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复杂曲面数字化在线检测系统的关键技术研究

作　者: 刘玉慧
导　师: 陈满意
学　校: 武汉理工大学
专　业: 机械制造及其自动化
关键词: 在线检测自由曲面测点采样曲面匹配曲面造型
分类号: TP391.72
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
下　载: 185次
引　用: 4次
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内容摘要

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。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-8
目录  8-10
第1章绪论  10-20
  1.1 课题来源  10
  1.2 研究的背景及意义  10-11
  1.3 复杂曲面在线检测系统的研究概况综述  11-19
    1.3.1 工程上复杂曲面在线检测系统软件的发展概况  11-13
    1.3.2 工程上复杂曲面在线检测系统硬件的发展概况  13-15
    1.3.3 复杂曲面在线检测系统基础理论与算法研究概况  15-19
  1.4 本文的研究内容  19-20
第2章复杂曲面在线检测系统的需求分析与总体方案设计  20-26
  2.1 复杂曲面在线检测系统的基本原理  20-21
  2.2 在线检测系统硬软件模块需求分析  21-24
    2.2.1 硬件模块需求分析  21
    2.2.2 软件模块需求分析  21-24
  2.3 系统总体方案设计  24-25
  2.4 本章小结  25-26
第3章三维零件的可视化及待测曲面造型  26-44
  3.1 STL格式三维CAD模型文件的解释器开发  26-29
    3.1.1 STL三角网格造型原理  26-27
    3.1.2 STL文件解释器开发  27-29
  3.2 基于NURBS的曲面底层造型算法  29-39
    3.2.1 NURBS造型算法原理  29-31
    3.2.2 基于NURBS的正算算法  31-35
    3.2.3 基于NURBS的反算算法  35-39
  3.3 造型算法实例验证  39-42
    3.3.1 STL三维解释器实例  39-40
    3.3.2 基于NURBS的自由曲面造型底层算法实例  40-42
  3.4 OPENGL环境下的三维图形的可视化  42-43
  3.5 本章小结  43-44
第4章基于特征的测点采样算法及测量路径规划  44-62
  4.1 基于形状特征的测量点采样算法  44-53
    4.1.1 拟采用的各采样原理简介  45-47
    4.1.2 形状特征因子分析  47-49
    4.1.3 采样策略实施流程  49-50
    4.1.4 测点仿真原理  50
    4.1.5 实例验证与分析  50-53
  4.2 无碰撞测量路径规划  53-57
    4.2.1 参数曲面的法矢量计算  53-55
    4.2.2 测量路径规划  55-57
  4.3 数控代码的生成  57-58
  4.4 基于RS232的上位机与CNC的串口通信  58-59
  4.5 测头半径补偿  59-61
  4.6 本章小结  61-62
第5章测量数据与CAD模型的最佳匹配算法  62-72
  5.1 ICP算法原理描述  64
  5.2 最近点问题  64-68
    5.2.1 Newton法原理  65-67
    5.2.2 最近点算例与分析  67-68
  5.3 基于奇异值分解的高度非线性方程的求解  68-71
    5.3.1 SVD法原理  68-70
    5.3.2 SVD法算例与分析  70-71
  5.4 本章小结  71-72
第6章系统验证与实例  72-79
  6.1 系统介绍  72-74
    6.1.1 测量硬件部分介绍  72-73
    6.1.2 上位机测量软件介绍  73-74
  6.2 复杂曲面在线检测实例  74-78
  6.3 本章小结  78-79
第7章全文总结  79-81
致谢  81-82
参考文献  82-87
攻读学位期间获得与学位论文相关的科研成果  87-88
附录  88-89

复杂曲面数字化在线检测系统的关键技术研究

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