面向有封闭内腔和外形的复杂工件快速原型制造的ICT图像处理及反求工程研究

摘要

在当前激烈的市场竞争的形势下,产品快速开发的技术和手段成了企业的核心竞争力。反求工程是现代先进制造技术的重要组成内容之一,是实现产品快速设计、快速原型制造和敏捷制造的重要手段。因此,本文面向有封闭内腔和外形的复杂工件快速原型制造的工业CT图像展开了反求工程的研究。重点论述了由工业CT断层图像实现快速原型制造的方法。工件的工业CT断层图像,经处理后,输出断层轮廓数据,然后采用商用CAD反求软件实现三维重构生成CAD模型,进而生成STL模型再输入快速原形设备进行快速原型制造是现阶段可行的工艺路线。出于效率、设备能力的考虑,由工业CT影像设备得到的断层图像,断层之间的距离较大。因此,通常情况下,在对图像进行处理之前,需要通过插值生成新的断层图像。本文采用基于对应点匹配的断层图像三维插值方法进行层间插值补充层间信息。二值化图像分割的关键之处就在于如何确定阈值,本文在论述了常用的几种阈值确定方法的原理和使用范围基础上,提出了改进方法,可以对工业CT断层图像进行较理想的二值化分割。采用8邻域轮廓提取算法可以方便地提取到二值化分割后的图像断层轮廓。本文指出,应该在跟踪完一条轮廓线后,再将它及其紧邻的黑点设为白点,这样就保证了轮廓线的顺利地跟踪到图像中的所有轮廓,且轮廓完整,没有断线情况。根据本课题的需要,用Visual C++开发了一个反求软件包,在数据输出时,可以实现自动默认图像文件的路径及名称作为输出文件的保存路径及名称,也可以修改输出文件的保存路径及名称;输出的Z坐标已实现了利用图像名称序列和断层扫描层间距的信息自动获取;同时,利用扫描像素宽度、层间距信息,在进行坐标标定时,单位可自动转换成mm,这使三维重建出的实体模型与反求工件可以做到等比例。本课题来源于重庆市科技攻关计划项目“复杂工件封闭内腔和外形的无损测量及快速原形研究”,目前,已按质完成了阶段性任务。项目中的各项关键技术及工艺具有自主知识产权。

目录

中文摘要

英文摘要

1 绪论

1.1 课题背景与意义

1.2 反求工程的基本概念

1.3 反求工程的应用

1.4 反求工程相关的测量技术

1.5 国内外现状综述

1.6 快速原型技术的发展概况

1.7 主要研究内容

2 基于反求的工业 CT断层图片预处理

2.1 层间插值

2.1.1 层间插值的意义

2.1.2 层间插值的传统方法

2.1.3 基于对应点匹配的断层图像三维插值方法

2.2 断层图片的基本预处理方法

2.2.1 对比度增强

2.2.2 图像平滑

2.2.3 图像锐化

3 轮廓提取、轮廓跟踪及其数据输出

3.1 基于二值化图像的轮廓提取

3.1.1 切片图像二值化分割

3.1.2 二值化图像的去噪声探讨

3.1.3 二值图像的边缘提取

3.2 轮廓跟踪

3.2.1 轮廓跟踪方法

3.2.2 图像轮廓跟踪时去噪和去毛刺的讨论

3.2.3 实体和孔轮廓线的识别

3.3 跟踪时，对轮廓线的矢量化

3.3.1 轮廓跟踪算法

3.3.2 数据的精简

3.3.3 数据的输出格式

4 基于工业 CT法快速反求系统的数据处理方法

4.1 STL文件格式

4.2 利用商用CAD软件实现三维模型重构

4.3 由断层测量数据直接生成 STL模型的方法

4.3.1 端面的三角剖分

4.3.2 相邻层轮廓的三角面片连接

4.3.3 解决分叉问题的一种折衷方案

4.4 片层数据直接驱动快速成型机

5 实例及结果分析

5.1 实例的图像处理过程

5.2 实例的三维建模过程

5.3 快速原型制造(RPM)方法

5.4 结果分析

6 总结与展望

6.1 主要结论

6.2 后续研究工作的展望

致谢

参考文献

附录