基于PROE复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文.doc

陕西理工学院毕业设计目 录1. 绪 论21.1. 课题研究的提出与意义21.1.1课题背景21.1.2课题意义31.2逆向工程特点和过程41.2.1逆向工程的特点41.3快速成型的技术原理、早期发展和特点功能61.3.1快速成型原理61.3.2快速成型工艺方法71.4软件介绍91.4.1 imageware软件简介91.4.2 pro/engineer软件逆向工程模块简介102.逆向工程一般步骤122.1实体三维数据的获得扫描122.2点云处理122.3曲面重构132.4实体建模142.5 本次设计逆向方案的确定152.6 本章小结163.建立乌龟曲面具体步骤173.1乌龟曲面逆向开发的流程173.1.1数据获取和处理173.1.2点云数据清理173.1.3数据转化导出通用格式183.2小平面特征183.2.1造型前准备193.2.2输入点云数据193.2.3点云数据处理203.2.4包络处理223.2.5小平面处理223.3重新造型283.3.1修改数学属性293.3.2修改曲面313.3.3曲面重新构造313.4实体化过程333.5快速成型制造343.6质量评估检测353.7本章小结364.总结36致 谢38参考文献391. 绪 论1.1. 课题研究的提出与意义1.1.1课题背景逆向工程技术是20世纪80年代初分别由3m公司、日本名古屋工业研究所以及美国uvp公司提出并研制开发成功的。在国外，逆向工程越来越受到学术界和工业界的重视，目前逆向工程已经发展成cad/cam系统中的一个相对独立的研究分支。在数字化测量技术方面，测量方法各种各样，测量设备和精度日益提高。由英国ferranti公司于20世纪50年代开始研制的三坐标测量机（coordinate measuring machine,cmm）,以及德国zeiss公司于1973年推出的umm500测量机已成为传统机械接触式测量方法的代表。在曲面重构技术方面，也不断取得突破性进步。在20世纪70年代，riesenfeld等人研究了非均匀b样条、versprille完成了有理b样条曲线曲面的具体应用。随后，piegl等人系统地探索了b样条曲线曲面的构造及其形状调整问题，并叙述了nurbs方法。20世纪初期开始对散乱数据插值进行研究，并在根据给定散乱数据点构造光滑曲面的理论和方法上取得了显著成就。1968年，shepard研究了非规则分布数据的二维差值函数，给出了最小二乘法距离加权插值算法。1986年，frain则提出了构造c连续三角bernstein-bezier曲面的方法。在商用软件方面，主要有美国imageware公司的surfacer10.5、imageware、英国delcam公司的copycad等。而且在pro/e、ug中也都发展出逆向模块。这些都对复杂曲面的反求工程提供合适的环境。在本课题中使用了imageware软件，和pro/e中的逆向模块。在我国，复杂曲面反求技术是 20 世纪 90 年代后期才迅速发展和推广的。目前，已有一些高等学校和企业正致力于这方面的研究。华中科技大学开发了三维彩色扫描系统3dlcs95，于1995年获得了国家专利。在浙江大学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学等也先后开展了复杂曲面反求工程 cad 问题的研究。浙江大学研制开发了基于三角曲面初始表达的复杂曲面反求工程软件 re-soft。此外，复杂曲面反求技术在我国企业也有一定的应用，如珠海模具中心、东风汽车公司、天津大学内燃机研究所、浙江大学和湖南大学等运用反求技术进行新产品的开发与研制。但在我国复杂曲面的逆向工程还处在初级阶段，所以不断进行研究具有重要意义。本课题就逆向工程的过程及其关键技术进行了研究。1.1.2课题意义 逆向工程在我国对逆向工程技术的研究起步较晚，主要局限于一些大学和科研院所，其中浙江大学李永青教授、清华大学姜元庚，刘佩军等的研究是领先全国的，但是也有理论重滞后生产实际，与国外如火如荼的研究热相比明显的差距。传统的产品外形开发多是重新建模，使得设计周期长，而采用逆向工程进行外形的再设计可以缩短设计和改进的周期。所以逆向工程的意义不仅仅在于探索并掌握支持产品全生命周期设计、制造的关键技术，更体现在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论和思想上的创新，这对于我国科技进步和制造业的发展具有十分重要的意义。“引进、消化、吸收、创新”是被证明了的新产品快速开发的有效途径。通过反求工程的分析可以全面理解原型的设计思路，发现其优点和不足，增加反求设计产品及工程的可靠性；通过反求工程技术，可以完成基于数字化模型的产品优化设计，以达到进一步改进原型设计的目的；采用反求工程技术可以避免自主研发中的不少弯路，从而大幅度缩短新产品的开发周期，适应市场的要求，为企业快速占领市场创造了条件。充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术，已成为世界各国普遍运用的方法和手段。