[硕士论文精品]反求技术在模具设计与制造中的应用研究.pdf
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1、浙江工业大学 硕士学位论文 反求技术在模具设计与制造中的应用研究 姓名:周建强 申请学位级别:硕士 专业:机械工程 指导教师:赵燕伟 20041201 新糕工驻太学工疆硬士擎使论文 摘要 本文针对国内外反求工程的发展应用情况,以三坐标测量机为反求工 程中数字诧设备瓣磺究工翼。隧尽可戆懿馁原始尼何参数褥劐还深隽宗 旨,对如何限定反求工程中的谈差及快速准确的曲面建模进行了深入研 究。探讨了自由睦面反求中拟合精度和测量效率的问题,通过数控实验平 台实现了以自麦爨瑟为主鲍穰兵产瑟模鍪实蛰反袋及其数控麴王豹 c A D C A M 集成制造,湖绕曲面建横、3 轴数控赧加工刀具轨迹的生成进行了 一系列的研
2、究,主要包括以下几方面的工作: 1 。针对溅量过程中档在的误差,对三坐蠡测头、测量方式戆选取、溅量 步距的选择以及测燕原理进行了研究,并掇出基予点镟探测模式的新方 法。 2 针对曲线、曲嚣造型理论在灾际应舞中存在豹阀题,剩鼹三坐标测量 祝对工业产晶实秘进行了描述鄹验证;采稍不同方案避行了稿线拟合实 验,得出基于N U R B S 曲线曲面造型理论的优越性;同时研究在P r o E 软件 平台上以自由趋鹾为主的产品模型实物反求技术。 3 。分享厅了当前馥瑟三艇标数控蕊工存在髓润麓,研究了基于M a s t e r c a m 软 件平台上针对实际反求得到的游坯零件的N C 编程及仿真,并最终在数
3、控 铣床上加工出模型产品。 关键词:曲面建模,三坐标测量机,逆向工程,粗加工,刀具轨迹 浙江工业大学工程硕士学位论文 致E S E A R C 糕o F 零疆嚣R 嚣V 嚣R S 嚣嚣N G 差N 嚣嚣R l G A P P L I C A T I o NI NM o U L DD E S I G NA N DM A N U F A C T l J R j I c A B S T R A e T T h i s p a p e r a i m sa tt h e d e v e l o p m e n t a n d a p p l i c a t i o n o fr e v e r s e
4、 e n g i n e e r i n g 疆t E li ni n t e m a t i o n a la n d n a t u r a lf i e l da n di n t r o d u c e se a c hw a yo f R E “n t h e t i c a l l y f i n a l l yw et a k et h ed i g i t a t i z a t i o ne q u i p m e n to fc o o r d i n a t e m e a s u r i n gm a c h i n e ( C M M ) f o r 黼a St h
5、e r es e a r c ho b j e c t T or e c o v e rt 1 e o r i g i n a lg e o m e t r yp a r a m e t e rf o ro u rb e s ti So u rt e n e t H o wt ol i m i tt h ee r r o ro f R Ea n dm o d e lf a s 专a n da c c u r a t e l yi sO u ra d v a n c e dr e s e a r c hc o n t e n tA tt h e s a m et i m e N Cm a c h
6、 i n i n gp l a y sa l li m p o r t a n tr o l ei nC A D C A Md o m a i na n d i So n eo ft h em o s te f f i c i e n tp r o c e d u r e si np r a c t i c a lp r o d u c tm a c h i n i n gt h u sa r e c r i t i c a l i nN C p r o g r a m m i n gr e s e a r c h T h i sP a l ) e rm a k e ss u m m a r
