2008年--外文翻譯--運(yùn)用逆向工程技術(shù)，可重新配置的以數(shù)控銑床為基礎(chǔ)的橫截面成像系統(tǒng)

1、<p>　　中文10650字,7130單詞，3.7萬(wàn)英文字符</p><p><b>　　外文文獻(xiàn)翻譯</b></p><p>　　運(yùn)用逆向工程技術(shù)，可重新配置的以數(shù)控銑床為基礎(chǔ)的橫截面成像系統(tǒng)</p><p>　　Hongbo Lan Yucheng Ding Jun Hong Bingheng Lu</p&

2、gt;<p><b>　　摘要</b></p><p>　　本文提出了一種新穎的逆向工程數(shù)字化系統(tǒng)進(jìn)行全零件的幾何形狀分析，這是基于建立在一個(gè)數(shù)控銑床的橫截面成像設(shè)備上。該系統(tǒng)連續(xù)拍攝通過端銑和CCD成像平面的每一個(gè)的橫截面輪廓的圖像，并生成用于復(fù)雜的三維部件的基于一組向量橫截面輪廓的外部和內(nèi)部表面的幾何形狀。該系統(tǒng)主要由三部分組成：一個(gè)數(shù)控銑床，橫截面成像設(shè)備以及計(jì)算機(jī)的控制

3、單元。涉及該系統(tǒng)的原理和工藝流程，裝箱材料，橫斷面成像和NC代碼生成等一些問題是被詳細(xì)介紹的。該系統(tǒng)制在現(xiàn)有的NC銑床上，便攜式裝置用于捕獲橫截面圖像設(shè)計(jì)，其中包括分離的光源，數(shù)碼照相機(jī)，保護(hù)盒，剛性臂和一個(gè)強(qiáng)大的三腳架。該裝置中，連接到計(jì)算機(jī)控制單元，作為一個(gè)高度靈活的附件的數(shù)控銑床，構(gòu)成剖面成像系統(tǒng)的逆向工程。此外，該系統(tǒng)的誤差分析與精度評(píng)估也都應(yīng)有盡有。一個(gè)典型的案例進(jìn)行了詳細(xì)論述，以說明應(yīng)用中的系統(tǒng)。一個(gè)典型的案例進(jìn)行了詳細(xì)論述

4、，說明了系統(tǒng)的應(yīng)用。這樣的逆向工程為一個(gè)可重新配置的數(shù)字化系統(tǒng)提供了許多優(yōu)點(diǎn)，如現(xiàn)有的數(shù)控銑床，成本低，并且快速施工的功能擴(kuò)展。因此，該系統(tǒng)提供了一個(gè)可行的和有用的計(jì)劃，為眾多企業(yè)建立自己的逆向測(cè)量系統(tǒng),基于現(xiàn)有的設(shè)備中快速的產(chǎn)品，以幫助發(fā)</p><p>　　———————————————————————————————————————</p><p>　　關(guān)鍵詞：逆向工程 橫斷面

5、成像 CAD模型 數(shù)控銑床</p><p>　　———————————————————————————————————————</p><p><b>　　1 介紹</b></p><p>　　逆向工程(RE)是由不同的數(shù)字化進(jìn)程將現(xiàn)有的物理部分構(gòu)建矢量三維數(shù)字模型的方法。數(shù)字模型通?？梢詫?dǎo)入到后續(xù)的重新設(shè)計(jì)和制造工藝規(guī)劃CAD系統(tǒng)

6、。不同于傳輸?shù)轿锢懋a(chǎn)品概念設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)制造理念，逆向工程重?cái)?shù)字化，分析，修改和編造以現(xiàn)有對(duì)象為基礎(chǔ)的產(chǎn)品【1-4】。逆向工程從物理樣機(jī)的工作，而不是從一個(gè)CAD概念模型開始是很必要的。這也是對(duì)其中的CAD在原設(shè)計(jì)中沒有使用和部分必須要復(fù)制的產(chǎn)品的開發(fā)特別有用的地方。逆向工程可顯著縮短生產(chǎn)提前期和部分重復(fù)過程的成本。在可再生能源過程中的三個(gè)主要步驟是部分?jǐn)?shù)字化，特征提取與CAD模型重建【5】。因此，逆向工程的過程總是從各種數(shù)字化儀對(duì)零件表面

7、采集點(diǎn)的坐標(biāo)的數(shù)字化開始。有可用于部分?jǐn)?shù)字化的各種商業(yè)系統(tǒng)。與此相對(duì)應(yīng)，逆向工程的方法不同取決于使用的數(shù)字化設(shè)備，它的范圍從傳統(tǒng)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM），激光掃描儀，超聲波數(shù)字化儀到各種光學(xué)測(cè)量設(shè)備。它們也可以被分為兩大類別：接觸式和非接觸式。三維坐標(biāo)測(cè)量機(jī)配有常用的帶有觸摸式觸發(fā)探頭的接觸數(shù)字化裝置，通?？梢援a(chǎn)生具有微米級(jí)精度的三維點(diǎn)的坐標(biāo)的外部零件表面。然而，與大多數(shù)非接觸式光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)相比,它的數(shù)字化速度比較慢。</p>

