专利名称：自由曲面内腔表面的三维几何形状建模方法
技术领域：
本发明是一种自由曲面内腔表面的三维几何形状建模方法，涉及三维测量与三维建模问题，用于物体内腔表面轮廓的三维数字化，属于机械设计与制造领域。
目前，内腔自由曲面的测量法有超生波测量法，采用CT(ComputerTomography)和MRI(Magnetic Resonance Imaging)的断层扫描测量方法。与CT断层扫描测量方法相比，超生波测量法测量速度慢且受物体材料及表面特性影响精度较低，MRI断层扫描法不但价格昂贵且不适用于金属材料的物体。因此，在工业领域CT断层扫描法已成为对具有复杂内部结构的物体进行测量的主要手段，如(“工业CT技术及其NDT应用”，现代物理知识，2000年S1期)。但CT断层扫描法仍存在空间分辨率低，获取数据需较长的积分时间，重建图像计算量大，造价高等不足。
为达到这样的目的，本发明采用测量、加工一体化设备，通过分层去除被测工件材料的方法获得工件内腔各层平面截面的几何轮廓，使用位移传感器跟踪并同时测量内腔截面轮廓边界，得到内腔轮廓的精密采样点信息，由各层内腔截面的全部轮廓采样点信息最终构造出内腔表面的三维几何模型，并进一步由该模型生成面向加工的曲面加工模型。
本发明方法包括如下具体步骤1)将被测工件装夹到测量加工一体化设备上，该设备可以通过一次性装夹完成测量和加工任务。测量加工一体化设备可通过在普通数控铣床的主轴上安装用于表面测量的位移传感器而构成；2)如工件样品的内腔没有显露出来，则由测量加工一体化设备按照预先设定好的层切厚度逐层去除材料直至内腔显露出来，其中层切厚度可根据用户的精度要求来确定；3)将位移传感器的测点跟踪内腔截面轮廓并进行测量；4)如被测工件样品的整体内腔没有测量完毕，则由测量加工一体化设备按照预先设定的层切厚度去除一层材料，并返回步骤3)以进行下一层轮廓的测量；5)如被测工件样品的整体内腔已测量完毕，则根据各层轮廓全部已测点进行三维曲面重建。曲面重建过程中可采用散乱数据的三维曲面重建方法；亦可先根据每层截面轮廓已测点建立每层截面的曲线模型，再通过顺序迭加进而生成三维曲面模型。
本发明的方法可高效高精度地得到各种金属及非金属物体复杂自由曲面内腔的三维几何模型。与现有方法相比，不但对相关设备的要求较低而且成本低。由得到的三维模型可一步得到面向加工的加工模型，以实现快速制造具有自由曲面内腔的零部件，大大减少了用户另行设计开发的时间和费用。虽然零件样品被破坏，但得到的三维模型可用于快速大量地复制原样品。
本发明实施例的被测工件为汽车的进汽道，采用的测量加工一体化设备由主轴上安装激光数字化仪的三轴数控铣床构成。
在操作前先将工件装夹和定位。所有后续操作步骤均在一台测量加工一体化设备——激光数字化仪的三轴数控铣床上完成，这样可以避免在不同设备上由于重复装夹定位所造成的误差，此外还可提高整体操作效率。被测工件汽车进汽道被装夹后，由于被测工件样品的内腔没有显露出来，系统则按照预先设定好的层切厚度逐层去除材料直至内腔显露出来。当内腔显露出来后，系统则直接开始将激光位移传感器的测点跟踪内腔轮廓并进行测量实际操作过程中我们采用自行研究的步长半径圆弧跟踪法来形成物体边界轮廓的测量路径，并高效高精度地得到内腔轮廓的采样点，其采样步长可根据轮廓的局部几何复杂度作进一步调整。当每一截面的轮廓测量完毕后，判断整体内腔是否测量完毕，如没有测量完毕，则按照预先设定好的层切厚度去除一层材料(层切厚度取决于精度要求，在本实施例中层切厚度为0.1mm)，并开始测量下一层截面的内腔轮廓。如此反复，直至完成整体内腔的测量。系统在完成整体内腔的测量后，将根据各层的采样点建立三维内腔几何模型。实际操作过程中我们根据曲面测量或加工的精度要求，将被测区域按一定步长划分成细小的矩形网格，然后由测量数据推算出所有网格结点上的高度值，并利用这些网格结点作为曲面的特征点，建立被测内腔曲面的三维计算机数字化模型。利用得到的三维计算机数字化模型，可一步得到面向加工的加工模型以实现快速制造该被测零件样品，大大减少了另行设计开发汽车进汽道的时间和费用。
权利要求
1.一种自由曲面内腔表面的三维几何形状建模方法，其特征在于包括如下具体步骤1)将被测工件装夹到测量加工一体化设备上，测量加工一体化设备通过在普通数控铣床的主轴上安装用于表面测量的位移传感器而构成；2)如工件样品的内腔没有显露出来，则由测量加工一体化设备按预先设定好的层切厚度逐层去除材料直至内腔显露出来；3)将位移传感器的测点跟踪内腔截面轮廓并进行测量；4)如被测工件样品的整体内腔没有测量完毕，则由测量加工一体化设备按照预先设定的层切厚度去除一层材料，将位移传感器的测点跟踪内腔截面轮廓并进行下一层轮廓的测量；5)如被测工件样品的整体内腔已测量完毕，则根据各层轮廓全部已测点进行三维曲面重建。
2.如权利要求1所说的自由曲面内腔表面的三维几何形状建模方法，其特征在于曲面重建过程中采用散乱数据的三维曲面重建方法，或先根据每层截面轮廓已测点建立每层截面的曲线模型，再通过顺序迭加进而生成三维曲面模型。
全文摘要
一种自由曲面内腔表面的三维几何形状建模方法,采用测量、加工一体化设备,通过分层去除被测工件材料的方法获得工件内腔各层平面截面的几何轮廓,使用位移传感器跟踪并同时测量内腔截面轮廓边界,得到内腔轮廓的精密采样点信息,由各层内腔截面的全部轮廓采样点信息最终构造出内腔表面的三维几何模型,并进一步由该模型生成面向加工的曲面加工模型。本发明的方法可高效高精度地得到各种金属及非金属物体复杂自由曲面内腔的三维几何模型,对设备要求低,实现快速制造具有自由曲面内腔的零部件。
文档编号G06T15/00GK1422727SQ0214531
公开日2003年6月11日 申请日期2002年11月21日 优先权日2002年11月21日
发明者王宇晗, 李晔, 胡俊 申请人:上海交通大学