CN104750914A - 一种未知自由曲面建模方法 - Google Patents

Abstract

本发明旨在提供一种未知自由曲面建模方法，包括以下步骤：1)对未知自由曲面进行手动测量并生成偏置CAD曲面；2)对上述偏置CAD曲面生成测量点，对上述测点进行自动测量，测量后得到近似测量数据文件；3)将近似测量数据文件生成近似CAD曲面；对上述近似CAD曲面生成测量点并进行自动测量得到当前测量数据文件；4)计算步骤3)所得的当前测量数据与计算步骤3)所得曲面的平均距离偏差，并根据距离偏差判断继续循环测量对比或是生成最终结果。本发明未知自由曲面建模方法克服了目前未知自由曲面建模中存在的模型精度低、建模效率低的缺点，具有步骤简单、精度高、效率高的特点。

Description

一种未知自由曲面建模方法

技术领域

本发明涉及工程建模领域，具体涉及一种未知自由曲面建模方法。

背景技术

随着航空、航天、造船、汽车及模具工业的飞速发展，曲线曲面的应用越来越广泛，对曲面零件高效率、高精度的建模及测量的要求也越来越高，不断提高机械零件的检测精度一直是科研人员的研究热点。采用激光扫描等非接触式的测量，可以快速进行曲面的建模，但是受到曲面材质和表面颜色纹理等因素的影响，检测精度不太高，无法得到足够精度的建模效果；并且对于未知CAD模型的曲面，由于没有进行参照的模版，因而不能进行自动检测扫描，无法完成未知曲面模型的建立，只能通过手动模式进行扫描建模。因此，研发出一种对于未知自由曲面的自动建模方法是很有必要的。

发明内容

本发明旨在提供一种未知自由曲面建模方法，该方法克服了目前未知自由曲面建模中存在的模型精度低、建模效率低的缺点，具有步骤简单、精度高、效率高的特点。

本发明的技术方案如下：一种未知自由曲面建模方法，包括以下步骤：

1)对未知自由曲面进行三坐标测量机手动测量，将测点排列成矩阵形式，手动测量后得到测量数据文件A，利用软件将测量数据文件A生成CAD曲面A，并对CAD曲面A沿法矢方向根据测头半径参数进行偏置处理，得到偏置CAD曲面；

2)对上述偏置CAD曲面应用网格法生成测量点；利用三坐标测量机自带的测头半径补偿方法对上述测点进行自动测量，测量后得到测量数据文件B；

3)将测量数据文件B作为基准数据文件，通过软件生成基准CAD曲面；对基准CAD曲面应用网格法生成测量点，利用三坐标测量机的测头半径补偿功能对上述测量点进行自动测量，测量后得到测量数据文件C；

4)计算测量数据C与步骤3)生成的基准CAD曲面的平均距离偏差，若平均距离偏差小于预设的误差值，则将测量数据文件C通过软件生成最终CAD曲面，作为最终建模结果；若平均距离偏差大于预设的误差值，将测量数据文件C的数据作为测量数据文件B的数据，重新进行步骤3和4。

所述的步骤1中，偏置处理为将CAD曲面沿法矢方向进行偏置，偏置的距离为测头的半径，偏置公式为：

P_d＝P±d·N(x,y,z)                (1)

式中，P(x,y,z)为给定平面，P_d(x,y,z)为与其距离为d的等距曲面，N(x,y,z)表示对应的(x,y,z)位置处的单位法矢量。

所述步骤4中的平均距离偏差ε，其计算公式如下

$\mathrm{\ϵ}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j\right)/n;---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\sqrt{{(x_s-x_i)}^2+{(y_s-y_i)}^2+{(z_s-z_i)}^2};---\left(3\right)$

式中，n为测量点数量，j为表示测量点编号的变量，(x_i,y_i,z_i)表示测量数据文件C中某一测量点的坐标，(x_s,y_s,z_s)表示基准CAD曲面上与测量点(x_i,y_i,z_i)距离最近点的坐标，α为某一测量点在测量数据文件C中的坐标与基准CAD曲面的距离偏差。

所述生成CAD曲面的软件为UG。

所述测头半径补偿方法为微平面法、三点共圆法、拟合补偿法、直接计算法、三角网格法其中之一。

所述步骤2)中生成测量点的方法为鼠标点取法或辅助线上取点法。

本发明未知自由曲面建模方法将三坐标测量机的手动测量和自动测量相结合，手动测量确定未知自由曲面的大致轮廓曲面，进而通过偏置功能进行修正，之后通过自动测量对偏置后的曲面进行测量与建模，并判断当前测量数据与基准CAD曲面的偏差，直至测量数据的平均偏差小于预设的数值，才完成最后的建模。

本发明将手动测量与自动测量巧妙结合，避免了未知自由曲面测量中纯手动测量的低效率，以及纯自动测量的低精度，将二者结合之后使得二者互相取长补短，相辅相成，实现了精度与效率的结合；方法中“自动测量-建模”循环过程，不断地提高建模精度，保证建模结果的准确性。

