1 逆向工程中的精度檢測

隨著計算機軟件和硬件的不斷發(fā)展喝壹，CAD/CAM技術對自由曲面產(chǎn)品的設計和制造提供了越來越大的支持仓近。但是，有些自由曲面產(chǎn)品往往最初以手工制作模型的形式存在旱已，即實際上不存在CAD模型肌蛮。為了利用先進的數(shù)控加工技術和快速原型制造技術，就需要從已存在的實物出發(fā)反向構(gòu)造CAD模型殿漆，這就是逆向工程的概念忍猛。在本文所處的環(huán)境條件下，在經(jīng)過比較和分析之后肾蕉，可以采用如下一種可行的系統(tǒng)方案掐股，如圖1所示。首先笤敞，利用ATOS光學掃描儀等設備測量原型件的表面扳九，獲取復雜形狀的自由曲面產(chǎn)品三維點云。然后瞻绝，通過曲面擬合軟件Imageware軟件和三維造型軟件UG等構(gòu)造CAD模型玖瘸，由此驅(qū)動快速原型機制造產(chǎn)品。

快速逆向工程的研究大多集中于點云數(shù)據(jù)處理和點云的曲面擬合等方面檀咙，但對其中各環(huán)節(jié)的精度評價和誤差分析研究得較少雅倒。實際上，經(jīng)常需要基于CAD模型進行制造件加工精度的檢測弧可。同時評價重構(gòu)模型精度也是非常重要的蔑匣，這是以原型件為參考檢測重構(gòu)模型的過程。本文針對這些特點侣诺，對選擇的方案中影響精度的各個環(huán)節(jié)進行了分析殖演。

2 結(jié)構(gòu)光測量儀的誤差分析

德國GOM公司新近推出的以數(shù)碼相機為基礎的光學三維測量系統(tǒng).它包括測量頭、三腳架年鸳、控制器和計算機趴久。測量頭中間是普通光源，兩端是CCD攝像頭(如圖2所示)搔确。其數(shù)據(jù)采集原理是投影光柵法(如圖3所示)彼棍。

該測量儀可以自由地繞著被測物體移動，能夠在無任何平臺的支撐下實現(xiàn)流動式操作膳算。每幅掃描照片可獲得工件表面400 000個點的三維坐標座硕，掃描精度達0. 03 mm,整體拼合掃描精度為0. 1 mm/m攘体。

用ATOS測量時所產(chǎn)生的誤差，分為機器本身的誤差门痕、拍攝前外界因素的影響誤差办轮、儀器校正時的誤差以及拍攝時的誤差。

2. 1機器本身的誤差

投影光源的強度和照明均勻性影響圖像條紋質(zhì)量困喜。如果光源的照明不均勻枫欢，攝取的條紋圖像亮度不均勻使檢測的條紋邊緣易出現(xiàn)斷線，給后處理帶來麻煩裤能》狄可以采取照明的均勻性好和亮度較高的燈作為光源，以減少投影光源的強度和照明均勻性的影響勿玖。

2. 2外界因素的影響

2. 2. 1外界環(huán)境光的影響隔每。

由于ATOS測量是通過投射光和獲取從實體表面反射的光進行測量的，測量時變化很大的外界環(huán)境光會對測量光帶來影響场比，進而影響我們測得的數(shù)據(jù)的準確性贼酵。為了防止外界環(huán)境光變化產(chǎn)生的影響，該測量儀自帶的軟件里可以進行預先設置規(guī)定的變化值仲闽，當超過該規(guī)定的變化值時會出現(xiàn)提示的對話框脑溢。

2.2.2鏡頭或?qū)嶓w微小移動的影響。

該影響主要是由在拍攝時周圍環(huán)境的震動引起鏡頭或者是待測實體的移動而引起的赖欣。為了減小該誤差屑彻，測量儀白帶的軟件也可以進行預先的設置。

2. 2. 3顯像劑的影響顶吮。

當對反光性不好的實體進行測量時社牲，要噴灑顯像劑進行測量。測量時應盡量把實體的表面噴灑得均勻悴了，并且盡可能地薄搏恤，否則，會加大實體尺寸與測量尺寸的誤差湃交。此外熟空，由于不同型號的顯像劑的顆粒不一樣，對測量也會有不同的影響搞莺。對一些反射性較好的實體進行測量時息罗，可以不涂顯像劑來減小測量誤差。

2. 3儀器校正時的誤差

系統(tǒng)安裝后要進行一次校準抛现，包括硬件校準和軟件校準轴艇。硬件校準主要是校準投射影像，中間投射鏡頭聚焦調(diào)校贾反，左右鏡頭的焦距和光圈調(diào)校婆掐。而其軟件調(diào)校又可分為標準標定它蛔、快速標定和擴展標定。一般進行標準標定呜紊，當掃描過程中多次出現(xiàn)參考點的誤差大于0. 1時首袍，可采用快速標定，擴展標定用于掃描非常小的物體時(小于50 mm x40 mm)硝僻。這種校正是人工的鹿脯，由于操作者視覺誤差，使得測量系統(tǒng)不免要產(chǎn)生誤差毕沫。

