快速原形制造技術(shù)論文

　　快速原型制造需要迅速建造一個可以運行的軟件原型 ，以便理解和澄清問題，下面是小編為大家精心推薦的快速原形制造技術(shù)論文，希望能夠?qū)δ兴鶐椭?/p>

　　快速原形制造技術(shù)論文篇一

　　面向快速原型制造的逆求技術(shù)

　　摘 要 逆求技術(shù)是一種應(yīng)用非常廣泛的新興技術(shù)，在快速原型制造中具有重要作用。本文介紹了面向快速原型制造的逆求工程系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)體系、測量方法以及相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理手段，并指出了存在的問題和今后的發(fā)展方向。

　　關(guān)鍵詞 逆求工程 快速原型制造 測量 數(shù)據(jù)處理

　　最近幾年，快速原型制造(RPM)在我國得到迅速發(fā)展和推廣。它是為了快速響應(yīng)市場的需求變化，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期而產(chǎn)生的。在實際生產(chǎn)中為了跟蹤國外先進技術(shù)等諸多原因，經(jīng)常需要對樣件進行仿制。然而對于一些復(fù)雜的樣件，如果采用傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集方法對實物進行測量建模非常困難，需要花費很長一段時間，快速原型制造也隨之失去了快速的意義。因此，研究適應(yīng)快速原型制造的逆求技術(shù)具有非常重要的意義。

　　快速原型制造與逆求工程(RE)的結(jié)合，在航空、航天、汽車、模具制造和醫(yī)學(xué)診斷等方面都具有重要作用。隨著新的測試技術(shù)與儀器的不斷涌現(xiàn)以及CAGD的發(fā)展，有必要對適合于快速原型制造的逆求技術(shù)進行系統(tǒng)的研究，使之不再成為快速產(chǎn)品開發(fā)中的瓶頸問題。

　　本文介紹國內(nèi)面向RPM的逆求工程系統(tǒng)的測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理方法以及目前存在的問題和今后的發(fā)展方向。

　　一 面向RPM的逆求工程及其實現(xiàn)技術(shù)

　　1. 逆求工程的結(jié)構(gòu)體系

　　目前國內(nèi)學(xué)術(shù)界對于逆求工程的定義并不統(tǒng)一，比較一致的看法是指根據(jù)實物模型測得數(shù)據(jù)構(gòu)造CAD模型，繼而用于產(chǎn)品分析和制造。在快速原型制造中，逆求工程充分體現(xiàn)了RPM的獨有特點，它可以經(jīng)過CAD模型也可以不經(jīng)過CAD模型而直接生成快速成型機所需的數(shù)據(jù)信息，包含了從實物樣件測量直至生成快速成型機的接口文件的全過程。由此可見，面向RPM的逆求工程范圍很廣，實現(xiàn)方法也不盡相同，但都包含樣件測量和數(shù)據(jù)處理兩大基本組成部分，其最終目的就是給快速成型機提供能夠精確成型實物樣件所需的層片驅(qū)動文件。一個完整的逆求工程流程如圖1所示。

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　　圖1 逆求工程流程圖

　　2.逆求工程的測量技術(shù)

　　測量方法的選用是逆求工程中的一個非常重要的問題。每種方法都有其優(yōu)缺點，應(yīng)當(dāng)根據(jù)樣件特點進行恰當(dāng)?shù)倪x擇。獲取三維面形信息的基本方法可以分為接觸式和非接觸式兩種。在RPM中經(jīng)常采用的測量方法如圖2所示。

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　　圖2 測量方法分類

　　坐標測量儀(CMM)是一種廣泛使用的接觸式測量方法，測量精度可以達到±0.5微米。由于采用接觸測量，整個測量過程始終需要人工干預(yù)，對于獲得數(shù)據(jù)還需進行基準歸一化以及測頭半徑補償，因而不適于對自由曲面等需要大量采集數(shù)據(jù)點的三維面形進行測量。

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　　圖3 激光三角形測量

　　在非接觸三維形貌測量中，基于激光的三角法由于其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、測量速度快，且具有實時處理能力，因而被廣泛采用。它既可以逐點測量，也可以進行線光條測量。測量精度在0.01毫米左右，采樣速度可以達到每秒數(shù)萬點。激光三角法測量原理如圖3所示。激光沿投影光軸投射到物體表面，在另一個方向上，光點的像被CCD接收，其幾何關(guān)系為：

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　　其中f-成像系統(tǒng)焦距，h-目標平面相對物面的深度變化，screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>-物距，screen.width-400)this.style.width=screen.width-400;\>-CCD光斑的質(zhì)心偏移。

　　此外，在國內(nèi)基于CT掃描和CGI的測量技術(shù)業(yè)已開始使用。在RPM中較為常用的測量方法還有條紋法、圖象分析法和核磁共振法，但在國內(nèi)并不多見。