8、<p>　　來自學(xué)術(shù)界和工業(yè)團(tuán)體的研究已經(jīng)執(zhí)行探索新的數(shù)字化方法或設(shè)備，同時(shí)這些方法或者設(shè)備可獲得內(nèi)部和外部復(fù)雜對(duì)象的幾何形狀。中國(guó)【8】提出了一種由一個(gè)磨料計(jì)算機(jī)斷層掃描裝置對(duì)復(fù)雜對(duì)象三維圖像重建的方法。該裝置采用一種磨料過程一層一層除去鑲嵌物，并且捕捉每一層用CCD照相機(jī)獲得的橫截面圖像。數(shù)值方案被應(yīng)用于獲得的輪廓的Bezier曲線的每個(gè)層。楊和陳描述了基于觸覺卷中刪除一個(gè)新的逆向工程的方法。Liu【9】等人提出的剖面

9、想象基于逆向工程和快速原型集成系統(tǒng)，用于再現(xiàn)復(fù)雜對(duì)象。周先生【10】等人開發(fā)了一種基于激光的逆向工程和加工系統(tǒng)，將顯著減少時(shí)間的CAD模型的創(chuàng)建和NC代碼生成。馮【11】解決了一種基于互聯(lián)網(wǎng)的逆轉(zhuǎn)工程的方法,并且提供了一個(gè)案例研究來說明它的應(yīng)用程序適用于集成CAD和CAM。青山和云【12】描述了一個(gè)自動(dòng)測(cè)量未知物理對(duì)象的系統(tǒng)為構(gòu)建物理對(duì)象的計(jì)算機(jī)模型。該系統(tǒng)是由兩個(gè)子系統(tǒng),即,一個(gè)用于粗糙識(shí)別的物理對(duì)象,另一個(gè)用于精確測(cè)量。李等人【13

10、】提出了一種為快速建模和制造有復(fù)雜表面產(chǎn)品的逆向工程系統(tǒng)。該系統(tǒng)由三個(gè)主要的組件構(gòu)成:一個(gè)3 d光學(xué)數(shù)字化系統(tǒng),一個(gè)表面重建軟件和快速原型機(jī)。獨(dú)特</p><p>　　從前面的文獻(xiàn)綜述，通過使用當(dāng)前反向工程的方法，捕獲外觀和內(nèi)飾造型精度高，又成本低廉的一部分，可以看出它通常是困難的。論文對(duì)于零件的幾何形狀提出了一個(gè)全新穎的逆向工程系統(tǒng),它是基于一個(gè)被建在數(shù)控銑床上的橫斷面成像裝置。該系統(tǒng)反復(fù)拍攝靠端銑刀和CCD成

11、像技術(shù)獲得的每個(gè)部分的平面橫截面的橫截面輪廓圖像，并且根據(jù)在z方向上的一組向量截面輪廓，建立了兩種外部幾何和復(fù)雜的三維部件的內(nèi)表面。該系統(tǒng)主要由三個(gè)組件構(gòu)成：一個(gè)數(shù)控銑床，橫截面成像設(shè)備以及計(jì)算機(jī)的控制單元。有些涉及系統(tǒng)的處理流程，包封材料，橫截面成像和NC代碼生成等問題進(jìn)行了詳細(xì)的描述。建立在現(xiàn)有的數(shù)控銑床上，一種用于捕獲截面圖像的便攜式設(shè)備被設(shè)計(jì)，它主要包括一個(gè)隔離的光源，數(shù)碼照相機(jī)，保護(hù)盒中，剛性臂和一個(gè)強(qiáng)大的三腳架。該裝置中，連

12、接到計(jì)算機(jī)控制單元，作為一個(gè)高度靈活的附件的數(shù)控銑床，構(gòu)成剖面成像系統(tǒng)的逆向工程。此外，該系統(tǒng)的錯(cuò)誤分析與精度評(píng)估也在討論中。一個(gè)案例研究詳細(xì)論述來說明該系統(tǒng)的應(yīng)用程序。這樣的重新配置逆向工程數(shù)字化系統(tǒng)提供了許多的優(yōu)點(diǎn)，如在現(xiàn)有的功能擴(kuò)展數(shù)控銑床，成本低，施工快速，高精度。其結(jié)果是，該系統(tǒng)提供了一種可行的和有用</p><p>　　本文的結(jié)構(gòu)如下：第2節(jié)介紹原理和系統(tǒng)的架構(gòu)。第3節(jié)講解實(shí)施關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)說明。該

13、系統(tǒng)的錯(cuò)誤分析與精度評(píng)估是在第4節(jié)討論。一個(gè)實(shí)際的案例研究被在第5節(jié)說明。最后，第6節(jié)總結(jié)全文。</p><p>　　2原理的系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.1原理及工藝流程</p><p>　　以橫截面成像為基礎(chǔ)的可再生能源系統(tǒng)的處理流程可以分成三個(gè)主要步驟：對(duì)象預(yù)處理中，橫截面的圖像采集和CAD模型重建。該過程的總流程圖如圖1所示。</p>

