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基于三坐標測量機實現模具的快速制造

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更新時間：2015-05-08
發布人： 2907301063

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摘要
三坐標測量機由于其測量精度和智能化程度較高，廣泛應用于制造業的CAD/CAM，產品檢測和質量控制。同時，三坐標測量機作為采樣零件表面信息的主要測量設備，也被廣泛應用于反求工程中。
本文針對反求工程在國際國內的發展應用情況，綜合了各種反求方法，選擇了以三坐標測量機為反求工程中數字化設備作為研究對象。該方法具有精度高、測量重復性好、量程大等優點。三坐標測量機是目前較為理想的反求設備，在目前的生產實際中應用較為廣泛。本文主要包括以下幾個內容：
1、針對測量過程中存在的誤差，對三坐標測頭、測量方式的選取、測量步距的選擇以及測量原理進行了研究，并提出基于點位探測模式的新方法。
2、針對曲線、曲面造型理論在實際應用中存在的問題，利用三坐標測量機對工業產品實物進行了描述和驗證；采用不同方案進行了曲線擬合實驗，得出基于NURBS曲線曲面造型理論的優越性；同時研究在Geomagic Studio軟件平臺上以自由曲面為主的產品模型實物反求技術。
3、實現了測量數據點云的自動快速處理，建立了相應的數據處理模塊，使得后續的建模更加方便快捷，此功能是通過Master CAM和Geomagic Studio實現。

關鍵詞：三坐標測量機；反求工程；3D輪廓測量；曲面

目錄
第1章概述 1
1.1引言 1
1.2實物測量簡述 2
1.3曲線曲面造型技術 3
1.4幾種常用的逆向工程軟件 3
1.5快速模具制造技術 7
1.5.1 快速原型技術 7
1.5.2快速原型技術在模具制造中的應用 7
1.6 課題研究的背景及內容 9
1.6.1課題研究背景 9
1.6.2課題研究主要內容 10
小結 10
第2章三坐標測量系統與測量方式分析 11
2.1 三坐標測量機的發展及其原理 11
2.2 三坐標測量機的硬件部分與軟件部分介紹 13
2.2.1 硬件結構 13
2.2.2軟件部分 15
2.3三維反求中數據獲取的測量原理與方法 16
2.3.1非接觸式測量 18
2.3.2 接觸式測量 19
第3章測量數據處理技術 22
3.1 概述 22
3.2 測量數據格式轉換 22
3.3 測量數據測頭半徑補償方法 23
3.3.1微平面法 25
3.3.2 三點共圓法 25
3.3.3 擬合補償方法 26
3.4 數據預處理 26
3.4.1誤差點處理 26
3.4.2 數據插補 28
3.4.3點云處理方法 29
小結 32
第4章三維CAD模型重建技術 33
4.1 概述 33
4.2曲線擬合造型 34
4.2.1參數曲線、曲面插值與逼近 36
4.2.2參數曲線、曲面插值與逼近 37
4.2.3 3B樣條曲線插值與逼近 41
4.3 曲面的逆向重構 42
4.3.1 由曲線構造曲面的方法 43
4.3.2由曲面派生曲面的方法 44
第5章綜合應用實例 45
5.1逆向反求 45
5.2 曲面擬合過程 48
5.3后置處理 54
5.3.1. 模具設計流程 54
5.3.2加工工藝 56
結論與展望 59
致謝 61
參考文獻 62
附錄 63

第1章概述
1.1引言
“逆向工程”（Reverse Engineering），也稱反求工程、反向工程等，它是起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路。逆向工程是相對于現在的正向工程而言，正向工程就是我們先設計有圖紙，然后按圖紙加工出產品實物，而逆向工程是以目前已有的實物通過三坐標測量機及逆向軟件處理，還原為電腦三維模型，并且可以修改和改進, 然后進行數據處理、曲面重建、構造CAD模型等，最后制造出產品的過程。
逆向工程產品設計就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品設計數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數字化測量技術的迅猛發展，基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數字化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取的物體表面的空間數據，需要利用逆向工程技術建立產品的三維模型，進而利用CAM系統完成產品的制造。因此，逆向工程技術可以認為是將產品樣件轉化為三維模型的相關數字化技術和幾何建模技術的總稱。
計算機技術的飛速發展，三維的幾何造型技術己被制造業廣泛應用于產品及工業模具的設計、自動化加工制造及管理維護等方面。近年來，隨著我國經濟的進一步發展，引進了不少國外的先進技術和設備，隨之而來的一個問題是如何深入研究、消化、吸收這些先進技術，探索引進產品中的關鍵技術，然后在此基礎上改進、創新、開發出符合我國國情的先進產品，形成自己的技術體系，增加自力更生、振興經濟的能力。逆向工程技術的研究正是在這基礎上發展起來的。
當前，世界各國在經濟技術發展中，應用逆向工程消化吸收先進技術經驗，給人們有益的啟示。據統計，我國百分之七十以上的技術源于國外，逆向工程作為掌握技術的一種手段，可使產品研制周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產率。因此研究逆向工程技術，對我國國民經濟的發展和科學技術水平的提高，具有重大的意義。逆向制造技術主要用于實現快速、精確、無圖紙、自動地進行模具制造、樣品復制以及復雜零件的加工。逆向工程的應用領域大致可分為以下幾個方面。
（1）有助于從概念到產品的快速制造。利用反求設備快速測量手工模型，通過實物模型產生其CAD模型，可以將設計師完美的產品設計構思表達于計算機中，用于計算機輔助設計和快速成形。使產品設計充分利用CAD優勢，并適應智能化、集成化的產品設計制造過程中的信息。
（2）模具加工。80年代末期模具制造高速發展，而且模具應用越來越廣泛，在輕工業中，如塑料產品模具，復制手工藝品的模具，鞋業中的制鞋楦模具，在飛機、汽車、家電等工業上也有很多模具產品，如汽車車身外主模型和內主模型，外形鍍金零件沖壓模等。一些較復雜模具用常規制造方法，加工復雜，而且要花費大量人力和財力且加工時間較長：應用逆向制造技術，可以快速地制作模具的三維模型，并可直接編成數控程序來制造模具。
（3）已有產品的復制或修改。對于已經停止生產或喪失供貨渠道的產品，可以通過反求測量快速獲得產品的數據，進行少量復制。此外，對已有的產品，為改善其外觀造型或提高其工藝性能進行實地修改，可以通過三維測量得到CAD三維數據，進行修改和制造。
（4）仿制某些流線型或形狀復雜無法準確手工測繪的物體，如一些渦輪葉片、藝術雕塑等。由于他們的形狀復雜各不相同，所以設計困難。采用反求測量將使其批量加工制造成為可能。 ...

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