基于相位测量的不规则曲面重建与快速开发

摘要

不规则复杂曲面的三维建模和快速开发是产品设计制造的难点,也是近几年研究的热点问题。把逆向工程与正向加工技术相结合,可从根本上改变传统产品的开发设计和制造模式,缩短产品开发周期,解决复杂形体难以建模和难加工的问题。基于此,本文重点研究基于相位测量的点云数据获取与预处理技术,NURBS曲面重构与品质分析,曲面优化算法研究和产品快速开发等内容。
　　 首先,研究三维点云数据获取与预处理技术,分析基于相位测量的光栅投影原理、相位调制、相位解调和相位去包裹等理论。重点介绍3D CaMeGa光学三维扫描仪的校准、零件定位和点云数据获取过程。在此基础上,对点云进行预处理:采用最大允许偏差法进行数据精简,该方法精简率达40％,而且有效保留了零件关键的细节特征,还对点云进行除噪、平滑、分割等处理。
　　 其次,研究NURBS曲面拟合理论,实现整体曲面拟合和曲面拼接,点云-曲面偏差最大误差为0.270mm,符合高精度拟合曲面要求。比较曲面拟合各种算法的优缺点,提出基于正交函数的最小二乘曲面优化算法。该算法仅采用4×4阶共36个控制点拟合,就能达到较好的拟合效果。重构平均偏差仅为0.0461mm,与最小二乘法在曲面重构精度、曲面光顺性方面进行综合比较,验证本文算法的优越性。通过实验分析控制点数、曲面阶次对重构精度的影响,提出根据曲面控制点数合理选择曲面阶次,进行曲面拟合的方法。
　　 最后,设计三维曲面凸模及凹模,并进行数控仿真加工。对数控仿真加工刀路源文件进行后置处理,针对CNC840D控制系统、机床型号为fz37的数控机床生成数控加工车间NC程序,实现不规则曲面零件的二次开发。