逆向工程技术在模具设计制造中的应用

介绍了逆向工程技术进行模具设计与制造的一般过程,使用三维激光扫描仪对原型进行扫描获得点云数据文件,采用逆向软件Geomagic对点云数据进行处理,输出曲面模型,并用UGNX在曲面基础上完成模具的实体模型及数控加工代码生成,最后由高速加工中心完成模具制造。以甲醇泵壳体的铝合金压铸模为例,验证了该技术路线在模具设计制造中的应用,对模具行业有一定的价值。     

弧齿锥齿轮的模型重建与有限元分析

根据弧齿锥齿轮几何形状特征和承载方式,通过拍照式三维扫描仪进行数据采集,然后采用Geomagic软件进行数据处理,再导入CATIA软件中进行参数还原和模型重建,并应用CATIA中分析与模拟模块进行有限元分析。结果表明,采用逆向工程方法能快速、精确地建立弧齿锥齿轮模型。将模型重建与有限元分析集成在CATIA软件中进行操作,不仅有效减少了软件转换间的数据丢失,而且提高了设计效率。     

斗齿逆向设计中曲面模型的快速重建方法

零件的曲面模型是获得其逆向设计数据等后续处理的关键环节。为了快速获得具有复杂外形和内腔的某型挖掘机斗齿的设计数据,研究了该斗齿点云曲面原型的获取方法。鉴于斗齿不同部位对逆向设计精度的要求不同,采用Imageware和Geomagic Studio对斗齿的内腔、销孔和外形点云分别进行曲面重构之后,再进行整个模型的曲面整合策略。介绍了应用两种软件完成斗齿曲面模型的主要处理过程及关键环节。该方法能快速获得符合精度要求的斗齿曲面模型,可行且高效,为斗齿曲面模型的实体化及其后续处理提供了可靠依据。     

三维激光扫描仪在不规则实体表面积计算中的应用

采用三维激光扫描仪可以快速获取物体表面点云数据。利用Geomagic Studio软件可对点云数据构建多边形模型,通过计算多边形模型的表面积实现物体表面积的计算。文中介绍了三维激光扫描仪结合Geomagic Studio软件用于不规则实体表面积计算的具体流程及方法,并验证了该方法的可行性。     

Focus3D三维激光扫描仪测距精度检校试验

为对地面三维激光扫描仪的测距精度进行校准,以Focus3D三维激光扫描仪为例,对其径向距离和空间距离的测量精度进行了检校试验。采用该型三维激光扫描仪对具有几何中心的球型标靶进行扫描获得试验数据,并利用Geomagic Studio软件对点云数据进行拟合精度评定。试验表明:Focus3D三维激光扫描仪的空间距离测量精度为0.61 mm(≤2 mm),在5~40 m范围内的径向测距精度为-2~2 mm,测距超过50 m后,测量精度呈离散趋势。     

逆向工程后处理中基于点线面的曲面重建

在逆向工程中,零件数字化后得到大量点云数据,提出了一种基于由点生成线,由线生成面的处理方法,利用这些离散的点云数据重建零件曲面CAD模型。首先将点云数据滤除噪声、拼合得到零件完整的外轮廓,精简、切割得到一系列顺序排列的3D样条曲线,然后光顺这些空间样条曲线,由这些曲线生成曲面曲率满足工程要求的零件表面模型。     

基于逆向工程的起重机械模具设计

应用CATIA软件中的数字曲面编辑器和自由造型模块,对吊钩的点云数据进行曲面拟合处理,再利用Pro/E软件对已逆向生成的吊钩实体进行模具设计,二者结合可以提高产品设计的准确性,并大大缩短产品研发、模具设计和加工周期,从而降低产品开发和模具设计成本。     

基于Geomagic Studio的矿用轴流通风机叶片模型重构

矿用主扇风机是煤矿四大固定机械设备之一,而叶片是风机能够实现气体输送的核心部件。若要对通风机及叶片进行分析研究时需要有相关部件的三维模型,文章以矿用通风机叶片逆向造型为例,介绍了基于Geomagic Studio实现叶片逆向NURBS曲面重构的工作流程,并就重构过程中的点云数据获取、点云处理、多边形处理和曲面处理等关键问题进行了探讨。     

三维激光扫描点云边界提取研究

在数字矿山建设过程中,三维激光扫描仪可快速获得地表或建筑物的点云数据。点云边界不仅作为曲面表达的重要几何特征,而且作为模型求解曲面的定义域,对重建曲面模型的品质和精度起着重要作用。利用激光点云数据进行建模首先需从海量数据当中提取边界区域的采样点。本文提出了一种通过局部型面参考点集拟合微切平面,讨论参考点在对应微切平面上投影点的几何分布来自动提取边界特征的算法。该算法运行速度快,提取结果准确,可适用于各种复杂型面的点云数据。     

