《机械工程学报》英文版 1999年第12卷第4期目次、摘要预告

——研究了逆向工程中视觉传感器、曲面数字化等关键技术问题。在视觉传感器方面,实现了输入输出的高度线性关系和误差对入射角的低敏感性;在曲面数字化方面,提出基于曲面曲率和被测点切线斜率的自适应采样规划。将视觉传感器、数控铣床和相关软件集成后,开发出基于计算机视觉的自由曲面逆向工程系统。试验表明所开发的逆向工程系统是可靠的和有效的。     

《机械工程学报》英文版1999年第12卷第4期目次、摘要预告

基于计算机视觉的自由曲面逆向工程系统来新民　　林忠钦（上海交通大学机械工程学院　上海　２０００３０）黄　田　　张大卫　　曾子平（天津大学）摘要——研究了逆向工程中视觉传感器、曲面数字化等关键技术问题。在视觉传感器方面,实现了输入输出的高度线性关系和误差对入射角的低敏感性;在曲面数字化方面,提出基于曲面曲率和被测点切线斜率的自适应采样规划。将视觉传感器、数控铣床和相关软件集成后,开发出基于计算机视觉的自由曲面逆向工程系统。试验表明所开发的逆向工程系统是可靠的和有效的。叙词：逆向工程　计算机视觉　采…     

未知自由曲面数字化自适应采样方法

为实现逆向工程中未知自由曲面高效、高精度的数字化测量,提出一种基于探路法的自适应采样方法。在接触式测头(Touch probe,TP)的两侧各安装一个点激光测头(Point laser probe,PLP),建立坐标转换模型将各个测头的测量值统一到基准坐标系下。逐行采样过程中,在测量方向上,PLP用于探路测量,系统实时地对探路测量数据进行处理并拟合成B样条曲线,根据拟合曲线的曲率特征为TP测量规划合理的测量路径,TP以探路结果为指导完成自适应采样。在测量截面进给方向上,通过截面间夹角分析,自适应地细分测量截面。仿真和试验结果表明,该方法能根据曲面特征合理地布置采样点,有效地提高未知自由曲面数字化采样的效率和精度,为逆向工程提供良好的采样数据。     

逆向工程中的数据精简研究

逆向工程中,数据精简技术是进行曲面重构的重要内容。介绍了曲面曲率的基本理论,根据曲率精简点云的方法,并结合实际对根据曲率精简点云数据的方法进行改进,着重研究了邻域搜索、曲率计算、曲率精简原则等内容,在保证测量精度的前提下,时提高曲面重构的计算效率、减少存储空间等有较好的效果。     

复杂散乱点重构方法的研究与实现

复杂散乱点重构技术历来是实物逆向工程中的关键技术.在深入分析现有经典的重构方法基础上,提出了一种基于三角域上改进的NURBS曲面重构方法.在复杂散乱点上进行基于Delaunay的三角刨分并重构出品质优良的Bezier曲面,然后在它的约束下完成NURBS曲面的二次重构.开发了复杂散乱点重构模块FastForm,并以IGES作为数据通讯接口搭建了一个实现反求全过程的反求平台,通过电话听筒实例验证了该反求系统的实效性.     

基于二次测量的曲面反求自适应采样方法研究

针对叶片CAD模型未知的情况,提出一种基于二次测量的曲面反求变弧长自适应采样方法。通过三坐标测量机测量反映叶片曲面形状的关键几何要素,重构曲面初始模型;基于初始模型获得的叶片曲率信息,确定采样方向和进给方向;基于变弧长自适应采样方法,使用三坐标测量机对叶片采样;基于获得的采样点坐标信息,反求出CAD模型。通过模拟仿真试验,在采样点数目能够准确反映曲面曲率的情况下,相对于采用等弧长、等弦弧比、等弦弧差自适应采样方法,采用变弧长自适应采样方法的曲面拟合精度明显提高。     

基于形状特征的自由曲面建模技术

针对自由曲面重构建模中存在的问题,对曲面数字化及离散点参数优化技术进行了研究。基于自由曲面的形状特征,提出了一种曲面自适应数字化技术。建立了基于显式的最小二乘重构误差的参数优化模型,运用子空间共轭梯度内部反射牛顿优化技术实现了大规模数据点的参数优化。研究结果表明,自适应数字化技术大大提高了曲面的采样效率;参数优化模型合理且优化算法收敛迅速。     