逆向工程技术的应用对我国企业缩短与发达国家的差距具有特别重要的意义。逆向工程包含对产品的研究与发展,生产制造过程,管理和市场组成的完整系统的分析和研究.主要包括以下几个方面:探索原产品设计的指导思想、研究产品的结构设计、确定产品的造型、确定产品的维护与管理，而快速成型技术( 简称rp) 是20 世纪末发展起来的一项先进制造技术, 是在现代cad/ cam、激光、cnc、精密伺服驱动以及新材料等技术的基础上集成发展起来的。快速成型根据计算机上构造的三维模型, 能在很短时间内直接制造出产品样品, 是制造业企业新产品开发服务的一项重要技术。逆向工程与快速成型制造技术相结合将从根本上改变传统产品的开发设计和制造模式。解决了一些复杂形体的三维建模和难以加工出实物模型等问题,实现了产品的快速复制。本文着重研究了逆向工程的实现方法和其关键技术，对于企业及个人学习和提高逆向工程方面的知识有着重要意义。其中应用了pro/e中的小平面特征、重新造型、和造型模块，解决了复杂曲面的逆向中部分难点，对于企业有着广泛应用。1.2逆向工程特点和过程1.2.1逆向工程的特点 逆向工程是在已有实物的基础上进行的再设计，所以相对于传统的正向设计，具有以下特点。 1 .产品设计周期短 逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：样品数据产品。且向设计以已有实物为参照物，比较直观。在此基础上进行复制和改进设计，可以节省很多产品构思时间。2.产品设计更加成熟可靠 逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。因为有长期专门从事逆行工作的专业技术人员，所以工作效率很高。而且在已有成熟产品上进行改进设计，风险将会降到最低，设计出的产品也会更加稳定可靠。 3.产品设计成本更低逆向设计的产品是在原有产品的基础上进行改进的，较正向设计在测试的时间和频率可以适当减少，降低的成本可观。4. 产品的传承性更好参照已有的产品进行逆向设计，可以更好地继承原有产品的优点，改进其缺点，使设计的产品不断获得改进与提高。1.2.2逆向工程的过程逆向工程的实现过程中，主要包括以下几个关键步骤：1. 实物样件模型 确定被测对象是逆向工程的前提，表面良好的样件是实现逆向工程的第一步，样件的质量将直接影响后续反求的精度。在本次设计中，这个因素影响不大，故不作太多讨论。2实体点云的扫描点云数据的获得即通过特定的测量设备和测量方法获取产品的表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数据化。3数据预处理数据处理的工作主要包括：数据格式转化、点云的拼合、噪声过滤、特征提取、数据简化以及点云分块等。4模型重构这个环节是逆向工程中最关键、最复杂的环节。在本次设计中采用小平面特征、重新造型、曲面构造等方法。5产品加工快速成型是制造技术的一次飞跃，其包括光固化成型（sl）、粉末烧结成型（sls）、层叠法成型（lom）、熔积成型（fdm）等多达十余种具体的工艺方法。这个过程还包括对新建模型进行误差分析，其过程应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所存在测量误差、和后续的加工误差和设计中曲线拟合的误差等。逆向工程建模的一般流程图：图1. 1 逆向建模一般流程模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行点云数据处理建立需要的曲线建立曲面实体建模(如图1. 1所示)。1.3快速成型的技术原理、早期发展和特点功能1.3.1快速成型原理快速成型（也称快速原型）制造技术(rapid prototyping & manufacturing，rp&m)起始90年代，将计算机辅助设计(cad)、计算机辅助制造(cam)、计算机数字控制(cnc)、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成一体。依据计算机上构成的工件三维设计模型(图1. 2 (a)，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓(图1. 2 (b)。按照这些轮廓，成形装置选择性地固化-层层的液态树脂(或切割-层层的纸，烧结-层层的粉末材料，喷涂-层层的热熔材料或粘结剂等)， 形成各个截面轮廓(图1. 2 (c)并逐步顺序叠加成三维工件(图1. 2 (d)。图1. 2 快速成型制作过程快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法-部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法，用层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10-30的工时和20-35的成本，就能直接制造出产品样品或模具。