14、<p>　　首先，一個(gè)對(duì)象內(nèi)包裹著覆蓋和填充全部物體的內(nèi)部和外部特征特殊的套料。預(yù)處理階段主要完成3個(gè)任務(wù)：確定最佳裝盒方向，準(zhǔn)備該套料和選擇合適的裝盒過程。接著，包裹的部分是由一個(gè)在數(shù)控銑床表面的夾具固定的。該部分被包裹然后鑿去一層一層，每層的截面圖像由安裝在組合裝置上的數(shù)字相機(jī)捕獲。而每層的橫截面圖像被發(fā)送到數(shù)據(jù)處理軟件。該軟件會(huì)自動(dòng)儲(chǔ)存每個(gè)數(shù)據(jù)層中的文件到控制單元的硬盤中，以確保沒有信息丟失。這個(gè)過程，包括夾持的被包裹

15、部分，缺角的部分被一層一層包裹，被捕獲每一層的截面像，被稱為剖面圖像采集。橫截面成像系統(tǒng)的示意圖如圖2。</p><p><b>　　圖2</b></p><p>　　最后，所有所獲得的截面圖像是通過特殊的數(shù)據(jù)后處理軟件處理過的重建所述對(duì)象的CAD模型。除了輪廓提取和代表性以外，數(shù)據(jù)后加工的橫截面圖像涉及到圖像預(yù)處理，圖像分割和邊緣檢測(cè)。</p><

16、;p><b>　　圖3</b></p><p>　　圖3示意了再生系統(tǒng)提出的數(shù)據(jù)處理流程。三維CAD模型重建涉及面擬合均勻分布序列平面輪廓，輪廓摘錄自交的部分的截面圖像。一些商業(yè)的軟件系統(tǒng)可以被用來幫助重建三維CAD模型。</p><p><b>　　2.2系統(tǒng)架構(gòu)</b></p><p>　　為了實(shí)施基于切片的數(shù)字

17、化逆向工程過程，一個(gè)新穎的基于現(xiàn)有數(shù)控銑床的逆向工程的成像系統(tǒng)，可同時(shí)收購(gòu)部分的具有復(fù)雜的外部和內(nèi)部表面全截面輪廓，已經(jīng)開發(fā)。該系統(tǒng)由兩個(gè)子系統(tǒng)組成：硬件和軟件。硬件子系統(tǒng)主要由以下組件組成：組合設(shè)備來捕獲一個(gè)物體，它包括一個(gè)橫截面圖像分離的光源，數(shù)碼相機(jī)，一個(gè)容器，剛性棒和強(qiáng)大的三腳架，一臺(tái)數(shù)控銑床（或數(shù)控研磨機(jī)）和計(jì)算機(jī)控制單元。該計(jì)算機(jī)控制單元，包括計(jì)算機(jī)（PC ），一個(gè)I / O板和位置開關(guān)，進(jìn)行自動(dòng)的橫截面成像控制。用帶有US

18、B接口和PCI擴(kuò)展槽的電腦是用來實(shí)現(xiàn)控制功能。數(shù)字I / O卡，可插入的PCI擴(kuò)展槽是用來傳輸計(jì)算機(jī)和數(shù)控銑床之間的信號(hào)。由歐姆龍制造的常閉位置開關(guān)用于由歐姆龍制造自動(dòng)生成的控制信號(hào)。作為關(guān)鍵部件的橫截面成像系統(tǒng)是在第三部分被詳細(xì)說明。一個(gè)強(qiáng)大的三腳架，也是一個(gè)獨(dú)立的可調(diào)節(jié)的固定裝置，被用于安裝橫截面成像系統(tǒng)。該機(jī)制可以實(shí)現(xiàn)數(shù)控銑床和圖像捕獲單元之間的</p><p><b>　　圖4</b>

19、;</p><p>　　快速定位。此外，它是獨(dú)立的數(shù)控銑床。因此，本結(jié)合設(shè)備和計(jì)算機(jī)控制單元可以是認(rèn)為作為一個(gè)高標(biāo)準(zhǔn)的配件，這可能是用數(shù)控銑床整合，形成一個(gè)快速橫斷面成像系統(tǒng)，用于逆向工程。這樣的重新配置的可再生能源系統(tǒng)的數(shù)字化有許多優(yōu)點(diǎn)，如將擴(kuò)大了現(xiàn)有的數(shù)控銑床的功能，并降低了成本和交貨時(shí)間。一些數(shù)控銑床可用于可再生能源數(shù)字化系統(tǒng)?；谠撓喾吹臄?shù)字化系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和現(xiàn)有數(shù)控銑床，一個(gè)萬(wàn)能工具銑床由作者開發(fā)的原型系

20、統(tǒng)采用在這里。圖4示出的簡(jiǎn)略圖橫截面成像系統(tǒng)。</p><p><b>　　3關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)</b></p><p>　　3.1裝盒材料和工藝</p><p>　　該過程通過使用特殊的包裹的一部分材料開始，它涵蓋并填充所有的內(nèi)部和外部的部分的特征。包封材料在橫截面成像系統(tǒng)中起著顯著作用。正如最重要的功能，與零件的數(shù)字化相比，套料可以提供一個(gè)高灰

