專利名稱：一種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及機械設計及檢測技術領域，尤其是涉及一種復雜曲面的數(shù)字化檢
測系統(tǒng)。
背景技術：
隨著現(xiàn)代制造業(yè)的飛速發(fā)展以及CAD/CAM中曲面設計與加工技術的日益成熟，高
技術、高性能的機械裝備如推進器、螺桿泵、壓縮機、擠出機、汽輪機、鼓風機等復雜曲面零
件的需求量越來越大，它們在軍事、航空、能源、機械、化工、新材料等國民經(jīng)濟的多個重要
工業(yè)領域中具有廣泛的應用，其制造精度直接影響著設備的工作性能和質量。 復雜曲面的形狀誤差數(shù)字化檢測是指利用先進的測量設備測量復雜曲面零件，得
到曲面零件表面離散數(shù)據(jù)點，將該數(shù)據(jù)點與零件的設計模型相比較，從而檢測加工誤差。數(shù)
字化檢測提供了一個分析設計模型與其最終產(chǎn)品間誤差量的方法，可以發(fā)現(xiàn)零件的每一個
特征和尺寸相對于設計模型是否有偏差瑕疵。在零件投入生產(chǎn)之前，對批量零件做首件檢
測，可以檢查產(chǎn)品是否已做好投入生產(chǎn)的準備，從檢測信息里修正加工中存在的缺陷。因為
利用了精密測量的數(shù)據(jù)與理想輪廓進行比較，可以實現(xiàn)高精度、高效率的檢測，所以對復雜
曲面數(shù)字化檢測具有重要的工程意義。 目前對復雜曲面數(shù)字化檢測仍然是傳統(tǒng)檢測與現(xiàn)代檢測手段并存，存在的問題主 要表現(xiàn)為 (1)傳統(tǒng)的復雜曲面檢測是采用樣板和實際曲面進行人工比對的方法，該方法需
要制作許多實物樣板，檢測的質量一定程度取決于個人的知識水平和經(jīng)驗，勞動強度大、檢
測時間長、檢測精度低，難以與自動控制系統(tǒng)以及質量管理系統(tǒng)進行信息交流；此外，現(xiàn)有
的專用檢測器具，只能檢測某一種產(chǎn)品或產(chǎn)品的某一些部位，不具有通用性。
(2)由于復雜曲面理論模型的復雜性，大量的形狀誤差評定的研究集中在規(guī)則曲
面的研究中，對復雜曲面形狀誤差評定中測量點到曲面距離的計算問題，大多采用平面逼
近的方法進行近似處理，計算量大且精度不高。 (3)現(xiàn)有的曲面誤差計算方法中，有的數(shù)學模型不符合最小條件；有的盡管符合 最小條件，但在計算過程中存在模型的近似誤差，影響計算精度；有的直接將測量點到曲面 離散點的距離作為曲面誤差，而沒有計算點到曲面的法向距離，這與誤差計算的高精度要 求有較大差距。 (4)有的將CAD模型采用STL表示，用原始測量點到三角網(wǎng)格模型的有向距離即空 間點到三角片距離表示形狀誤差，而STL文件是由一系列三角形網(wǎng)絡來近似表示CAD模型 的數(shù)據(jù)文件，對于表面變化過陡的模型，逼近效果很差，誤差很大。 (5)有的采用測量點到B樣條曲面距離的梯度法求解，梯度法以及前述的最速下 降法求解結果容易陷入初始迭代點鄰域內的局部最優(yōu)解。 (6)目前大多數(shù)研究是將曲面離散化成小網(wǎng)格平面，然后計算測量點到所有小網(wǎng) 格面的最小距離來評定復雜曲面誤差。采用STL格式的三角片逼近曲面輪廓，根據(jù)測量點
3到最近的三角片距離作為曲面誤差也是目前比較常見的方法，這些方法存在的問題是計算精度不夠高。
(7)有的以輪廓設計點與對應測量點的距離作為誤差評定量，但在實際測量中并
不能保證測量數(shù)據(jù)點恰好與CAD曲面提供的設計點重合，不能保證精度。 由于復雜曲面的形狀誤差按最小區(qū)域法進行計算的形狀誤差數(shù)學模型非常復雜，
運用傳統(tǒng)的計算方法難以直接計算，常常采用某種近似方法如最小二乘法進行間接計算。 復雜曲面的數(shù)字化檢測問題由于其形狀誤差數(shù)學模型的復雜性，運用傳統(tǒng)的計算
方法難以直接求解，而采用近似的方法進行計算，不同的測量方法所得到的結論不一致。

發(fā)明內容本實用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種建模精確、