曲面曲率精简算法研究

逆向工程中对实体扫描时,由于会受到各种因素的影响,使得测量数据多而无序,为后续的曲面重构和曲面拟合等带来困难。应用曲面曲率算法,即在曲面曲率较大的地方,留足够多的点,在曲面曲率较小的地方,留少量的点,使点云曲面收敛为一个稳定的三维数字模型。通过实验结果表明能有效进行数据精简并很好的保持特征。     

基于接触式测量的逆向工程研究

针对目前逆向工程研究主要是利用非接触式测量获得点云这一方法,提出一种基于接触式测量的逆向工程建模方法,并相应开发了一些算法。根据零件的构型规律对测量进行规划并测量,得到相关的数据文件。利用自行开发的软件计算重构曲面的型值点,将型值点导入有关的造型软件中进行造型。实践证明,该方法是可行的。     

新一代产品几何技术规范操作技术在逆向工程曲面重构中的应用

在新一代产品几何技术规范(NGGPS)操作技术和逆向工程曲面重构技术的基础上,分析现有曲面重构方法,重点研究NGGPS操作技术在逆向工程曲面重构中的应用.设计基于NGGPS的逆向工程曲面重构程序,将复杂的点云数据分成若干部分,运用特定的操作算子序列,使整个重构的曲面误差控制在一定范围内,从而保证较高的曲面质量,最后将NGGPS操作技术应用于卡扣设计中,并验证其可行性.     

REVERSE ENGINEERING BASED ON COMPUTER VISION FOR FREE-FORM SURFACE

The key issues such as vision sensor, sampling planning are studied for reverse engineering. For the developed sensor, the low sensitivity to the incident angle and the high linearity between the output and the input are carried out. During digitizing, the adaptive sampling planning method based on the curvature of surface and the slope of tangent line of measured point is proposed. After integrating the vision sensor, CNC milling and relevant software, the reverse engineering system based on computer vision is developed. The experiment shows that this system is reliable and efficient.     

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基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化

基于NURBS直纹面拟合敏感点的空间凸轮侧铣刀轨算法优化原理,提出了拟合误差敏感点的选择方法,根据NURBS曲面重构的原理,将曲面曲率最值点和拟合误差最大点定义为理论加工刀轨曲面误差敏感点。利用曲率敏感点,在理论非等径刀轨曲面规划离散网格,得到初始数据点。通过最小二乘优化方法重构NURBS刀轨直纹面,再根据误差敏感点定义的等参数曲线来调整刀轨直纹面形状。构建了理论加工误差模型,并通过实例的仿真计算和数值模拟说明了该算法的有效性。     

基于结构光的微细管孔内表面三维重建

介绍了一种适于空间曲线型微细管孔内表面三维重建的系统。该系统主要由管道机器人、形貌检测器和曲率检测器等部分组成。形貌检测器在管道机器人的带动下潜入管孔内部进行内壁截面图像采集，曲率检测器负责测量管孔中心轴线在检测器采样位置处的局部几何性质。对管道内壁截面图像进行适当的处理，结合形貌传感器的标定参数和结构参数，可以计算出在检测器局部坐标系下的管道截面三维轮廓；同时，根据传感器采样位置处的管道中轴线局部几何性质、管道机器人的前进步长，建立局部坐标系与全局坐标系的关系，从而将被测全部截面的局部坐标转化为全局坐标，实现管道内表面的三维重建。实验结果表明，利用该技术检测的管道内表面三维形貌与实际情况是一致的。     

Adaptive sampling point planning for free-form surface inspection under multi-geometric constraints

Free-form surfaces have been widely used in aerospace, automotive and other fields. Due to its complex geometry, free-form surface inspection is generally conducted by touch-trigger or measuring probe-based Coordinate Measurement Machines or On-machine Measurement. Sampling strategy plays a decisive role in improving both measurement accuracy and efficiency, which is determined by sample size and distribution of sample points. However, it is difficult to simultaneously take the surface curvature, sampling density and approximation error into account, considering the complexity of surface geometry. In this paper, triangle mesh simplification is innovatively adopted in sampling planning to achieve multi-geometric constraints. As triangle mesh has outstanding advantages in representing the surface features, strong stability and is easy to modify its structure, free-form surface is converted to a dense triangle mesh. Triangle mesh simplification is implemented by iteratively contracting triangle edges. An improved quadric error metric is established to decide contraction order and optimal target vertices under discrete curvature constraint. Sampling density is controlled by limiting the triangle edge length. Detailed adaptive sampling algorithm under multi-geometric constraints is then developed. Both simulation and experiment are conducted to validate feasibility and robustness of the proposed method. The results are compared with uniform sampling and existing adaptive sampling strategy to show that the proposed method can prominently reduce sampling error when sample size is small.     

