臺灣博碩士論文加值系統

近年來，為因應各項產品的多樣及複雜之曲面造形設計，因此在精密度與開發時程以及降低成本的考慮因素下，使用CAD/CAM系統結合三次元量測系統之逆向工程技術便扮演了極為重要的角色。以航太工業而言，航空器上所使用的各種葉片是航太零組件重要元件之一，由於葉片具有不規則曲面及複雜的表面形狀，增加了量測上的困難性。然而隨著三次元量測與軟體技術的發展，應用三次元量測以做為產品最終檢驗已是全球航太製造業發展的趨勢，此外更結合逆向工程技術藉以獲得葉片設計與製造上相關的技術與經驗。本研究利用一已知尺寸之基本工件及手機外殼，使用三次元量床(Coordinate Measuring Machine ,CMM)量測其曲面資料，將取得之資料利用插補法及近似法分別建構不同的曲線，再將其曲線建構成曲面實體模型，藉由建構出實體模型與已知尺寸作比對，驗證其CAD模型重建方法的可行性，進而運用在航太葉片模型的重建上。

In recent years, there are more and more varieties and complexities of surface designs in industrial products. In order to increase the product’s precision, shorten the exploitation time and reduce the cost, the reverse engineering technology includeding CAD/CAM and three dimensional measuring system will play an important role. For aerospace industry, many kinds of blades are the critical parts in aircraft. Those blades have irregular surfaces and complex shapes so that increase the measuring difficulties. However, since the three dimensional measuring machine has been developed, the problem of blade measurement may be overcome by applying this new technique. Even more, the newly developed three measuring machine can be used for reverse engineering technology to get the know how of design experiences.
This work is using CMM and CATIA to reconstruct the blade’s solid model. The technique used in this research is to measure a known dimension of base model and the curved surface of cell phone at first. From the resulted point data, those can be calculated to establish cures and surface by the interpolation and approximation methods. After fulfilled the previous procedures, we use CATIA to reconstruct the part’s solid model. The results seems quite fit to the original design, and this method can also be applied to any aircraft’s precision part, especially for blades.

