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面向快速原型制造的逆求技術

注意:本論文已在《機械制造》雜志(2000,38(428):11-13)發表
使用者請注明論文出處


孫玉文
大連理工大學
機械系,遼寧 大連116024)   

 

   逆求技術是一種應用非常廣泛的新興技術,在快速原型制造中具有重要作用。本文介紹了面向快速原型制造的逆求工程系統的結構體系、測量方法以及相應的數據處理手段,并指出了存在的問題和今后的發展方向。
關鍵詞
 逆求工程  快速原型制造 測量 數據處理

 

最近幾年,快速原型制造(RPM)在我國得到迅速發展和推廣。它是為了快速響應市場的需求變化,縮短產品開發周期而產生的。在實際生產中為了跟蹤國外先進技術等諸多原因,經常需要對樣件進行仿制。然而對于一些復雜的樣件,如果采用傳統的數據采集方法對實物進行測量建模非常困難,需要花費很長一段時間,快速原型制造也隨之失去了快速的意義。因此,研究適應快速原型制造的逆求技術具有非常重要的意義。

快速原型制造與逆求工程(RE)的結合,在航空、航天、汽車、模具制造和醫學診斷等方面都具有重要作用。隨著新的測試技術與儀器的不斷涌現以及CAGD的發展,有必要對適合于快速原型制造的逆求技術進行系統的研究,使之不再成為快速產品開發中的瓶頸問題。

本文介紹國內面向RPM的逆求工程系統的測量技術、數據處理方法以及目前存在的問題和今后的發展方向。

 

面向RPM的逆求工程及其實現技術

 

1.      逆求工程的結構體系

目前國內學術界對于逆求工程的定義并不統一,比較一致的看法是指根據實物模型測得數據構造CAD模型,繼而用于產品分析和制造。在快速原型制造中,逆求工程充分體現了RPM的獨有特點,它可以經過CAD模型也可以不經過CAD模型而直接生成快速成型機所需的數據信息,包含了從實物樣件測量直至生成快速成型機的接口文件的全過程。由此可見,面向RPM的逆求工程范圍很廣,實現方法也不盡相同,但都包含樣件測量和數據處理兩大基本組成部分,其最終目的就是給快速成型機提供能夠精確成型實物樣件所需的層片驅動文件。一個完整的逆求工程流程如圖1所示。


1 逆求工程流程圖

2.逆求工程的測量技術

   測量方法的選用是逆求工程中的一個非常重要的問題。每種方法都有其優缺點,應當根據樣件特點進行恰當的選擇。獲取三維面形信息的基本方法可以分為接觸式和非接觸式兩種。在RPM中經常采用的測量方法如圖2所示。


2  測量方法分類

坐標測量儀(CMM)是一種廣泛使用的接觸式測量方法,測量精度可以達到±0.5微米。由于采用接觸測量,整個測量過程始終需要人工干預,對于獲得數據還需進行基準歸一化以及測頭半徑補償,因而不適于對自由曲面等需要大量采集數據點的三維面形進行測量。


圖3 激光三角形測量

在非接觸三維形貌測量中,基于激光的三角法由于其系統結構簡單、測量速度快,且具有實時處理能力,因而被廣泛采用。它既可以逐點測量,也可以進行線光條測量。測量精度在0.01毫米左右,采樣速度可以達到每秒數萬點。激光三角法測量原理如圖3所示。激光沿投影光軸投射到物體表面,在另一個方向上,光點的像被CCD接收,其幾何關系為:

  (1)

其中f-成像系統焦距,h-目標平面相對物面的深度變化,-物距,-CCD光斑的質心偏移。

此外,在國內基于CT掃描和CGI的測量技術業已開始使用。在RPM中較為常用的測量方法還有條紋法、圖象分析法和核磁共振法,但在國內并不多見。

3.逆求工程的數據處理技術

    采用非接觸式測量得到的是大量密集散亂的數據群,被形象地稱為“云狀數據”。這些測點數據之間沒有顯式的幾何拓撲關系,且夾雜著非測量樣件信息。由于被測表面粗糙等原因,測得數據還不可避免的含有噪聲信息。如何將其處理成為能夠完整表達被測樣件的表面模型,并且滿足用戶的精度要求和設計標準,是一個亟待給予圓滿解決的問題。

