基于数字化反求工程的快速模具设计

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1、基于数字化反求工程的快速模具设计摘要：利用三坐标测量机和合理的曲线检测算法，将测量曲线结果以ibl格式传给Pro/Engineer软件，利用Pro/Engineer软件的曲线编辑和造型功能，实现了电话机模具的快速设计。关键词：三坐标测量机；电话机模具；反求工程；模具制造1反求工程及其实现过程反求工程是对已有的零件或实物原型，利用3D数字化设备，准确、快速地测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物的CAD模型的过程。反求工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程，一般可分为四个阶段：(1)零件原型的数字化。通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取零件原型

2、表面点的三维坐标值。(2)从测量数据中提取零件原型的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。(3)零件原型CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接，获取零件原型表面的CAD模型。(4)重建CAD模型的检验与修正。根据获得的CAD模型，采用重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求。对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。图1为典型的反求工程流程图。图1反求工程流程图2自由曲线的检测方法由实物建立CAD模型，要求首

3、先对其实物表面进行数字化处理。由此可见，反求工程的关键技术有两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化测量技术；另一方面是曲面重构技术[1]。数据处理是反求工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量。传统的测量方法是以CMM为代表的接触式测量。目前，对于CAD系统的表面造型功能而言，基本上采用的是由点成线，再由线成面的造型方法。实体造型也基本如此，只不过在曲线处理方面有一些特殊要求。所以从CAD造型角度看来，三坐标检测方式的重点应集中在自由曲线检测方面，曲线检测的合理将为后续的CAD造型带来极大的方便[2,3]。三坐标检测方式的重点在于曲线检测的路径规划，如果测头能以设

4、计者希望的轨迹进行测量，将会提高三坐标测量机的测量精度和工作效率。自由曲线的检测的复杂性主要体现在两方面：（1）采点数量的多少；（2）检测的自动化程度。针对自由曲线检测所存在的两个问题，文献[2]提出一种折中的检测方法，即在考虑到采点密度问题的同时，也考虑到检测自动化与人工干预问题。在操作人员尽量少干预的情况下，使采点数量与检测路径在最大程度上满足要求。基本思路是：首先在需要检测的自由曲线上面采集少量几个点，通过这几个点来粗略描述检测路径；再在这几个点所描述检测路径的基础上，进行检测路径的自动规划，根据检测的密度要求，进行检测路径的细分。这样既可以灵活控制检测动作的空间轨迹，又可在少干预的情

5、况下，得到大量的点位信息，提高了检测的自动化程度和合理性。2.1检测路径的描述目前在各CAD系统中，对自由曲线的描述基本上都是采用三次样条曲线。这种描述方法对曲线的控制较为灵活，局部的变动对曲线整体的性质影响不大，在对曲线的连续性和光滑性处理方面功能强大。在对三次样条曲线进行描述时，通常采用控制多边形的方式，即由若干控制点来控制曲线的形状。控制点是用来确定曲线和曲面的位置和形状的，而相应的曲线和曲面不一定经过的点。为了使生成的曲线通过所给的点（在这里我们称之为型值点），那么首先应由这几个型值点反求出通过其的控制点，而后由这些控制点去描述所生成的曲线。2.2检测路径的细分通过2.1.1所建立的

6、样条曲线，可较为完整地描述检测路径。通过这条检测路径可使测头按照合理的方式空间移动，得到性能优良的点位信息。如果所给点的数量及分布越合理，则检测路径与实际曲线越类似，两者的差别也越小。路径细分的目的就在于检测出这些差别，使采集到的点位信息真实反映实际曲线的情况。为便于操作者控制检测路径的细分程度，采用以距离为标准进行路径细分的方法，使生成的各测点在曲线上的分布尽量是等距的。检测路径细分完成后，便可生成具体的检测程序了。测头的碰触方式统一采用垂直向下的接触方式。由此点位检测的两个关键因素都可以确定：一是碰触方向，统一采用垂直向下；二是待测点的空间位置，由检测路径细分得到。依据检测路径的数学模型

7、，通过程序取不同的检测步距，便可生成采集点位数量不一的检测程序。图2为一曲线检测实例，(a)图为由六点生成的三次样条曲线形式的检测路径，其中的三角形点表示六个检测路径控制点，曲线表示由这六点所生成的检测路径；（b）图为以步距10mm进行的检测路径细分，·为加密点，o点表示对应每一·点的检测起始点。图2曲线检测路径3实例3.1数据的测量电话机外壳由许多复杂曲面构成。由于测量时测头和表面接触力很小，电话机外壳固定