1.3.2快速成型工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1. 3所示图1. 3 快速成型主要工艺方法及其分类1) 立体光固化成型法（sl, stereo-lithography）光固化法(sl)是以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成薄层截面。完成一个固化层后，工作台下降一个层厚，再描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。2) 选择性激光烧结法(sls, selective laser sintering)选择性激光烧结法(sls)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100-200)的非金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，反复进行此过程便获得需要的零件。3) 熔融沉积成型法(fdm, fused deposition modeling)这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。fdm工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.250.50mm。fdm的优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，工艺简洁。缺点是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。4) 三维印刷法(3dp,three dimensional printing )三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。3dp的成型过程与sls相似，只是将sls中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。1.4软件介绍1.4.1 imageware软件简介imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。拥有广大的用户群，如bmw、boeing、gm、chrysler、ford、toyota。imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3d检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。imageware提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短上市时间。用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。imageware12主要用来做逆向工程，它处理点云数据的流程遵循，点曲线曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作容易，对系统性能要求也不高。1) 点云处理功能a) 读入点云数据,将分离的点云对齐在一起（如果有需要）。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。imageware12软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。b) 对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，imageware12软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。c) 通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前规划可以避免以后走弯路。d) 根据需要创建点的网格或点的分段。imageware12软件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。2) 曲线创建功能 a) 判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。b) 创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。c) 诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。3) 曲面创建功能 a) 决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。根据产品设计需要来决定。b) 创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（fit free form），可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其他例如圆角等生成曲面。