基于三维激光扫描技术的西石门铁矿精矿盘库测量方法

盘库测量是矿山企业生产过程中的一项重要工作,只有准确掌握精矿库存量方可制定出更科学的生产和销售策略。结合三维激光扫描技术对西石门铁矿精矿盘库测量方法进行了研究,即利用三维激光扫描仪获取点云数据,经过坐标转换、噪声点剔除、重采样处理后,结合Geomagic Studio软件构建了精矿三维模型,并利用该模型对精矿量进行计算。研究表明:所提方法计算出的精矿量为19 269.44 m3,与基于GPS技术测量出的精矿量(18 953.68 m3)较接近,但三维激光扫描仪采集的数据信息较丰富,据此构建出的三维模型能够更为准确地反映出精矿堆存的实际情况,因而精矿量测量结果的可靠性较高;此外,所提方法的作业时间仅为GSP测量的1/2,作业效率更高。     

基于近景摄影测量技术的地下巷道三维建模

对真实矿山整体及其相关现象的统一认识与数字化再现，是数字矿山建设的重要内容，矿山地下巷道的三维建模及可视化又是数字化再现的核心内容。针对传统巷道三维建模方法效率低下、成本高昂的不足，提出了基于近景摄影测量技术的地下巷道三维建模方法。该方法主要采用近景摄影测量立体像对的前方交会原理，使用相机在不同空间位置获得一组同一目标的图像，通过计算图像间的几何约束关系来得到目标表面的三维坐标信息，从而构建拍摄目标的三维模型。该方法首先利用低成本的智能手机照相机对巷道进行多视角近景照片采集；然后利用数字图像建模Context Capture软件对图像数据进行空中三角测量解算，并生成地下巷道点云数据；最后对获取的像片进行特征提取和影像匹配，完成地下巷道三维模型构建。以河南理工大学地下防空洞巷道为试验对象，拍摄了566张像片，像片间的旁向重叠度约80%。试验结果显示，所拍摄目标物的三维模型结构完整，纹理清晰，表明利用近景摄影测量技术构建巷道三维模型具有可行性。     

基于逆向建模技术的金属矿山空区探测与治理研究

金属矿山空区形成因素众多，形状复杂多变，是威胁矿山安全的主要灾害源之一。为合理评估空区现状并提出有效治理措施，首要任务是精确描绘出空区三维形态要素。以三维激光扫描为核心的空区精确探测技术已经比较成熟，可为空区精细化三维建模提供数据基础。传统的正向建模技术建模过程繁琐，效率低下，且对数据质量和人员技术水平要求很高。为了提高空区三维建模效率并降低建模难度，在分析逆向建模技术原理的基础上，总结和分析了金属矿山空区激光点云数据处理及模型重构的技术要点、难点，提出了基于逆向工程的复杂空区三维建模完整工作流程，并将该方法应用于金属矿山典型空区问题分析与加固、爆破等治理方案设计。研究表明：逆向建模方法基于点云信息直接进行曲面重构，进而导出三维实体，避免了正向建模时大量重复的线—面、面—体操作，可实现金属矿山复杂空区的高效率、高精度建模，为空区现状调查、评估、灾害机理分析及治理方案优化提供了技术支撑，具有广阔的应用前景。     

基于三维激光扫描技术的地铁隧道结构变形监测应用研究

本文将三维激光扫描监测技术应用于地铁区间隧道结构变形监测,取得了较好的效果。该方法首先采用三维激光扫描仪获取的高密度点云信息提取隧道结构信息;然后通过自动化处理软件实现点云数据的快速处理,自动提取环片的点云;最后利用提取的环片点云对环片错台、水平收敛等结构变形进行分析。本文通过对武汉某地铁项目施工中三维激光扫描应用案例介绍,说明了三维激激光扫描对隧道结构监测的优势。     

我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状及存在问题

三维激光扫描作为一种非接触式测量技术,近年来在我国矿山测量领域得到了广泛应用,涉及了矿区边坡监测、露天矿储量管理、地表沉陷监测等方面。结合近年来的相关研究成果,系统分析了我国矿山测量领域三维激光扫描技术的应用现状,并对存在的问题进行了探讨。研究表明：矿山测量工程应用及科学研究中使用的三维激光扫描设备与配套软件以国外进口为主,国产设备与软件较少;从数据采集、处理、成果应用等方面分析,主要存在的问题有采集数据质量不佳、点云数据匹配精度有待提高、点云数据滤波算法精度不高、特殊监测领域的应用成果不明显等。在上述分析的基础上,认为该领域的主要研究方向为：①高精度的空天地一体化数据采集方案,如InSAR、LiDAR、倾斜摄影测量与地面三维激光扫描技术相结合;②具有自主知识产权的点云数据处理软件开发,包括点云数据智能匹配算法、智能化高精度点云数据滤波算法等;③三维激光点云数据后期成果应用,包括面状地物变形监测理论与方法、大数据技术与人工智能技术相结合的三维激光扫描实时动态监测方法。总体来说,进一步推进三维激光扫描技术在我国矿山测量领域的应用,有助于大幅提升相关工程技术人员的空间三维数据处理能力,进而提高工作效率。     

