大型曲面类产品的快速制造技术研究

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1、大型曲面类产品的快速制造技术研究

2、第1内容加载中...第1随着信息时代的到来和制造业全球化趋势的加剧，市场对产品的性能、价格和交货期的要求更加苛刻，产品的生命周期缩短、品种增多、批量变小。这些都要求制造企业能够快速开发出高质量的产品，以响应市场的需求、提高自身的竞争力。大型复杂曲面类产品开发难度大、周期长并且质量难以保证，采用传统的开发手段已经不能适应市场激烈竞争的要求。所在的研究所采用全新的技术手段，仅用三个月即完成了总后某单位委托的1﹕1人体模型的模具和10套样件制作，由此也探索出了一种关于此类产品

3、的快速开发模式。1、大型曲面类产品快速制造的新技术人体具有形状独特而复杂的自由曲面，难以直接描述，工业设计和详细设计时一般均不能直接建立CAD模型。通常是以模型（如石膏模型或粘土模型）或经手工修整后的样件为设计原型。在我们的人体模型开发中，委托方提供了一个1﹕1的石膏模型，要求构造CAD模型，并对手、脚、髋等部位的形状进行修改；模型的主要部位壁厚为5mm，身高172cm，误差均要求小于±0.5mm，左右严格对称；另外要为模型添加各个关节：肩、髋、膝、踝、肘关节均有特定的要求，最终提供10套样件，要求样件

4、能模仿真实人体的大部分动作姿势，如站、走、坐等。在对开发任务进行深入、细致地分析以后，我们确定了三维反求——CAD模型重构——CAD再设计——快速原型制作——快速模具制造的技术路线。1．1三维反求及曲面重构从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴，称反求工程（ReverseEngineering）。目前大多数有关反求工程的研究都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型方面，又称“三维反求”。它是模型再设计、快速原型制作和快速模具制造等后续步骤的基础。三维反求

5、主要包括两个步骤：对象数字化（Objectdigilization）和曲面重构。1．1．1对象数字化对象数字化是利用相关的测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据。测量设备可分为接触式和非接触式；非接触式测量速度快，可相当密集地对产品表面进行测量，形成所谓的“点云”数据，方法主要有光栅投影、激光扫描、光学三角形、三维视觉法工业CT(putedTomography计算机断层摄像)和逐层切削照相测量，使用最广泛的是光学三角形法和光栅投影法。光学三角形法测量的基本原理[1]是利用具有规则几何形状的测量

6、光源投影到被测表面上，形成漫反射光带，并成像于空间某位置的图象传感器，根据三角形原理测出被测表面某位置的空间坐标。本案例中需要测量的人体模型尺寸较大，不需要测量内腔尺寸，且整体形状精度要求高，如脚与腿的相对位置就不得有扭曲现象。考虑到这些特点，测量时采用了德国GOM公司的ATOS测量仪，它使用可见光带。测量速度与Krcon公司的激光测头类似，可以超过10000点/秒，测量范围为500mm～10m。对于大尺寸模型，通常需要多次测量，然后将得到的不同部位数据拼合获得整个模型的全部数据点信息。ATOS配有XL

7、数码相机，用于扫描预先设置的定位点。在这些定位点信息获得后，待测模型在随后测量过程中就可以自由地翻转，但需要保证模型各部分相对位置不变，即形状不能改变。随后的扫描是依次进行的，相邻两次测量必须有三个或三个以上的共同的定标点都被测量到，通过这些共同定标点就可以将数据拼合，最后用预先获得的总体形状信息将所有数据归一化。图1为人体模型的测量数据点，图中的“白点”即为测量时所贴定标点位置，由于定标点附近的小范围无法测到数据，最终在这些地方留下了“数据空洞”。1．1．2曲面重构三维反求中，曲面重构有如下特点:①曲

8、面型面数据散乱，且曲面对象边界和形状复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法；②曲面对象通常不是由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，因而要分片构造；③在反求中为了保证数字化的完整性，相邻次测量数据之间还有一定的重叠，这就导致“多视拼合的问题”[2]（multiplevie、Unigraphics、Pro/Engineering、Cimatron等都提供反求模块，同时也有不少专门用来构造曲面的反求软件，如Delcam公司的CopyCAD、Image公司的系列产品中的专用反求模

9、块CopyCAD进行人体模型的曲面重构，它针对不同的测量方法和不同的数据类型，提供了多种曲面构造方法，另外它可以直接利用点云构造STL模型，在STL模型基础上还可以进一步构造曲面模型，这样构造曲面也是分片进行的，不仅速度快，而且精度也高（依赖于构造STL模型时给定的误差）。在CopyCAD中可以直接进入Delcam的另一模块Pom），使之成为实体零件，然后再为关节的装配设计安装接口；将PRO/E中设计好的关节零件调入，在UG的装配模块中将各