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三维点云数据处理的技术研究
【摘要】：在计算机辅助几何设计、计算机动画、逆向工程、医学诊断、娱乐业等应用需求的推动下,三维点云数据处理技术受到越来越多的关注。人们可以通过很多种不同的方式获取现实世界中物体在计算机中的三维数据表示,本文的研究内容是将利用三维激光扫描仪获取的离散的三维点云数据,通过去噪光顺、特征检测、简化,获得能够更加准确表示现实世界中物体以及更适合应用的三维点云数据模型；并在此基础上对点云数据模型进行参数化以及曲面重建,获得三维物体的参数化、曲面和多边形模型描述,以便将其输出到虚拟环境中,完成从真实世界到虚拟世界的转换。
本文取得的主要成果总结如下：
1.提出了两种三维点云数据去噪算法。第一种是结合点云权重模糊C均值聚类算法(PWFCM)和点云双边滤波方法(PBF)的算法,它利用噪声的属性,将噪声分为大尺度噪声和小尺度噪声,将大尺度噪声直接去除,小尺度噪声移向PWFCM聚类中心并进行一次点云双边滤波光顺,避免了迭代计算,可以较好地保持模型的尖锐特征。第二种算法,适用于噪声环境复杂、数据点集规模较大的情况,它先利用点云边界检测去噪算法(PBD)检测并去除噪声,再对剩余的大尺度噪声,利用点云权重模糊C均值聚类算法(PWFCM)算法直接去除,可以减少数据量并可避免滤波产生的过光顺。
2.提出了一种基于曲率和密度的三维散乱点云数据模型的特征点检测算法(CDFD)。该算法在特征检测时,利用三维点云数据模型的几何局部信息,包括邻居点的平均距离、邻居点法向夹角和曲率,来估计数据点的特征参数,然后利用数据点密度和模型到中心点的最大距离确定一个阈值,特征参数大于阈值的点被判定为特征点。该算法在不同的数据集上都能得到很好的实验结果,为模型简化和曲面重建提供比较好的基础。
3.提出了一种模型均匀采样方法,该方法利用特征检测的结果,将三维点云数据模型的特征点和非特征点分离出来,对非特征点模型的球面参数化结果进行Isocube球面采样,可以得到比较均匀的采样结果。定义不同的采样率,就能得到非特征点模型多分辨率、均匀的简化模型,将模型特征点进行保护,不参加简化算法,可以最大程度的保留模型的尖锐特征。
4.提出了一种三维点云数据模型的几何图像参数化方法。将点云模型进行球面参数化、正八面体参数化以及正八面体展开,得到三维点云数据模型的二维平面参数化结果,也就是几何图像模型。这样的参数化方法不需要进行多边形化和曲面拟合操作,因此计算量小,容易实现,而且参数化模型的几何变形很小。将三维点云模型转化到二维的几何图像模型后,很容易实现对几何图像进行重采样和Morphing操作,并逆映射回三维点云模型。
5.以第三章点云模型的特征检测结果和第四章Isocube点云模型的简化结果为研究对象,提出了利用单尺度和多尺度的紧支撑径向基函数对点云模型插值,可以实现多分辨率的曲面插值的重建方法,该方法利用共轭梯度算法求解线性方程组可以减少计算量,提高计算速度。实验结果表明此方法对不同数据量的模型都可以得到很好的曲面重建结果。
6.构建三维点云数据处理的实验系统,该系统实现了从真实世界物体形状信息中重建出相应的计算机内部描述的虚拟景物模型。系统采用平台方式,将三维点云数据处理中的关键技术及成果转化为若干层次的、相对独立的功能化模块,通过功能模块的有效、有机集成,实现三维点云数据处理系统的各项任务,从而为三维点云数据处理的进一步深入研究与完善奠定基础,又有助于三维点云数据处理研究的应用。
【学位授予单位】：北京交通大学【学位级别】：博士【学位授予年份】：2011【分类号】：TP391.41
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三维点云模型交互式参数化算法研究--优秀毕业论文.pdf 57页
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南京师范大学
硕士学位论文
三维点云模型交互式参数化算法研究
姓名：肖培
申请学位级别：硕士
专业：教育学；教育技术学
指导教师：庞明勇
南京师范大学申请硕士学位论文
随着三维数据采集设备的日益普及,
在数字几何处理、逆向工程、以
及虚拟现实等领域中涌现出大量的点云模型,
对其进行参数化处理成为数字几何建
模领域中的重要问题.
在过去很长一段时间里,
对于复杂形体表面的三维模型多用
网格进行表示,
相应地网格参数化方法一直占主导地位;
而伴随着人们对三维模型
细节的不懈追求,
点云模型的采样点密度的不断增加,
使获取的模型数据量急剧增
传统的网格参数化方法在应用于现在的大规模模型数据处理时,
高效地构建多边形网格;
针对大量网格的系统管理和图形绘制也存在技
此时再用网格参数化方法不但费时而且没有必要,
如在显示模型时,
采样点的密度已经很大,
绘制出几个三角形网格有可能只占一个像素.
