,PSD目前精度不高,均≥0.02mm。
(2)由于其探头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)影响,如反射光强度、被测物光顺程度、被测物颜色。
(3)PSD易受环境光线及杂散光影响,故噪声信号比较多,需要进行后续处理。
(4)只能够对工件轮廓坐标点大量取样,对边线处理、凹孔处理及不连续形状的处理较困难。
(5)使用CCD(ChargeCoupledDevice)作探测器时,成像镜头的焦距会影响测量精度,在工件几何外形变形大时成像会失焦,成像模糊。
(6)由于它采取的测量方法多是扫描式大规模取样,所以造成了数据量很大这个问题,使得后续处理较为繁复。
2.3逆向工程测量设备
三坐标测量机(CoordinateMeasurin
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