基于相位测量的不规则曲面重建与快速开发

论文摘要

不规则复杂曲面的三维建模和快速开发是产品设计制造的难点,也是近几年研究的热点问题。把逆向工程与正向加工技术相结合,可从根本上改变传统产品的开发设计和制造模式,缩短产品开发周期,解决复杂形体难以建模和难加工的问题。基于此,本文重点研究基于相位测量的点云数据获取与预处理技术,NURBS曲面重构与品质分析,曲面优化算法研究和产品快速开发等内容。首先,研究三维点云数据获取与预处理技术,分析基于相位测量的光栅投影原理、相位调制、相位解调和相位去包裹等理论。重点介绍3D CaMeGa光学三维扫描仪的校准、零件定位和点云数据获取过程。在此基础上,对点云进行预处理：采用最大允许偏差法进行数据精简,该方法精简率达40%,而且有效保留了零件关键的细节特征,还对点云进行除噪、平滑、分割等处理。其次,研究NURBS曲面拟合理论,实现整体曲面拟合和曲面拼接,点云-曲面偏差最大误差为0.270mm,符合高精度拟合曲面要求。比较曲面拟合各种算法的优缺点,提出基于正交函数的最小二乘曲面优化算法。该算法仅采用4x4阶共36个控制点拟合,就能达到较好的拟合效果。重构平均偏差仅为0.0461mm,与最小二乘法在曲面重构精度、曲面光顺性方面进行综合比较,验证本文算法的优越性。通过实验分析控制点数、曲面阶次对重构精度的影响,提出根据曲面控制点数合理选择曲面阶次,进行曲面拟合的方法。最后,设计三维曲面凸模及凹模,并进行数控仿真加工。对数控仿真加工刀路源文件进行后置处理,针对CNC840D控制系统、机床型号为fz37的数控机床生成数控加工车间NC程序,实现不规则曲面零件的二次开发。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的选题背景及研究意义
• 1.2 三维测量技术研究现状
• 1.2.1 国内外研究现状
• 1.2.2 三维测量主要方法
• 1.3 曲面重构技术的研究现状
• 1.3.1 曲面重构技术新进展
• 1.3.2 曲面重构主要算法
• 1.4 产品快速开发技术简介
• 1.5 主要研究内容
• 第2章 基于相位测量的点云数据获取与预处理
• 2.1 调制相位的解相与去包裹技术
• 2.1.1 光栅投影调制原理
• 2.1.2 四步相移法解相
• 2.1.3 相位去包裹技术
• 2.2 点云数据获取
• 2.2.1 数据获取仪器
• 2.2.2 数据获取步骤
• 2.3 点云数据预处理技术
• 2.3.1 自适应弦偏差脉冲噪声检测与实验
• 2.3.2 点云数据平滑处理与实验
• 2.3.3 点云数据精简与实验
• 2.3.4 点云数据分割与实验
• 2.4 本章小结
• 第3章 NURBS曲面重构技术与曲面拼接
• 3.1 NURBS曲面拟合理论
• 3.1.1 NURBS曲面插值
• 3.1.2 NURBS曲面逼近
• 3.2 分块区域的曲面重构与拼接
• 3.2.1 分块区域的曲面构建
• 3.2.2 分块区域的曲面拼接
• 3.3 曲面连续性几何条件与实验
• 3.3.1 曲面拼接的位置连续性
• 3.3.2 曲面拼接的切平面连续性
• 3.3.3 曲面拼接的曲率连续性
• 3.3.4 曲面拼接实验
• 3.4 本章小结
• 第4章 曲面重构精度分析与影响因素
• 4.1 基于正交函数的最小二乘曲面优化
• 4.1.1 算法描述
• 4.1.2 数学模型
• 4.1.3 曲面优化实验
• 4.2. 与最小二乘算法性能比较
• 4.2.1 最小二乘法的理论基础
• 4.2.2 重构误差分析与比较
• 4.2.3 重构曲面的光顺性分析与比较
• 4.3 曲面重构精度的影响因素
• 4.3.1 控制点与曲面重构精度
• 4.3.2 实验与数据分析
• 4.3.3 曲面阶次与曲面重构精度
• 4.3.4 实验与数据分析
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于CATIA的三维曲面模型快速开发
• 5.1 三维曲面模型数控仿真加工方案
• 5.1.1 三维曲面模型加工工艺分析与规划
• 5.1.2 凸模及凹模毛坯的建立
• 5.2 三维曲面凸模、凹模数控仿真加工
• 5.2.1 加工参数的设置
• 5.2.2 数控仿真加工刀路的生成及检验
• 5.2.3 数控仿真加工结果
• 5.3 加工后处理及数控加工程序的生成
• 5.3.1 后置处理程序
• 5.3.2 数控加工程序的生成
• 5.4 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间的研究成果