在这种情况
以点集模型取代网格模型,
以点取代三角面片作为几何表示和图形绘制的基元
就逐渐成为 CAD、CG 领域的一个新的趋势.
而且随着计算机处理能力的不断增强,
特别是图形加速硬件(如 GPU) 的应用,
跨过点云数据的网格化步骤,
直接在点云模型上施行诸如纹理映射、形状编辑、动
画控制等操作,
成为当前的一个热点问题.
作为上述操作的基础,
点云模型的特征
提取、无网格参数化、以及分片分割等技术成为目前数字几何处理领域中的重要问
对于点云模型的特征提取,
国内外已有很多学者提出多种自动化的点云模型曲
面特征提取和边界识别算法,
尽管这些算法已为模型的自动化处理提供了一定的技
但为了更能体现用户的个性化建模意图,
通过交互式选取方法手工地确定
模型的特征区域或边界,
或在自动化的边界/特征提取结果的基础上进行适当修改,
可为用户提供更加自由的模型编辑手段.
还可以进一步与现行边界自动生成技术相
为点云模型的参数化、特征指定、模型编辑、以及点集分割等提供支持.
本文在对传统三角网格参数化方法进行分析的基础上,
采用了以点(而非网格)
作为形体的最基本的表示形式,
跨过点云模型的网格化步骤,
直接在点云上实现交
互式特征提取、参数化、重采样等操作.
主要论述了点云模型的交互式参数化方法
该方法为用户提供交互式控制技术,
通过用户交互地指定点集模型上的
一些特征点,
自动生成模型的特征区域边界,
并根据所选边界对模型进行分割,
终对分割区域进行参数化处理,
进而实现重采样等工作.
交互式模型分割,
南京师范大学申请硕士学位论文
In recent years, with wide use of 3D data acquisition devices, lots of pointset-models
arises in applica
正在加载中，请稍后...绪论1.1 本次毕业设计的课题与目的本次课题是《逆向工程零件设计及其数控仿真加工》。目的是进一步了解逆向工程零件设计的流程与掌握数控加工编程；掌握Geomagic、Pro/E、MasterCAM、宇龙仿真等CAD/CAM/CAE软件的应用。1.1.1 传统制造的不足与快速模具制造的需求当前，机械产品市场是多品种小批量生产起主导作用，传统的工艺设计方法：由工艺师手工查手册、计算数据和编写报表、逐件设计，工艺文件的内容、质量以及编制时间主要取决于工艺师的经验和熟练程度。这种状况的结果——导致工艺文件的多样性、设计时间长和质量不易保证。这种工艺设计远不能适应当前机械制造行业发展的要求，其主要表现为：（1）传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度大，效率低，是一项繁 琐的重复性工作。（2）设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求。（3）工艺设计是经验性很强的工作，它是随产品技术要求、生产环境、 资源条件、工人技术水平、企业及社会的技术经济要求而多变，甚至完全相同的零件，在不同的企业，其工艺也可能不一样，即使在同一企业，也因工艺设计人员的不同而异。工艺设计质量依赖于工艺设计人员的水平。（4）工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性也较困难。1.1.2
逆向工程发展的必然性与重要性随着社会需要和科学技术的发展，产品的竞争愈来愈激烈，更新的周期越来越短，因而要求设计者不但能根据市场的要求很快地设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出产品的样品，进行必要的性能测试，征求用户的意见，并进行修改，最后形成能投放市场的定型产品。用传统方法制作样品时，需采用多种机械加工机床，以及工具和模具，还要有高水平的技术工人，既费时，成本又高，周期往往长达几星期、甚至几个月，不能适应日新月异的变化。为解决上述问题，近几年来出现了快速成型技术和相应的快速成型机。快速成型技术是一门将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体的高新技术。而逆向工程属于快速成型技术的范畴。逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。往往拟制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复制（Copy）出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产。这种方法属称类比式（Analog type）复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改，已渐渐为新型数位化的逆向工程系统所取代[1]。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对像。通过数字化测量设备（如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等设备）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是与将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统，最终与产品数据管理系统（PDM系统）融合的过程。因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，逆向工程的实施需要人员和技术的高度协同和融合。1.1.3