　　3.逆求工程的數(shù)據(jù)處理技術(shù)

　　采用非接觸式測量得到的是大量密集散亂的數(shù)據(jù)群，被形象地稱為“云狀數(shù)據(jù)”。這些測點數(shù)據(jù)之間沒有顯式的幾何拓撲關(guān)系，且夾雜著非測量樣件信息。由于被測表面粗糙等原因，測得數(shù)據(jù)還不可避免的含有噪聲信息。如何將其處理成為能夠完整表達被測樣件的表面模型，并且滿足用戶的精度要求和設(shè)計標準，是一個亟待給予圓滿解決的問題。

　　能夠進行正確測量造型的首要基礎(chǔ)就是測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理。在處理中，不僅要剔除不相關(guān)數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)，還要對由于陰影或屏蔽作用而導(dǎo)致的未掃描到部分予以數(shù)據(jù)補充。用外加振動等方法找出噪聲信息或直接利用多點平滑去除數(shù)據(jù)噪聲。如果數(shù)據(jù)過于稠密，還要對數(shù)據(jù)進行勻化。經(jīng)過上述操作，一般能夠提高測得數(shù)據(jù)精度。然而對于最能反映曲面特征的特征點、線的智能提取，國內(nèi)文獻未見提及。

　　目前國內(nèi)大都采用IGES、DEF等標準文件格式表達經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)信息，借助Pro/E 等通用CAD軟件平臺進行造型，進而生成快速成型機所需的接口文件(STL文件)。由于RPM本身就是分層制造法，為了避免這種多次轉(zhuǎn)化的繁復(fù)，國內(nèi)已開始層片信息直接驅(qū)動RP設(shè)備的研究。

　　二 面向RPM的逆求工程存在的問題

　　1. 測量方法中的實際問題

　　實際測量中，影響測量精度的因素很多，出現(xiàn)的問題也是很多。光學(xué)測量系統(tǒng)在制造和裝配時很難獲得準確值，因此在裝配后必須對結(jié)構(gòu)參數(shù)進行標定。由于標定中對光學(xué)系統(tǒng)進行了許多理想假設(shè)，因而會帶來一些很復(fù)雜的非線性誤差，對測量精度有很大的影響。此外樣件的自身結(jié)構(gòu)和夾緊裝置引起的阻塞問題以及測量的可及性問題都將使整個表面的重構(gòu)變得十分困難。

　　2.STL數(shù)據(jù)模型存在的問題

　　STL文件由一組無序且相互間無聯(lián)系的三角面組成，由于不含有拓撲信息，每個頂點要反復(fù)出現(xiàn)幾次，數(shù)據(jù)冗余量大。三角片是對實體模型的線性逼近，降低了造型精度。隨著曲面復(fù)雜程度的增大，用這種三角片逼近的誤差也會加大。由表面模型轉(zhuǎn)換生成的STL數(shù)據(jù)模型還存在著裂縫、空洞和表面重疊問題。這些問題如不能得到有效的控制，很有可能導(dǎo)致廢品產(chǎn)生。

　　三 面向RPM的逆求工程的發(fā)展趨勢

　　基于上述存在的問題，筆者認為應(yīng)向如下三個方面發(fā)展：

　　1.建立適于RPM的逆求工程系統(tǒng)，該系統(tǒng)應(yīng)該數(shù)據(jù)采集速度快，精度高，能夠充分發(fā)揮CAD/CAM技術(shù)和計算機高速處理優(yōu)勢，達到與RPM的匹配，數(shù)據(jù)處理要由原來的手工分塊測量建模方法向自動化程度高而且誤差可控的曲面造型新技術(shù)方向發(fā)展。

　　2.建立新的快速成型機標準接口軟件，它應(yīng)是與快速成型工藝無關(guān)，無二義性，且具有開放性和兼容性的中性文件。

　　3.若使用STL文件，應(yīng)建立專用的三維重構(gòu)數(shù)據(jù)處理軟件，且應(yīng)具有自動診斷和修復(fù)功能。目前國外已開發(fā)出多種類似的軟件，專用軟件在造型誤差控制和消除數(shù)據(jù)冗余方面比通用軟件具有不可比擬的優(yōu)勢。

　　四 結(jié)論

　　面向RPM的逆求工程系統(tǒng)還在研究和探討之中，有許多理論和關(guān)鍵技術(shù)未能得到徹底解決。造型精度還需進一步的提高，測量建模算法的有效性、效率以及所建模型的誤差(測量、算法誤差)分析也有待于深入。目前，面向RPM的逆求工程系統(tǒng)在設(shè)備價格上還十分昂貴，逆求過程中還需要人工干預(yù)，快速響應(yīng)市場能力也有待于加強，因此逆求工程系統(tǒng)應(yīng)向自動化、柔性化、快速化方向進一步發(fā)展。

　　參考文獻

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