專利名稱：自由曲面內(nèi)腔表面的三維幾何形狀建模方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種自由曲面內(nèi)腔表面的三維幾何形狀建模方法，涉及三維測(cè)量與三維建模問(wèn)題，用于物體內(nèi)腔表面輪廓的三維數(shù)字化，屬于機(jī)械設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。
目前，內(nèi)腔自由曲面的測(cè)量法有超生波測(cè)量法，采用CT(ComputerTomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)的斷層掃描測(cè)量方法。與CT斷層掃描測(cè)量方法相比，超生波測(cè)量法測(cè)量速度慢且受物體材料及表面特性影響精度較低，MRI斷層掃描法不但價(jià)格昂貴且不適用于金屬材料的物體。因此，在工業(yè)領(lǐng)域CT斷層掃描法已成為對(duì)具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的物體進(jìn)行測(cè)量的主要手段，如(“工業(yè)CT技術(shù)及其NDT應(yīng)用”，現(xiàn)代物理知識(shí)，2000年S1期)。但CT斷層掃描法仍存在空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)需較長(zhǎng)的積分時(shí)間，重建圖像計(jì)算量大，造價(jià)高等不足。
為達(dá)到這樣的目的，本發(fā)明采用測(cè)量、加工一體化設(shè)備，通過(guò)分層去除被測(cè)工件材料的方法獲得工件內(nèi)腔各層平面截面的幾何輪廓，使用位移傳感器跟蹤并同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)腔截面輪廓邊界，得到內(nèi)腔輪廓的精密采樣點(diǎn)信息，由各層內(nèi)腔截面的全部輪廓采樣點(diǎn)信息最終構(gòu)造出內(nèi)腔表面的三維幾何模型，并進(jìn)一步由該模型生成面向加工的曲面加工模型。
本發(fā)明方法包括如下具體步驟1)將被測(cè)工件裝夾到測(cè)量加工一體化設(shè)備上，該設(shè)備可以通過(guò)一次性裝夾完成測(cè)量和加工任務(wù)。測(cè)量加工一體化設(shè)備可通過(guò)在普通數(shù)控銑床的主軸上安裝用于表面測(cè)量的位移傳感器而構(gòu)成；2)如工件樣品的內(nèi)腔沒(méi)有顯露出來(lái)，則由測(cè)量加工一體化設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定好的層切厚度逐層去除材料直至內(nèi)腔顯露出來(lái)，其中層切厚度可根據(jù)用戶的精度要求來(lái)確定；3)將位移傳感器的測(cè)點(diǎn)跟蹤內(nèi)腔截面輪廓并進(jìn)行測(cè)量；4)如被測(cè)工件樣品的整體內(nèi)腔沒(méi)有測(cè)量完畢，則由測(cè)量加工一體化設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的層切厚度去除一層材料，并返回步驟3)以進(jìn)行下一層輪廓的測(cè)量；5)如被測(cè)工件樣品的整體內(nèi)腔已測(cè)量完畢，則根據(jù)各層輪廓全部已測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維曲面重建。曲面重建過(guò)程中可采用散亂數(shù)據(jù)的三維曲面重建方法；亦可先根據(jù)每層截面輪廓已測(cè)點(diǎn)建立每層截面的曲線模型，再通過(guò)順序迭加進(jìn)而生成三維曲面模型。
本發(fā)明的方法可高效高精度地得到各種金屬及非金屬物體復(fù)雜自由曲面內(nèi)腔的三維幾何模型。與現(xiàn)有方法相比，不但對(duì)相關(guān)設(shè)備的要求較低而且成本低。由得到的三維模型可一步得到面向加工的加工模型，以實(shí)現(xiàn)快速制造具有自由曲面內(nèi)腔的零部件，大大減少了用戶另行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的時(shí)間和費(fèi)用。雖然零件樣品被破壞，但得到的三維模型可用于快速大量地復(fù)制原樣品。
本發(fā)明實(shí)施例的被測(cè)工件為汽車的進(jìn)汽道，采用的測(cè)量加工一體化設(shè)備由主軸上安裝激光數(shù)字化儀的三軸數(shù)控銑床構(gòu)成。
