逆向工程中自由曲面的测量规划与建模技术研究

论文摘要

逆向工程是相对于传统产品开发过程的逆过程,它是一门实用化程度很高的新产品开发技术。数据采集和点云数据预处理是逆向工程中非常关键的环节。本文基于三维数字化激光测量系统,对数据测量、数据预处理技术和曲面重构进行了系统研究,对产品建模及后续加工具有重要的意义。本文在研究三维激光测量原理的基础上,通过大量的实验,从数据测量的完整性、精确性方面对数据采集问题进行了研究。针对测量设备的特点和实物轮廓的复杂性,提出了不同条件下的测量方案规划,并通过实例验证规划的正确性;通过正交实验,分析了LSH800参数设置对测量精度的影响;分析了待测件表面特征,如表面颜色、倾斜度、表面曲率、光泽等对测量结果的影响,得到了不同表面特征对测量数据的影响规律。结果表明,进行合理的测量方案规划、选择合适的测量参数并进行必要的表面处理是得到完整点云数据的保证。分析了非接触三维扫描测量数据处理中的噪声点剔除、数据精简、平滑处理及点云数据的拼合对齐等问题。通过对目前精简测量数据点云理论及方法的分析,采用基于八叉树空间分割曲率精简点云的方法,既有效地减少了点云的数量,又较好地保留了原数据的几何特性;通过对不同测量基准下的扫描数据,运用三点对齐法进行粗对齐,应用ICP算法,实现了图形数据的精对齐;针对线扫描数据的特点,给出了基于扫描线点云的特征提取方法。另通过对曲面特性及数学模式的研究,采用NURBS作为自由曲线、曲面的标准形式,对基于点云数据的曲面重构的方法和规律进行了归纳和总结,完成了以特征线为中心的曲面重构方法,并通过实例证明了该方法的有效性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的背景及意义
• 1.2 逆向工程概述
• 1.3 逆向工程的应用领域及发展现状
• 1.4 逆向工程的关键技术
• 1.4.1 数据获取技术
• 1.4.2 数据预处理技术
• 1.4.3 曲面重构技术
• 1.5 本文的主要研究内容及论文框架
• 2 逆向工程中数据测量技术及测量误差的研究
• 2.1 三维物体数字化测量方法
• 2.1.1 接触式测量方法
• 2.1.2 非接触式测量方法
• 2.2 基于三维激光扫描的数据测量技术研究
• 2.2.1 测量设备简介
• 2.2.2 激光扫描仪测量原理
• 2.3 基于三维激光扫描数据测量误差的正交实验研究
• 2.3.1 激光扫描仪的误差分析
• 2.3.2 影响实验结果的因素选择
• 2.3.3 标准球测量实验及结果分析
• 2.3.4 标准平面的测量实验
• 2.3.5 精度分析
• 2.4 激光扫描仪测量路径规划
• 2.4.1 扫描方式
• 2.4.2 工件装夹定位
• 2.4.3 数据获取应遵循的原则
• 2.5 本章小结
• 3 测量数据的预处理研究
• 3.1 噪声点的去除
• 3.1.1 LSH800测量系统噪声分析
• 3.1.2 测量数据去噪
• 3.1.3 基于曲率变化的分段曲线检查法
• 3.2 点云数据精简
• 3.2.1 根据曲面曲率精简点云的算法实现
• 3.2.2 实例
• 3.3 点云数据的修补
• 3.4 点云数据的多视对齐
• 3.4.1 多视对齐概述
• 3.4.2 多视对齐的常用方法
• 3.4.3 基于三个基准点的对齐方法
• 3.4.4 ICP对齐方法
• 3.5 特征提取技术
• 3.6 本章小结
• 4 曲面建模方法研究
• 4.1 曲线曲面的数学模型
• 4.1.1 曲线曲面的数学模型概述
• 4.1.2 Bezier（贝塞尔）曲线/曲面
• 4.1.3 B-Spline曲线/曲面
• 4.1.4 NURBS曲线/曲面
• 4.2 曲面重构与光顺
• 4.2.1 曲面拟合的算法
• 4.2.2 曲面重构的方法
• 4.2.3 曲面建模的步骤与原则
• 4.3 本章小结
• 5 总结与展望
• 5.1 本文的主要工作及结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表论文
• 在校期间所参加的项目