中文摘要………………………………………………………….I
英文摘要………………………………………..……………….II
目錄……………………………………………………….…......IV
圖目錄…………………………………………………………..VI
表目錄…………………………………………………………...X
第一章、 緒論………………………………………………....1
1.1前言………………………………………………………….1
1.2研究背景與動機……………………………………………2
1.3問題描述…………………………………………………….3
第二章、文獻回顧………………………………………………6
2.1三次元量測技術……………………………………………6
2.2葉片之設計構造……………………………………………8
2.2.1葉片的分類…………………………………………….9
2.2.2葉片的設計基準……………………………………16
2.3葉片檢測技術…………………………………………….19
2.4葉片逆向工程技術……………………………………….20
第三章、三次元量測及運用…………………………………..25
3.1三次元量床型式………………………………………….25
3.2三次元量測儀之探頭……………………………………26
3.3三次元探頭校正…………………………………………30
3.3.1量測探頭校正法…………………………………….31
3.4三次元量測法…………………………………………….34
3.4.1接觸式量測………………………………………….35
3.4.2非接觸式量測………………………………………..37
3.4.3接觸式與非接觸式三次元量測之比較……………40
3.4.4量測路徑規劃………………………………………..42
第四章、曲線與曲面建構………………………………………45
4.1點資料的前處理………………………………………….45
4.1.1點資料的濾除……………………………………….45
4.1.2點資料的平滑化…………………………………….47
4.2點座標系統的轉換……………………………………….49
4.3曲線與曲面之數學模式…………………………………53
4.4曲線與曲面建構………………………………………….66
4.4.1曲線/曲面建構法……………………………………66
4.4.2曲面與曲線接合連續性…………………………….68
第五章、實例應用與驗證…………………………………….71
5.1範例一、半圓形工件……………………………………..76
5.2範例二、手機外殼………………………………………..86
5.3範例三、航太葉片重建………………………………….94
5.4 討論……………………………………………………...107
第六章、結論與未來展望……………………………………..113
參考文獻…………………………………………………………116
圖目錄
圖2-1三次元基本量測技術…………………………………….7
圖2-2葉片分類…………………………………………………..9
圖2-3渦輪葉片構造圖…………………………………………10
圖2-4葉形剖面圖……………………………………………….11
圖2-5渦輪葉片………………………………………………….14
圖2-6帶阻尼台的葉片………………………………………….15
圖2-7葉身直角座標系………………………………………….17
圖2-8三基準直角座標系……………………………………….18
圖3-1三次元量床型式………………………………………….25
圖3-2三次元量測儀的各式探頭………………………………26
圖3-3探頭的形式………………………..…………………….27
圖3-4機械式探頭……………………………………………….27
圖3-5觸發式探頭示意圖………………………………………28
圖3-6觸發式探頭內部構造……………………………………28
圖3-7掃描式探頭示意圖………………………………………29
圖3-8掃描式探頭……………………………………………….29
圖3-9雷射探頭………………………………………………….30
圖3-10不同直徑與形狀之探頭……………………………….31
圖3-11校正標準球……………………………………………..32
圖3-12標準球之校正……………………………..…………...32
圖3-13球體量測法……………………………..……………...34
圖3-14三次元量測法分類表…………………………………..35
圖3-15接觸式探頭………………………..…………………...36
圖3-16三角量測法……………………………………………..38
圖3-17量測路徑………………………………………………..43
圖3-18不規則邊界之量測路徑比較圖……………………….44
圖4-1最小角度濾除法…………………………………………47
圖4-2近似平面、球面濾除法…………………………………47
圖4-3平均平滑法……………………………………………….48
圖4-4中間值平滑法…………………………………………….48
圖4-5高斯平滑法……………………………………………….49
圖4-6三球對三球座標系統複合法……………………………51
圖4-7 3-2-1法之流程圖……………………………..………..52
圖4-8不同控制點建構的Bezier曲線……………………………..53
圖4-9 Bezier曲線的基底函數(degree，n=3)………….…………54
圖4-10 Bezier curve………………………………..………………..55
圖4-11移動一個控制點造成Bezier曲線全域變化………………56
圖4-12三階Bezier曲面和其控制點網格…………………………57
圖4-13控制點對曲線的局部影響…………………………………58
圖4-14階數對曲線的影響…………………………………………59
圖4-15控制點重複對曲線的影響…………………………………59
圖4-16由空間點繪製成曲面………………………………………61
圖4-17加權值(weight)對曲線的影響…………………………….63
圖4-18 Bezier函數、B-Spline函數和NURBS函數的關係…..64
圖4-19近似法建構之曲線…………………………………………67
圖4-20插補法建構之曲線…………………………………………68
圖4-21曲線連接之連續性條件…………………….……………70
圖5-1本研究使用之三次元量床………………………………..71
圖5-2實際量測流程……………………………………………….75
圖5-3半圓形工件…………………………………………………..76
圖5-4半圓工件之藍圖…………….………………………...77
圖5-5半圓形工件重建之實體模型………………………………..77
圖5-6原始點資料之曲面圖………………………………………78
圖5-7原始點資料曲面半徑分析圖………………………………79
圖5-8原始點資料曲面截面分析圖….……………………………79
圖5-9插補法建構曲線示意圖…………………………………..80
圖5-10插補法建構之曲線……………………..…………………..81
圖5-11插補法建構之曲面…………………………………………81
圖5-12插補法曲面半徑分析圖……………………………………82
圖5-13插補法曲面截面分析圖……………………………………82
圖5-14近似法建構曲線示意圖……………………………………84
圖5-15近似法建構之曲線…………………………………………84
圖5-16近似法建構之曲面…………………………………………85
圖5-17近似法曲面半徑分析圖……………………………………85
圖5-18近似法曲面截面分析圖……………………………………86
圖5-19手機背殼實體圖……………………………………………87
圖5-20手機背殼藍圖………………..………………………...87
圖5-21手機量測流程圖……………………………………………88
圖5-22手機原始點資料曲面圖…..…………………………..…..89
圖5-23曲面邊緣未加以修剪…………………..…………………90
圖5-24曲面邊界之建立…………………………..………………91
圖5-25修剪完成之曲面……………………………..……………91
圖5-26曲面之接合……………………………………..…………92
圖5-27接合面之縫隙………………………………………………93
圖5-28修補完後之曲面……………………………………………93
圖5-29重建完成之手機背殼模型………………..…..……….……94
圖5-30 葉片實體圖………………………………………………95
圖5-31 葉片量測流程圖…………………..………………………96
圖5-32近似法建構之升力面曲線………….…………………..97
圖5-33建構完成之升力面曲面…………….……..…………….98
圖5-34建構完成之壓力面曲面……………….………………….99
圖5-35 建構完成之安裝平台曲面……………..…..…….………100
圖5-36 尚未接合之葉片曲面………….…………..……..………101
圖5-37葉片前緣曲面之建構………………………..……………102
圖5-38葉片後緣曲面之建構……………………………..………102
圖5-39 建構完成之前後緣曲面…………………………………..103
圖5-40葉片與安裝平台之接合………..…………………………104
圖5-41完成葉片與安裝平台之接合………..…………….……...104
圖5-42葉片頂部之曲面建構…………………………..….…..….105
圖5-43葉片重建之實體模型…………………..………………….106
圖5-44 插補法曲面半徑分析……………………………..………..108
圖5-45近似法曲面半徑分析………………………………………108
圖5-46原始點資料曲面曲率分析………………………………...110
圖5-47近似法曲面曲率分析……………………………………..111
表目錄
表2-1榫頭的型式……………………………………………….12
表2-2葉冠的型式與作用…………….…………………………14
表2-3葉片其他構造圖……….…………………………………16
表3-1三次元量測儀接觸式與非接觸式之比較表.……..…….41
表5-1手機各曲面量測點數設定……….…...………….……...88
表5-2葉片各曲面量測點數設定…………………………………….95
表5-3 半圓形工件曲面半徑比較表………………………………107
表5-4 手機外殼曲面半徑誤差表…………………………………109

參考文獻
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