快速原形制造技術(shù)論文

　　快速原型制造需要迅速建造一個(gè)可以運(yùn)行的軟件原型 ，以便理解和澄清問題，下面是小編為大家精心推薦的快速原形制造技術(shù)論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>

　　快速原形制造技術(shù)論文篇一

　　面向快速原型制造的逆求技術(shù)

　　摘 要 逆求技術(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的新興技術(shù)，在快速原型制造中具有重要作用。本文介紹了面向快速原型制造的逆求工程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、測(cè)量方法以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理手段，并指出了存在的問題和今后的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞 逆求工程 快速原型制造 測(cè)量 數(shù)據(jù)處理

　　最近幾年，快速原型制造(RPM)在我國(guó)得到迅速發(fā)展和推廣。它是為了快速響應(yīng)市場(chǎng)的需求變化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期而產(chǎn)生的。在實(shí)際生產(chǎn)中為了跟蹤國(guó)外先進(jìn)技術(shù)等諸多原因，經(jīng)常需要對(duì)樣件進(jìn)行仿制。然而對(duì)于一些復(fù)雜的樣件，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)量建模非常困難，需要花費(fèi)很長(zhǎng)一段時(shí)間，快速原型制造也隨之失去了快速的意義。因此，研究適應(yīng)快速原型制造的逆求技術(shù)具有非常重要的意義。

　　快速原型制造與逆求工程(RE)的結(jié)合，在航空、航天、汽車、模具制造和醫(yī)學(xué)診斷等方面都具有重要作用。隨著新的測(cè)試技術(shù)與儀器的不斷涌現(xiàn)以及CAGD的發(fā)展，有必要對(duì)適合于快速原型制造的逆求技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的研究，使之不再成為快速產(chǎn)品開發(fā)中的瓶頸問題。

　　本文介紹國(guó)內(nèi)面向RPM的逆求工程系統(tǒng)的測(cè)量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法以及目前存在的問題和今后的發(fā)展方向。

　　一 面向RPM的逆求工程及其實(shí)現(xiàn)技術(shù)

　　1. 逆求工程的結(jié)構(gòu)體系

　　目前國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)界對(duì)于逆求工程的定義并不統(tǒng)一，比較一致的看法是指根據(jù)實(shí)物模型測(cè)得數(shù)據(jù)構(gòu)造CAD模型，繼而用于產(chǎn)品分析和制造。在快速原型制造中，逆求工程充分體現(xiàn)了RPM的獨(dú)有特點(diǎn)，它可以經(jīng)過CAD模型也可以不經(jīng)過CAD模型而直接生成快速成型機(jī)所需的數(shù)據(jù)信息，包含了從實(shí)物樣件測(cè)量直至生成快速成型機(jī)的接口文件的全過程。由此可見，面向RPM的逆求工程范圍很廣，實(shí)現(xiàn)方法也不盡相同，但都包含樣件測(cè)量和數(shù)據(jù)處理兩大基本組成部分，其最終目的就是給快速成型機(jī)提供能夠精確成型實(shí)物樣件所需的層片驅(qū)動(dòng)文件。一個(gè)完整的逆求工程流程如圖1所示。

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　　圖1 逆求工程流程圖

　　2.逆求工程的測(cè)量技術(shù)

　　測(cè)量方法的選用是逆求工程中的一個(gè)非常重要的問題。每種方法都有其優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)根據(jù)樣件特點(diǎn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)倪x擇。獲取三維面形信息的基本方法可以分為接觸式和非接觸式兩種。在RPM中經(jīng)常采用的測(cè)量方法如圖2所示。

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　　圖2 測(cè)量方法分類

　　坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)是一種廣泛使用的接觸式測(cè)量方法，測(cè)量精度可以達(dá)到±0.5微米。由于采用接觸測(cè)量，整個(gè)測(cè)量過程始終需要人工干預(yù)，對(duì)于獲得數(shù)據(jù)還需進(jìn)行基準(zhǔn)歸一化以及測(cè)頭半徑補(bǔ)償，因而不適于對(duì)自由曲面等需要大量采集數(shù)據(jù)點(diǎn)的三維面形進(jìn)行測(cè)量。

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　　圖3 激光三角形測(cè)量

　　在非接觸三維形貌測(cè)量中，基于激光的三角法由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量速度快，且具有實(shí)時(shí)處理能力，因而被廣泛采用。它既可以逐點(diǎn)測(cè)量，也可以進(jìn)行線光條測(cè)量。測(cè)量精度在0.01毫米左右，采樣速度可以達(dá)到每秒數(shù)萬(wàn)點(diǎn)。激光三角法測(cè)量原理如圖3所示。激光沿投影光軸投射到物體表面，在另一個(gè)方向上，光點(diǎn)的像被CCD接收，其幾何關(guān)系為：

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　　其中f-成像系統(tǒng)焦距，h-目標(biāo)平面相對(duì)物面的深度變化，screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>-物距，screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>-CCD光斑的質(zhì)心偏移。

　　此外，在國(guó)內(nèi)基于CT掃描和CGI的測(cè)量技術(shù)業(yè)已開始使用。在RPM中較為常用的測(cè)量方法還有條紋法、圖象分析法和核磁共振法，但在國(guó)內(nèi)并不多見。

