三坐标测量机在曲面模具逆向工程中的应用 - 文章

三坐标测量机在曲面模具逆向工程中的应用

作者：智泰集团

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摘要：智泰集团主要是以逆向工程，3D激光扫描和应用为研发中心。现在介绍以三坐标测量机为基础，应用Pro／E等3D软件，通过测量控制、数据处理、曲线及曲面处理等过程和方法，在构造复杂曲面模具中的实际工程应用。
关键词：逆向工程三坐标测量点云曲线拟合

1、概述

逆向工程是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有的产品进行解剖、分析、重构和再创造。它是将数据采集设备获取的实物样件表面及内腔数据，输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维CAD软件进行处理和三维重构，在计算机上浮现实物样件的几何形状，并在此基础上进行原件复制、修改或重设计，使之能利用CAD、CAM、PDM及CMIS先进技术进行处理或管理。应用逆向工程，在面天线产品的设计制造过程中，可以从实体模型、面天线原型或者现有产品中获取设计面信息，快速高效地建立优质定型曲面，加速设计过程，提高效率。

2、关键技术及保障条件

从数据采集到CAD模型的建立是逆向工程的核心部分。应用过程流程图如图1所示。

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图1 逆向工程应用过程流程图

逆向工程实际应用中的关键技术有：

•• 实物扫描的区域及精度保证技术：研究影响测量精度的各种因素、采取的方法和措施，检查和验证精度的方法：在进行扫描区域规划时如何综合考虑扫描精度、扫描效率和曲面重构时的拟合精度、曲面拼接光顺性问题；零件基准测量的精度保证问题；

••云状数据处理技术：研究高密度、大容量的点云数据处理，包括拼接、数据简化和云状数据的特征提取；

•• 曲面拟合重构技术：用数学表示方法、拟合修改算法、控制参数及曲面重构方法，得到高质量、高精度的曲面模型；

•• 实体重构技术：包括像缝隙，曲面拼接时曲面边界的统一和光顺及曲面裁减时的特殊性；面片平移时的自相交；曲面的不可操作性；文件格式转化等问题。

根据应用过程流程和涉及的关键技术，可以看出逆向工程实施要有三个方面的条件保障：数据采集及处理设备、创新设计环境和掌握扎实知识的应用人员。

3、针对某零件的逆向工程工作流程及实施方法

根据某产品零件实体，需要进行模具设计，满足制造要求，我们认为针对于精度要求较高的精密逆向工程，以三坐标测量机获取点云，可以确保数据采集的准确性和可靠性。

我们以智泰集团的CMF三坐标测量机（以下简称CMM）为基础，测量零件的表面数据，进行离散点数据分析拟合，以现有的Pro／E和UG为应用软件，构造其内腔和外腔的闭合曲面模型，求出最近似的完整闭合曲面，构造模具实体，实施逆向工程。

基于三坐标测量机实施逆向工程的过程是：测点、连线、构面、完成模型。为此，我们确定的分步工作流程及重点问题解决方法如下：

第一步，利用三坐标测量机扫描完整的实物表面数据。主要解决测头标校、零件基准测量，母线测量及修正问题，保证测量数据准确完整。

第二步，在Pro／E中进行曲线、曲面拟合。主要解决闭合曲线数据处理、不规则曲面连接及完整曲面连接等问题。

第三步，改进曲面，重新设计模型。根据零件外形及主要尺寸，进一步设计模型尺寸精度，进行改进和处理。

三坐标测量机是接触式测量设备，其工作原理是：通过测尖接触工件并触发信号，经传感系统反馈到测量机上，经测量软件进行测头半径的自动补偿，得到实际接触点的坐标值。使用接触式三坐标测量机在测量给出的零件内腔时有一定的局限性，即测量零件内腔台阶、圆孔时，测点起伏使曲线不平滑，造成测量点数据不足，形成误差；另外，对非完全对称的零件，其基准和母线的测量数据的处理也较困难。针对上述技术难点，我们从测量技术应用和曲线曲面构成方法应用两方面重点解决。

