三坐标测量数据预处理系统的设计与开发

　　0 引言

　　逆向工程技术是20世纪80年代后期出现的新技术, 在制造业领域, 逆向工程有着广泛的应用背景[ 1-6] 。逆向工程技术一般以三坐标测量设备的输出数据为原始信息来源, 并以此为基础完成产品的建模和制造。然而, 受被测产品的定位、尺寸、障碍处理、表面物理属性、变形等因素的影响, 三坐标测量数据不能直接用于逆向造型。因此, 逆向工程中的一个重要环节就是三坐标测量数据的预处理, 目前, 针对三坐标测量数据预处理的研究得到了人们的广泛关注[ 7-10] 。主流的CAD系统具备一定的数据预处理功能, 如: 去除明显噪音点、对称基准重建、重定位整合等。但是, 由于该类软件并非针对逆向工程而开发, 因此在预处理时, 不能很好地满足产品逆向造型的需求, 主要表现在3个方面:¹ 缺少专用模块, 操作步骤复杂; º 模块功能不全, 处理能力有限; » 过多依赖人工, 无法保证精度。为了提高后续开发产品的质量, 对三坐标测量数据预处理的功能原理进行了研究, 主要包括数据转换、数据整合、数据处理、数据保存4个功能模块。采用VC + + 和OpenGL作为开发工具, 实现了系统的开发, 并在实际中进行了应用, 取得了良好的效果。

　　1 系统的结构设计与功能原理研究

　　图1所示为三坐标测量数据预处理系统的总体结构图, 主要包括数据转换、数据整合、数据处理、数据保存4个功能模块。对各个功能模块的功能原理研究如下。

　　1. 1 数据转换

　　三坐标测量设备输出的数据通常需要在格式转换后, 才能被主流CAD 系统识别。虽然最新的三坐标测量机带有通用的转换接口, 可以将测量数据转换为IGES格式, 但不同的CAD /CAM 系统所能识别的IGES格式存在一定的差异, 因此, 它们只能适用于部分CAD /CAM 系统, 这往往给三坐标测量机与CAD /CAM系统的数据交换带来一定的困难。目前国内企业所使用的三坐标测量机大多未更新换代, 完全需要自己设计数据格式转换程序, 根据测量机的输出文件得到其对应的IGES格式文件。

　　假设测量格式与IGES格式各有m 和n 种, 如果对它们进行直接转换, 势必会形成m 和n 种的多对多转换, 多对多的转换模式既不利于统一管理, 也不利于效率的提高。因此, 我们引入具有中间格式文件的转换模式, 中间格式处于测量机输出格式与IGES 格式之间, 起到连接两种格式的作用, 在新的转换模式下,其转换种类由原来的m*n种变为现在的m + n种, 能够有效降低转换的复杂程度、提高数据转换接口的稳定性, 同时也方便对测量数据的处理。

　　1. 2 数据整合

　　实际测量中, 往往需要多次定位产品, 才能获得完整的测量数据。这时就需要在不同的定位状态下测量产品的各个部分, 称为产品的重定位测量。在造型时,需要将这些数据变换到同一坐标系中, 利用齐次坐标表达法, 可以方便地用变换矩阵实现对图形的变换。令三维图形变换前的一点坐标为[ x y z 1] , 变换后为[ x*y*z* 1], 变换矩阵为T。图形变换的数学表达式可统一表达为