在操作前先將工件裝夾和定位。所有后續(xù)操作步驟均在一臺(tái)測(cè)量加工一體化設(shè)備——激光數(shù)字化儀的三軸數(shù)控銑床上完成，這樣可以避免在不同設(shè)備上由于重復(fù)裝夾定位所造成的誤差，此外還可提高整體操作效率。被測(cè)工件汽車進(jìn)汽道被裝夾后，由于被測(cè)工件樣品的內(nèi)腔沒(méi)有顯露出來(lái)，系統(tǒng)則按照預(yù)先設(shè)定好的層切厚度逐層去除材料直至內(nèi)腔顯露出來(lái)。當(dāng)內(nèi)腔顯露出來(lái)后，系統(tǒng)則直接開(kāi)始將激光位移傳感器的測(cè)點(diǎn)跟蹤內(nèi)腔輪廓并進(jìn)行測(cè)量實(shí)際操作過(guò)程中我們采用自行研究的步長(zhǎng)半徑圓弧跟蹤法來(lái)形成物體邊界輪廓的測(cè)量路徑，并高效高精度地得到內(nèi)腔輪廓的采樣點(diǎn)，其采樣步長(zhǎng)可根據(jù)輪廓的局部幾何復(fù)雜度作進(jìn)一步調(diào)整。當(dāng)每一截面的輪廓測(cè)量完畢后，判斷整體內(nèi)腔是否測(cè)量完畢，如沒(méi)有測(cè)量完畢，則按照預(yù)先設(shè)定好的層切厚度去除一層材料(層切厚度取決于精度要求，在本實(shí)施例中層切厚度為0.1mm)，并開(kāi)始測(cè)量下一層截面的內(nèi)腔輪廓。如此反復(fù)，直至完成整體內(nèi)腔的測(cè)量。系統(tǒng)在完成整體內(nèi)腔的測(cè)量后，將根據(jù)各層的采樣點(diǎn)建立三維內(nèi)腔幾何模型。實(shí)際操作過(guò)程中我們根據(jù)曲面測(cè)量或加工的精度要求，將被測(cè)區(qū)域按一定步長(zhǎng)劃分成細(xì)小的矩形網(wǎng)格，然后由測(cè)量數(shù)據(jù)推算出所有網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)上的高度值，并利用這些網(wǎng)格結(jié)點(diǎn)作為曲面的特征點(diǎn)，建立被測(cè)內(nèi)腔曲面的三維計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型。利用得到的三維計(jì)算機(jī)數(shù)字化模型，可一步得到面向加工的加工模型以實(shí)現(xiàn)快速制造該被測(cè)零件樣品，大大減少了另行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)汽車進(jìn)汽道的時(shí)間和費(fèi)用。
權(quán)利要求
1.一種自由曲面內(nèi)腔表面的三維幾何形狀建模方法，其特征在于包括如下具體步驟1)將被測(cè)工件裝夾到測(cè)量加工一體化設(shè)備上，測(cè)量加工一體化設(shè)備通過(guò)在普通數(shù)控銑床的主軸上安裝用于表面測(cè)量的位移傳感器而構(gòu)成；2)如工件樣品的內(nèi)腔沒(méi)有顯露出來(lái)，則由測(cè)量加工一體化設(shè)備按預(yù)先設(shè)定好的層切厚度逐層去除材料直至內(nèi)腔顯露出來(lái)；3)將位移傳感器的測(cè)點(diǎn)跟蹤內(nèi)腔截面輪廓并進(jìn)行測(cè)量；4)如被測(cè)工件樣品的整體內(nèi)腔沒(méi)有測(cè)量完畢，則由測(cè)量加工一體化設(shè)備按照預(yù)先設(shè)定的層切厚度去除一層材料，將位移傳感器的測(cè)點(diǎn)跟蹤內(nèi)腔截面輪廓并進(jìn)行下一層輪廓的測(cè)量；5)如被測(cè)工件樣品的整體內(nèi)腔已測(cè)量完畢，則根據(jù)各層輪廓全部已測(cè)點(diǎn)進(jìn)行三維曲面重建。
2.如權(quán)利要求1所說(shuō)的自由曲面內(nèi)腔表面的三維幾何形狀建模方法，其特征在于曲面重建過(guò)程中采用散亂數(shù)據(jù)的三維曲面重建方法，或先根據(jù)每層截面輪廓已測(cè)點(diǎn)建立每層截面的曲線模型，再通過(guò)順序迭加進(jìn)而生成三維曲面模型。
全文摘要
一種自由曲面內(nèi)腔表面的三維幾何形狀建模方法,采用測(cè)量、加工一體化設(shè)備,通過(guò)分層去除被測(cè)工件材料的方法獲得工件內(nèi)腔各層平面截面的幾何輪廓,使用位移傳感器跟蹤并同時(shí)測(cè)量?jī)?nèi)腔截面輪廓邊界,得到內(nèi)腔輪廓的精密采樣點(diǎn)信息,由各層內(nèi)腔截面的全部輪廓采樣點(diǎn)信息最終構(gòu)造出內(nèi)腔表面的三維幾何模型,并進(jìn)一步由該模型生成面向加工的曲面加工模型。本發(fā)明的方法可高效高精度地得到各種金屬及非金屬物體復(fù)雜自由曲面內(nèi)腔的三維幾何模型,對(duì)設(shè)備要求低,實(shí)現(xiàn)快速制造具有自由曲面內(nèi)腔的零部件。
文檔編號(hào)G06T15/00GK1422727SQ0214531
公開(kāi)日2003年6月11日 申請(qǐng)日期2002年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月21日
發(fā)明者王宇晗, 李曄, 胡俊 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)