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复杂曲面数字化在线检测系统的关键技术研究

刘玉慧  
【摘要】: 随着CAD/CAM/CAI集成技术的发展,针对复杂曲面零件的质量检测过程中使用在线检测(或在机检测)已成为一大趋势。在线检测技术可以减少设备的成本投入、缩短检测时间、避免工件二次装夹等诸多优点,同时,检测与设计加工过程的紧密结合,符合现代制造业对三者的高度集成性的要求。关于在线检测技术的工程应用及基础理论研究已从各个方面展开。本文从零件的可视化、曲面造型、测点采样规划、曲面匹配四个方面着手,对在线检测系统的若干关键技术进行深入的探讨与研究。 首先,对复杂曲面在线检测系统的原理做了详细的阐述,通过对系统各个模块的细节问题进行需求分析,确定技术路线,提出了系统实施的总体方案规划。 其次根据需求分析的论证结果,对在线检测系统的若干关键技术细节进行深入研究,主要包括: 1.三维零件的可视化及待测曲面提取。对于零件的STL格式文件开发了解释器,实现了零件的可视化,无丢失信息现象,并通过OpenGL的强大渲染及图形功能,实现了人机良好的交互性。对于待测曲面提取问题,采用基于NURBS的造型原理,利用双三次的表达方式,使曲面达到了C2连续,保证了光顺性,精确的实现了待测曲面的表达。 2.测点采样规划。对目前提出的采样算法进行了分析,指出单一的采样方案往往会出现适应性差的问题,提出一种基于形状特征的自由曲面采样策略,根据微分几何分析零件的形状特征信息,包括曲率特征及曲面片特征,由二者判断采用何种采样方式进行采样,可充分发挥各采样算法的优越性。并对路径生成问题进行了探讨,指出若根据TSP原理进行规划需把机床定位的耗时作为权值来考虑,但其耗时测度较难量化,本文采用单向法和双向法原理对闭曲面和开曲面进行路径规划,简单实用。根据德布尔递推算法精确计算了法矢量,尽可能的避免了干涉,之后对避障问题进行了讨论,并对测头半径补偿问题采用等距面拟合法实现了精确补偿。 3.曲面最佳匹配。对于在线检测中测点与理论CAD模型间的曲面最佳匹配问题,采用最近点迭代法(ICP)使得目标函数能收敛于最小二乘距离,其中对空间点到曲面的最近点问题,给出了Newton迭代法的代数推理过程,同时对目标函数优化问题采用基于奇异值分解(SVD)的非迭代法求解,提高了效率。 最后,在此基础上独立开发了一套应用于复杂曲面检测的软件,并搭建起了复杂曲面在线检测系统的研究平台,通过对一典型复杂曲类零件的检测过程进行了实例验证。


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