c) 诊断和修改曲面。比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。imageware12是著名的逆向工程软件，其广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。而且拥有以上专业的点云到曲面的造型功能，在进行逆向工程时是一个不错的工具。1.4.2 pro/engineer软件逆向工程模块简介pro/engineer软件由美国参数技术公司开发而成，是机械cad/cam软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工艺过程。设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有un平台windows，windows/nt，使它成为快速成型技术行业中市场占有率最高的cad软件。ptc公司开发的产品中，具有逆向功能的有：icem surf、pro/designer(cdrs)、pro/scantools、facet feature和restyle。1) icemsurf模块icemsurf是一个可以构造a级自由曲面的工具，它可以直接构造曲面（无须先构造曲线）并可对曲面质量进行动态评价，在汽车、摩托车外覆盖件，内饰件等自由曲面的构建过程中具有优势，但在重构自由曲面时对测量数据的完整性要求比较严格。icemsurf也可用于曲面的设计，但此曲面并非传统意义上的曲面模型。只是把点云数据转换成三角面片，通过三角面片来求解截面线、边界线和特征线，也可用来做rp或nc加工编程。2) pro/designer模块pro/designer是一个工业设计的造型模块，主要应用于概念设计，它可以方便地调整各条型线，从而得到设计师想要得到的结果。用于逆向工程时，可以用于少量测量数据点、仅有主要型线和边界线的情况，从这个意义上来说它不是一个完整的逆向，操作者反求的主要是产品的造型思想。3) pro/scantools模块pro/scantools是一个完全集成于pro/engineer实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，且可以用来构造非a级的自由曲面，一般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。pro/scantools是一个非参数化环境工具，设计人员可以专注设计模型的特定区域，使用不同的工具来获得期望的形状及曲面属性。在pro/scantools模块下，可以输入多种格式的扫描数据，并可对高密度的数据进行智能滤波。同时可根据选取的扫面数据创建型值曲线，并可在曲面上创建型值曲线。在pro/scantools模块下，也可以输入几何特征，如曲线、曲面或多面数据等。4) facet feature模块facet feature（小平面特征）是pro/engineer新增的建模工具，可以输入实物模型扫描点云数据或用三坐标测量机所测得的数据，可以纠正设备误差引起的点云数据错误，也可以对点云进行点云去噪、点云精简、平滑滤波、点云数据点修补、三角网格划分和三角平面处理等。5）restyle模块restyle（重新造型）是一个逆向工程环境，用来在多面（小三角形平面）数据的顶部重建或构造曲面cad模型。第41页 共39页2.逆向工程一般步骤2.1实体三维数据的获得扫描数据测量是逆向工程中后续处理的基础,因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。目前,模型数字化的方法主要分为非接触式测量和接触式测量两大类。其中,接触式测量是量头与实物表面有接触,常用的设备有:三坐标测量机、专用数字化仪等。这种方式成熟,但测量速度和精度比较低,而且不适合柔软实物的测量。的非接触式测量技术得到快速发展,如激光三角形测量与光栅法等具有精度高，适用范围广等特点。三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见图2. 1：图2. 1 三维扫描技术分类2.2点云处理通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云（point cloud）。扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤：1) 去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整；2) 数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面逆向造型和基于点的曲面拟合技术。3) 数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。4) 数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性，边界上的某些特征点（边界折拐点）必须予以保留，而不能被视为“坏点”。