7、i e so ft h e a u t h o r Sw o r kd u r i n gh i ss t u d yi np u r s u i n ga ne n g i n e e r i n gM a s t e r SD e g r e e , a n di ti n c l u d e st h ef o l l o w i n gc o n t e n t : 1 W es t u d y - m a i n l yi na s p e c to fs e l e c t i o no fC M M p r o b e p r o g r a m m i n g o fm e a
8、 s u r i n gt r a c k ,d e c i d i n go f m e a s u r i n gm o d ea n ds e l e c t i o no fm e a s f l r i n g i n c r e m e n tt or e d u c et h em e a s u r i n ge r r o r E s p e c i a l l yw eb r i n gf o r w a r dt h e s e t t l e p r o j e c t o fi d e n t i f i c a t i o na n de x t r a c t i
9、 o no fs o l i ds a m p l ea n dp r e c i s e o r i e n t a t i o no fd i f f e r e n tf a c ep o s i t i o n 2 豫et h e o r ya n de x p e r i r f a e n to fc u r v ea n df a c e m o d e l i n go fN U e d 3 S w e r ee x p l o r e da n dv a l i d a t e db ye x p e r i m e n t ,A tt h es a m et i m e ,
10、s o m eo ft h e i n d u s t r yp r o d u c t sw e r ed e m o n s t r a t e da c c o r d i n g l yt ot h ec o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e 3 。羽嫦d i f f e r e n tw a yo fc u r v ef i t t i n gw a si n 挺o d u c e di nt h i sp a p e r ,W e d e m o n s t r a t e dw i t ht h ei m i t a t
11、 i o na n de x p e r i m e n t a n de x e r tt h ee 强c i e n c ya n d a c c u r a c yo f C M Ma tt h em o s t 4 。B a s e do nt h e3 一a x i sr o u g h c u t t i n g ,t h ep a p e ri n t r o d u c e st h ek n o w l e d g e o fN Ca n dr o u g hc u t t i n ga sw e l la si m i t a t i o no ft h eN Ci n t
12、 e r p o t a t i o na n d e x p l a i ns o m ea l g o r i t h m sa n dm e t h o d si nN Cp r o g r a m m i n g 。b a s e i n go nt h i s t h e o r i e s s o m eo ft h ei n d u s t r yp r o d u c t sw e r em a c h i n e db yU S i n gC A D C A M s o f 。s u c ha sl 岭。愿M a s t e r c a m K E Y W O R D S :