逆向工程的含义与工作流程逆向设计相当于正向设计反流程，正向设计是设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能、大致的技术参数等，然后通过图纸或CAD技术的帮助建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中去，完成产品的整个设计制造周期。这样的设计过程就称为“正向设计”。逆向工程设计可以认为是一个“从样品到产品”的过程。简单地说，就是反其道而行，先有产品或样品，再用测量系统测出数据资料，然后进入专业处理软件或CAD／CAM作后处理，再进入快速成型系统或直接进入数控机床作生产加工。逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合反求软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。IGES数据可传给一般的CAD系统（如：UG、PRO-E等），进行进一步修改和再设计。另外，也可传给一些CAM系统（如：UG、MASTERCAM、SMART-CAM等），做刀具路径设定，产生数控代码，由CNC机床将实体加工出来。STL数据经曲面断层处理后，直接由激光快速成型方式将实体制作出来。这样的设计过程就称为“逆向设计”。如图1-1所示。1.1.4
逆向工程的应用领域及发展现状、趋势逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。近年来随着生物、材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域。但是其最主要的应用领域还是在模具行业。由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面。若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。逆向工程技术在我国，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景。这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。在这些企业，测量设备和 CAD/CAM 系统是必不可少的，但是由于逆向工程技术应用不够完善，严重影响了产品的精度以及生产周期。因此，逆向工程技术与 CAD/CAM 系统的结合对这些企业的应用有重要意义。这一点我们在多年的技术服务过程中深有体会。一方面各个模具企业非常欢迎在企业推广逆向工程技术，但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合适的软件产品。这种情况严重制约了逆向工程技术在模具行业的推广。与 CAD/CAM 系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但逆向工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程技术人员所关注，这对提高我国模具制造行业的整体技术含量，进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用。1.2 数控加工技术的发展历程与趋势1.2.1 数控技术的诞生历史与发展数控技术的诞生应该从数控机床的诞生说起，1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控数控机床，是数控技术诞生标志。自从第1台数控铣床问世至今，数控的发展已经历了50个年头。目前数控设备包括：车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式－－小规模集成电路式－－大规模集成电路式－－小型计算机式－－超大规模集成电路－－微机式的数控系统。到80年代，总体发展趋势是：数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。1.2.2 数控机床的发展趋势为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：1、高速、高效、高精度、高可靠性要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。为此，必须要有高性能的数控装置作保证。
●高速、高效机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。高速主轴单元（电主轴，转速1r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。●高精度当前，机械加工高精度的要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。●高可靠性是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。2、模块化、智能化、柔性化和集成化●模块化、专门化与个性化机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。个性化是近几年来特别明显的发展趋势。●智能化为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。●柔性化和集成化数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3、开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。4、出现新一代数控加工工艺与装备为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统；FMC，FMS Web-based制造及无图纸制造技术；围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。并联杆系结构的新型数控机床实用化。这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统。对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。1.3 数控仿真与实际加工宇龙或超软等仿真软件在电脑上一种虚拟的加工，这样可以减少实际加工时的出错率，检验程序是否合理。