曲面轮廓度评定技术的研究

本主讨论了曲面轮廓度检测中的两个重要问题——采样点的坐标转换矩阵的求解以及采样点选取方法的研究。提出基于 ｋｒｉｓｔｊａｎ法扩展的牛顿迭代算法来解决曲面检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题。该方法在计算时间和对初值的敏感性方面,都要优于变分法。同时,以微分几何为基础,根据曲面主曲率与法曲率的关系,采用基于曲面上任一点处主曲率的合成曲率作为曲率测度,来构造反映曲面曲率分布状况的采样形状函数,以它作为采样点选取的评价指标之一。     

逆向工程中密集数据采样以及网格化技术

以激光-机器视觉测量方式得到的曲面数据云为基础,探讨了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;并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.通过实例验证了这种方法的可行性.     

基于虚拟再测量的精密转子轮廓测量技术

精密转子表面为典型的复杂螺旋曲面,采用三坐标测量机较难实现高精度的测量。对此,基于螺旋曲面的数字化特征模型及其等距面的相关几何性质,将转子轮廓的测量转化为导程参数和端面型线的测量,并提出一套新型的转子导程、型线等主要几何参数坐标测量方案。阐述转子数学模型及其测量数据处理的若干基本方法,在此基础上模拟三坐标测量机的步进采样测量过程,实现测量结果的不确定度评价和测量采样策略的优化选取。针对导程测量中存在的螺旋线特征点捕捉问题,提出了型线匹配测量法;为解决测尖半径补偿问题,提出基于虚拟再测量的补偿评价方法和不补偿直接评价方法。通过仿真和实际测量试验进行验证,其结果与转子厂家提供的理论数据吻合度较高,表明此方案合理。     

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。     

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。     

涡扇叶片在机测量自适应采样方法

涡扇叶片的加工和检测精度直接影响到涡扇的结构强度和气动性能。为提高叶片的在机测量精度和效率，提出一种基于弯矩理论的自适应曲面采样方法，以解决叶片曲面在前缘和后缘位置处曲率急剧变化以及轮廓面的全局采样问题。根据曲面的几何特征变化，自适应确定检测点的分布密度和数量。仿真和在机测量实验验证了该方法的有效性和可行性。通过与双向等参数法、改进的分区等参数法和Hammersley序列法的采样结果对比表明，基于弯矩理论的自适应采样方法实现了对采样点位置及数量的微细精准调整，采样误差小，重构表面精度高，满足在机测量对时间和精度的要求。     

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。     

点采样曲面的曲率估计

本文提出一种直接在点采样曲面上计算曲面的高斯曲率、平均曲率及主曲率等局部微分性质的方法。首先，为了去除测量产生的噪声和误差，引入高斯核函数为每个采样点加权；接着计算每个采样点的最近邻域点集；然后用双三次B样条曲面最小二乘拟合邻域点集，构造局部参数曲面来逼近原始曲面，以局部参数曲面的曲率估计点采样曲面的曲率；最后给出曲率估计的应用。实验结果表明，该方法能有效地反映曲面的基本特征。     

反求工程自由曲面测量规划及重建技术的研究

反求工程中曲面的测量应遵循采样点密度随曲面曲率变化而疏密不断变化原则,并应根据离散采样点的分布确定自由曲面的重建工作。基于曲面Z向细化分层的测量技术和NURBS曲面方程拟合重建,能有效获取原曲面特征的最少测量点,并进行曲线数学重建,最终获得准确反映表面特征的NURBS曲面方程。     

基于坐标测量机的自由曲面检测采样策略

为了实现自由曲面快速精确的检测和评定,研究了检测过程涉及的采样策略。提出采用随机Hamersley采样、简单随机采样和列系统采样3种方法设置自由曲面上的测量点。采用拟粒子群算法优化变换参数,实现被测曲面与设计曲面之间的定位,采用曲面细分法搜索设计模型上与被测点距离最近点以计算自由曲面轮廓度误差。为了对基于坐标测量机(CMM)在不同采样策略下的检测结果进行比较,采用非均匀有理B样条生成零件设计模型,选择相同的加工工艺在不同的加工中心加工多个零件得到粗糙度不同的自由曲面。最后,使用CMM在所设计的采样策略下实测零件,用提出的方法计算零件的轮廓度误差,并与CMM内置软件的计算结果进行比较。实验结果显示:选择随机Hammersley采样法和中等采样点数的采样策略检测效果最佳,不仅测量精度高,而且耗时少、成本低。应用提出的方法计算自由曲面轮廓度误差时,其精度比由CMM内置软件计算结果高10%~22%,表明提出的方法适用于自由曲面零件轮廓度误差的快速精确检测与评定。     

测头半径误差补偿原理及其应用

用接触式形状测量仪测量轴承沟道曲率半径和沟道形状时,消除测头半径引起的测量误差是提高测量精度的关键.本文用B样条曲线的最小二乘法逼近曲线,建立曲线的数学模型,利用测头的中心轨迹与被测轮廓互为等距曲线的关系,进行测头半径补偿,从而获得精确的实测点集,最终实现高精度测量.     

