数字化模型获取技艺在模具修复中的运用

第1章绪论

1.1课题背景
随着全球工业的飞速发展，模具在制造业中的地位显得日益突出，并且在汽车、飞机制造领域应用极为广泛；优质、高效、低成本一直的制造行业追求的目标，模具作为工业领域中不可替代的工艺装备，是提高产品生产率、节约能源及原材料、体现模具生产制品经济性的有效手段，已经是当代工业生产发展和生产竞争的一个主要关键然而，由于自然磨损或者操作人员操作不当，造成模具失效或严重损坏，并且对于许多国外进口的先进模具，由于缺乏图纸资料和标准模具CAD模型，甚至不存在任何资料，往往因为模具的某个部位的磨损或损坏造成整个模具的报废，这样一来，不但增加了制造成本，还严重影响了产品的生产效率。
传统的模具修复方法主要采用采用游标卡尺、千分尺、量规多种量具以及目测等方法对失效模具的失效区域进行测量，然后利用人工煙接方法进行修复，在挥接之后利用砂轮、砂纸等进行打磨处理并将多余的部分去掉，进而实现模具失效区域的修复工作。然而，在传统失效模具修复过程中工人的熟练操作程度将严重影响模具修复的效率和质量。主要表现在以下几个方面：
1)检测效率低、检测结果不可靠传统的汽车及飞机冲压件模具失效区域的质量检测工作比较复杂，需要花费大量时间和精力，并且对工作人员经验丰富程度依赖性很大。在很多时候对失效模具的尺寸检测工作只是进行大概的估计，并且对于不存在模具资料或者资料不齐全的失效模具，检测工作更是无从谈起。
2)后续质量跟踪困难传统的模具修复工作比较粗糖，在修复结果中往往只存在合格与不合格两种情况，增加了修复后的后续质量跟踪的难度。对模具失效的原因无法进行分析。例如对于某些模具因为自身结构设计问题缺损造成的失效，利用传统的模具修复方法将无法对其进行质量跟踪和工艺改进。
3)修复效率低，质量效果差传统的模具修复主要采用人工操作的方法对失效模具进行修复，修复质量的好坏主要取决于操作人员的技术熟练程度。这种修复方法周期长、成本高、劳动强度大，修复后的模具性能质量很难达到原来模具所具有的标准，并且修复后的模具的使用寿命周期也有所降低。
基于以上因素，本课题提出了基于逆向工程、再制造技术相结合的方法对汽车、飞机冲压件失效模具进行修复。利用数字化测量技术对失效模具和标准样件分别进行数据釆集，获取点云数据模型，并对点云数据进行数据预处理、网格化处理，得到理想网格模型，然后将冲压件失效模具网格模型与冲压件标准网格模型进行比对，利用三角网格的布尔差运算功能获取冲压件模具失效缺损区域的数字化模型，最后采用快速原型技术实现模具的再制造修复，逆向修复流程如图2.3所示。这种模具的修复方法有大量实际数据作保障，修复质量好，效率高，成本低，并且大大降低了操作人员的劳动强度，为实现飞机、汽车冲压件失效模具的数字化快速修复提供了理论依据。

1.1.2研究目标
利用目前实验室设备研究平台及科研成果对汽车及飞机冲压件失效模具进行数字化测量，得到其点云数据，将对点云数据进行预处理，精简其点云数据模型，进而对点云数据网格化处理生成三维网格模型，然后对模型不断进行误差分析和优化，得到标准的网格模型，进而将其与所获取标准模具网格模型进行比对并利用布尔差运算获取其失效缺损区域，最终得到冲压件模具失效区域的数字化模型，为后续的模具再制造修复工作的进行提供技术支持。

1.1.3课题来源
本课题来源于国家自然科学基金“汽车及飞机模具数字化快速修复与再制造技术”（批准号：51065021 )项目。

第2章失效模具数字化测量技术研究

数字化测量技术又称产品表面数据信息化，是指利用机械或光学的测量原理并采用指定测量设备对被测物体模型轮廓表面进行三维扫描测量，获得模型轮廓几何特征的离散点云数据。在此基础上可以对模型进行三维建模、质量检测、缺损部位修复、结构调整、仿制、产品二次幵发等多种工作。因此，高效、高精度的数字化测量技术是逆向工程技术实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中不可缺少的步骤。论文针对不存在标准模具数字化模型和标准模具样件的汽车及飞机冲压件失效模具，根据光栅测量原理以及汽车和飞机冲压件模具的几何特征提出一种采用“阴阳模”法的测量法对失效模具进行数字化测量，获得失效模具轮廓表面的点云数据。以此通过后续章节的失效模具点云数据精简以及网格化处理技术间接地获得失效模具和标准模具数字化模型，为资料不齐全或没有任何资料的汽车及飞机冲压件失效模具的数字化的修复工作的有效进行提供了依据。