21、度梯度的背景圖像，以至于使橫截面的部分的輪廓可以很容易檢測(cè)到，并在后續(xù)的圖像處理階段提取。此外，該包覆材料也可以強(qiáng)化測(cè)得的強(qiáng)度一部分，并提高零件薄壁和多腔功能的機(jī)械加工性能。獲得的截面圖像是灰度圖像。因此，無(wú)論是區(qū)域和以分割為基礎(chǔ)的邊緣方法都可以采用。二元分割圖像處理包括閾值和梯度值控制下的灰色的圖像。閾值化是將一個(gè)多層次的過程圖像轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制圖像。在二進(jìn)制中，每個(gè)像素的值是由一個(gè)單一的二進(jìn)制數(shù)字呈現(xiàn)。在其最簡(jiǎn)單的形式中，閾值是基于點(diǎn)的

22、過程，該分配值的“0”或“1”的圖像的基礎(chǔ)上的每個(gè)像素用全局閾值T比較。</p><p>　　其中f（X，Y）是像素的灰度梯度（X，Y）;F'（X，Y）是像素（x ，y）的二進(jìn)制灰度值，T為閾值。橫斷面圖像只有一個(gè)對(duì)象，它是從它的背景顯現(xiàn)的。灰度級(jí)的直方圖圖像顯然地將永遠(yuǎn)是一個(gè)雙峰分布位置遠(yuǎn)離彼此的。因此，一閾值是足夠以段為圖像對(duì)對(duì)象和背景。給定段，邊緣檢測(cè)是基于梯度算子G的計(jì)算。</p>

23、<p>　　如果圖G（ X，Y）= 0時(shí)，點(diǎn)（x，y）是沒有邊緣。否則，點(diǎn)（x，y）是在邊緣[9]。根據(jù)上面的分析中，為了獲得高品質(zhì)的橫截面的圖像，該包覆材料必須滿足以下要求：高灰度梯度數(shù)字化部分和套料，好的機(jī)械性能和適當(dāng)?shù)捻g性。此外，一些評(píng)估加工能力實(shí)驗(yàn)也已進(jìn)行了確定最佳電荷比。得到的包封材料的配方示表1中。</p><p><b>　　表1 </b></p>

24、<p>　　一些實(shí)際的案例已經(jīng)證明所開發(fā)的套料，其具有高的灰梯度，低收縮率，良好的粘接和機(jī)械加工性能，能很好地滿足實(shí)際工程的需求。之后將材料按上述充分混合制定，部分被逐漸充滿裝盒材料。完全包裹的部分，然后放置在一個(gè)真空室，在那里所有的氣泡被移除，所有脫墨是100％填充。此外，該部分需要在包覆過程之前，通過使用丙酮（汽油或油醇），以純化在對(duì)象的內(nèi)外表面內(nèi)部去除油污，灰塵和氧化劑。包封部件的凝固時(shí)間應(yīng)該通常不超過12小時(shí)。固化速

25、度的需求以根據(jù)環(huán)境溫度來調(diào)節(jié)。</p><p>　　3.2橫斷面圖像采集系統(tǒng)</p><p>　　作為最重要的部件，所述圖像獲取系統(tǒng)可以捕獲和自動(dòng)把數(shù)字化部分的截面圖像轉(zhuǎn)成文件。三原色模塊包括圖像捕獲設(shè)備，光源，并自動(dòng)生成NC代碼將詳細(xì)在下面的章節(jié)中討論。</p><p>　　3.2.1選擇拍攝圖像設(shè)備</p><p>　　CCD和一個(gè)數(shù)據(jù)采

26、集卡的組合使用經(jīng)常作為圖像拍攝設(shè)備。然而，它有幾個(gè)限制：分辨率低，高的波動(dòng)圖像灰度梯度和在定位圖像的不確定性。隨著數(shù)字成像技術(shù)的飛速發(fā)展，各種數(shù)碼相機(jī)作為新的圖像捕捉設(shè)備，它的特點(diǎn)是低成本和高分辨率，呈現(xiàn)出良好的成本/性能比，得到高品質(zhì)的圖像。此外，數(shù)字照相機(jī)能提供可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)計(jì)算機(jī)控制單元和一個(gè)數(shù)碼相機(jī)的高速通信的USB接口。因此，被捕獲的剖面圖像具有可處理的實(shí)時(shí)性。對(duì)于各種數(shù)碼相機(jī)的各種效益和一個(gè)由柯達(dá)（ DC 4800型號(hào)）生產(chǎn)的

27、數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行了比較，它被選做發(fā)達(dá)的原型系統(tǒng)中的圖像捕獲裝置。相機(jī)的分辨率為310萬(wàn)像素。換句話說，它具有2160像素的分辨率水平和1,440像素（垂直）。</p><p>　　3.2.2設(shè)計(jì)的光源 該光源在圖像質(zhì)量抓獲上具有顯著的作用。特別重要的是選擇合適的光源和確定攝像頭和光源之間的最佳布局，捕捉高品質(zhì)的跨截面圖像。系統(tǒng)的光源需要符合下列條件：固定，均勻，與周圍環(huán)境亮度匹配。理想的候選應(yīng)是面光源，并用0