13、F a c e m o d e l i n g ,c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ,r e v e r s e e n g i n e e r i n g ,r o u g hc u t t i n g ,t o o lp a t h 浙江工业大学工程硕士学位论文 第章绪论 拳章曹党分绍了反求工程的基本概念,透雨介绍了与执相关妁快速实物测蚤技 术、快速曲面建模技术、快速加工技术的国内外发展现状,最后通过分析与比较, 结合实际实验条件确定拳深题酌研究内容及实验方法。 写 言 在诗算掇技术飞速发震懿今天,三缍秘冗餐造薤技术已被测造
14、遂广泛痘羯予 产品及工横具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护备个方颟。我们从 上游厂商接收的技术资料可能楚各种数据类黧的三维模型。但是,由于备种原因, 我奶疑嚣怼麴可能并# c 勰熬壤爨,囊怒实实在在熬实题谨傅,裔瓣甚至可能逡一 张可以参考的图纸也不存在,这就为我们在聪续的工作中采用先进的设计手段和 先进的制造技术带来了很大的障碍。我们必须通过各种测艇手段及三维几何建模 方法,姆爨鸯实羧( 产菇覆型或漕潺挨登 转饯为计算掇主敬三维数字模鍪,繇 所谓的反求工程( R e v e r s eE n g i n e e r i n g ) L I Ja 避年来,随着我国经游的进一步发展, ,
15、 引进了不少阉外的先进技术和设备,隧之而采的一个问题摄如何深入研究、消化、 疆l 笈这些先遴技术,探索孳l 迸产菇中静关键技术,然后在诧基础上改遂、翻新、 开发出符合我国国情的先进产懿,形成自己的技术体系,增加鱼力更生、振兴经 济的能力。艇求工程技术的研究正是在这基础上发展起来的。 警蔫,艇赛备鞫在娶济技术发震中,应翔反求工程消化蔽载先进技术经验, 绘人们商益的启示。据统计,各国酉分之七十以上的技术源予圆终,反求工程俘 为掌握技术的一种簪段,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。嚣魏辑究复浓工翟技术,对我邕国民经济的发展和科学技术水平的提商, 具有熬大的意义。反求工程的应用领
16、域大致可分为以下几种情提: 1 ) 在没有设计图纸或者设计图纸不完熬以及没有C A D 模型的情况下,在对零件原 形逶行溅鼙酌基戳形成零释鹣设计灏纸或C A D 模黧,并戳诧为依据生 成数控加工的N c 代码,嬲工复制是一个相同驰零传。 2 ) 当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时,通常采用发求工程的方法。 玩蓊靛天靛空领域,秀了满是产箍对空气动力学等要求,曾先要求在初始设计模 型的基础上经过各糖性能测试( 如熙濑实验等) 建立缚会要求黪产品援裂,这炎 新江工渡夫学工鹱颈掌靛论文 零件一般具有复杂的自由曲面外型,最终的实验模型将成为设计这类零件及反求 羹模其黪绞攥。 3 ) 在美攀设计
17、特别擞蒙的领域,例如汽车外型设计广泛采用真实比例的术制或泥 塑模型采评估设计的焚学效果。此外,如电脑仿型、礼品创意开发等都需用反求 工程鲍浚诗方法。 如果从狭义上讲,反求工程主鬟指的是现代快速化的反求工程。它起源于二 十世纪九十年代,主鬻伴随着现代测量、计算机、现代制造昝相关技术发展起来 夔。奶巢没奏与我穗关技术瓣发袋,爱求工程裁没毒妇l 龟妖是戆送步,在遮墨我 们所指的反求工程技术主要包括快速实物测量拽术、快速几何建模、快速加工技 术三方颟。 1 2 快速实物渊羹概述 测擞反求技术是利用三维数字化仪、激光三维扫描技术域自动断层扫描技术 快速、礁确、爨动遮测取实舔产瑟鲍形状数撰、零释表嚣霸痰郏
18、尺寸,在诗舞识 内拟含成C A D 模型,实现产品形体敷构。 目前,数字化方法主要分为接触式测量和非接触式测量两擞,接触式测量是 指测量头与实物表覆蠢接艇,采鼹黪设备主要窍:三坐标测量嫒、数控撬庶( N C ) 热 上测量装麓、专用数字化仪等。这种方式沈较成熟,但测量遽腹和精度比较低,而 且不适台粱软实物的测魑。随着计算机和光电技术的发展,以计算机图象处理为主 要手段懿嚣接熬式测燮技术餐到飞速发震,热毙撵法彝激光三麓形涎量等“。 1 2 1 兰娥标测量及测诀 产黯尼鹰形状铡爨霹以在三坐标溅量捷上遴行,根据三坐标测量砉篷驱殛系绫 的不同分为两类测蠹系统:手动三嫩标测量系统鞠数控三坐标测量系统,测
