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基于逆向工程的异型石材建模和加工技术研究

作　者: 尤慧杰
导　师: 吴玉厚
学　校: 沈阳建筑大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 逆向工程点云数据处理曲面重构误差分析数控加工
分类号: TG659
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

随着人们物质文化水平的不断提高,人们对石材艺术制品的需求也越来越高。不仅注重石材制品完美的艺术外形,也更重视石材制品本身内在的涵义。在现代建筑中,石材制品尤其是异型石材高档制品,已经成为反映建筑物层次的主要标志之一。个性化的定制、小批量的生产是石材制品加工发展的必然趋势,所以异型石材的建模和数控加工技术得到了社会的广泛关注。对于不规则、表面复杂的石材制品,利用传统的三维模型建模方法,往往要耗费大量的精力和时间,而且在没有模型具体尺寸,只有相仿原件的情况下,传统的建模方法是行不通的。逆向工程技术可以很好地解决异型石材的建模问题,应用逆向工程技术对异型石材模型进行重构,结合CAD/CAM、数控加工技术实现模型的再生产具有重要意义。该研究对复杂曲面的建模和数控加工都具有重要的意义。本文利用三维激光扫描仪对待测实物进行数据采集,总结数据采集时的基本原则,并针对不同材料的待测物体总结了不同的测量方法；在以往的研究基础上,对点云数据进行多视角拼合处理,通过选择不同的基准点实现点云拼接,分析方法的精度,并通过实际点云处理的过程,验证了基准点对齐方法的正确性,总结基准点选取的原则：对比分析现有的点云数据简化的算法,重点探讨了基于K邻近点的平均趴离值的数抓简化方法,并对比了不同数据精简算法的结果。曲面重构方面,采用三角划分的算法对点云数据模型进行三角网格化处理,重点研究了三角面的优化方法,总结出不同的网格孔洞对应的合适的修复方法；采用多种方法构造的曲面片,分析曲面片质量,得到高效率的曲面重构方法；重点对CAD模型进行了误差分析,利用Geomagic Qualify对CAD模型和点云数据进行3D比较,对误差来源进行了分析,总结减少误差来源的方法,提高建模的精度,以较快的处理速度得到满足CAD/CAM系统要求的模型。研究多坐标数控加工的原理、加工误差来源和补偿方法、工艺参数设置原则等；对加工工件表面粗糙度进行实验研究,总结影响表面粗糙度的因素及相互间的关系,提出改善表面质量的方法。根据实际加工模型的特点和工艺分析的基础,给出粗加工、半精加工和精加工的编程加工策略,并对生成的刀具路径进行模拟仿真验证程序的可行性,最终进行实际生成加工得到实物的石材制品。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-13
第一章绪论  13-21
  1.1 引言  13-14
  1.2 逆向工程的概述  14-17
    1.2.1 逆向工程的体系结构  14-16
    1.2.2 逆向工程的应用  16
    1.2.3 逆向工程国内外发展现状  16-17
  1.3 异型石材数控加工技术  17-19
    1.3.1 石材加工的现状  17-18
    1.3.2 数控加工的流程  18-19
    1.3.3 基于逆向工程的加工方法  19
  1.4 课题研究目的及内容  19-21
    1.4.1 课题研究的目的  19-20
    1.4.2 课题研究的内容  20-21
第二章点云数据的采集与预处理  21-39
  2.1 数据采集技术  21-25
    2.1.1 数据采集的分类  21-22
    2.1.2 数据采集方法分析  22-24
    2.1.3 采集方法的选取原则  24
    2.1.4 实际测量的策略  24-25
  2.2 点云数据去噪处理  25-27
  2.3 多视点云的拼合  27-33
    2.3.1 数据拼合的ICP算法  27-28
    2.3.2 基准点对齐方法  28-29
    2.3.3 基准点定位的精度分析  29-30
    2.3.4 数据对齐的实例分析  30-33
  2.4 点云数据的精简  33-36
    2.4.1 点云数据简化的方法  33-34
    2.4.2 K邻近点拓扑关系的确定  34-35
    2.4.3 基于K邻近点的数据简化方法  35-36
  2.5 本章小结  36-39
第三章曲面的重构及误差分析  39-51
  3.1 曲面重构的分类  39
  3.2 曲面重构理论  39-41
    3.2.1 Bezier曲面的数学定义  39-40
    3.2.2 NURBS曲线曲面的数学表示  40-41
  3.3 数据的网格化及优化  41-45
    3.3.1 点云数据的三角网格化  41-42
    3.3.2 三角网格面的优化方法  42-45
  3.4 三维模型的曲面重构  45-47
    3.4.1 曲面片的划分  45-47
    3.4.2 曲面的拟合  47
  3.5 重构模型的曲面精度检测  47-49
    3.5.1 曲面重构误差的来源  47-48
    3.5.2 基于Geomagic Qualify的曲面精度检测  48-49
  3.6 本章小结  49-51
第四章数控加工与仿真技术的研究  51-73
  4.1 三维模型的曲面特征分析  51-52
  4.2 加工工艺分析  52-63
    4.2.1 加工的基本原理  52-53
    4.2.2 曲面加工误差分析与补偿法  53-56
    4.2.3 曲面加工行距与残留高度的分析  56-57
    4.2.4 影响表面粗糙度的研究  57-62
    4.2.5 表面粗糙度的控制方法  62-63
  4.3 加工材料和刀具的选择  63-65
    4.3.1 毛坯材料的选择  63-64
    4.3.2 数控加工刀具的选择  64-65
  4.4 立体模型的加工策略  65-67
    4.4.1 粗加工编程策略  65
    4.4.2 半精加工编程策略  65-67
    4.4.3 精加工编程策略  67
  4.5 数控加工仿真技术  67-70
    4.5.1 VERICUT仿真的特点  68
    4.5.2 模拟仿真分析及实际加工  68-70
  4.6 本章小结  70-73
第五章结论  73-75
  5.1 结论  73-74
  5.2 展望  74-75
参考文献  75-79
作者简介  79
攻读硕士学位期间发表的学术论文  79-81
致谢  81

基于逆向工程的异型石材建模和加工技术研究

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