28、 °垂直弧度曝光為對(duì)象的數(shù)字化的橫截面。然而，它特別難以得到這樣的理想光源。根據(jù)實(shí)際需要，兩個(gè)11W的U型熒光燈（不使用閃光燈）被用作該系統(tǒng)的光源，并對(duì)稱地沿著45°的弧度在外殼頂部放置。</p><p><b>　　圖5</b></p><p>　　布局的示意圖如圖5所示。對(duì)于所使用的TW-1102熒光燈參數(shù)（不閃光燈）有：220V額定電壓（50

29、HZ），11瓦標(biāo)稱功率和4,200 K色溫。</p><p>　　3.2.3生成NC代碼</p><p>　　在數(shù)字化裝置中，數(shù)控銑床的作用是精確機(jī)遠(yuǎn)離該包裹部分的超薄層。銑床的表面只進(jìn)行從一個(gè)加工位置到拍攝位置的移位，以及沿z方向上的快速移動(dòng)。在NC代碼的不同部分是非常相似的。在CNC銑床和圖像采集系統(tǒng)之間，變化主要集中在切刀，層厚度，層號(hào)和零件尺寸。對(duì)于稀土數(shù)字化設(shè)備涉及的NC代碼生成

30、的原理和參數(shù)示于圖6。</p><p><b>　　圖6</b></p><p>　　在圖6中，D是一個(gè)面向刀具的直徑，A代表對(duì)于一個(gè)包裹一部分的銑削部分的長(zhǎng)度，b表示的寬度， H是從一個(gè)包圍部分的部分到低端面中的圖像取得位置的朝向刀具的垂直距離， L1是X坐標(biāo)的圖像采集位置的值（ z坐標(biāo)值為零） ，L 2是Y坐標(biāo)的圖像采集位置的值（ z坐標(biāo)值為零） ，T是銑削厚度，

31、F表示沿Y坐標(biāo)進(jìn)給量，h是一個(gè)包裹部件的銑削高度。銑削的橫截面的進(jìn)料數(shù)被定義為：n=b/D(n是一個(gè)整數(shù)).銑削筆劃被定義為：S1=L2+a/2。沿X軸的粉碎臺(tái)快速移動(dòng)的距離是定義為：S2=L1+a/2。沿Z軸的粉碎臺(tái)快速移動(dòng)的距離是定義為：S3=H。如果n不等于1，并且沿Y軸的進(jìn)料是進(jìn)刀，則沿Y軸的快速移動(dòng)的距離是零；否則，如果沿Y軸進(jìn)給的是進(jìn)給工作臺(tái)，沿Y軸的粉碎臺(tái)快速移動(dòng)的距離是定義為：S4=F×(n-1)。總層量被定義

32、為：N=h/T（N是一個(gè)整數(shù)）。當(dāng)n為各種數(shù)值時(shí)，NC代碼是非常相似的。當(dāng)需要執(zhí)行多次進(jìn)給，唯一的變化是增加這些NC代碼，包括進(jìn)給量，進(jìn)給數(shù)量，并沿Y軸快速移動(dòng)的距離。因此，NC碼被分成三部分：預(yù)NC代碼阻止不涉及進(jìn)給量，中NC代碼阻止涉及進(jìn)給量，以及后NC代碼阻止而不涉及進(jìn)給量。對(duì)于</p><p><b>　　圖7</b></p><p>　　圖8為所述控制單元的

33、一個(gè)GUI。</p><p><b>　　圖8</b></p><p>　　4誤差分析與精度評(píng)估</p><p><b>　　4.1誤差分析</b></p><p>　　逆向工程，由原始比較其構(gòu)建的CAD模型分析誤差，需要防止的準(zhǔn)確性不受侵害，并且進(jìn)一步提供了一個(gè)基礎(chǔ)，以幫助細(xì)化。尤其是在滿足功能要

34、求，從尺寸偏差的不確定性結(jié)果需要嚴(yán)格控制，使帶來的性能得到充分發(fā)揮【21】 。作為一個(gè)重要的一個(gè)數(shù)字化裝置的索引值，該數(shù)字化的精度對(duì)所施加的場(chǎng)和設(shè)備的能力有顯著作用。在RE數(shù)字化系統(tǒng)的精度表示重構(gòu)三維CAD模型和原始之間在尺寸，位置和表面質(zhì)量的偏差。它可能受多種因素影響，這些因素涉及在整個(gè)再生過程中從該包覆過程和捕獲數(shù)據(jù)來重建三維CAD模型中的每個(gè)步驟。造成的準(zhǔn)確性和可重復(fù)性的系統(tǒng)的總體誤差的錯(cuò)誤的各種來源可分為三個(gè)主要部分：數(shù)字化的過

35、程中，硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。根據(jù)以前的研究，來自硬件系統(tǒng)的影響因素，主要包括一個(gè)數(shù)控銑床的再現(xiàn)精度，在切刀面的積屑瘤，并且在橫截面圖像采集系統(tǒng)的光學(xué)系統(tǒng)部分的失真。數(shù)字化過程中對(duì)精度的影響主要包括層的厚度和包裹取向。從軟件系統(tǒng)所產(chǎn)生的誤差主要包括重建CAD模型過程中的校準(zhǔn)和精度損失。另外，吉瑞等人【22】研究了誤差源在一個(gè)破壞性的3D逆向工程過程。結(jié)果表明，造成誤差的各種因素，包括振動(dòng)，溫度變化，閾值設(shè)置和由于攝像機(jī)的分辨率所產(chǎn)</