和供一些初学者使用，降低学习成本和提高学习效率。目前市面上用的较多的数控机床有数控铣床、加工中心、数控车床、数控线切割机床、数控电火花机床、数控激光雕刻机床等。1.4 本毕业设计的主要内容1.4.1 基于逆向工程软件的三维造型。1.4.2 数控加工刀路编制。1.4.3 数控仿真与实际加工。 第二章 基于逆向工程软件的三维造型2.1 引言目前世界逆向工程软件主要有：Imageware 12， RapidForm，CopyCAD， Geomagic Studio，其次UG，PRO/E也是逆向工程设计上常用到的软件。Imageware v12 最新版，2005.3月份出品，逆向工程软件，通过将加工好的实际零件（物理样机）与电子化的数学模型（数字样机）紧密结合，使得在产品开发过程中全面贯彻既要保持设计和工程意图又要同时进行检验的思想。Imageware Surfacer提供了在逆向工程、Class 1曲面设计和曲面评估方面最好的功能；Imageware Verdict则提供了把I-DEAS设计的零件与实测的物理零件进行数据比较的计算机辅助检验功能。 Imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。RapidForm 是韩国 INUS 公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为 3D Scan 后处理之最佳化的接口。RapidForm 也将使您的工作效率提升，使 3D 扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。高级光学 3D 扫描仪会产生大量的数据(可达 100,000 ～ 200,000点)，由于数据非常庞大，因此需要昂贵的电脑硬件才可以运算，现在 RapidForm 提供记忆管理技术(使用更少的系统资源)可缩短您处理数据的时间。CopyCAD 是由英国 DELCAM 公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的 CAD 曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD 能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。CopyCAD 简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握其功能，既使对于初次使用者也能做到这点。使用 CopyCAD 的用户将能够快速编辑数字化数据，产生具有高质量的复杂曲面。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面 ，同时，CopyCAD 还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。Geomagic Studio是由美国 Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件。Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五个模块。主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形(Polygons) 快速减少多边形数目(Decimate) 把多边形转换为 NURBS 曲面 曲面分析(公差分析等) 输出与 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式(IGS、STL、DXF等)1.从CAD数模得到的产品模型2.将CAD模型读入 Geomagic Studio3.CAD 设计模型与从实际模型扫描所得的点云数据(不同坐标系)4.扫描数据与CAD模型的自动对合5.扫描数据与CAD模型的自动对齐6.误差以彩色图形直观显示7.用户可标出任意点误差8. Qualify 的结果可以输出为 HTML 格式.软件优势Geomagic Studio 软件简化了初学者及经验工程师的工作流程。自动化的特征和简化的工作流程减少了用户的培训时间，避免了单调乏味、劳动强度大的任务，提高了生产率 。Geomagic Studio是一款可提高生产率的实用软件。与传统计算机辅助设计(CAD) 软件相比，在处理复杂的或自由曲面的形状时生产效率可提高十倍。 实现了即时定制生产订制同样的生产模型，利用传统的方法（CAD）可能要花费几天的时间，但Geomagic软件可以在几分钟内完成，并且该软件还具有高精度和兼容性的特点。 Geomagic Studio 是唯一可以实现简单操作、提高生产率及允许提供用户化定制生产的一套软件。兼容性强可与所有的主流三维扫描仪、计算机辅助设计软件(CAD)、常规制图软件及快速设备制造系统配合使用。Geomagic 是完全兼容其它技术的软件，可有效的减少投资。曲面封闭Geomagic Studio 软件允许用户在物理目标及数字模型之间进行工作，封闭目标和软件模型之间的曲面。 你可以导入一个由CAD软件专家制作的表面层作为模板，并且将它应用到对艺术家创建的泥塑模型扫描所捕获的点。结果在物理目标和数字模型之间没有任何偏差。整个改变设计过程只需花费极少的时间。支持多种数据格式Geomagic Studio 提供多种建模格式，包括目前主流的3D格式数据：点，多边形及非均匀有理B样条曲面(NURBS) 模型。数据的完整性与精确性确保可以生成高质量的模型。Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为 NURBS 曲面。该软件也是除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。唯一可将实物零部件转化为生产数字模型的完全解决方案!Geomagic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。