逆向工程中自由曲面的自适应数字化算法研究

　　1　引言

　　在产品开发过程中,设计常常不是从已知的图纸(理论数据)开始,而是直接以实物样件作为设计依据或参考模型。从实物模型获取数据,通过数据处理、曲面重建,生成CAD数学模型以便于进行修改,并同时生成数控代码通过CNC生产出产品。因此逆向工程主要包括两步:对实物样件的3D数据获取技术,即数字化技术和数据处理技术,数据处理技术包括数据的平滑和滤波、曲面网格划分、曲面拟合及NC代码生成等。逆向工程中的数字化技术不同于检测技术,待测曲面是未知的。随着CAD/CAM技术的广泛应用,如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维曲面的数据,进而快速地转变成高质量的计算机软件中的三维数学模型,仍然是逆向工程技术研究的关键问题。因此研究如何对未知曲面进行高精度、高速度的自动跟踪测量显得尤为重要。未知曲面测量一般采用截面线法。在截面线法测量的基础上首先对几种跟踪算法进行了分析比较;然后基于三次参数样条曲线的性质,提出通过圆弧外延点位控制测头自动跟踪曲面;最后给出自动跟踪算法的仿真结果和结论。

　　2　曲面测量的截面线法

　　在逆向工程中对实物样件进行数字化应主要考虑:如何根据已测点的信息来对自由曲面的测量作出预测和规划,解决测头对被测曲面的自动跟踪问题,使测头运动能够密切跟随曲面形状的变化,使得测量实现起来可行、安全、高效,同时也要尽量使测点分布的疏密与曲面的弯曲程度保持一致,并使测点数据便于后续的曲面重构或其它处理。

　　未知曲面测量方法一般基于“曲面-曲线-点集-测量点集”的递归分解策略一行一行地测量,即截面线法。截面线法是指用一组平行平面与测量曲面相交,沿截交线对曲面进行测量,平行平面即测头与测量曲面的垂直面。测量原理如图1所示。由于传感器能测出被测物体沿Z轴方向变动距离,测量过程中,传感器只在Z轴作一维仿形退让动作,其它轴作行列进给运动。当被测物体上的点在点光源视野内时,系统读取传感器输出值,计算存储该点坐标值。运用相应控制策略控制伺服系统带动传感器运动到下一测点,循环反复直至完成整个曲面扫描。评价自动跟踪测量功能的主要问题有3个:(1)可靠性问题,即跟踪过程中是否经常出现跟踪失败的情况;(2)采样信息是否充分,是否既反映了待测曲面的几何信息又能减少冗余数据,而且有利于测量数据的后续处理。(3)测量效率问题。

　　为了保证测量精度,一般着重考虑前两个方面。在自动跟踪方面的研究报道不多,理论上的研究大连理工大学卢杰持的工作比较早[1,2]。卢杰持对CAD模型未知的曲面的跟踪提出了两种算法。一种是递增速度旋转算法,即由中断控制测头的状态,在跟踪过程中以恒定角增量旋转速度矢量;一种是曲面切线估算法,即估算接触点处的切向量,反馈给测头定位伺服系统产生自动跟踪命令。第一种算法,跟踪过程中不需要知道测头的坐标位置和坐标位置的反馈信息,但跟踪过程可能出现不连续而且测量机容易产生摆动;第二种算法,跟踪过程连续而且不易出现摆动,但跟踪过程中需要位置坐标的反馈信息和控制系统微处理器进行更多的实时计算,但因为待测实物的测量点也需要位置坐标信息,因此这里不认为是一个很重要的缺点。王平江[3]提出了点光源激光测头速度控制彷形测量方法。其基本思想是:测量过程中,在各种曲面形状和曲率情况下测量光点始终以恒定速度跟随曲面,并以此为合速度值,根据当前测头信息分配测头运动各轴的分速度,使测头能够跟随曲面的变化自动调整其位置,从而保证物光点始终在测量范围的中心附近。该方法在速度取得合适时,可以有效地避免测量头与待测曲面发生碰撞,保证测量的安全;但该方法并没有充分利用待测曲面的几何信息,测点数据中包含了大量的冗余信息,测量效率不高,不利于测点数据的后置处理。