19、头的 分类也建多种多样的,早期三坐标测量机大多使用固定刚性测趺,这种测头存在着 严重的姣陵,不能震纛数控三坐拣测璧捉上,当越零翅黔测头建电感式、恕容式 或光栅式的三维位移接触式测头,遮类测头可用予自动测量,如英国著名的测头 生产厂家R E N I S H A V 公闭生产的各种三维测头;大涟理工大学研制的三维电感测头 等然蕊这些接触测头仍然存在一定缺陷:尽管测量对铡头慧被爨物之超瓣接 触压力粮小,但仍然存在着一定的接触压力,对予某些质地鬃软的物品必然产生 2 浙托工业大学工程硕士学位论文 测量误差;由予接触压力对被测对藩的干扰,使得三维补偿问题并没有得到彻 底解决。 12 2 测量方法概述 三
20、垒称测量在瓣量方式上可分为接触式溺量粕菲接触式灞璧两种。由上所述, 鉴予接触式测量本身赝嘲有的缺陷,擞界各围在非接触式测量方法申开展了广泛 研究,并取得了大量的实践经验。非接触式测量具商三大优点:对被测表蕊没 有经侮干扰,不会在溺爨过程中翊伤工件表面:对被测表面的硬度罄求很低, 可直接对麓弹性、柔软物体( 甚至液体) 表蕊进行测量; 没农溅头半径三缎於 偿问题。它避免了接触式测量中的几乎所有缺陷。q P 接触式测量根据测量原理的 不同,大致可分为光学溺量、超声波溺量、电磁测麓等方法。箕中光学测量方法 在反求工程中最为常用秘较为成熟。 激光非接触式测量。这种测量方法是根据光学三角形测量原理,以激
21、光作为 光源,褥慕授莉劐妨钵亵面,并采甭光电敏感元件在舅一位置接受激光的反射, 根据光点或光条在物体上成缘鲍镳移,逯过被溪l 甥俸基乎霆、。缘点、像鼹等之麓豹 关系获取深度信息这类测虽仪精度高、速度快、和零件表面无接触,在数控仿形 加工、模其翻造、生产线实时在线检测等领域具有广阔的应用前景。 王业C T ( I n d u s t r i 拄lC o m p u t e rT o m o g r 8 D h y ,楚穆I C T ) 。这耪裂藿方浚对 被测物体进行断层截面扫描,以x 射线的衰减系数为依据,经处理重建断层截面 图像,荐被据不同位置滟断层瀚像来建立物体的三维信息。由于其具有对内部结
22、 槐的透视能力,黢 接皴、不鼹体恁实现物体悫蘩终构与形状测爱分掇,辫戬青 蓿很好的应用前景。 1 2 3 数据获取方法分析舞对比 三坐标测量机的突出优点悬测量精度高( 分辨率达到1 O p m O 1 舯) ,但其最 大蔌患是溅豢速度经。熬着反求互程穰捷速成鍪| 麓涟技术熬迅速发震,对三缭物 体形状进行快速耩密钡I 量的需求越来越大。从工业巾非接触测量三维形状方法黥 应用来看,漫反射光接受的三角法是使用最为广泛的方法。目前,对该方法的研 究圭癸集中农精爱投缝藐价格魄豹撬离上。由予工堑殴吴脊狠强的造型髓力,是 测量没有备彳牛和复制品的具有复杂内郝结构的实物豹唯一方法,同时蟋景有楚 浙江工业大学工
23、程硕士学位论文 捷、快速等优点。因此,将其应用于反求亦有着广泛的前景。 1 3 快速几何建模技术 1 3 1曲线曲面造型技术 秘躐设诗与铡造豹反求工程中,囊由夔瑟魏溅爨与接述怒极其熏要静。特剐 是对测缴数据的处理和C A D 建模,一直是传统殷求工程的“瓶颈”问题,肖许多 问题仍需进一步研究。目前,由于激光测量技术和激光快速成形技术的出现,推 动了反求技术数进一疹发震。 把实物经过数字化处理后得到的是大量密繁的原始测量数据( 数据量往往高 达几兆、几十兆甚至上西兆) ,数据之间通常没裔相应的、显式拓扑关系,只是一 大群空潮教鬣点( 数攒云) ,这当中逐篷摆大量无臻豹数据。瓣_ | 逢,蕾先爨须
24、遵孬 数据的滤波、拟合、煎建和消隐等处理过程,然后通过适当的算法把这些缀过处 理的数据拟合成C A D 模型。在实际的反求过程中,我们遇到的零件的表面可分为规 囊趋嚣帮囊壹基嚣:蠛熨莛瑟莛够爰单一丞数褒这夔趋嚣,魄较容易测爨秘建 模;而自由曲面不能够用单一的函数来表达,酱通的测量手段己难满足要求,其 参数也不能直接给出,而且建模过程中也不能够用单一曲面来拟合与造型,而是 麦多张鞠露经过延 孛、避渡、裁骜等混台嚣成,濯瑟要分袭稳造。嚣_ | l 蓍芍三耱錾 面构造方粲:其一怒以四边域曲面即B S p l i n e 戏N U R B S 曲面为綦础的曲面构造方 案;其:是以三角B e z i e
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