　　3.逆求工程的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

　　采用非接觸式測(cè)量得到的是大量密集散亂的數(shù)據(jù)群，被形象地稱為“云狀數(shù)據(jù)”。這些測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)之間沒有顯式的幾何拓?fù)潢P(guān)系，且夾雜著非測(cè)量樣件信息。由于被測(cè)表面粗糙等原因，測(cè)得數(shù)據(jù)還不可避免的含有噪聲信息。如何將其處理成為能夠完整表達(dá)被測(cè)樣件的表面模型，并且滿足用戶的精度要求和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，是一個(gè)亟待給予圓滿解決的問題。

　　能夠進(jìn)行正確測(cè)量造型的首要基礎(chǔ)就是測(cè)量數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在處理中，不僅要剔除不相關(guān)數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，還要對(duì)由于陰影或屏蔽作用而導(dǎo)致的未掃描到部分予以數(shù)據(jù)補(bǔ)充。用外加振動(dòng)等方法找出噪聲信息或直接利用多點(diǎn)平滑去除數(shù)據(jù)噪聲。如果數(shù)據(jù)過于稠密，還要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行勻化。經(jīng)過上述操作，一般能夠提高測(cè)得數(shù)據(jù)精度。然而對(duì)于最能反映曲面特征的特征點(diǎn)、線的智能提取，國(guó)內(nèi)文獻(xiàn)未見提及。

　　目前國(guó)內(nèi)大都采用IGES、DEF等標(biāo)準(zhǔn)文件格式表達(dá)經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)信息，借助Pro/E 等通用CAD軟件平臺(tái)進(jìn)行造型，進(jìn)而生成快速成型機(jī)所需的接口文件(STL文件)。由于RPM本身就是分層制造法，為了避免這種多次轉(zhuǎn)化的繁復(fù)，國(guó)內(nèi)已開始層片信息直接驅(qū)動(dòng)RP設(shè)備的研究。

　　二 面向RPM的逆求工程存在的問題

　　1. 測(cè)量方法中的實(shí)際問題

　　實(shí)際測(cè)量中，影響測(cè)量精度的因素很多，出現(xiàn)的問題也是很多。光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)在制造和裝配時(shí)很難獲得準(zhǔn)確值，因此在裝配后必須對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行標(biāo)定。由于標(biāo)定中對(duì)光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行了許多理想假設(shè)，因而會(huì)帶來一些很復(fù)雜的非線性誤差，對(duì)測(cè)量精度有很大的影響。此外樣件的自身結(jié)構(gòu)和夾緊裝置引起的阻塞問題以及測(cè)量的可及性問題都將使整個(gè)表面的重構(gòu)變得十分困難。

　　2.STL數(shù)據(jù)模型存在的問題

　　STL文件由一組無序且相互間無聯(lián)系的三角面組成，由于不含有拓?fù)湫畔?，每個(gè)頂點(diǎn)要反復(fù)出現(xiàn)幾次，數(shù)據(jù)冗余量大。三角片是對(duì)實(shí)體模型的線性逼近，降低了造型精度。隨著曲面復(fù)雜程度的增大，用這種三角片逼近的誤差也會(huì)加大。由表面模型轉(zhuǎn)換生成的STL數(shù)據(jù)模型還存在著裂縫、空洞和表面重疊問題。這些問題如不能得到有效的控制，很有可能導(dǎo)致廢品產(chǎn)生。

　　三 面向RPM的逆求工程的發(fā)展趨勢(shì)

　　基于上述存在的問題，筆者認(rèn)為應(yīng)向如下三個(gè)方面發(fā)展：

　　1.建立適于RPM的逆求工程系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該數(shù)據(jù)采集速度快，精度高，能夠充分發(fā)揮CAD/CAM技術(shù)和計(jì)算機(jī)高速處理優(yōu)勢(shì)，達(dá)到與RPM的匹配，數(shù)據(jù)處理要由原來的手工分塊測(cè)量建模方法向自動(dòng)化程度高而且誤差可控的曲面造型新技術(shù)方向發(fā)展。

　　2.建立新的快速成型機(jī)標(biāo)準(zhǔn)接口軟件，它應(yīng)是與快速成型工藝無關(guān)，無二義性，且具有開放性和兼容性的中性文件。

　　3.若使用STL文件，應(yīng)建立專用的三維重構(gòu)數(shù)據(jù)處理軟件，且應(yīng)具有自動(dòng)診斷和修復(fù)功能。目前國(guó)外已開發(fā)出多種類似的軟件，專用軟件在造型誤差控制和消除數(shù)據(jù)冗余方面比通用軟件具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。

　　四 結(jié)論

　　面向RPM的逆求工程系統(tǒng)還在研究和探討之中，有許多理論和關(guān)鍵技術(shù)未能得到徹底解決。造型精度還需進(jìn)一步的提高，測(cè)量建模算法的有效性、效率以及所建模型的誤差(測(cè)量、算法誤差)分析也有待于深入。目前，面向RPM的逆求工程系統(tǒng)在設(shè)備價(jià)格上還十分昂貴，逆求過程中還需要人工干預(yù)，快速響應(yīng)市場(chǎng)能力也有待于加強(qiáng)，因此逆求工程系統(tǒng)應(yīng)向自動(dòng)化、柔性化、快速化方向進(jìn)一步發(fā)展。

　　參考文獻(xiàn)

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