36、p><p>　　如果存在于該部分的數(shù)字化處理的攝像機(jī)和一個(gè)部分的相對(duì)位置之間存有偏差，那么數(shù)控銑床的定位精度可以在很大程度上有影響。因此，這里所用的數(shù)控銑床應(yīng)具有較高的重復(fù)定位精度，以確保重新數(shù)字化系統(tǒng)具有很高的精度和可重復(fù)性。具有更好的分辨率和正確的安裝位置的攝像機(jī)可以有效地提高數(shù)字化設(shè)備的精度。該層的厚度和包裹取向?qū)?shù)字化的精度和數(shù)字轉(zhuǎn)換器的效率有著相關(guān)聯(lián)的影響。例如，選擇用于層厚度的高值時(shí)，數(shù)據(jù)收集的消耗時(shí)間可

37、以縮短，而數(shù)字化的精確度可能會(huì)降低，因?yàn)閿?shù)字化的部分的一些分鐘特征可以被去除。當(dāng)分配一個(gè)較低的值，它可以采取更多的時(shí)間來獲取的橫截面的圖像，但是數(shù)字化精度可以得到改進(jìn)。因此，用戶應(yīng)該根據(jù)一個(gè)數(shù)字化部分的具體特點(diǎn)確定最優(yōu)層厚度和包裹方向。對(duì)于特別復(fù)雜的對(duì)象，變量層的厚度的方法可能是一個(gè)更好的解決方案。換句話說，隨著分鐘功能的數(shù)字化部分的臨界部分或高精度應(yīng)采用的層厚度為低值。小曲率變化等板塊沿包裹方向或不帶分功能使用高值。根據(jù)我們的經(jīng)驗(yàn)，對(duì)

38、于一個(gè)較低的值， 0.1毫米層厚度通常用于機(jī)遠(yuǎn)離的部分通過層;對(duì)于高值，其為0.2毫米。用于圖像處理的設(shè)定閾值在三維CAD模型重構(gòu)的精確度中起著重要的作用。</p><p><b>　　4.2精度評(píng)估</b></p><p>　　一場(chǎng)實(shí)驗(yàn)被進(jìn)行，以測(cè)試對(duì)RE系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。鋁合金的三個(gè)相同的圓形袖子被用來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。測(cè)試的部件的尺寸和公差的描述如下：外徑為470+0.

39、1,高度為15++0.30.2,壁厚為20+0.1。各種評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中主要涉及全球精度指標(biāo)，單幀的精度指標(biāo)，定量指標(biāo)和定性指標(biāo)經(jīng)常用于評(píng)估一個(gè)RE過程的數(shù)字化精度。對(duì)于橫截面的成像系統(tǒng)，這兩個(gè)全局精度指標(biāo)和定量指標(biāo)，通常采用以評(píng)估該系統(tǒng)的數(shù)字化的精度。即在實(shí)驗(yàn)中，尺寸外部直徑，高度和原始和重建反演的CAD模型之間的樣品部分的壁厚的比較，以評(píng)估對(duì)RE系統(tǒng)的數(shù)字化的精度。詳細(xì)過程描述如下。</p><p>　　4.2

40、.1 CAD模型的重建</p><p>　　首先，這三個(gè)測(cè)試部件通過使用由作者開發(fā)的包裹材料由包裹方向決定而被包裹的（見圖9）。隨后，0.2毫米層厚度被遠(yuǎn)離的部件逐層被機(jī)器切削，而各部分的橫截面圖像通過開發(fā)可再生能源的數(shù)字化裝置捕獲。</p><p><b>　　圖9</b></p><p>　　最后，三個(gè)部分的三維 CAD模型通過使用Mimi

41、cs軟件重建了。模擬是基于由Materialise的公司在比利時(shí)開發(fā)的掃描數(shù)據(jù)的3D圖像處理和編輯軟件。換句話說，模擬物是用于灰度值圖像的通用分割程序。它可以導(dǎo)入圖像的任何2D堆棧，并允許三維重建他們。模仿可以導(dǎo)入各種各樣的格式圖像如CT，TechCT ，MRI和顯微鏡數(shù)據(jù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出DICOM【24】。該重構(gòu)的三維CAD模型示于圖10。</p><p><b>　　圖10</b></p

42、><p>　　此外，重建的CAD模型，導(dǎo)出一個(gè)STL格式，然后在基礎(chǔ)地理信息Studio軟件來平滑模型表面以獲得CAD模型更好的表面質(zhì)量進(jìn)口。Geomagic Studio軟件是一款3D分析軟件用于修復(fù)3D多邊形模型，并采用點(diǎn)掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建三維CAD模型。它是理想的數(shù)字三維模型，將使用制造核實(shí)多邊形的完整性【25】。已完成為三個(gè)部分，三維CAD模型示于圖11。</p><p><b>

