基于闭环理论的自由曲面CMM测量和建模的研究

论文摘要

随着现代测试技术及计算机技术的发展,实物逆向工程已成为CAD/CAM领域的一个研究热点。它被广泛应用于航空航天、汽车、生物医学和消费产品行业来促进现有产品的设计、分析和制造。数据获取和曲面重构是实物逆向工程的两个关键步骤,数据获取通常先于曲面重构,而且曲面重构是离线进行的。这种有序和单独的数据获取及离线曲面重构基本上形成一个开环过程。由于在曲面重构和测量过程中没有及时的反馈,这种开环过程可能导致无效测量,也可能导致因潜在数据丢失和获得点云的离群而产生重构曲面质量较差。本文在对三坐标测量机进行深入研究的基础上,针对目前自动测量大多采用等间距采样,而不能根据曲面曲率变化自适应安排测量点的问题,提出了基于五次Bezier曲线的曲率连续自适应测量方法,并用LK-DMIS编程实现了该方法的实际测量,使得测量点的分布能随曲率的变化而变化,尽量做到每个测量点都是特征点,降低测量信息的冗余度,便于后续测量数据处理及其曲面重构。通过与圆弧插值法和多项式预测法等已有自适应测量方法的测量结果比较,以及与三次、四次Bezier自适应测量方法的测量结果比较,最终证明了基于五次Bezier曲线的曲率连续自适应测量方法的有效性和精确性。针对不同的型值点分布情况,分别比较了准均匀和非均匀B样条曲面的重构结果,发现对于非均匀型值点,应用非均匀B样条曲面重构的方式进行重构可得到较好的效果,如果应用准均匀B样条曲面进行重构,可能会影响重构效果。基于本文所研究的曲面重构数据呈非均匀分布,提出了非均匀B样条曲面重构方法,并用Visual C++结合OpenGL实现了该方法的软件模块设计。通过对几个自由曲面的实际曲面重构,验证了该曲面重构方法的有效性、精确性和快速性。本文结合自适应测量方法和非均匀B样条曲面重构方法,提出建立一个测量-建模闭环系统。该系统采用CMM自适应测量方法实现对自由曲面的快速而有效地测量,得到初始曲面数据。而后利用测量-建模软件系统自动生成初始的非均匀B样条曲面,并在曲面上自动获取一定数量的检测点,并生成符合DMIS规范的CMM自动检测程序,执行CMM自动检测。CMM每测量一次,都会产生一批新的精确数据,将这些数据反馈给软件系统进行曲面模型的修正,直至满足精度要求。本文利用该闭环系统对大量的具有自由曲面特征的零件进行了实际操作实验。从实验结果来看,该闭环系统很好地解决了测量和建模过程无反馈的问题,极大地缩短了整个逆向工程的时间,提高了重构模型的质量,为逆向工程的研究开辟了一条新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 逆向工程的应用
• 1.3 逆向工程关键技术
• 1.3.1 数据获取
• 1.3.2 数据处理
• 1.3.3 曲面重构
• 1.4 逆向工程的研究现状
• 1.4.1 CMM自适应测量研究现状
• 1.4.2 曲面重构技术研究现状
• 1.4.3 有关建立测量和建模闭环系统的研究现状
• 1.5 本文的选题意义
• 1.6 本文的主要内容
• 1.6.1 CMM自适应测量方法研究
• 1.6.2 曲面重构方法研究
• 1.6.3 检测点的确定
• 1.6.4 测量与建模的动态联系
• 1.6.5 重构模型误差分析
• 第二章 CMM测量技术研究
• 2.1 引言
• 2.2 CMM工作原理
• 2.3 CMM测量路径规划
• 2.3.1 测头和测头方向的选择
• 2.3.2 测量点的确定
• 2.3.3 触测矢量的确定
• 2.3.4 避障点的确定
• 2.4 尺寸测量接口规范（DMIS）
• 2.4.1 DMIS概述
• 2.4.2 DMIS结构
• 2.4.3 DMIS语句
• 2.5 本章小结
• 第三章 CMM自适应测量方法研究
• 3.1 引言
• 3.2 已有的自适应测量
• 3.2.1 圆弧插值法
• 3.2.2 多项式预测法
• 3.3 BEZIER曲率连续自适应测量
• 3.3.1 Bezier曲线及其性质
• 3.3.2 Bezier曲率连续自适应测量
• 3.4 BEZIER曲率连续自适应测量实现
• 3.4.1 初始序列点的测量
• 3.4.2 后续待测点的测量
• 3.5 BI-ZIER曲率连续自适应测量实例比较
• 3.5.1 不同阶次Bezier自适应测量实例比较
• 3.5.2 三种自适应测量实例比较
• 3.5.3 实例比较结论
• 3.6 本章小结
• 第四章 非均匀B样条曲面重构研究
• 4.1 引言
• 4.2 非均匀B样条曲面重构
• 4.2.1 B样条曲线曲面的方程及其性质
• 4.2.2 B样条曲线曲面类型的划分
• 4.2.3 B样条曲线曲面重构对比实验
• 4.3 非均匀B样条曲面重构过程
• 4.4 非均匀B样条曲面重构方法及其实现
• 4.4.1 节点矢量的确定
• 4.4.2 非均匀B样条曲面控制点反算
• 4.4.3 非均匀B样条曲线上的点
• 4.5 非均匀B样条曲面显示
• 4.5.1 OpenGL初始设置
• 4.5.2 OpenGL的主要功能
• 4.5.3 非均匀B样条曲面显示
• 4.6 非均匀B样条曲面重构实例验证
• 4.6.1 非均匀B样条曲面重构模块操作流程
• 4.6.2 实验验证结果分析
• 4.7 本章小结
• 第五章 测量-建模闭环系统的开发与应用
• 5.1 引言
• 5.2 测量-建模闭环系统的总体设计
• 5.2.1 测量-建模闭环系统设计思路
• 5.2.2 检测点的确定
• 5.2.3 精度评价
• 5.3 测量-建模闭环系统开发方法和主要模块
• 5.3.1 开发方法
• 5.3.2 主要模块
• 5.4 测量-建模闭环系统的实现
• 5.5 测量-建模闭环系统的应用
• 5.6 本章小结
• 第六章 总结和展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 后续研究工作展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录:作者在攻读硕士学位期间发表的论文