2. 4拍攝時的誤差

多視圖拼合誤差主要是由公共參考點的誤差引起的。ATOS在貼參考點時不可貼成直線狀顶赎，最少三點(由幾何知嫂焕，不在一條直線上的三點決定一個平面)。而且盡可能不要把參考點貼在孤立位置或曲率變化較大的位置疯坤，而要貼在曲率變化小的區(qū)域报慕。避免出現(xiàn)狹長三角形，并且盡量使最基本的三個參考點接近正三角型压怠。

在實際測量過程中貼參考點時應注意以下幾點:

1) A.B,C三點不能共線眠冈，應避免△ABC成為狹長三角形△ABC面積也要足夠大。

2)標記點既可以是人工設定的菌瘫，也可以是測量對象所固有的蜗顽，但必須是能夠在測量數(shù)據(jù)點集中準確識別、匹配和定位的點雨让。

3)在實際工程應用情況下雇盖，是用具有一定面積大小的圓形不干膠紙貼在被測物體表面上。由于從斜向圓變換為橢圓栖忠，而系統(tǒng)又有一定的橢圓度限制崔挖，所以三個標志小圓面盡可能在一個實際平面上，就是不能滿足時庵寞，也要盡可能考慮到橢圓度不同的影響狸相。

如何提高測量精度，是一個理論和實踐相結(jié)合的問題朗溶，除了在理論上分析之外荡档，更重要的是在實際測量中細心謹慎，不斷摸索總結(jié)經(jīng)驗穗免，以盡可能地降低各種誤差障渡，提高測量精度，為后續(xù)處理打下一個很好的基礎趋臼。

3 曲面重構(gòu)成型的精度研究

在逆向工程中真實曲面是未知的篙袄，由測量點集重構(gòu)的CAD模型只是對真實曲面的逼近抚揖。模型重構(gòu)涉及到數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)分區(qū)接骄、多視圖拼合瓢宝、曲面擬合和拼接以及實體模型建立等多個環(huán)節(jié)，任何一個環(huán)節(jié)的誤差都會影響最終CAD模型的精度锈犯。

ATOS非接觸光學掃描儀能獲得高密度的測量點云中包含大量數(shù)據(jù)语验，完全表達了被測曲面的特征，因而可以把它當作真實曲面一樣使用献爷±酵裕基于這樣的認識，原型件與制造件之間的比較還必須考慮模型重構(gòu)精度的影響惋鸥，據(jù)此本文提出“原型件點集一重構(gòu)模型一快速成型件點集”的兩步驟比較策略杂穷。“原型件點集一重構(gòu)模型”比較用以評價模型的重構(gòu)精度卦绣，其結(jié)果可反饋給模型重構(gòu)過程;“重構(gòu)模型一快速成型件點集”比較用來評價制造件的加工精度耐量，其結(jié)果可用于指導改進加工過程。通過這種兩步驟的比較策略滤港，既能更精確地分析原型和制造件之間的形狀誤差廊蜒，又能清晰地表明誤差的來源，有利于采取有目的的改進措施溅漾。

3. 1原型件點集與重構(gòu)模型的比較來評價重構(gòu)模型精度

對于螺旋槳曲面來說山叮，實物模型與數(shù)學模型的對比一般通過不同模型對應點之間的距離來表示。在這里我們運用線樟凄、面重合檢測方法將重構(gòu)的三維模型導人到Imageware軟件中進行重構(gòu)模型與原型件點集的對應點誤差分析聘芜。如圖4、5缝龄、6所示磁揽。

在螺旋槳的反求實例中，其反求誤差范圍為t0.6mm林没，在允許誤差范圍內(nèi)伺亭，原型件點集與重構(gòu)模型的精度評價取得了較為滿意的結(jié)果。

3. 2重構(gòu)模型與快速成型件點集的比較來評價加工精度

螺旋槳是一個較為典型的薄壁復雜曲面零件婶苦。對于薄壁復雜曲面零件呀埠，如何選擇合適的成型工藝對保證其成型精度和表面質(zhì)量至關重要，本文使用的是西安交大開發(fā)的SPS600'決速成型機吴位，其一次最大成型尺寸是600 mm x 600 mm x 500 mm颠请，分層厚度是0.1-0.2mm，成型精度為土0.lmm嚣刺。

對于薄壁零件誉倦，零件擺放方式及支撐魔踱、激光功率、預熱溫度及成型溫度肿夜、掃描速度對制件的加工精度和表面質(zhì)量有影響桶求。

零件擺放方式對制件的成型質(zhì)量影響較大。對于每個零件來說色查，其擺放方式可以有無數(shù)種薯演。零件擺放方式的基本原則是:盡量縮短某一方向上掃描路徑的長度并使兩個方向的掃描路徑長度相近。如圖7所示為螺旋槳擺放方式及支撐圖秧了。

對快速成型件進行了三維掃描跨扮，運用線、面重合檢測方法將重構(gòu)的三維模型導人到Imageware軟件中進行重構(gòu)模型與快速成型件點集的對應點誤差分析示惊。如圖8好港、9、10所示米罚。取得了較為滿意的結(jié)果。

4 結(jié)論

本文在對逆向工程中的復雜曲面測量技術與逆向工程和快速成型中的質(zhì)量控制進行了比較系統(tǒng)的研究的基礎上丈探，通過對典型薄壁復雜曲面產(chǎn)品的反求設計录择，探索了產(chǎn)品在這一過程中的精度問題。

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