双螺杆压缩机转子齿形三坐标测量的半径补偿

双螺杆压缩机转子齿形进行三坐标测量机测量时,需要对球形测头半径进行半径补偿.结合转子螺旋曲面的几何特点,对转子型线测量数据点进行半径补偿计算,得到三坐标测量机球形测头真实接触点,再将空间分布的真实接触点旋转到相同横截面上得到转子型线数据点.通过实例验证该方法的有效性,可以应用于双螺杆压缩机转子型线的检测及逆向工程等工作中.     

滚刀前刀面径向性测量中的测头半径矢量补偿方法

给出了一种滚刀前刀面测量的测头半径矢量补偿方法。滚刀前刀面为复杂螺旋曲面,根据球形测头中心轨迹与被测螺旋曲面互为等距曲面的关系,推导出实测点到理论曲面的法向距离,进行测头半径矢量补偿从而获得精确的实测点集。     

METHOD TO EXTRACT BLEND SURFACE FEATURE IN REVERSE ENGINEERING

A new method of extraction of blend surface feature is presented. It contains two steps: segmentation and recovery of parametric representation of the blend. The segmentation separates the points in the blend region from the rest of the input point cloud with the processes of sampling point data, estimation of local surface curvature properties and comparison of maximum curvature values. The recovery of parametric representation generates a set of profile curves by marching throughout the blend and fitting cylinders. Compared with the existing approaches of blend surface feature extraction, the proposed method reduces the requirement of user interaction and is capable of extracting blend surface with either constant radius or variable radius. Application examples are presented to verify the proposed method.     

坐标测量机上盘状凸轮检测方法研究

本文研究直接在三坐标测量机上检测凸轮并评定误差的方法和理论。在凸轮工件型面上接采点测量数据,用不等距三次Ｂ样条函数和最小二乘法拟合测头中心轨迹,通过测头半径补偿和凸轮从动轮数据转换,得到凸轮升程曲线,运用最小条件法评价凸轮误差,同时还可以评价凸轮机的速度、加速误差。数字仿真计算和实验结果表明,本文方法具有测量过程简便,测量效率高、计算精度高,应用性广播等优点,适用于三坐标测量机为检测设备的自动加工     

<Emphasis Type="Bold">Determination of the Optimal Parameters for Freeform Surface Measurement and Data Processing in Reverse Engineering</Emphasis>

One objective of this work is to determine the optimal combination of the probe diameter and grid distance for freeform surface measurement, and another is to determine the optimal parameters for the local Shepard interpolation. The optimal combination of the probe diameter and grid distance for freeform surface measurement was determined through a Taguchi matrix experiment. The smaller the probe diameter and grid distance, the better the accuracy of the surface normal based on the configured matrix experimental result. The optimal parameters, namely the exponent and the radius R, for the local Shepard interpolation were determined by using the minimisation method of the root-mean-square normalised error (RMSNE) between the measured data points and the theoretical data points on a standard steel ball surface. The optimal parameters determined were actually applied to the measurement of a freeform surface (mouse surface) on a coordinate measuring machine (CMM). The local Shepard interpolation method was used to interpolate 16 control points from 1054 measured data points. Bi-cubic Bezier- and B-spline surface CAD models were constructed through these interpolated control points.     

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。     

Calculation of the unit normal vector using the cross-curve moving mask method for probe radius compensation of a freeform surface measurement

This paper proposes a cross-curve moving mask method to calculate the unit normal vector based on 5 or 9 data points of a freeform surface measurement for probe radius compensation. This is done in order to simplify the calculation and thus, produce a more efficient and time-saving process. Passing through the middle point and 4 or 8 neighboring points, two crossed curves – longitude and latitude can be constructed. The unit normal vector at the middle point can be determined by calculating the cross product of two tangent vectors along these two crossed curves. Different curve fitting methods for the curves passing through 5 or 9 data points, such as Bézier and B-spline methodologies, have been investigated. Three kinds of surfaces, namely, a spherical surface, a cosine-like surface and a shoe-shaped surface (hereby termed “shoe last”) are selected for evaluating the accuracy of the calculated unit normal vectors.     

NON-CONTACT MEASUREMENT OF SCULPTURED SURFACE OF ROTATION

A method for measuring the sculptured surface of rotation by using coordinate measuring machine (CMM) and rotary table is proposed. The measurement is realized during the continuous rotation of the workpiece mounted on the rotary table while the probe moves along the generatrix of the surface step by step. This method possesses lots of advantages such as simplicity of probe motion, high reliability and efficiency. Some key techniques including calibration of the effective radius of the probing system, determination of the position of axis of rotation, auto-centering of the workpiece, data processing algorithm, are discussed. Approaches for determining the coordinates on measured surface, establishing workpiece coordinate system and surface fitting are presented in detail. The method can be used with contact or non-contact probes. Some fragile ceramic and plaster parts are measured by using the system consisting of a CMM, rotary table, motorized head and non-contact laser triangulation probe. The measurin