基于自适应采样的曲面加工误差 在机测量方法

基于模具在机测量的自适应采样结果,提出一种新的获取自由曲面加工误差的方法。该方法首先基于自适应采样获取加工曲面上少量测点的坐标数据,利用NURBS曲面重构来拟合加工曲面;然后基于广义牛顿法计算重构的实际曲面和理论曲面的法向距离,获得自由曲面的加工误差,并对实验加工的模具模型曲面的轮廓度误差进行分析。实验结果表明,基于自适应采样的加工曲面重构方法能够在机测量且有效地获得自由曲面加工误差。     

Efficient analysis-suitable T-spline fitting for freeform surface reconstruction and intelligent sampling

Optical scanning instruments require sampling and reconstruction with high accuracy and low computational cost. T-splines have recently been developed that allow significant reductions in the number of control parameters by overcoming some of the topological constraints of B-splines and NURBS. As a subset of T-splines, analysis-suitable T-splines (ASTS) show promise due to the linear independence and partition of unity of their basis functions. In this paper, a computationally efficient ASTS fitting algorithm for freeform surface reconstruction is proposed. This algorithm starts with adaptive construction of an initial analysis-suitable T-mesh according to the distribution of high-curvature feature points. A local refinement and local optimisation algorithm of the analysis-suitable T-mesh is then iteratively performed until a preset accuracy condition is satisfied. Our experimental results show that the proposed ASTS fitting can produce over 50% root-mean-square reconstruction error reduction compared to NURBS fitting, with the same number of control parameters. The computing efficiency of the proposed algorithm is equivalent to or higher than that for simple T-spline fitting. Fast derivative analysis of the ASTS has also been carried out, where two automatic intelligent sampling design methods have been developed, namely element area sampling and element curvature sampling. Up to 50% reconstruction error reduction is observed when compared to uniform and statistically optimised sampling designs. With the novel reconstruction and compatible intelligent sampling design techniques, freeform surface measurement accuracy and efficiency could be effectively improved using coordinate measuring machines.     

激光-机器视觉测量系统的数据采样及网格化

以激光-机器视觉测量方式得到的曲面数据云为基础,探讨基于给定精度的曲面密集散乱数据点群的数据压缩以及几何建模方法。其中,根据激光测量方式和三维点群分布的特点,提出一种在给定采样精度基于曲率的曲面自适应采样的方法;通过激光扫描曲线间的采样点匹配为进一步数据压缩提供依据;并由度量曲面的初步网格点阵对测量点逼近程度好坏来进一步完成对曲面模型的修正。通过实例验证这种方法的可行性。     

一种基于曲线拟合与采样的点云数据压缩方法

在反求工程中,从样件表面采集得到的通常是数量非常庞大的点云数据,严重影响了曲面重建算法的效率;另外,基于四边域曲面的重建算法通常要求型值点数据呈拓扑矩形排列,而采样得到的散乱点云通常不满足这一拓扑要求。文中提出了一种新的数据压缩技术路线,用于把海量散乱点云数据合理地压缩到四边域曲面重建所要求的数据量和拓扑形式。该方法的核心是B样条曲线的拟合和采样。为使采样点更好地反映原始模型的外形特征,给出了一种基于曲率的自由曲线自适应采样算法。应用实例表明本文提出的方法达到了预期的效果。     

基于数据采样的弧面凸轮自适应直接插补算法

针对目前弧面凸轮加工存在拟合精度与数据传输之间的矛盾,以及线性拟合破坏轮廓表面光顺性等问题,提出了一种基于数据采样的弧面凸轮自适应直接插补算法。该算法既能保证加工过程大部分时间内进给速度的恒定,而且能在曲率变化大的地方对进给速度进行自适应调整,以保证弓高误差不超出最大允许值。同时定义了相应的弧面凸轮自适应直接插补指令格式。最后基于UG开发了弧面凸轮自适应直接插补实体仿真系统,通过插补仿真实例进一步验证了该插补算法的正确性。该方法有效弥补了目前弧面凸轮线性拟合加工的缺陷,不仅能提高弧面凸轮加工过程中系统的稳定性和表面加工质量,而且使弧面分度凸轮机构定位精度和使用寿命提高,从而促进其推广和应用。