四轴三维激光测量系统与自动拼合技术分析

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1、华中科技大学硕士学位论文1绪论当今世界市场竞争日益激烈，产品更新换代的步伐不断加快。对动态变化和难以预测的市场需求做出快速响应，高效地实现多品种小批量生产的敏捷化生产，已[1]成为制造业的重要前沿研究领域。在这种形势下，产品的更新周期已经越来越短，而厂家对新产品的开发需求也越来越多。为了迎接挑战，制造业迫切需要设计、制造和市场的重新统一。为此，企业的经营战略已不再是80年代的“质量竞争第一”，而是“市场竞争第一”，时间因素提到了首位。为适应这种转变，各种先进的设计思想和制造方式应运而生，由原来[2]的串行方式发展到并行工程（CE），

2、并进而发展为快速反馈设计和快速产品开发（PRD）。这种设计模式的提出，给当代制造业注入了新的“血液”和动力，也是市场驱动的自然发育模式演化的必然结果。1.1引言经济全球化迫使市场竞争日趋激烈，产品寿命周期越来越短，更新换代速度越来越快，这就促使制造业必须进一步缩短新产品开发和投放市场的周期，提高产品质量和降低产品成本，实现多品种、小批量生产的敏捷化，以满足市场对个性化的需求。因此，只有具备对市场需求迅速做出响应的能力，企业才能生存和发展。在这种形势下，作为先进制造技术重要分支的逆向工程技术的研究与应用得到了迅猛的发展。目前逆向工程技

3、术已成为吸收、消化国内外先进技术、实现产品快速开发和创新的重要手段，通过该技术可以避免走自行开发中的许多弯路。为了实现产品快速开发，常常需要以已知的样件（模型）为依据或参考原型，进行仿型、改型或工业造型设计。如汽车车身和覆盖件等的工业设计中，形状独特而复杂的自由曲面件一般不能直接建立CAD模型，而是以制件模型（如粘土模型等）或经手工进行修改后的样件为设计原型，这类零件具有非常复杂的自由曲面，其设计表达或数学模型的建立非常困难。一旦重构出自由曲面并建立CAD模型后，就可以方便地进行零件设计、有限元分析、模型修改、误差分析和数控加工指令

4、生成等。这就要求根据这些模型的表面测量数据，基于新的设计概念和功能描述重构CAD模[3~7]型，然后进行快速原型制造并进行反复优化评估，直到得到满意的设计结果。1华中科技大学硕士学位论文1.2逆向工程概述逆向工程（ReverseEngineering，RE）是一门集机器视觉、数控、光学、CAD/CAM、精密机械、计算机图像处理、工业设计于一身的高新技术，是一种对模型进行仿型测量、CAD模型重构、模型加工并进行优化评估的设计方法。它针对现有的模型或样品，利用3D数字化测量仪器，准确、快速地测得其轮廓坐标，并进行三维CAD曲面重构，在此

5、基础上进行再设计，亦即更高层次的设计，实现产品“创新”。然后通过CAM系统，产生刀具NC加工程序代码，控制CNC加工设备进行产品加工，或者送到快速成型机将模型或样品制作出来（如图1-1所示）。这一技术使产品模型得到精确的表达和再现，为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象，在[8]产品快速设计开发和复杂型面数控加工方面都具有重大的意义。图1-1逆向工程设计过程示意图1.2.1逆向工程技术测量方法实物零件的数字化是通过测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。只有获得零件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改

6、进和制造。而测量方法的好坏直接影响到对被测实体描述的精确、完整程度，进而影响到重构的CAD曲面、实体模型的质量，并最终影响到快速成形制造出来的产品是否能真实地反映原始的实体模型。因此，它是整个RE技术的基础。[9~13]目前，三维表面数据采集方法可以分为接触式和非接触式两大类。接触式的测量方式是基于力变形原理的触发式，最主要的产品是三坐标测量机；非接触式的采集方法主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、图像分析法等，此外，还有采取破坏性测量的层析法，如图1-2所示。2华中科技大学硕士学位论文接机械三坐标测量触式声超声波测距点扫描

7、学线扫描激光测量数主动结构光光栅投影据三角法非式采图像分析莫尔条纹相集干被立体视觉光栅编码非法动傅立叶变接光式逐层切削扫触学数字莫尔式全息照相相干散斑干涉法层双波长法析电工业CT法磁学核磁共振图1-2数据采集方法1.2.2逆向工程的应用领域逆向工程在实际应用中有十分广泛的需求。概括起来，逆向工程可以在以下诸多[14~15]方面发挥重要作用:1、通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。目前，许多外形设计还难以直接用计算机进行某些物体(如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形等)的三维几何设计，而更倾向于用貂土、木材或泡沫塑料进行初始

8、外形设计，再进行模型设计。2、逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。由于工艺、美观、使用等方面的原因，人们经常要对己有的构件做局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符的[1