5) 点云的重定位整合，在重新装夹后多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的cad软件还都没有此项功能，需要手工“缝合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在cad系统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。2.3曲面重构 在整个逆向工程中，产品的三维几何模型cad重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的cad模型我们才能进行后续的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和产品的再设计等。曲面重建可以说是逆向工程的另一个核心及主要的目的，是依据扫描得到的点云数据恢复曲面形状建立cad数学模型的过程。在得到产品的数据后，以逆向工程软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生cad数据，快速制造或nc加工。目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以b-spline或nurbs曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角bezier曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。由于cad/cam的发展，各种自由曲面与自由曲面的理论应运而生，如bezier曲面、b-spline曲面、nurbs曲面、loft曲面(loft surface)、构造基准曲面(construct surface) 、旋转曲面(revolved surface) 、网格曲面(net surface)等。由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：一种是以近似的方式、另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面，以下分别就这两种方法做一简单介绍：1) 近似法(approximation)以近似法来重建曲面，首先必须先指定一个容许误差值(tolerance)，并在u、v方向建立控制点的起始数目，以最小平方法来拟合出(fit)一个曲面后将量测之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。以近似法来拟合曲面的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于量测时的噪声将有抑除的作用。所述，使用近似法时通常是点云数据点多且含噪声较大的情况下。2. 插补法(interpolation)以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。以插补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过量测之数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。因此对于扫描点数据而言，由于点数据量大以近似法来重建曲面将会较插补法节省控制点的储存空间，而且对于扫描时所渗入的误差有抑除的效果，然而，以近似法来建立曲面，却会耗费大量的计算机内存及较多时间在曲面的计算上，因此我们在建立曲面的过程中应配合所测量得的数据点数目及精度来决定曲面重建所使用的方法。2.4实体建模近年来，运用auto cad软件进行二维图形的测绘已经得到很大的普及。但是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。越来越多的三维设计软件如mdt, solid works、pro/e、ug等，都得到了广泛的应用。建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。2.5 本次设计逆向方案的确定目前逆向工程的解决方案主要有以下三大类：沿袭正向建模思路，从点到线再从线到面。这种方案一般处理过程如下：首先从数据点中提取原始物体的截面线、特征线或边界线，然后采用扫成、蒙皮、裁剪等一系列常规曲面构造方法，得到主要以nurbs取信表示的cad模型。这是一种直观的准逆向工程的思路，适合于简单易于构建的模型的创建。完全逆向工程的做法：即由点云数据直接反求cad模型。目前主要在复杂曲面方面得到较多应用。通常有两种表达方式：一种是用三角bezier曲面片来逼近模型，首先对点云数据三角化，然后根据三角形网格进行c2连续的三角bezier曲面片插值重建;另外一种是用nurbs曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求nurbs曲面的控制顶点。