三维数字化尺寸检测在逆向工程中的研究及应用

作者：张德海 梁晋 郭成 高军伟

欢迎访问e展厅 展厅 6 三坐标测量机展厅 三坐标测量机, 关节臂测量机, 逆向工程/测量机软件, ... 摘要：大量A级曲面的出现和CIMS的推广使用，对传统的检测手段提出更高的要求。对尺寸检测的方法进行较全面的阐述，提出了数据挖掘在逆向工程中的新概念，基于Geomagic Qualify，对三维数字化尺寸的检测应用列举实例，借助于计算机的三维全尺寸检测，势必在逆向工程中掀起新的研究热潮。 关键词：数据挖掘；逆向工程；尺寸检测 1前言 随着科学技术的发展和制造水平的提高，在家电、飞机、汽车等零部件中出现了大量的A 级曲面。用户对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，如何有效地提高曲面零件的检测精度是科学研究和实际生产中急待解决的问题。而且，随着CIMS的推广应用，广大企业提出了对计算机辅助质量系统的需求。计算机辅助检测计划(CA IP)系统已成为CAQ 系统的重要组成部分，其核心是解决如何检测零件的问题。因此，三维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、自动化和产品设计的应用都具有重要的意义[ 1 ] 。 反求工程是将产品原型转化为数字化模型的过程。是以产品原型、实物、软件(图样、程序等)或影像为研究对象，应用系统工程学、产品设计方法学和计算机辅助技术的理论和方法，开发出同类或更先进的产品[ 2 ] 。它存在的基础是必须有准确反映产品特征的点的数据。即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数字化模型，三维数字化尺寸检测就应运而生。 2检测方法的分类阐述 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。长期以来，因为制造水平的限制和工艺的不发达，通用量具和专用检验用具作为主要的检验手段在各行业广泛使用，但存在多种弊端，不能精确检验被测零件的某些关键部位。 2. 1测量方法的分类 2. 1. 1接触式测量 接触式的机械探针测量方法，是开发较早、研究较充分的一种接触测量方法。利用机械探针接触被测物表面，物体表面移动时，探针沿被测物体表面也相应的移动，其移动量由与探针组合在一起的位移传感器测量，所测得的数据经适当处理，就得到被测表面的移动量。三坐标测量机[ 3 ] (Coordinate Measuring Machine，CMM)和关节式坐标测量机是广泛采用的接触式测量设备的代表。反求工程中，CMM是数据采集的主要手段，具有测量精度高、适应性强的优点，但测量效率低，适用于有一定硬度的物体。 2. 1. 2非接触式测量[ 4 ] 非接触式测量根据测量原理的不同，有光学测量、超声波测量、电磁波测量、红外测量、摄影测量等方式。 (1) 光学测量法可分为激光三角测量法、机器视觉法、莫尔轮廓法、相位测量轮廓法、扫描隧道显微镜( STM)法、光纤法、激光干涉法、激光扫描法等[ 5 ] 。 ①光学三角测量法:分为直射式光学三角法测量原理和斜射式光学三角法测量原理，按照测量方法可分为点光源入射、线光源入射和栅光源入射三种形式[ 6 ] ； ②莫尔轮廓法:是通过一块基准光栅来检测轮廓面的影栅或像栅，并依据莫尔图案分布规律推算出轮廓面形状的全场测量方法。投射在三维轮廓面上的变形光栅，其光场分布函数可表示成空间相位调制信号，待测物体偏离参考平面时因影栅条纹位置变化而引起的空间相位改变量，待测物体的高度信息就包含在这一相位调制项中[ 7 ] ； ③相位测量轮廓法：Satoru Toyooka和Tuuji Iwaasa在1986年提出了三维轮廓表面的空间相位检测法。是用TV相机来采集物体上变形光栅图像的灰度信息，然后由计算机按不同与FTP的规则进行相位解调和高度计算，从而获得需要点的坐标； ④扫描隧道显微镜法:利用量子理论中的隧道效应，该扫描运动系统的作用是产生探针相对于样品的三维扫描运动，其运动部件的直线性、正交性运动的重复性和稳定性都达到了前所未有的高要求；⑤光纤法:光纤传感器能实现“传”和“感”的结合；体积小、质量轻、抗电磁能力强、灵敏度高、易弯曲，可远距离观察和遥测； ⑥激光干涉法:干涉法一直是精密线位移与角位移的有效测量手段。激光光源的应用彻底克服了单色光源对干涉仪的限制。光电转换器件和电子技术的迅速发展及应用改变了传统的干涉条纹处理方法； ⑦激光扫描法:激光扫描法主要用于测量工件的几何尺寸，如长度、厚度、外径等。以He- Ne激光器或半导体激光器为光源，通过一个旋转的多面体将激光束自上而下扫描到被测物体上，经过光电接收器件的转换、数据处理，得出所测结果。像经纬仪测量系统、全站仪坐标测量系统、激光跟踪测量系统、室内GPS测量系统、激光跟踪测量系统都基于该原理[ 8 ] 。 (2) 超声波测量测量时，测头发射一定速率的波，记录被测量物体反射回来波的时间来计算被测点的坐标，缺点连续采集力较差，属于无损检测，多用于复合材料和陶瓷材料的裂纹检测[ 9 ] 。 (3) 电磁波测量利用CT扫描设备对零件经过CT层析扫描后，获得一系列断面图像切片和数据。这些切片和数据提供零件截面轮廓及其内部结构的完整信息，可进行工件的形状、结构和功能分析。 (4) 红外检测红外探测器的发展是红外技术发展中最令人瞩目的一个方面，成像探测的多元阵列探测技术，使红外探测技术不断革新。