搜素效率高、檢測準確性好的復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)。 本實用新型的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn) —種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字化檢測系統(tǒng)包括復雜曲面CAD建模裝置、三維測量裝置及檢測儀，所述的復雜曲面CAD建模裝置與檢測儀的一端口連接，所述的三維測量裝置與檢測儀的另一端口連接。 所述的復雜曲面CAD建模裝置是安裝有CAD建模軟件的計算機。[0018] 所述的三維測量裝置為三坐標測量機。[0019] 與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有以下優(yōu)點 (1)精確建立曲面理論模型利用NURBS函數(shù)構造了 CAD曲面的理論模型，同時在其節(jié)點矢量參數(shù)的可行域內，利用u、v參數(shù)作為優(yōu)化變量，建立了計算測量點到CAD曲面最小距離的兩元非線性數(shù)學模型。 (2)提高搜索效率提出劃分等參數(shù)線區(qū)域的求解方法，首先尋找測量點附近的CAD曲面u、v等參數(shù)線區(qū)域，通過在CAD曲面上構造與測量點最近的u、v等參數(shù)線區(qū)域，以此為搜索范圍，同時，提出細分節(jié)點參數(shù)來縮小等參數(shù)線區(qū)域范圍，提高了搜索效率。[0022] (3)確保獲得全局最優(yōu)解運用遺傳算法計算測量點到CAD曲面的最小距離，該方法能全局尋優(yōu)，僅需利用目標函數(shù)值，無需求導運算，大大簡化了計算過程?？梢钥朔鹘y(tǒng)數(shù)值優(yōu)化方法的不足，這種方法檢測準確性好、精度高、魯棒性強，對于復雜曲面的數(shù)字化檢測具有重要的應用價值。 (4)減輕測量強度本系統(tǒng)減輕了測量操作人員的勞動強度，能自動分析測量結果，提高了測量準確性。

圖1為本系統(tǒng)的流程圖； 圖2為測量點附近的等參數(shù)線區(qū)域示意圖。 圖中1為測量點，2為曲面上距測量點最近的點。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細說明。[0029] —種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，其結構如圖1所示，該系統(tǒng)包括復雜曲面CAD建模裝置、三維測量裝置及檢測儀，復雜曲面CAD建模裝置，與檢測儀一邊的端口連接，三維測量裝置為三坐標測量機，與檢測儀另一邊的端口連接。 復雜曲面CAD建模裝置提取曲面CAD模型的幾何數(shù)據(jù)，建立復雜曲面的NURBS理論模型，三維測量裝置測量曲面零件實物并將零件表面數(shù)字化，得到測量點參數(shù)，檢測儀采用遺傳算法在CAD曲面上搜索與測量點最近的兩組等參數(shù)線構造等參數(shù)線區(qū)域，建立測量點到曲面等參數(shù)線區(qū)域最小距離的二元非線性數(shù)學模型，評定復雜曲面形狀與CAD曲面模型之間的誤差。 該系統(tǒng)的工作流程包括以下步驟 (1)提取復雜曲面CAD模型的幾何數(shù)據(jù)，建立復雜曲面的NURBS理論模型，再利用三維測量曲面零件實物，將零件表面數(shù)字化，得到測量點參數(shù)； (2)通過在CAD曲面上搜索與測量點最近的兩組等參數(shù)線構造等參數(shù)線區(qū)域，建
立測量點到曲面等參數(shù)線區(qū)域最小距離的二元非線性數(shù)學模型； (3)運用遺傳算法來計算復雜曲面形狀誤差，實現(xiàn)復雜曲面的誤差評定。 采用NURBS方法描述CAD曲面的理論模型，NURBS曲面的兩個節(jié)點矢量U
和V通常有規(guī)范的單位正方形定義域O《u， v《l，該定義域被其內節(jié)點線劃分成
(m-k+1) X (n-1+1)個子矩形。NURBS曲面是一種特殊形式的分片有理參數(shù)多項式曲面，其
