基于三坐标测量机实现模具的快速制造
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摘 要
三坐标测量机由于其测量精度和智能化程度较高，广泛应用于制造业的CAD/CAM，产品检测和质量控制。同时，三坐标测量机作为采样零件表面信息的主要测量设备，也被广泛应用于反求工程中。
本文针对反求工程在国际国内的发展应用情况，综合了各种反求方法，选择了以三坐标测量机为反求工程中数字化设备作为研究对象。该方法具有精度高、测量重复性好、量程大等优点。三坐标测量机是目前较为理想的反求设备，在目前的生产实际中应用较为广泛。本文主要包括以下几个内容：
1、针对测量过程中存在的误差，对三坐标测头、测量方式的选取、测量步距的选择以及测量原理进行了研究，并提出基于点位探测模式的新方法。
2、针对曲线、曲面造型理论在实际应用中存在的问题，利用三坐标测量机对工业产品实物进行了描述和验证；采用不同方案进行了曲线拟合实验，得出基于NURBS曲线曲面造型理论的优越性；同时研究在Geomagic Studio软件平台上以自由曲面为主的产品模型实物反求技术。
3、实现了测量数据点云的自动快速处理，建立了相应的数据处理模块，使得后续的建模更加方便快捷，此功能是通过Master CAM和Geomagic Studio实现。
关键词：三坐标测量机；反求工程；3D轮廓测量；曲面
目 录
第1章 概 述 1
1.1引言 1
1.2实物测量简述 2
1.3曲线曲面造型技术 3
1.4几种常用的逆向工程软件 3
1.5快速模具制造技术 7
1.5.1 快速原型技术 7
1.5.2快速原型技术在模具制造中的应用 7
1.6 课题研究的背景及内容 9
1.6.1课题研究背景 9
1.6.2课题研究主要内容 10
小 结 10
第2章 三坐标测量系统与测量方式分析 11
2.1 三坐标测量机的发展及其原理 11
2.2 三坐标测量机的硬件部分与软件部分介绍 13
2.2.1 硬件结构 13
2.2.2软件部分 15
2.3三维反求中数据获取的测量原理与方法 16
2.3.1非接触式测量 18
2.3.2 接触式测量 19
第3章 测量数据处理技术 22
3.1 概述 22
3.2 测量数据格式转换 22
3.3 测量数据测头半径补偿方法 23
3.3.1微平面法 25
3.3.2 三点共圆法 25
3.3.3 拟合补偿方法 26
3.4 数据预处理 26
3.4.1误差点处理 26
3.4.2 数据插补 28
3.4.3点云处理方法 29
小 结 32
第4章 三维CAD模型重建技术 33
4.1 概述 33
4.2曲线拟合造型 34
4.2.1参数曲线、曲面插值与逼近 36
4.2.2参数曲线、曲面插值与逼近 37
4.2.3 3B样条曲线插值与逼近 41
4.3 曲面的逆向重构 42
4.3.1 由曲线构造曲面的方法 43
4.3.2由曲面派生曲面的方法 44
第5章 综合应用实例 45
5.1逆向反求 45
5.2 曲面拟合过程 48
5.3后置处理 54
5.3.1. 模具设计流程 54
5.3.2加工工艺 56
结论与展望 59
致 谢 61
参考文献 62
附录 63
第1章 概 述
1.1引言
“逆向工程”（Reverse Engineering），也称反求工程、反向工程等，它是起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。逆向工程是相对于现在的正向工程而言，正向工程就是我们先设计有图纸，然后按图纸加工出产品实物，而逆向工程是以目前已有的实物通过三坐标测量机及逆向软件处理，还原为电脑三维模型，并且可以修改和改进, 然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等，最后制造出产品的过程。
逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。
计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术己被制造业广泛应用于产品及工业模具的设计、自动化加工制造及管理维护等方面。近年来，随着我国经济的进一步发展，引进了不少国外的先进技术和设备，随之而来的一个问题是如何深入研究、消化、吸收这些先进技术，探索引进产品中的关键技术，然后在此基础上改进、创新、开发出符合我国国情的先进产品，形成自己的技术体系，增加自力更生、振兴经济的能力。逆向工程技术的研究正是在这基础上发展起来的。
当前，世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，我国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。逆向制造技术主要用于实现快速、精确、无图纸、自动地进行模具制造、样品复制以及复杂零件的加工。逆向工程的应用领域大致可分为以下几个方面。
（1）有助于从概念到产品的快速制造。利用反求设备快速测量手工模型，通过实物模型产生其CAD模型，可以将设计师完美的产品设计构思表达于计算机中，用于计算机辅助设计和快速成形。使产品设计充分利用CAD优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息。
（2）模具加工。80年代末期模具制造高速发展，而且模具应用越来越广泛，在轻工业中，如塑料产品模具，复制手工艺品的模具，鞋业中的制鞋楦模具，在飞机、汽车、家电等工业上也有很多模具产品，如汽车车身外主模型和内主模型，外形镀金零件冲压模等。一些较复杂模具用常规制造方法，加工复杂，而且要花费大量人力和财力且加工时间较长：应用逆向制造技术，可以快速地制作模具的三维模型，并可直接编成数控程序来制造模具。
（3）已有产品的复制或修改。对于已经停止生产或丧失供货渠道的产品，可以通过反求测量快速获得产品的数据，进行少量复制。此外，对已有的产品，为改善其外观造型或提高其工艺性能进行实地修改，可以通过三维测量得到CAD三维数据，进行修改和制造。
（4）仿制某些流线型或形状复杂无法准确手工测绘的物体，如一些涡轮叶片、艺术雕塑等。由于他们的形状复杂各不相同，所以设计困难。采用反求测量将使其批量加工制造成为可能。 ...
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