3．1 测量技术应用

针对CMM进行测量运动控制、参考系选择、定义测量边界、选择扫描面、循环执行等方法使测量数据尽可能完整、准确。

测量时运动控制：测量中系统根据标定值用立体测头在接触工件的方向上进行半径补偿，测头的标定值直接影响测量精度。把系统接触工件的方向上的补偿换算到真正的接触点上，减小了补偿误差；

定义测量边界：限定系统数据测量的范围，确保循环的正常运行；创建边界文件，使三维循环时，不超越物理有效测量面的边界；

选择扫描面：选择最有效的方法收集数据，而且不需要移动或旋转零件，也是逆向工程应用中实际问题。选择在同一基准面上，分层测量，用若干个完整平面(上的曲线)叠加，形成模型；

数据采集过程控制：采集的数据被认为是连续曲线的离散点组成，执行循环过程完成数据采集。改手动打起始点、测头前进方向和终止点，输入输出文件为运行程序参数，使起点和终点的Z值严格相等，使曲线运行平面与Z轴不垂直情况改变；

对有规律缺陷点的消除：对有规律的影响测点数据，通过调整测距(不等步长)，避免测头进入缺陷点位置而自动消除。

3．2 曲线及曲面构成技术应用

把CMM测量得到的离散点数据，通过格式转换将数据转换到CAD软件上，应用Pro／E、UG等软件的计算拟合功能，将离散点拟合成光滑曲线(曲面)，通过修订，最终得到最接近实际模型的曲线(曲面)数据。

曲线处理：由于受测量运动方向的限制，三测机测量的起始点和终止点不能重合，所以直接由测量点形成的曲线是不闭合曲线。在Pro／E中，通过端点曲线相切和连续性等方法处理数据，使其闭合、光顺；

数据拟合：通过UG和Pro／E软件，根据拟合数据做出各个零件的三维模型，对照曲率观察曲线是否光顺，确定拟合模型是否满足要求；

曲面构造：在由曲线构建曲面的过程中，为弥补测量曲线的不足，需要再加连一些线条，用于构面。为避免实体中的缝隙和皱折现象，加连的线条要与曲面特征一致，并在连接点处端点相切，连线和构面交替进行。

3．3 专业知识和技能

虽然目前市场上有与逆向工程相关的专业软件，主要是美国Imageware公司产品Surfacer、英国DelCAM公司产品CopyCAD、英国Renishaw公司的TRACE等。这些软件在构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区域，生成曲面片，通过拼接构成完整的曲面模型等方面功能强大，使用方便，但在逆向工程的关键技术的解决和应用中，涉及大量的数学知识——曲面求交、约束求解、集合运算等；曲面模型知识—一CAD模型的多种曲面构造的方法：以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造、以三角Bezier曲面为基础的曲面构造和以多面体方式来描述曲面物体；参数化特征知识—不仅使曲面拟合精度尽可能高，还要能明确表达其曲面特征，使其在CAD／CAM 系统中的进一步应用。所以要求应用人员要有扎实的数学理论基础、CAD工程应用实践及软件应用处理技术。

4、结束语

我们利用三坐标测量机和市场相应的应用软件，结合具体应用，解决了部分技术难点，使获得的数据最大限度地接近于原零件，满足了实际需要。虽然在软件和方法上与专业的逆向工程软件相比，功能相当有限，但是我们通过测量技术和曲面重构技术等进行了逆向工程应用的初步尝试。随着技术进步，逆向工程在先进制造领域的应用将更广泛，也将会发挥越来越重要的作用。

参考文献
1 徐灏主编．机械设计手册(2)．机械工业出版社．2002，6
2 MCT Plus and MCT Starlight Operating and Maintenance Manual
3 Winmail用户手册
4 通信与测控

文章内容仅供参考 (投稿) (12/23/2008)


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