大尺寸复杂零件反求关键技术研究及应用
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摘要
经过多年来的发展，反求工程作为先进制造技术的一个重要研究领域，其理论研究不断深入，应用范围不断扩大，在CAD／CAM系统中的独立研究分支地位不断加强，各国都将其作为提升产品创新设计和制造水平的重要途径之一。
本文以新疆自治区“十一五”重大科技专项“制造业信息化工程”和高校科研重点项目“巨大尺寸复杂零件逆向重构研究及应用”为背景，以大尺寸复杂零件：风机叶片、石油钻头、采棉机摘锭为对象，就反求过程中的关键技术进行了理论研究和实践应用两个方面的工作。
与一般零件的反求过程相比较，大尺寸复杂零件的反求过程即有相似性又有一定的特殊性。本文深入研究了包括数字化测量方法、点云数据精简、复杂曲面重构等在内的反求工程中各项关键技术，在对各环节采用的方法进行总结的基础上进行了改进和创新，以适应大尺寸复杂零件的反求特点。在数字化测量与数据处理方面，本文主要研究了光学扫描测量的方法和原理，提出了针对大尺寸复杂零件的具体测量方法及测量路径规划原则；以点云数据处理方面，以该领域内常用的包围盒法、随机采样法、均匀栅格法等数据简化算法为基础，本文提出了一种基于曲率变化的数据简化算法。该算法可以在均匀与非均匀分布的点云内搜索各点邻域并估算曲率，根据曲率实现点云精简。通过对具有复杂曲面的石油钻头点云的精简实验，获得了较为理想的简化结果；模型重构方面，在研究三角Bézier曲面重构和四边域上标准的NURBS参数曲面重构两种方法的基础上，提出了改进的三维空间划分算法，并以此为基础利用Coons曲面作为过渡曲面，将三角Bézier曲面转化为NURBS曲面，提高了曲面重构的灵活性和适应性，同时保留了与CAD／CAM系统良好的兼容性。
在反求工程技术的实践应用方面，本文结合新疆地区特色，利用相关数字化测量设备及数字化技术、曲面重构技术完成了风电行业大尺寸零件—风机叶片的数字化测量，完成了石油钻采工具—石油钻头的反求，完成了农业机械—采棉机的关键部件摘锭的反求。
此外，根据新疆大型采棉机关键零部件国产化的实际需求，将反求工程的思想应用于关键零部件—摘锭的材料反求，通过对摘锭实体内部材料电子扫描电镜（SEM）及能谱的检测，反求出了其材料的成分，为进一步提高摘锭的工作性能，利用快速成型等先进制造技术进行制造提供了重要参考依据。
Reverse engineering is an important research area of advanced manufacturingtechnology. With its further theoretical research and gradually expanding applied range, RE,as an independent research branch in CAD/CAM, is one important way to improve productinnovative design and enhance manufacturing level.
This dissertation majors in two aspects of work about the technology of process of RE:theoretical research and practical application with the blade of wind turbine, oil drill, andcotton picking ingot as research objects.
Compared to the reverse process of common parts, large-scale complex parts’ reversetechnology has certain particularity. This dissertation conducts research on the keytechnologies of RE and summarized digital method for measuring and simplified point clouddata as well as the reconstruction of complex surface. On this basis, this dissertation developsan improved method and innovative research on RE technology in order to accommodatereverse large-scale complex parts. In digital measurement and data processing, thisdissertation focuses on measurement methods and principles of the optical scanning and putsforward specific measurement method for large-scale complex parts and planningmeasurement path and achieves the measurement example of large-scale complex part as well.Based on such common methods in the field of point cloud data processing as bounding boxmethod, random sampling method and uniform grid method etc, this dissertation presents adata simplified algorithm based on curvature variation. This algorithm can search each pointneighborhood and estimate curvature in uniform and non-uniform point cloud as well assimplify point cloud data according to curvature values. Though processing point cloud dataof Oil drill with complex surface, the algorithm is approved to be valid ensuring the accuracyof surface reconstruction. In model reconstruction, this dissertation puts forward an improved3D space division algorithm based on Bézier and NURBS parameters surface reconstruction. The method uses Coons surface as transition surface and transforms Bézier surface intoNURBS surface. Therefore, it enhances the flexibility and adaptability of surfacereconstruction and remains better versatility with CAD／CAM system.
In applied reverse technology, combined with distinguishing region characteristics inXinjiang, this dissertation completes digital measurement for wind turbine blades that islarge-scale complex parts in wind turbine industry using such technologies as digitalmeasurement and surface reconstruction. In the same way, reverse Oil drill and reverse cottonpicking ingot are achieved.
In addition, according to the practical requirements and demands of key partslocalization of large-scale cotton picker, reverse technology is applied to reverse material ofcotton picking ingot. Through the detection of energy spectrum for internal material of cottonpicking ingot, the reverse material chemical composition of cotton picking ingot and its heattreatment process are obtained. These contribute to enhance cotton picking ingot’s workingperformance and provide important reference for rapid prototype.