这种方法计算耗费大，对数据的噪声以及参数分割的好坏要求严格，主要使用于复杂曲面的重构方面。反向提取与正向设计结合：直接由点云数据提取特征参数，在导入pro/e等通用cad/cam系统进行正向设计。在本次逆向工程的设计中，分析艺术品乌龟模型后，发现其较少有规律可循，致使正向设计十分困难进行。因此，拟采用完全逆向工程的做法，考虑到精度和其他因素，将结合完全逆向中两种做法：首先用三角bezier曲面片来逼近模型，然后用nurbs曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求nurbs曲面的控制顶点进行逆向。综上所述：本次设计中，主要存在以下几部分：点云的预处理、点云处理、曲面重构、实体建模。在点云预处理阶段拟采用逆向软件imageware进行处理，主要完成去噪、整理、修整点云的作用;在点云处理阶段采用pro/e中小平面特征模块进行处理，主要在进一步深层次的处理点云的基础上，进行消除破洞、数据精简、对小平面进行包络处理、小调粗调、小平面精调和精整以及生成集管等工作。曲面重构阶段主要采用pro/e中重新造型模块，拟采用自动创建样条曲面的方式生成样条曲面，在在此基础上采用修改数学属性、修改曲面、曲面重新构造三种方式对曲面进行调整修正，以使本次的复杂曲面达到需要的精度和构思意图。实体建模部分主要完成对上一步修整调节后的曲面进行实体化过程。2.6 本章小结本章介绍了复杂曲面逆向工程的过程，其包括点云扫描、点云处理、曲面重构、实体建模。其中着介绍了点云处理的一般步骤和曲面重构的常见方法。也介绍了在此过程中应该注意的问题。在选择处理方法时应该注意根据所逆向的模型选择合理的处理手段，以达到事半功倍的效果。3.建立乌龟曲面具体步骤3.1乌龟曲面逆向开发的流程模型分析扫描方案确定进行扫描点云处理点云数据过滤数据转换pro/e小平面特征处理重新造型特征处理曲面完成曲面实体化快速成型3.1.1数据获取和处理扫描过程一般采用三维扫描仪，需在扫描时需要喷上显影剂，进行多方位扫描，扫描后一般采用surfacer打开文件对点云数据进行拼接。这时可以对这些局部进行补充，即对这些部分进行局部扫描，将点云补充完整。在imageware13中打开后得到如图图3.1 导入后的原始点云3.1.2点云数据清理进行点数据处理是进行曲面重构的第一步。在逆向工程软件imageware13中打开。该点云数据中存在很多的不需要的点，为了后面处理方便首先需要把点云中明显的不需要的点删除掉。使用 修改抽取圈选点 命令圈选不需要的数据，以及明显的噪声点。在去掉明显不需要的点数据后，数据量还是比较庞大，而且分布不均匀，为了使点的分布比较合理，使用命令 修改数据简化距离采样 进行点云数据过滤。过滤如图3. 1所示。图3. 1 过滤后的点云数据3.1.3数据转化导出通用格式imageware类型的文件不能直接在其他三维造型软件中打开。为了解决这一问题，国际上出现了一种描述三维几何的标准格式igs格式。以这种格式导出的三维模型就可以在其他三维设计软件中继续修改了。为了后期的三维模型可以在其他的三维软件中打开，在imageware中把精简数据后的文件另存为扩展名为igs的文件。3.2小平面特征小平面（facet）特征是pro/engineer中一个主要的点云处理工具，它所针对的处理对象通常是采用激光扫描得到的密集点云；密集点云可以在小平面特征中经过去杂、降噪和取样、补孔和清理等步骤的处理最后生成适合于下一步造型参考的小平面。小平面特征的引入，使得pro/engineer对于外部的逆向处理软件的依赖大为降低，借助小平面特征，wildfire在根据密集点云逆向造型的应用大为拓宽。3.2.1造型前准备打开pro/e，修改工作目录，新建一个零件，键入文件名，取消选中“使用缺省模版”复选框，选择mmns_part_solid选项，如图3. 2所示。 图3. 2设置新文件选项3.2.2输入点云数据单击菜单栏中“插入”/“小平面特征”命令，在弹出的“打开”对话框中选择并打开要输入的点云数据，如图3. 3所示。 图3. 3输入点云数据 图3. 4输入选项打开后，在弹出的如图3. 3所示的“输入选项”对话框中之指定坐标系，直接单击对话框中的“确定”按钮以默认方式将点云数据调入小平面特征工作区域。3.2.3点云数据处理针对整个点云数据，单击工具栏中的“删除界外值”按钮，在弹出的 图3. 5所示的对话框中输入灵敏度，单击“确定”按钮。系统将根据设定的灵敏度对点云数据进行处理并删除界外值。 图3. 5灵敏度设置 图3. 6去除噪音单击工具栏中的“去除噪声”按钮，在弹出的 图3. 5所示的对话框中选择降噪模式，此命令将剔除点云中的粗大噪声点。单击工具栏中的“填充”按钮，在选定区域对点云进行填充处理，即对点云有破洞的地方进行修补。单击工具栏中的“示例”按钮，按照一定规则对点云数据进行精简处理，删除冗余数。选择“按曲率抽样”选项，设定“百分比”为80，如图3. 7所示。图3. 7 “示例”对话框 数据保存：单击工具栏中的“保存”按钮，在弹出的的对话框中输入文件名，选定保存格式，对处理过的点云数据进行保存处理，以方便后续调用。