能夠進行正確測量造型的首要基礎就是測量數據的預處理。在處理中,不僅要剔除不相關數據和異常數據,還要對由于陰影或屏蔽作用而導致的未掃描到部分予以數據補充。用外加振動等方法找出噪聲信息或直接利用多點平滑去除數據噪聲。如果數據過于稠密,還要對數據進行勻化。經過上述操作,一般能夠提高測得數據精度。然而對于最能反映曲面特征的特征點、線的智能提取,國內文獻未見提及。

目前國內大都采用IGES、DEF等標準文件格式表達經過預處理的數據信息,借助Pro/E 等通用CAD軟件平臺進行造型,進而生成快速成型機所需的接口文件(STL文件)。由于RPM本身就是分層制造法,為了避免這種多次轉化的繁復,國內已開始層片信息直接驅動RP設備的研究。

面向RPM的逆求工程存在的問題

 1.   測量方法中的實際問題

實際測量中,影響測量精度的因素很多,出現的問題也是很多。光學測量系統在制造和裝配時很難獲得準確值,因此在裝配后必須對結構參數進行標定。由于標定中對光學系統進行了許多理想假設,因而會帶來一些很復雜的非線性誤差,對測量精度有很大的影響。此外樣件的自身結構和夾緊裝置引起的阻塞問題以及測量的可及性問題都將使整個表面的重構變得十分困難。

 2STL數據模型存在的問題

STL文件由一組無序且相互間無聯系的三角面組成,由于不含有拓撲信息,每個頂點要反復出現幾次,數據冗余量大。三角片是對實體模型的線性逼近,降低了造型精度。隨著曲面復雜程度的增大,用這種三角片逼近的誤差也會加大。由表面模型轉換生成的STL數據模型還存在著裂縫、空洞和表面重疊問題。這些問題如不能得到有效的控制,很有可能導致廢品產生。

  面向RPM的逆求工程的發展趨勢

     基于上述存在的問題,筆者認為應向如下三個方面發展:

      1.建立適于RPM的逆求工程系統,該系統應該數據采集速度快,精度高,能夠充分發揮CAD/CAM技術和計算機高速處理優勢,達到與RPM的匹配,數據處理要由原來的手工分塊測量建模方法向自動化程度高而且誤差可控的曲面造型新技術方向發展。

 2.建立新的快速成型機標準接口軟件,它應是與快速成型工藝無關,無二義性,且具有開放性和兼容性的中性文件。

    3.若使用STL文件,應建立專用的三維重構數據處理軟件,且應具有自動診斷和修復功能。目前國外已開發出多種類似的軟件,專用軟件在造型誤差控制和消除數據冗余方面比通用軟件具有不可比擬的優勢。

  結論

     面向RPM的逆求工程系統還在研究和探討之中,有許多理論和關鍵技術未能得到徹底解決。造型精度還需進一步的提高,測量建模算法的有效性、效率以及所建模型的誤差(測量、算法誤差)分析也有待于深入。目前,面向RPM的逆求工程系統在設備價格上還十分昂貴,逆求過程中還需要人工干預,快速響應市場能力也有待于加強,因此逆求工程系統應向自動化、柔性化、快速化方向進一步發展。

                         

參考文獻

 1Robert J.Abella.etcReverse engineering industrial applicationcomput. ind.engng,1994,24(2):381-385

2Yan X.etcA review of rapid prototyping technologies and systemsCAD, 1996,28(4):307-318

3.刑淵、周雄輝、阮雪榆.集成反向工程系統研究.機械工程學報,1998,343):1-5

 

Reverse Engineering RPM-oriented

 Sun Yuwen
Dalian University of  Technology  Dalian , P. R. China(116024)   

AbstractReverse engineering,a newly developed and widely used technique,has important application in rapid prototyping manufacturingThis paper discusses chiefly its structure system,measure methods and data processing techniquesAlso,in this paper,practical problems and future development trends of reverse engineering are mentioned
Key words
reverse engineering  RPM  measure  data processing

 

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