本文以新疆自治区“十一五”重大科技专项“制造业信息化工程”和高校科研重点项目“巨大尺寸复杂零件逆向重构研究及应用”为背景，以大尺寸复杂零件：风机叶片、石油钻头、采棉机摘锭为对象，就反求过程中的关键技术进行了理论研究和实践应用两个方面的工作。
与一般零件的反求过程相比较，大尺寸复杂零件的反求过程即有相似性又有一定的特殊性。本文深入研究了包括数字化测量方法、点云数据精简、复杂曲面重构等在内的反求工程中各项关键技术，在对各环节采用的方法进行总结的基础上进行了改进和创新，以适应大尺寸复杂零件的反求特点。在数字化测量与数据处理方面，本文主要研究了光学扫描测量的方法和原理，提出了针对大尺寸复杂零件的具体测量方法及测量路径规划原则；以点云数据处理方面，以该领域内常用的包围盒法、随机采样法、均匀栅格法等数据简化算法为基础，本文提出了一种基于曲率变化的数据简化算法。该算法可以在均匀与非均匀分布的点云内搜索各点邻域并估算曲率，根据曲率实现点云精简。通过对具有复杂曲面的石油钻头点云的精简实验，获得了较为理想的简化结果；模型重构方面，在研究三角Bézier曲面重构和四边域上标准的NURBS参数曲面重构两种方法的基础上，提出了改进的三维空间划分算法，并以此为基础利用Coons曲面作为过渡曲面，将三角Bézier曲面转化为NURBS曲面，提高了曲面重构的灵活性和适应性，同时保留了与CAD／CAM系统良好的兼容性。
在反求工程技术的实践应用方面，本文结合新疆地区特色，利用相关数字化测量设备及数字化技术、曲面重构技术完成了风电行业大尺寸零件—风机叶片的数字化测量，完成了石油钻采工具—石油钻头的反求，完成了农业机械—采棉机的关键部件摘锭的反求。
此外，根据新疆大型采棉机关键零部件国产化的实际需求，将反求工程的思想应用于关键零部件—摘锭的材料反求，通过对摘锭实体内部材料电子扫描电镜（SEM）及能谱的检测，反求出了其材料的成分，为进一步提高摘锭的工作性能，利用快速成型等先进制造技术进行制造提供了重要参考依据。
Reverse engineering is an important research area of advanced manufacturingtechnology. With its further theoretical research and gradually expanding applied range, RE,as an independent research branch in CAD/CAM, is one important way to improve productinnovative design and enhance manufacturing level.
This dissertation majors in two aspects of work about the technology of process of RE:theoretical research and practical application with the blade of wind turbine, oil drill, andcotton picking ingot as research objects.
Compared to the reverse process of common parts, large-scale complex parts’ reversetechnology has certain particularity. This dissertation conducts research on the keytechnologies of RE and summarized digital method for measuring and simplified point clouddata as well as the reconstruction of complex surface. On this basis, this dissertation developsan improved method and innovative research on RE technology in order to accommodatereverse large-scale complex parts. In digital measurement and data processing, thisdissertation focuses on measurement methods and principles of the optical scanning and putsforward specific measurement method for large-scale complex parts and planningmeasurement path and achieves the measurement example of large-scale complex part as well.Based on such common methods in the field of point cloud data processing as bounding boxmethod, random sampling method and uniform grid method etc, this dissertation presents adata simplified algorithm based on curvature variation. This algorithm can search each pointneighborhood and estimate curvature in uniform and non-uniform point cloud as well assimplify point cloud data according to curvature values. Though processing point cloud dataof Oil drill with complex surface, the algorithm is approved to be valid ensuring the accuracyof surface reconstruction. In model reconstruction, this dissertation puts forward an improved3D space division algorithm based on Bézier and NURBS parameters surface reconstruction. The method uses Coons surface as transition surface and transforms Bézier surface intoNURBS surface. Therefore, it enhances the flexibility and adaptability of surfacereconstruction and remains better versatility with CAD／CAM system.
In applied reverse technology, combined with distinguishing region characteristics inXinjiang, this dissertation completes digital measurement for wind turbine blades that islarge-scale complex parts in wind turbine industry using such technologies as digitalmeasurement and surface reconstruction. In the same way, reverse Oil drill and reverse cottonpicking ingot are achieved.
In addition, according to the practical requirements and demands of key partslocalization of large-scale cotton picker, reverse technology is applied to reverse material ofcotton picking ingot. Through the detection of energy spectrum for internal material of cottonpicking ingot, the reverse material chemical composition of cotton picking ingot and its heattreatment process are obtained. These contribute to enhance cotton picking ingot’s workingperformance and provide important reference for rapid prototype.
引文
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