基于C-ALS的特大溶洞三维探测及其安全分析

在研究三维激光扫描原理的基础上, 对溶洞的激光探测方法进行了研究。针对复杂溶洞激光扫描点云数据, 研究了点云数据最小距离准则与最大张角准则的精简算法、三维点云数据坐标变换与数据拼接原理。以张家界向家包2号铁路隧道溶洞为例, 采用C-ALS探测系统对溶洞进行了三维激光探测, 对获取的溶洞点云数据经过精简、转换坐标和拼接处理后, 运用三维矿业软件Dimine建立了溶洞三维模型, 在此基础上完成体积计算、关键位置平剖面输出, 并重点研究了平行隧道、垂直隧道及沿溶洞延伸三个主要方向上溶洞与隧道工程的三维空间位置关系, 得出了不同剖面上溶洞与隧道的直线距离。研究结果对指导隧道路线规划、安全施工具有重要工程意义。     

基于多尺度CSRBFs的地层三维地质建模

基于矿山多源数据实现地层三维地质建模是数字矿山研究中的一项重要工作，其成果有助于矿山资源评估、生产规划编制等工作的有序进行。采用插值方法对离散采样的非均匀点状数据进行处理，是精准构建矿体模型的关键。然而，矿体建模常用的插值方法在处理数据时，很少有效顾及数据的非均匀性。基于多尺度CSRBFs插值方法，提出了一种可以处理非均匀数据的地层三维建模技术。首先从多源数据中提取非均匀的地质离散点数据集。然后，使用多尺度CSRBFs插值构建地层表面模型，插值步骤包括：①样品点获取与单位法向量计算；②通过八叉树空间索引构建层次点集；③使用多尺度CSRBFs方法在样品点集上由粗到细逐层插值，计算地层表面隐式函数；④地层隐式曲面可视化。最后，使用提出的断层建模方法在连续地层表面构建正断层、逆断层和交叉断层模型。研究表明：多尺度CSRBFs（Multi-scale CSRBF， MsCSRBF）插值方法通过十折交叉验证获得的平均误差为0.943 m，精度优于反距离加权法（Inverse Distance Weighted， IDW）和普通克里金法（Ordinary Kriging， OK），且MsCSRBF方法相比于IDW和OK方法插值运算效率更高。上述分析表明：多尺度CSRBFs差值方法能够针对非均匀数据进行地层表面模型的高精度、快速重建。     

基于GeoSLAM的矿山生产环境快速虚拟 重构研究

针对现有生产环境重构方法存在工作周期长、现场工作量大、建模精度低、设备便携性差等问题,开展基于GeoSLAM系统的矿山生产环境快速重构研究。分析了GeoSLAM系统软组成和空间点云数据定位与地图重构技术的工作原理,提出井下生产环境三维场景快速重构作业流程和基于GeoSLAM测量数据与工程测量数据组合建模技术。研究成果应用于某金矿井下生产环境重构实践,结果表明本研究提出的重构工作流程和点云建模技术行之有效,生成的模型可直接与三维资源模拟软件及开采设计软件良好衔接,为数字化开采及管理提供技术支持,为智能化、无人开采提供环境数据支撑。     

基于无人机数据采集技术的地形坡度勘测研究

地形坡度的大小关系到边坡的稳定性，坡度较大的地区极易引发滑坡、泥石流等地质灾害。为了准确了解边坡稳定性，减少地质灾害带来的生命财产损失，研究一种无人机数据采集技术下的地形坡度勘测方法。以南方某山地区为例，借助无人机搭载激光雷达设备，采集点云数据，并对点云数据实施滤波和稀疏的预处理。根据预处理的点云数据，建立数值高程模型，绘制不规则三角网，得出高程数据以及夹角数据。基于这2类数据，计算研究区坡度值，并划分坡度风险等级，实现地形坡度勘测。结果表明，计算出来的研究区整体坡度大于31°,与坡度等级表对比，等级划分为Ⅳ级，说明研究区为危险区域，边坡不稳定。     

基于三维激光扫描技术的爆破块度识别

为快速、准确的统计现场爆破块度,提出了基于三维点云的爆破块度识别方法。利用三维激光扫描仪获取爆堆点云数据,通过ICP配准、SOR降噪和体素下采样进行点云预处理,采用RANSAC平面拟合对预处理后的点云数据进行初始分割、基于点云密度的DBSACAN算法进行聚类,识别岩块轮廓。通过计算聚类后岩块点云的三维凸包和OBB方向包围盒,获得爆堆点云中所有岩块的体积和最长粒径。结果表明：在室内试验中基于三维点云的爆破块度识别方法与直接测量法相比获取的体积平均相对误差为4.61%,粒径平均相对误差为4.75%;在现场测试试验中的平均识别准确率为80.4%,获得的爆破块度统计结果对爆破参数优化具有一定的参考作用。     

三维激光扫描技术在粉矿仓中的应用

针对粉矿仓板结位置难于定位的问题,首次引入矿用三维激光扫描仪进行扫描定位。经过现场实际使用表明,矿用三维激光扫描仪可以非常快速、直观地扫描粉矿仓内部形态,为后续板结问题解决提供直观的数据基础。使用三维激光扫描仪定位粉矿仓板结位置的方式在后续应用中可以进一步推广,相信可以更好地解决粉矿仓板结问题。