只有 Geomagic Studio 具有下述所有特点：确保完美无缺的多边形和 NURBS 模型 ，处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统 CAD 软件提高十倍 。自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务 ，可与所有主要的三维扫描设备和 CAD/CAM 软件进行集成 ，能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对 CAD 软件的补充Geomagic Studio 8.0是2005年7月中下旬正式发布，8.0版将处理复杂工作流程节约约80%的工作时间，最优化处理产品原型和数控机械加工创造准确的表面模型。因为Geomagic Studio8.0功能强大，且操作方便，所以本次毕业设计采用GeomagicStudio 8.0。再配合3DSS（Three DimensionalSensing System）――结构光三维扫描仪，扫描零件以获取点云数据。在中国南方，三维扫描俗称抄数，因此3DSS是一种高性能的抄数机。图2.1是结构光三维扫描仪。图2.12.2 逆向工程软件的选用及数据获取把抄数获取点云数据保存为IGES格式，然后再导入Geomagic Studio 8.0，如图2.2就是本次毕业设计产品导入去的结果图。
图2.21、对每一帧图像的点云数据进行预处理，删除与Object无关的多余点云数据，保留有用的点云数控。2、用Tools/Registration/Manual Registration 命令，将扫描出来的各帧图像拼接成一幅完整的Object图像，在Mold Manager 中选择一个Object将其固定锁定，进一步执行Tools/Registration/Manual Registration 命令进行全局优化，以提高整体Object图像的拼接精度。3、用Edit/Phase/Polygon Phase命令，把Object图像直接转化为Polygon Phase阶段。这时对Polygon Object 进行表面光顺处理、补洞、边界调整等。4、用Edit/Phase/Shape Phase命令，把Object图像转为Shape Phase。5、用Boundraries/Unconstrain All命令，将Paths转换为Features.6、用Nurbs/Fit Surface命令，把Object图像拟合成NURBS曲面，结果如图2.3所示。并以IGES格式输出保存文件。图2.3 2.3用PROE进行分模详细步骤1、用File/SetWorkingDirectory 设置工作目录。并把GeomagicStudio 8处理好后的IGS文件拷备到该文件夹内）用File/Open 命令打开文件，用Analysis 命令，对图形文件进行曲面分析、拔模分析。如图2.4、图2.5所示。用File / Save 命令把图形文件保存为.prt 文件。（为下面分模做准备） 图2.4
图2.5 2、用File / New 命令新建一个分模文件 。 3、用Mold Model / Assemble / Ref Model 命令装配零件。 4、用Shrinkage/By Dimension/Confirm/在ratio 文本框中输入收缩率：0.005/单击OK/Done/Return 。（注：由于参考零件为以IGSE文件建立的零件，没有包括任何尺寸数据，因此要在提示信息栏中单击Confirm，以确认提示。）5、用Create/Workpiece/Manual 命令创建工件，在如图2.6中输入socket-mold＿wrk，然后单击OK。在图2.7中选择Locate Default Datums/Align Csys To Csys 再单击OK 选取坐标系SOCKET，以使工件坐标系对齐至模具坐标系。 图2.66、单击草绘工具图标图2.7 ，选取基准平面FROMT作为草绘平面，绘制坯料拉伸线框。接着用Protrusion / Extrude / Solid / Done 命令在特征深度值上修改为120，创建如图2.8所示工件坯料。 图2.87、用Parting Surf/Create(输入Pt-surf)/Add/Copy/命令创建分型面，选取零件上方所有表面如图2.9所示效果。（注意选取多个表面上要接住键盘Ctrl键，并配合鼠标中键旋转零件以方便选择。）全部选好后单击鼠标中键再单击OK. 图2.98、用Add / Flat / Done /Plan / (选择如图2.10所示平面) 再接鼠标中键进入草绘界面，用击抓取如图2.11所示线框（一定要环闭）单再单击OK完成Flat平面的绘制。 图210图2.11 11、用Merge命令把刚才Flat出来的平面与Copy出来的面合并。 12、用Add / Flat / Done /Plan / (选择如图2.12所示平面) 再单击鼠标中键进入草绘界面，用单击抓取如图2.13所示线框（一定要环闭） 再单击OK完成Flat平面的绘制。用Merge命令把刚才Flat出来的平面与Copy出来的面合并。 图2.12
图2.13 13、用Add / Flat / Done /Plan / (选择如图2.14所示平面) 再按鼠标中键进入草绘界面，用闭）单击抓取并绘制如图2.15所示线框（一定要环再单击OK完成Flat平面的绘制。用Merge命令把刚才Flat出来的平面与Copy出来的面合并。 图2.14图2.15 14、14、用Done Return / Done Return 命令完成分型面创建。 15、用Mold volume / Split / Done 命令分模 (接受系统默认设置的选项Two Volumes及All Wrkpcs，意义是将整修工件分割成两个体积。 此时模型树显示出如图2.16所示的Refpart，这是因为Pro/E系统自动将参考零件从工件中切除，产生开腔。)图2.16 16、选取如图2.16所示的分型面，然后单击OK完成选取，在Split对话框中单击OK。