复杂曲面反求设计方法的研究.pdf

华北电力大学（保定）硕士学位论文复杂曲面反求设计方法的研究姓名：彭一男申请学位级别：硕士专业：机械工程；机械制造及其自动化指导教师：张文建2011-03华北电力大学硕士学位论文 I 摘 要 反求工程是先进制造技术的重要手段，分为数据获取、数据预处理、数据分块与曲面重构、CAD 模型构造以及快速原型等五大关键技术利用反求工程可重构产品零件的实体模型，也可对原型进行修改和再设计通过逆向工程，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，是提升我国制造业技术水平的重要手段 本文以典型的复杂曲面零件汽轮机叶片的反求过程为例，研究了复杂曲面的反求设计过程，实现了反求工程中设计与制造的一体化 首先介绍了数字化测量的原理与方法，分析了接触式测量与非接触式测量的特点，探讨了接触式三坐标测量机测量曲面的过程在现有测量方法的基础上提出了竖直纵向采点的测量方案，该方案不仅提高了采点速度，也利于以后提高曲面重构精度最后利用 GLOBAL 575 型三坐标测量机得到了叶片的数字化点云数据 在曲面重构的原理基础上，经过数据预处理后，采用 CATIA V5 软件，通过点-线-面的曲面重构方式，重构了叶片的三维模型。

利用曲面偏置命令，解决了三坐标测量机的半径补偿误差问题 在叶片曲面重构的基础上，分析了叶片的加工工艺，确定了叶片加工的切削参数和走刀路线利用 UG NX 7.0 的 CAM 功能模块，结合叶片的结构特点及四轴加工中心的特点，规划了刀路轨迹，完成了汽轮机叶片的四轴加工，并进行了加工仿真结合现有加工条件，通过选择合适的加工参数，对加工过程进行后置处理，生成了数控加工 NC 代码最后利用数控加工中心及线切割完成了叶片的实体加工 关键字：逆向工程；数据测量；曲面重构；数控加工 华北电力大学硕士学位论文 II Abstract Reverse engineering as an important means of advanced manufacturing technology, which is divided into five key technologies such as data acquisition, data preprocessing, data block and the surface reconstruction, CAD model construction, and rapid prototyping. Using reverse engineering, we can reconstruct the solid model of the product parts; we also can modify and re-design of the prototype. Through reverse engineering, we can establish and master our own product development and design technology in order to innovative design. It is an important tool to raise the technological level of China's manufacturing industry. Taking the typical complex curved surface of the turbine blade as an example, this paper does a research on the complex curved surface of reverse design process and realized the integration of design and manufacture in the reverse engineering. Firstly, the paper introduced the digital measurement principle and method, and tells the different feature between the characters of contact measurement and non-contact measurement. And then it discusses the process of the three coordinate measuring machine measuring surface. On the basis of the existing methods of measurement, we put forward mining point of the longitudinal vertical measurement solutions. The program not only can improve the speed of sampling sites, but also benefit to improve surface reconstructing precision at later. Finally, we got a digital point cloud data of the blade by the GLOBAL 575-type coordinate measuring machine. Based on the principle of curved surface reconstruction and after the data preprocessing, we reconstruct the three-dimensional model of the blade through the point - line - surface reconstruction method by CATIA V5 software. Meanwhile, we solve the coordinate measuring machine error radius compensation issues by using surface offset command. On the basis of blade surface reconstruction, we analyzed machining technologies of the blade and then determined the cutting parameters and feed path in the machining process. Using UG NX 7.0 of CAM function module and combining the structure features of blades and characteristics of four-axis machining center, we got the tool path and completed the four-axis machining of turbine blades and simulate machining. Then, considering the existing processing conditions, we 华北电力大学硕士学位论文 III carried on the post-processing and generated NC code for CNC machining by choosing appropriate processing parameters. Finally, we got the blade entities by using CNC machining centers and wire cutting. Keyword: reverse engineering; data measurements; surface reconstruction; NC machining华北电力大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文《复杂曲面反求设计方法的研究》 ，是本人在导师指导下，在华北电力大学攻读硕士学位期间独立进行研究工作所取得的成果。

据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰写过的研究成果对本文的研究工作做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明本声明的法律结果将完全由本人承担 作者签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文使用授权书 《复杂曲面反求设计方法的研究》系本人在华北电力大学攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文本论文的研究成果归华北电力大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表本人完全了解华北电力大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版本，同意学校将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，允许论文被查阅和借阅本人授权华北电力大学，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、可以公布论文的全部或部分内容 本学位论文属于（请在以上相应方框内打“√” ） ： 保密□，在 年解密后适用本授权书 不保密□ 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 华北电力大学硕士学位论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究背景及意义 计算机辅助设计、计算机辅助工程等技术可以满足一般的产品研发和再生产的要求，但在只有零件样件、没有零件图形数据的情况下，要对样件进行仿制和再设计，传统的计算机辅助技术则很难实现。

近几十年来，世界各国在工业生产中，零件大都有着复杂的外形表面，自由曲面是经常用到的曲面，如各种叶片表面、模具的工作表面等都是自由曲面，其形状复杂，加工精度要求也较高因此反求技术尤其是复杂曲面反求设计方法的研究已经逐渐成为现代设计制造方面的研究热点 反求技术以现有产品为起点，以学习继承现有技术与设计新产品为目标，可以缩短新产品的开发周期，节约开发成本，从而大大提高了产品的市场竞争力对于我国这样一个发展中国家，通过对先进设备的仿制改进可以帮助我们迅速提高产品的设计和制造水平，缩短我国与西方发达国家的制造业水平之间的差距，这对于促进我国汽车工业、航空航天工业等重要行业的发展具有重大的现实意义对于一些中小型企业，由于没有大量资金去购置那些高昂的反求工程设备以及软件，这些中小型企业要想提高自己敏捷制造的能力，增强自己企业的竞争能力，就必须有一套适合自己的对于曲面反求设计的方法，所以研究一种适合于中小型企业的复杂曲面反求设计的方法尤为重要，这也正是本课题研究意义所在 1.2 国内外研究动态 国内外很多学者对反求工程技术进行了大量的研究，在目前市场产品中较具代表性的有美国 EDS 公司的 Imageware、韩国 INUS 公司出品的 Rapidform、英国 DelCAM 公司产品 CapyCAD 等。

早期一些专用的反求工程模块被集成进一些商业化 CAD/CAM 软件系统如：Pro/Engineer 的 SCAN-TOOLS 模块和CISIGRAPH 公司的 STRIM100 的点处理加工、自动生成曲面等功能模块以及CATIA 中的 DSE、QSR 模块等 在国内，有关反求工程的研究与开发也在不少单位内展开，主要集中在各高校中，具有代表性的有西安交通大学 CIMS 中心的面向 CMM 的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究；南京航空航天大华北电力大学硕士学位论文 2 学 CAD/CAM 工程研究中心的基于海量。