在军事制导、探测方面应用较多。 2. 2层析法 该方法需将零件固定在机床(铣床或磨床)工作台上，用包料将其包裹填充好，然后用铣刀按照一定的尺寸将其( z向)一层一层铣去，每铣掉一层对新获得的断面进行一次二维测量，获得断面轮廓的二维坐标数据( x，y) ，这样一层层铣完后，就可获得产品的完整三维数据( x，y，z) 。 2. 3数字摄影测量 基于数字影像的摄影测量计算机系统，由标准的计算机硬件、影像输入/ 输出设备及专用的摄影测量软件构成。储存于计算机中的数字影像是将摄像照片用影像扫描技术处理而获得。数字正射影像、数字高程模型DTM、数字化地图是将数字影像按照摄影测量原理(用一定数量的像片控制点、必需的联接点进行像对的相对定向及模型的绝对定向、模型的立体量测等) ，经数字摄影测量系统中的工作站处理的结果[ 10 ] 。在逆向工程中，其优点是导入全局标志点，特别适合于形状较大的、需多次拍摄后拼合的物体。 3逆向工程中数据挖掘定义的提出 贾明通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据称为数据采集[ 11 ] 。笔者认为在逆向工程里称数据采集有些欠妥。逆向工程中倾向于将遍布物体表面的完整区域离散化，把代表模型特征的体积点、面点、线点、单个的点借助于计算机和测量设备，将其抽取采集后数字化，从而达到全局离散的目的，在能够对使用的数据点进行发现、判断、提取，并最终在三维曲面重构中起到必须作用的三维数据坐标值。这里定义为数据挖掘。因为数据采集(特别是非接触式测量)要求的大量采集，“地毯”式采集，导致大量的噪声点、飞点、异常点都被挖掘，这种没有辨别的全盘“吸收”，或者说积极的数据获取，是为了避免遗失特征点，但在后面的点云处理中造成了不必要的麻烦，有些甚至是“致命”的缺陷，直接使重构后的数字化模型发生畸形，偏离物体原来的形貌。 因此，能够正确的对特征点数据进行挖掘，即从物体的特征表面抽取出潜在的、有价值的知识，挖出必需的、正确的、代表的特征点数据是逆向工程中的重中之重，也是国内外学者研究的热点之一。 4三维数字化尺寸检测在逆向工程中的应用 机械工程检测技术的发展与生产和科学技术的发展密切相关。生产发展需要不断提出检测技术的新任务、新课题，是检测技术发展的动力。像我国飞机、汽车等零部件的模具制造，因为零部件形状复杂、精度要求高、制造工艺先进，大都依靠进口，这种模具需花费大量的财力、人力和物力。如何合格的对模具验收，一直是这些公司头痛的问题[ 12 ] ，因为借助传统方法很难解决，没有一个良好的判断标准。应用逆向工程的数据挖掘技术准确得到物体的三维全尺寸数值，并利用计算机构造出相应的数字模型，可解决此问题。国内像西安交通大学、浙江大学、清华大学、华中科技大学等都在这方面进行了积极的研究，并研制了应用设备和相应的使用软件，后期处理中多借用Geomagic Qualify、Imagewave、Polyworks、Copycad等软件，可对测量模型和数字化模型进行对比和分析，给出检测报告，帮助工程师和检测人员判断。 本文以Geomagic Qualify为例，它是美国Raindrop Geomagic 软件公司开发的逆向工程后处理软件，可实现产品的快速检验。可在电脑辅助设计(CAD)系统产生的产品零件模型和已有实际零件之间进行自动的3D比对和误差分析。Geomagic Qualify可根据设定误差等级进行色阶分析，用此特征作为基准，找出测量点云与其对应的位置，使其相互重合达到最佳匹配。实际计算中，先根据参考的三维曲面模型的形状找出其特征作为参考基准，然后令测量的点云相应的特征部位作为对齐数据，使测量点云通过旋转、平移等图形等变换手段达到与三维曲面模型相互重合匹配的目的。 4. 1实例一 以陕汽重卡的汽车驾驶室风窗为例，说明三维全尺寸检测在逆向工程中的应用。数据挖掘使用西安交通大学自主开发的XJTMOM型三维光学密集点云测量系统，逆向后处理使用Geomagic Studio，产品检测使用Geomagic Qualify。图1～6 分别是汽车驾驶室风窗的整体三维色彩图谱显示误差分布状况图、剖切的二维色彩须状误差谱图、剖切的x向二维尺寸误差显示谱图、剖切的z向二维尺寸误差显示谱图、三维轮廓外形尺寸误差显示谱图、直方图尺寸误差显示谱图。可以方便地检测任意位置的截面尺寸和外形尺寸、误差分布。 4. 2实例二 以东方汽轮机的涡轮叶片为例，将原有数模导进Geomagic Qualify，把点云数据经Geomagic Studio处理后也导入Geomagic Qualify，经分析获得图7～9，分别是涡轮叶片的CAD模型和挖掘数据对齐示意图、面3D色谱分析及尺寸标注谱图、二维剖切偏差色分析谱图。可以将数模与检测获得的数字信息比对，及时调整，找出原因改进产品质量。 5结语 从某种意义上讲，没有检测，就没有产品的质量。逆向工程大多应用于产品的反向设计和求解，借助于计算机的硬件和软件，将三维数字化全尺寸检测和逆向工程紧密结合起来，研究先进的检测技术，将其应用到传统行业产品和新兴行业产品的检测，将有力地促进和提高生产过程的机械化、自动化水平。 参考文献: [ 1 ] 陈焱. 逆向工程在曲面零件设计与检测中的应用研究[D ]. 秦皇岛:燕山大学，2007. 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