分型面上方以橘红色线条显现出来，输入凹模体积的名称：socket-cavity，如图2.17所示；分型面下方以橘红色线条显现出来，输入凸模体积的名称：socket-core，如图2.17所示。所有线条呈紫红色，且模型树显示出两个Split特征，如图2.17所示，凹模及凸模体积。单击Done/Return，回到MOLD命令菜单。 图2.1717、用Mold Comp / Extract 命令产生凹模及凸模，如图2.18所示去操作。模型树菜单上多了凹模及凸模，如图2.19所示。单击Done/Return。（以回到MOLD命令菜单） 图2.18图2.19 18、用File/Save 命令保存刚才所做的文件。用File/Save a copy of the active object/命令把凹模、凸模保存为IGES文件。（目的：为编写数控程序做准备） 2.4本章小结1、用结构光三维扫描仪扫描出来的点云数据，在导入Geomagic Studio 8.0时，要先把多余的数据点去除掉。在生成曲面后还要进行补面等修改工作。2、分模前应先装配零件，创建工件，工件尺寸应该根据塑胶模具知识，再结合实际生产来确定。3、因为塑胶材料有缩水特性，所以在分模前一定要定义材料的缩水率。 4、分模的重点是创建分型面，分型面要根据实际生产与方便加工相结合。5、分模时如有抽芯，滑块等的模具，要先分此部分再分凹模与凸模。 第三章 数控加工刀路编制3.1 引言当前应用的较多CAM软件有MasterCAM、UG、Cimtron、PRO\E、 CAXA、
Power mill 等。MasterCAM是美国CNC Software,Inc公司开发的CAD/CAM一体化软件。它集二维绘图、三维实体、曲面设计、体素拼合、数控编程、刀具路径模拟及真实感模拟等功能于一身，系统运行环境要求较低，使用户无论是在造型设计、CNC铣床、CNC车床或CNC线切割等加工操作中，都能获得最佳效果。Mastercam基于PC平台、支持中文环境、价位适中。故本次毕业设计采用MastercamV9.1作为数控编程软件。3.2 凹模数控程序编制3.2.1 IGES文件的调用用File / Converters / IGES / Read file 命令（选取所要的IGES文件）完成IGES文件调用。如图3. 1所示。注：所需IGES文件导入Mastercam后可能会出现加工表面转变的现状，可以通过xfrom里的旋转命令通过基轴的转变可以得到所需要的加工表面 图3. 13.2.2 编刀路前的一些准备工作1、设置图层，设置Level2为当前层，用它来存放曲线，方便管理。 2、Creat/Next meum/Bound.box/Ok命令做边界盒。3、用Xform/Translate/All/Entities/Done命令把毛坯的上表面中点移到坐标原点结果如图3.2所示。 图3.24、用Analyze/between pts/endpoint命令分析分析所须毛坯大小 根据测量分析再结合实际设置毛坯大小为110*110*30。 3.2.3 工件几何形状分析1、分析各圆角大小、左右两圆柱的半径值、各表面的斜度 用Analyze/dynamic命令点选所要分析的对像。分析结果为：大圆柱面的两圆角为?7，小圆柱面的两圆角为?4.8 四角的最小圆角为?2.01 最深深度为12.5622、把工件凹槽内所有上表面转换成红色，结果如图3.3所示。（目的：是方便下面编写刀路）3.2.4 整体加工刀路规划（刀路加工顺序） 图3.3粗加工凹模→精加工凹槽二圆柱→半精加工凹模→精加工凹模凹槽底面→精加工凹模→精加工凹模内斜曲面。如图3.4示。 图3.4加工刀路顺序图表加工刀路明细表：3.2.5 部份刀路编制过程1、曲面挖槽粗加工刀具路径，预留量“0.5”用Toolpaths/Surface/rough/Pocket/All /color/（选择红色）/Done命令。选取?6的平底刀，采用Z字型的走刀方式进行曲面开粗。参数设置如图3.5 图3.5设置Surface parameters的参数，如图3.6 图3.6点选上图中Tool containment中的选择按钮（select），用串联方式点选内槽边上线框 /Done。设置Rough pocket parameters的参数，如图3.7所示。 如图3.7每层切深为0.5。切削余量为0.5。斜线下刀，单击确定生成刀路如图3.8示，刀路仿真结果如图3.9示。图3.8 图3.9 2、精加工凹槽内二圆柱用Toolpaths /Contour命令，选用?4平底立铣刀，主要刀具参数设置如图3.103、半精加工凹模，采用曲面等高外形加工，预留量为“0.15” 用Toolpaths/Surface/rough/ Contour/All /color/（选择红色12）/Done命令。选取?4球刀，参数设置如图3.11所示。图3.10 图3.11 在Surface Parameters 对话框中如图3.12设置参数，在Check Surface/Soild选择如图3.13的黄色面。（目的是先不要加工，节省走刀时间）
图3.13 图3.12 每层最大切深为0.15，预留量“0.2”。单击确定生成刀路如图3.14。 图3.144、加工凹槽底平面。 用Toolpaths/Pocket /Done命令,选取?3的平底刀，参数设置：Feed rate:400.