2.1光栅测量技术原理
光学测量技术是21世纪集光、电、计算机、微电子、信息以及数学等多交叉学科的产物，涵盖了众多学科的先进技术和精华其中光栅扫描测量技术以其高精度、高效率、低成本、无破坏以及能够测量复杂轮廓结构的能力，近年来成为许多数字化测量学者和专家争相研究的焦点。光栅扫描测量法在数字化测量过程中测量探头无需与被测物体直接接触，从而避免了探头损坏以及对被测物体表面造成损伤，对高精度、高质量物体模型的数字化测量工作具有着重要意义。论文采用投影光栅法对汽车冲压件模具进行数字化测量。光栅投影，又称相移轮廓术（Phase Shift Profilometry，简称PSP)，属于相位轮廓测量技术(Phase Measurement Profilometry,简称PMP)的一种，是一种全场三角测量技术，通常采用白光透过光栅或矩形光栅投影到被测物体轮廓表面，由于被测物体表面轮廓高低起伏，致使光栅影线发生了变形，对应的相位也发生了变化，然后利用CCD摄像头摄取被测物体的变形光栅图像。

第3章 失效模具点云精简技术研究 .........................27-38
    3.1 失效模具点云数据空间区域划分......................... 27-29
    3.2 失效模具点云邻近关系的确立......................... 29-30
    3.3 失效模具点云数据精简 .........................30-35
        3.3.1 按指定点云数量精简 .........................30-32
        3.3.2 按指定点云间距简化......................... 32-33
        3.3.3 按指定点云法向精度简化......................... 33-35
    3.4 实例 .........................35-37
    本章小结 .........................37-38
第4章云数据网格化技术研究......................... 38-58
    4.1三角网格模型生成 .........................38-45
        4.1.1 网格生成思想 .........................38-40
        4.1.2 增量网格扩展法实现 .........................40-45
    4.2 网格模型优化处理......................... 45-51
        4.2.1 网格迭代优化准则......................... 45-46
        4.2.2 网格优化 .........................46-51
    4.3 网格误差分析技术研究 .........................51-57
        4.3.1 网格模型误差分析思想......................... 51-52
        4.3.2 网格误差分析......................... 52-57
    本章小结......................... 57-58
第5章 失效模具缺损区域划分算法.........................58-68
    5.1 空间区域划分......................... 58-59
    5.2 相交性测试......................... 59-63
    5.3 相交网格模型布尔差运算......................... 63-66
        5.3.1 相交三角形细分 .........................63-64
        5.3.2 相交网型分割 .........................64-65
        5.3.3 布尔差运算实现 .........................65-66
    5.4 实例......................... 66-67
本章小结 .........................67-68

结论

利用逆向工程技术对汽车及飞机冲压件失效模具修复的研究主要包括两大部分：模具失效缺损区域获取和模具修复再制造，如何获取缺损区域的数字化模型是整个过程中的关键步骤。本论文对逆向工程技术数字化模型获取技术的四项关键技术进行了深入研究，其中包括失效模具数字化测量技术、失效模具点云精简技术、失效模具点云网格化技术和失效模具的缺损区域划分算法，从而提高了所获取的失效模具缺损区域的精度以及其提取效率，为失效模具的修复及再制造奠定了基础。其研究内容主要体现在以下几个方面：
(1)失效模具点云的数字化测量技术研究。论文提出采用“阴阳模”测量法对资料不全或没有任何资料的失效模具进行数字化测量，在获得失效模具点云数据的同时，间接获取了标准模具的数据模型。
(2)失效模具点云数据精简技术研究。基于K-阶邻近法的点云精简算法，首先对点云数据进行区域网格划分，并建立K-阶邻近关系，然后采用按指定点云数量、指定点云间距、指定点云法向精度三种精简方式对点云进行数据精简，从而提高了点云数据的精简效率。
(3)失效模具点云网格化技术研究。提出一种增量网格扩展法对点云数据进行三角网格剖分，使失效模具点云数据快速、高效地生成三角网格模型；并对网格优化技术和网格模型误差分析技术进行了深入的研究，通过不断的迭代优化和误差分析使三维网格模型的质量进一步提高，生成合乎要求的三角网格模型。
(4)失效模具的缺损区域划分算法研究。基于相交三角形网格布尔运算的方法，根据所获得的失效模具和标准模具的三角网格模型，在对它们比对后对相交网格模型进行空间区域划分、相交性测试、相交网格模型的布尔差运算操作，从而快速得到缺损区域的数字化模型。