中每一子曲面片定義在單位正方形中某個具有非零面積的子矩形域上。 —般情況下計算復雜曲面形狀誤差的步驟為 (1)計算所有測量點到CAD曲面的最小距離 {dstil i = 0，1， ， n} (2)計算各個最小距離的最大值 dst隨=max(dsti | i = 0， 1， ， n} (3)最大值的2倍即包容全部測點的理想輪廓等距面的最小區(qū)域，此即曲面的形狀誤差。 f = 2Xdstmax (1) 由復雜曲面形狀誤差計算步驟可知，復雜曲面形狀誤差評定的關鍵是計算測量點到CAD曲面的距離。 一個測量點mi (Xi， yi， Zi) (i = 0， 1， ， n)在NURBS曲面上必定能找到一個距離最近的點Pi*(Px(Ui*， v。 ， py(Ui*， v。 ， pz(Ui*， v。)，此點即為過測量點的曲面法線與曲面的交點。因此，復雜曲面的形狀誤差計算就是針對每一個測量點，在CAD曲面上搜索一組u*、 v*值，使它們所對應的曲面上的點到相應測量點的距離為最小，此即測量點到復雜曲面的距離。據(jù)此，測量點到曲面距離的目標函數(shù)為[0044]《(w, v) = minQo, — (w, v))2 + O, — py O, v))2 + O, — / z (w， v))2) (2) 其中i = 0， 1， . . . ， n， n為測量點數(shù)。 計算復雜曲面形狀誤差的關鍵是計算空間某個測量點到其CAD曲面的最小距離，即要在CAD曲面上搜索一點，使其與該測量點的距離最小。 對于CAD曲面節(jié)點矢量U和V中的參數(shù)值，計算出各參數(shù)對應于曲面上的型值點
5坐標，將某個測量點與這些型值點相比較，尋找出與測量點最近的四個曲面網(wǎng)格點，并確保
這四個網(wǎng)格點在兩組等u線和等v線上，使它們對應于u和v中的兩組參數(shù)值，即[ua， ub]
和[Ub]，這兩組參數(shù)決定了曲面的一個子區(qū)域，本系統(tǒng)將其稱為等參數(shù)線區(qū)域，與測量點
距離最近的曲面上的點必定位于該區(qū)域內，然后在此等參數(shù)線區(qū)域范圍內運用遺傳算法搜
索與測量點距離最小的最近點[u /]，二者的距離即測量點到曲面的距離，如圖2所示，等
參數(shù)線區(qū)域為圖中的陰影部分，等參數(shù)線區(qū)域的劃分縮小了遺傳算法的搜索范圍，有利于
提高計算速度，基于等參數(shù)線區(qū)域的測量點到CAD曲面最小距離的計算步驟為 (1)讀入CAD模型曲面的幾何信息，構造其NURBS曲面理論模型，據(jù)其兩個參數(shù)方
向上的U和V節(jié)點矢量，計算u、 v參數(shù)對應的NURBS曲面上的型值點； (2)對每個測量點，在曲面u參數(shù)線方向尋找最近的2個點，然后在這兩點所在的
兩條v參數(shù)線上尋找最近的2個u參數(shù)相等的點，由這四個點構造一個等參數(shù)線區(qū)域，保證
過測量點的曲面法線與曲面的交點在這4個點所確定的矩形區(qū)域內； (3)對4個點排序，找出4個點中較小的ua、 va參數(shù)值和較大的ub、 vb參數(shù)值； (4)應用遺傳算法，在變量范圍[ua， ub]和[va， vb]內尋找與測量點1距離最小的
點2，其參數(shù)值為u*、v*。
權利要求一種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，其特征在于，該數(shù)字化檢測系統(tǒng)包括復雜曲面CAD建模裝置、三維測量裝置及檢測儀，所述的復雜曲面CAD建模裝置與檢測儀的一端口連接，所述的三維測量裝置與檢測儀的另一端口連接。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的復雜 曲面CAD建模裝置是安裝有CAD建模軟件的計算機。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，其特征在于，所述的三維 測量裝置為三坐標測量機。
專利摘要本實用新型涉及一種復雜曲面的數(shù)字化檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括復雜曲面CAD建模裝置、三維測量裝置及檢測儀，復雜曲面CAD建模裝置與檢測儀的一端口連接，三維測量裝置與檢測儀的另一端口連接。與現(xiàn)有技術相比，本實用新型建立了精確的曲面理論模型，并且提高搜索效率、能夠確保獲得全局最優(yōu)解并減輕測量強度。
文檔編號G01B21/00GK201514207SQ20092021016
公開日2010年6月23日 申請日期2009年9月25日 優(yōu)先權日2009年9月25日
發(fā)明者林大鈞, 潘家禎, 郭慧 申請人:華東理工大學