rate:150Retractrate:4500。 Spindle speed:2500。 如图3.15所示。图3.15 。用Toolpaths/Surface/Finish/Parall/All /color/（选择红色）/Done命令。选取?2的球刀，参数设置如图3.16所示。 图3.16设置曲面平行精加工参数，图3.17所示。 图3.17在Surface Parameters 中如图3.18所示设置参数check/face/Soild 选择如图3.19示的黄色面（目的是先不要加工，节省走刀时间） 图3.18单击Direction按钮，输入如图3.20参数图3.19 图3.20 在曲面平行精加工对话框Finish parall parameters中输入如图3.21所示参数，单击确定生成刀路。 图3.21用Toolpaths/Surface/Finish/Par.Steep/All /color/（选择红色12）/Done命令，进行曲面陡斜面精加工。选用?1的球刀。Feed rate:150. Plunge rate:100。Retractrate:4500。Spindle speed:3000。如图3.22所示设置参数。 图3.22 在Surface Parameters 中如图3.23所示设置参数。 图3.23 在Finish parallel steep parameters 选项中，输入如图3.24所示参数。单击Done命令执行。图3.24 用Toolpaths/Surface/Finish/Par.SteepAll /color/（选择红色）/Done命令，进行曲面陡斜面精加工。系统弹出如图3.25所示对话框，选择Finish parallel steep parameters 选项中，输入如图3.26所示参数，单击确定，选择Done进行刀路运算。图3.25 图3.26 3.2.6 生成NC程序 用键盘Alt+O弹出如图3.27所示对话框中选中要生成的各个步骤的刀路程序单击POST，在弹出的图3.28所示Change Post 中选择机床的后处理程序并如图3.28所示操作 图3.27
图3.28 系统将生成如图3.29所示NC程序，再根据实际需要对程序进行修改，并保存。图3.29凹模加工工艺程序单 3.3凸模数控程序编制3.3.1 IGES文件的调用用File/ Converters/ IGES/Read file 命令（选取所要的IGES文件）完成IGES文件调用。如图3.30所示。
注：所需IGES文件导入mastercam后可能会出现加工表面转变的现状，可以通过WCS里的设置转变可以得到所需要的加工表面。图3.30 3.3.2 编刀路前的一些准备工作1、设置图层，创建边界盒并把毛坯的上表面中点移到坐标原点，结果如图3.31所示。 2、用Analyze/between pts/endpoint命令分析毛坯大小，根据测量分析再结合实际设置毛坯大小为110*110*30mm。3、分析各圆角大小、左右两圆孔的半径值、各表面的斜度，分析结果为：大圆孔面的两圆角为?8.8mm，外轮廓圆弧最小为?3.015mm，最小内槽宽距为1.206mm，最深深度为9.748mm。 3.3.3整体加工刀路规划粗加工凸模TOP面图3.31→粗加工80.4mm×80.4mm×9.748mm的四边形外轮廓→半精加工凸模TOP面→精加工凸模TOP面→精加工80.4mm×80.4mm×9.748mm的四边形外轮廓→粗加工凸模TOP面的两个内圆槽→精加工凸模TOP面的两个内圆槽→加工槽 T1→加工槽 T2→加工槽 T3→加工槽 T4→加工槽 T5→加工槽 T6→加工槽 T7图3.32→加工槽 T8→加工槽 T9。（注：参照图3.32） 加工刀路顺序图表详细加工刀路顺序表：3.3.4 具体刀路程序编制参数设置1、曲面挖槽粗加工刀具路径，预留量“0.5” 加工前新建一图层，先把零件进行补面，以优化刀路。补完面的结果如图3.33所示。选用?10的平底立刀，采用Z字型的走刀方式进行曲面开粗。用Toolpaths/Surface/ rough/Pocket/（选择工件TOP上表面）/Done 命令。刀具参数设置如图3.34所示。
图3.33 图3.34如图3.35所示设置Surface parameters的参数。 图3.35如图3.36所示设置Rough pocket parameters的参数。 图3.36 每层切深为0.5。切削余量为0.5。斜线下刀（用系统默认值）单击确定生成刀路如图3.37所示，刀路仿真结果如图3.38所示。 图3.37
图3.38 “0.1”，Z“0”） 2、粗加工80.4mm×80.4mm×9.748mm的四边形外轮廓（预留量XY用Toolpaths/Contour/Done命令。选取?10的平刀，参数设置如图3.39所示。 图3.39在Contour Parameters 中如图3.40所示设置参数，在Multi passes对话框中输入如图3.41所示参数，在Depth cuts对话框中输入如图3.42所示参数。 图3.40 单击OK返回主命令对话框，再单击OK生成刀路。图3.42
3、半精加工凸模TOP面，主要加工刀路参数设置图3.41 用Surface/rough/Contour命令，选用?6球刀，参数设置如图3.43、图3.44所示。 图3.43、
图3.444、精加工凸模TOP面 用Surface/Finish/Parallel命令。选用?3的球刀，参数设置如3.45所示。 如3.455、精加工80.4mm×80.4mm×9.748mm的四边形外轮廓用Toolpaths/Contour/Done命令，选用?2.5mm四刃立铣刀。主要参数设置如图3.46、3.47所示。 图3.46
6、粗加工凸模TOP面的两个内圆槽 用Toolpaths/Surface/rough/ Pocket命令，输入如图3.48所示参数。图3.48 7、精加工凸模TOP面的两个内圆槽 用Toolpaths/ Surface/Finish/Contour/Done命令，选用?4mm键槽铣刀，输入如图3.49所示参数。 图3.498、加工各槽用Toolpaths/ Pocket命令，选用?1mm平底立铣刀，刀具参数的设定如图3.50、图3.51所示。 图3.50 图3.51 3.3.5 生成NC程序用键盘Alt+O弹出如图3.52所示对话框中选中要生成的各个步骤的刀路程序单击POST，在弹出的图3.53所示Change Post 中选择机床的后处理程序并参照如图3.53所示操作 图3.52 图3.53 系统将生成如图3.54所示NC程序，再根据实际需要对程序进行修改，并保存。 图3.54 凸模加工工艺程序单 3.4 本章小结1、数控加工刀路的编制难点与重点是：（a)加工先后顺序的安排，先粗加工后精加工，先加工曲面上孔再加工曲面，先精加工凹槽底面再精加工其侧面。(b)加工刀具的选择与加工参数的设定，加工参数（安全高度、下刀位置、下刀方式、切削方式、切削量等）。