43、　　圖11</b></p><p>　　4.2.2 重建CAD模型的尺寸測(cè)量</p><p>　　分析菜單中的地球信息Studio軟件的測(cè)量工具被用來測(cè)量外部直徑，高度和壁厚的尺寸構(gòu)建CAD模型（參見圖12）。</p><p><b>　　圖12</b></p><p>　　三種不同的每個(gè)CAD模型的位置被選

44、中來衡量其相應(yīng)的尺寸。表2示出測(cè)量結(jié)果，三個(gè)重構(gòu)的CAD模型的平均值。</p><p>　　4.2.3結(jié)果與討論</p><p><b>　　表2</b></p><p>　　通過分析在表2中的數(shù)據(jù)，得到以下結(jié)論。</p><p>　　當(dāng)被測(cè)試部分的包裹方向是水平的，重建的CAD模型的外徑和壁厚的尺寸是原始部件的公差范圍

45、。然而，該模型的高度的尺寸不能滿足原來的公差要求，最大偏差為0.02毫米。當(dāng)被測(cè)試部分的包裹方向是垂直的，重構(gòu)的CAD模型的外徑和壁厚的幾個(gè)尺寸不在原始部件的公差范圍內(nèi);最大偏差為0.02毫米。該模型的高度的尺寸在原始的公差范圍內(nèi)。</p><p>　　當(dāng)被測(cè)零件的包裹定向傾斜，模型的所有尺寸均在原始零件的公差范圍內(nèi)?；谏鲜龇治?，該層的厚度和包裹取向?qū)χ貥?gòu)的CAD模型的精度起顯著作用。RE數(shù)字化系統(tǒng)的精度可以通

46、過優(yōu)化包裹取向和降低層厚度得到有效改善?？稍偕茉聪到y(tǒng)的全局精度可以達(dá)到大致為0.02mm。</p><p><b>　　5案例研究</b></p><p>　　摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)的氣缸體作為一個(gè)典型的一部分，以更好地展示稀土數(shù)字化系統(tǒng)的應(yīng)用。這一部分，它不但具有復(fù)雜的外部幾何形狀而且內(nèi)部也是不規(guī)則的空腔，如冷卻水管道，空氣通道等，如圖13a。</p><

47、;p><b>　　圖13</b></p><p>　　通過使用CMM和光切片方法得到的內(nèi)部表面數(shù)據(jù)是不可能的。由于非均勻的厚度和部分的復(fù)雜的內(nèi)部和外部的功能，信息和通信技術(shù)無(wú)法獲得的部分的全部數(shù)據(jù)，特別是在入口通道，排氣通道，和冷卻水管道。MRI是不適合于各種金屬部件。然而，對(duì)于數(shù)字化的部分，橫截面成像方法提供了一個(gè)理想的解決方案。帶有模仿和面漆10.5軟件包的橫截面成像系統(tǒng)可以應(yīng)用到

48、數(shù)字化和重建的氣缸體的三維CAD模型。</p><p><b>　　5.1預(yù)處理</b></p><p>　　首先，確定該包覆材料以氣缸體的尺寸和包圍津貼的劑量為基礎(chǔ)。然后，根據(jù)表1中的配方，包封材料構(gòu)成化合物并凈化所測(cè)量的一部分。最后，選擇最佳的包裹方向，覆蓋和填充的部分。完全包裹的部分，然后放置在一個(gè)真空室，在這里所有的氣泡被刪除，所有的空隙都100 ％充滿。&l

49、t;/p><p>　　5.2捕獲橫截面圖像</p><p>　　橫截面的圖像采集有四個(gè)階段。第一步是解決孤立剖面圖像采集系統(tǒng)相對(duì)于這里所用的數(shù)控銑床的最適當(dāng)?shù)奈恢谩５诙A段是設(shè)置在NC銑床的部分坐標(biāo)，并且生成的部分的數(shù)字化的NC代碼。隨后，啟動(dòng)截面成像系統(tǒng)和數(shù)控銑床捕捉部分自動(dòng)的橫截面圖像。最后一步是完成系統(tǒng)的校準(zhǔn)。因?yàn)檠刂鴶?shù)字化的測(cè)量方向上的曲率變化是非常小的，0.2mm層厚用于機(jī)器一層一層

50、遠(yuǎn)離的部分。獲取的橫截面圖像進(jìn)行由作者開發(fā)的一種特殊的軟件進(jìn)行處理后，這些圖像以BMP格式被變換和存儲(chǔ)（通過數(shù)字化系統(tǒng)采集的圖像是JPEG格式，而三維CAD模型重建軟件的導(dǎo)入是BMP格式;因此，這些捕獲的圖像需要被夾在有效區(qū)域，并從JPEG格式轉(zhuǎn)換為BMP格式）。最后，總的橫截面的圖像501的幀被獲得。獲得的部分的兩個(gè)橫截面圖像示于圖13B。為了確定像素對(duì)于下面的CAD模型重構(gòu)的分辨率，一個(gè)所謂的校準(zhǔn)過程需要被執(zhí)行。校準(zhǔn)紙張如圖14（兩