附图说明

图1为本发明未知自由曲面建模方法的流程图。

图2为实施例1需要建模的曲面实物图

图3为实施例1CAD曲面A与偏置CAD曲面对比图

图4为实施例1最终生成的CAD曲面图

图中部分名称及标号如下：

1为CAD曲面A，2为偏置CAD曲面

具体实施方式

下面结合具体实施例具体说明本发明。

实施例1

图2为本实施例需要建模的曲面实物图。

1)对未知自由曲面进行三坐标测量机手动测量，将测点排列成矩阵形式，手动测量后得到测量数据文件A，利用软件将测量数据文件A生成CAD曲面A，并对CAD曲面A延法矢方向根据测头半径参数进行偏置处理，偏置公式为：

P_d＝P±d·N(x,y,z)                    (1)

式中，P(x,y,z)为给定平面，P_d(x,y,z)为与其距离为d的等距曲面，N(x,y,z)表示对应的(x,y,z)位置处的单位法矢量；

偏置处理采用UG软件自带偏置功能，偏置距离设为测头半径：2.5mm，偏置CAD曲面与CAD曲面A的对比图像如图3所示。

2)对上述偏置CAD曲面应用网格法生成测量点；利用三坐标测量机自带的测头半径补偿方法对上述测点进行自动测量，测量后得到测量数据文件B；

3)将测量数据文件B作为基准数据文件，通过软件生成基准CAD曲面；对基准CAD曲面应用网格法生成测量点，利用三坐标测量机的测头半径补偿功能对上述测量点进行自动测量，测量后得到测量数据文件C；

4)计算测量数据C与步骤3)生成的基准CAD曲面的平均距离偏差，所述步骤4)的平均距离偏差ε，其计算公式如下

$\mathrm{\ϵ}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j\right)/n;---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\sqrt{{(x_s-x_i)}^2+{(y_s-y_i)}^2+{(z_s-z_i)}^2};---\left(3\right)$

式中，n为测量点数量，本实施例选取n＝400，j为表示测量点编号的变量，(x_i,y_i,z_i)表示测量数据文件C中某一测量点的坐标，(x_s,y_s,z_s)表示基准CAD曲面上与测量点(x_i,y_i,z_i)距离最近点的坐标，α为某一测量点在测量数据文件C中的坐标与基准CAD曲面的距离偏差。

若平均距离偏差小于预设的误差值，则将测量数据文件C通过软件生成最终CAD曲面，作为最终建模结果；若平均距离偏差大于预设的误差值，将测量数据文件C的数据作为测量数据文件B的数据，重新进行步骤3和4；

本实施例误差值设为0.004mm，经过3次测量，所有的测点平均距离偏差减小为0.0037mm，已经小于设定误差，得到最后建模结果，如图4所示。

Claims (6)

1.一种未知自由曲面建模方法，其特征在于包括以下步骤：

1)对未知自由曲面进行三坐标测量机手动测量，将测点排列成矩阵形式，手动测量后得到测量数据文件A，利用软件将测量数据文件A生成CAD曲面A，并对CAD曲面A沿法矢方向根据测头半径参数进行偏置处理，得到偏置CAD曲面；

2)对上述偏置CAD曲面应用网格法生成测量点；利用三坐标测量机自带的测头半径补偿方法对上述测点进行自动测量，测量后得到测量数据文件B；

3)将测量数据文件B作为基准数据文件，通过软件生成基准CAD曲面；对基准CAD曲面应用网格法生成测量点，利用三坐标测量机的测头半径补偿功能对上述测量点进行自动测量，测量后得到测量数据文件C；

4)计算测量数据C与步骤3)生成的基准CAD曲面的平均距离偏差，若平均距离偏差小于预设的误差值，则将测量数据文件C通过软件生成最终CAD曲面，作为最终建模结果；若平均距离偏差大于预设的误差值，将测量数据文件C的数据作为测量数据文件B的数据，重新进行步骤3和4。

2.如权利要求1所述的未知自由曲面建模方法，其特征在于：所述的步骤1中，偏置处理为将CAD曲面沿法矢方向进行偏置，偏置的距离为测头的半径，偏置公式为：

P_d＝P±d·N(x,y,z)  (1)

式中，P(x,y,z)为给定平面，P_d(x,y,z)为与其距离为d的等距曲面，N(x,y,z)表示对应的(x,y,z)位置处的单位法矢量。

3.如权利要求1所述的未知自由曲面建模方法，其特征在于：所述步骤4中的平均距离偏差ε，其计算公式如下

$\mathrm{\ϵ}=\left(\underset{j=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\α}}_j\right)/n;---\left(2\right)$

$\mathrm{\α}=\sqrt{{(x_s-x_i)}^2+{(y_s-y_i)}^2+{(z_s-z_i)}^2};---\left(3\right)$

式中，n为测量点数量，j为表示测量点编号的变量，(x_i,y_i,z_i)表示测量数据文件C中某一测量点的坐标，(x_s,y_s,z_s)表示基准CAD曲面上与测量点(x_i,y_i,z_i)距离最近点的坐标，α为某一测量点在测量数据文件C中的坐标与基准CAD曲面的距离偏差。

4.如权利要求1所述的未知自由曲面建模方法：所述生成CAD曲面的软件为UG。

5.如权利要求1所述的未知自由曲面建模方法：所述测头半径补偿方法为微平面法、三点共圆法、拟合补偿法、直接计算法、三角网格法其中之一。

6.如权利要求1所述的未知自由曲面建模方法：所述步骤2)中生成测量点的方法为鼠标点取法或辅助线上取点法。