(c）为确保被加工工件的表面质量，下刀方式采用螺旋下刀，或斜线下刀。对于加工外轮廓时用圆弧切入切出。2、粗加工目的是粗切除大部份的工件材料，为确保工件不会过切，一定要留切削余量，一般留0.3～1mm。对于刀具锋利，加工材料金属性能较好材料时，余留量可少点；对于容易崩裂的材料余留量要多点。3、编写数控程序应根据实际选用的数控机床性能去设定加工参数。 第四章 数控仿真加工与实际加工4.1 数控加工仿真（宇龙仿真）1、启动宇龙数控加工仿真系统，选择机床型号，如图4.1所示操作，单击确定。 图4.12、先把机床回零，目的是建立机床坐标系。3、定义工作毛坯名称为cavity尺寸为110*110*30mm,4、安装工件毛坯，如图4.3所示操作，单击确定。 图4.3 5、根据编程设置刀库刀具参数，并输入各刀具刀补参数。 6、对刀。分别把X、Y轴的数据记下来相加，除以2，得出X、Y轴的中点值。对Z轴零点时，以刀具刚碰到工件为宜。然后再用手动轮盘分别将X、Y、Z轴调到碰数所得的加工原点，把数值记录下来。然后再输入机床G54坐标系中。如图4.4所示。 如图4.4 7、调用NC程序。调用程序时先把机床旋纽调到EDIT（编辑）档，在Program中输入O001程序头，然后再调出NC程序。8、把机床旋纽调到AUTO（自动）档，按下循环自动按钮，机床运行程序开始仿真，如图4.5所示。 图4.59、凹模的仿真结果如图4.6所示；凸模仿真结果如图4.7所示
图4.6 图4.74.2实际加工选择加工材料：有机玻璃 110*110*30
4.2.1开机，回机床原点合上电源开关后，打开机床电源箱后面的红色旋钮开关，将主轴转速、进给调至到最小，按住控制面板上的系统打开按钮，进入GP21人机界面。将进给调至1%，按启动键把各坐标轴调回机床原点。 4.2.2碰数，设置工件坐标和机床坐标系对应MAN手动方式——F1连续进给——分别对X、Y轴——按“—”将工作台移动到刀具最左和最右端，当刀具接近工件时，把主轴转速调到20%的转速，以刀具刚好碰到工件为宜。分别把X、Y轴的数据记下来相加，除以2，得出X、Y轴的中点值。对Z轴零点时，以刀具刚碰到工件为宜。然后再用手动轮盘分别将X、Y、Z轴调到碰数所得的加工原点，把数值记录下来。SYS——F1（选择G92方式显示）——MAN手动方式——F7辅助功能——F2设置坐标（把记录下来的加工原点所对应的X、Y、Z坐标分别输入进去）——ESC——AUTO——F1选择执行程序1——F3手工编程——输入N1M54——Enter——ESC——按绿色启动按钮——选择自动方式——F1连续进给。4.2.3 选择加工程序，开始加工AUTO——F1选择工件程序——F2——选择Ncprog——选择所需程序——Enter——Ctrl+C。将主轴转速调到60%，进给20%，当快要接近工件时把进给调至零，按启动后再将进给慢慢逐渐调大。观察刀具进行情况，如有异常进行马上按“停止”按钮或“急停”按钮。 4.2.4关闭系统全部程序运行完毕以后，将Z轴提起到一个安全高度，卸下工件。然后选择系统SYS——F7关机——屏幕出现“现在可以关闭电源”后，关断电源。4.2.5 本次加工过程与加工后产品插图 正在加工中 加工出来的凹凸模样品4.3本章小结宇龙数控加工仿真系统主要是用来检验NC程序会不会出现撞刀，会不会出现跑刀过切。实际加工过程中应该特别注意进刀时速度不能太快一定要限速，在精加工过程中一定要及时把切削排净，要么将影响加工表面的粗糙度与精度。因为学校数控机床没有带刀库，所以换刀时要特别小心，避免刀掉下来碰伤工件。还有换完刀后Z轴坐标要重新对过刀。 结束语本次毕业设计通过激光扫描仪扫描零件获取点云数据，再利用逆向工程软件得到特征数据，导入到Pro/E中进行造型与分模，进行工艺分析，再利用MasterCAM软件编制刀路，生成NC程序，最后进行仿真并加工出实物。由于设备的不足和经验的欠缺，加工的结果还存在一些不尽人意的地方。通过三年的课堂理论学习，再结合一些实践，使我对数控加工的一系列流程已经有了较熟练的了解。在通过老师的耐心指导和同学的共同努力下，成功设计出了开关上盖凹凸模样品并且在学校数控铣床加工出实物，使我有一种成就感！同时也让我更加有信心往数控行业发展，也看到这个行业的前景是非常广阔的。同时，在本次毕业设计中我深刻体会到：只是从课本中获取的知识远远不能满足日后的需要，想要让自己能成为一位出色的数控人才就必须利用充足的时间去查阅和学习各种数控加工知识。我们不仅要有扎实的机械知识，更需要一颗不断求实创新的恒心，和保持活到老学到老的心态。才能跟得上一日千里发展的数控行业并使我们在数控行业中立于不败之地。在这次的设计过程中我也总结出了一些心得，就是在设计和加工过程中，为了确保精度一定要有细心加耐心。要有不厌其烦的重复检查程序的心态。最后我坚信，只要继续保持谦虚积极向上的学习心态与不断的努力、付出、并在正确方法指导下，我会很快成长并成模具数控行业中有用人才！我会不断探索、前进，做一个优秀的专业人才，为我们学校争光为社会建设做出应有的贡献！ 致 谢我能够顺利完成这次毕业设计，顺利完成大学学业。 ★ 我衷心的感谢生我养我和一直默默支持我的父母！★ 感谢教育和给我知识的老师！特别是带我做毕业设计周钦河老师！ ★ 感谢耐心教我实际经验的师傅以及关心、帮助、支持我的所有人！参考文献1.王宏睿等.数控机床加工工艺的研究[J].机械研究与应用.):65-67. 2.邓英剑.数控加工工序的合理设计[J].组合机床与自动加工技术.-71.3.何学崇.数控加工工艺性分析与处理[J].机电工程技术.5-156. 4.中国机械工业教育协会.数控加工工艺及编程[M].机械工业出版社.2004年. 5.林清安.pro/e模具设计[M]. 电子工业出版社.2005年.6. 韩文.数控编程与加工-Mastercam9.0实例详解[M].人民邮电出版社.2004年. 百度搜索“就爱阅读”,专业资料,生活学习,尽在就爱阅读网92to.com,您的在线图书馆
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