51、者之間的間隔相鄰的圈是5mm，而中心圓的直徑為10mm）</p><p>　　需要提前進(jìn)行。5毫米的長(zhǎng)度范圍內(nèi)的平均像素的計(jì)算校準(zhǔn)結(jié)果是大約64。因此，像素的分辨率是5/64=0.078125。</p><p>　　5.3數(shù)據(jù)處理和重建的三維CAD模型</p><p>　　獲得的橫截面圖像的基礎(chǔ)上，重建三維CAD模型的對(duì)象包括以下步驟：二元分割，邊緣檢測(cè)與提取，輪廓

52、跟蹤和代表性。可以實(shí)現(xiàn)上述功能的一些商業(yè)軟件包可以用來幫助三維CAD模型的重建。對(duì)于這種情況，模擬物被利用來再現(xiàn)氣缸體的三維CAD模型。三維CAD模型的使用Mimics軟件重建包括四個(gè)步驟：</p><p>　　步驟1 校準(zhǔn)參數(shù)，包括層厚度和每一個(gè)像素的實(shí)際尺寸，基于在上面的計(jì)算中，在此測(cè)量過程中的每個(gè)像素的實(shí)際尺寸是0.078125毫米；該層厚度為0.2毫米。</p><p>　　

53、步驟2 確定視圖坐標(biāo)。</p><p>　　步驟3 設(shè)置閾值，并提取數(shù)字化部分的輪廓。這里所用的閾值是64。</p><p>　　步驟4 創(chuàng)建氣缸體的三維CAD模型。</p><p>　　重建的三維CAD模型示于圖13C。為了獲得重建的CAD模型的更好的表面質(zhì)量，面漆10.5被用來平滑CAD模型的表面。Imageware的面漆，通過Imagewar

54、e的公司（美國(guó)）開發(fā)的，是一個(gè)三維數(shù)據(jù)處理軟件，能夠進(jìn)行處理，解釋，分析和三維數(shù)據(jù)。它可以直接從曲線，曲面，或測(cè)量數(shù)據(jù)創(chuàng)建自由曲面。它有三個(gè)基本功能：點(diǎn)處理，曲線和曲面生成和實(shí)體分析。Imageware的面漆的創(chuàng)作工具提供了一個(gè)機(jī)制，從開發(fā)快速、高品質(zhì)的堆焊任何東西，包括高精確度和平滑度1類表面質(zhì)量。軟件的最新版本是面漆10.5【26】。已完成氣缸體的的三維CAD模型示于圖13D。圖13顯示所有可再生能源過程中的缸體與復(fù)雜的內(nèi)部和外部特

55、征。比較原始與重建的三維CAD模型之間是為了確定數(shù)字化的精度和該情況下的效率。比較結(jié)果表明，在RE的情況下的全局精度的公差范圍為0.07毫米。此外，它將通常需要一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的CAD設(shè)計(jì)師超過100小時(shí)打造的以摩托車發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸體的藍(lán)圖為基礎(chǔ)的三維CAD模型。在這項(xiàng)研究中，用了65小時(shí)以完成數(shù)字化和三維CAD模型的構(gòu)建。</p><p><b>　　6結(jié)論</b></p><

56、p>　　本文提出了基于現(xiàn)有數(shù)控銑床上一種可重構(gòu)數(shù)字化的可再生能源系統(tǒng)，該系統(tǒng)可同時(shí)采集完整的平面剖面圖與復(fù)雜的外部和內(nèi)部零件的輪廓表面。其中包括一個(gè)新的聯(lián)合裝置分離的光源，數(shù)碼相機(jī)，一個(gè)容器，剛性棒和一個(gè)強(qiáng)大的三腳架，提出以捕獲橫復(fù)雜零件的截面圖像。合并后的設(shè)備連同一個(gè)計(jì)算機(jī)控制單元可以被認(rèn)為是高兼容配件，這將緊密與數(shù)控銑床相聯(lián)系，形成一個(gè)快速橫斷面成像系統(tǒng)，用于逆向工程。這樣的數(shù)字化系統(tǒng)具有許多優(yōu)點(diǎn)，包括擴(kuò)大現(xiàn)有數(shù)控銑床的功能，

57、降低成本。該系統(tǒng)還具有同一時(shí)間處理相同材料的多個(gè)部分的能力。這樣的重新配置的應(yīng)用于逆向工程的數(shù)字化系統(tǒng)還提供了許多優(yōu)點(diǎn)，包括現(xiàn)有的數(shù)控銑床的功能擴(kuò)展，低成本，并且工作快速。因此，對(duì)于很多企業(yè)基于現(xiàn)有的設(shè)備要構(gòu)建自己的可再生能源數(shù)字化系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)提供了一個(gè)可行的和有用的方案，以幫助發(fā)展和擴(kuò)大現(xiàn)有的裝備的功能。此外，除了重構(gòu)三維CAD模型，所得到的橫截面數(shù)據(jù)，也可用于直接生成STL文件， RP切片文件或NC刀具路徑建立一個(gè)快速原型。此外，

58、通過將快速原型和快速模具或高速加工，該系統(tǒng)具有更高的趨勢(shì)幫助迅速有效地開發(fā)產(chǎn)品。然而，應(yīng)當(dāng)指出，缺點(diǎn)是該方法的破壞性。建議的系統(tǒng)是不適</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　1. Yang ZY, Chen YH (2005) A reverse engineering method based</p><p>　　

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