对点云的处理完成后，就可以进入包络阶段。从表面看包络阶段和小平面阶段并没有什么区别，都是由三角面所组成。区别在于：包络阶段包含了所有原始点云的内部结构，也就是说在包络阶段虽然点云没有显示出来，但在系统内部还是保存了这些点云的数据结构；而当进入小平面阶段就会把原始的点云删掉。3.2.4包络处理单击工具栏的“包络”按钮，系统将对处理过的数据点进行三角平面处理。结果如图3. 8所示。图3. 8包络处理生成的三角面1) 小平面粗调：此阶段可运用工具栏中的压浅、压深、穿透、去除腹板等命令对小平面进行粗调处理。粗调可快速对三角面模型进行修改，但精度不高。2) 小平面精整：粗调后，单击工具栏中的“精调”按钮，使小平面进入精整阶段。与粗调阶段相对应，小平面精整阶段的自动化程度较低，但能提供更为精细的三角面。3.2.5小平面处理精调后，单击工具栏中的“多面体面”按钮，即可进入小平面处理阶段。选中需要删除的小平面，单击工具栏中的“删除”按钮，即可删除多余的小平面。单击工具栏中的“填充”按钮，在弹出的如图3. 9所示的对话框中进行设置，选中模型中的破洞，填充后效果如图3. 10所示。图3. 9填充设置图3. 10破洞填充单击工具栏按钮旁边的下三角弹出如图3. 11所示的按钮。单击“反向边”按钮后，单击小三角面的一条边，则该三角面会反向重构，如图3. 11所示。图3. 11三角面操作按钮图3. 12反向边操作单击工具栏中的“添加小平面”按钮，依次单击小平面的三个顶点，系统会以选中的三点为顶点创建一个三角面，效果如图3. 13所示。图3. 13创建三角面单击工具栏中的“整理”按钮，在弹出的如图3. 14所示的对话框中进行设置，系统将根据所选模式对小平面进行整理，处理效果如图3. 15所示。图3. 14 “整理对话框”图3. 15 “自由生成”模式整理后单击工具栏中的“分样”按钮，在弹出的对话框中设置百分比，如图3. 16所示.确定后小平面会按百分比保留。图3. 16小平面分样单击工具栏中的“松弛”按钮，在弹出的对话框中设置松弛参数，如图3. 17所示。系统会按照设置的参数对小平面的特征进行平滑处理，效果如图3. 17所示。 图3. 17设置松弛参数 图3. 18松弛平滑后单击工具栏中的“精整”按钮，在弹出的对话框中进行设置，则系统会按照设置成倍增加并细化小平面，如图3. 19所示，小平面数量大约变为原来的3倍。图3. 19 “精整”对话框最后一步，单击工具栏“集束”按钮，对整个小平面进行集束处理。单击“确定”按钮，完成所有小平面操作。必须先做一下集管处理,使其成为一个整体点云。让软件知道你这个小平面表示的点云是一体的集管处理的结果会清理掉初始点云里的杂点(也叫燥声),游历于整体之外的小块分体点云使点云清洁,干净,一体化,那样就能进到重新造型模块里进行后续操作了。小平面特征完成后得到如图4.22所示：图3.22经过小平面特征处理后的乌龟模型3.3重新造型单击“插入”/“重新造型”命令,进入重新造型工作区域。单击工具栏中的“自动曲面工具”按钮，选择“参照”按钮，在弹出的菜单中选中“整个小平面特征”单选按钮，即在整个模型上进行曲面划分，如下图所示： 图 3.23自动曲面菜单 图3.24选择“整个小平面特征”单击“定义曲面片结构”按钮，设置添加曲面片数为300，如下图所示。即在整个三角平面构成的乌龟模型的表面分布300块曲面块，来完全分割该模型。此处选择面片数为300，是因为数目太少不能满足该曲面的复杂程度，会导致部分曲面特征无法体现；数目太多则造成所分割的曲面块过于琐碎。单击“参数”，设置粒度为“-1”，字符级为“1”。单击“约束”，设置边界连接方式为“相切”。单击确定按钮，系统会根据模型的曲率以及构成特性在该模型上进行规划，使300个小平面合理的分布在模型表面，在单击“创建曲面”按钮 设置解析度为8，单击命令单击按钮，系统会根据上一步骤的规划创建曲面，创建后的各个曲面块相互相切连接，单击“完成”按钮。如下图所示：图3.25 重新造型处理中的模型单击工具栏中的“完成”按钮，完成重新造型。右键单击模型树中“小平面特征”，在弹出的菜单中选中“隐藏”选项，以此减轻显示负担。曲面调整处理是复杂曲面逆向工程的重中之重，在“重新造型”模块一般采用以下几种方法进行调整修正：3.3.1修改数学属性右击模型树中“重新造型”，在弹出的对话框中选中“编辑定义”选项 ，重新进入重新造型阶段，对曲面进行修改调整操作，选中造型不好的曲面块，长按右键在弹出的菜单中选中“数学属性”选项，在弹出的对话框中调整设置参数。调整后进行预览，满意后单击“完成”按钮。用相同的方法对其他需要调整的曲面进行微调。（注：样条曲面是由u、v两个方向的曲线架构而成的，称之为骨架线，其数量和形状直接影响影曲面的几何特征，可通过其数量的改变对曲面进行微调。）图3.26 修改曲面块的数学属性 图3.27 修改数学属性前后对比3.3.2修改曲面如果经过上述处理后，仍有曲面有皱褶，或者不符合设计要求，则使用修改曲面方式进行处理。选中要修改的曲面，长按右键，在弹开的对话框内选择“修改形状”选项，在对话框内选择“法向”单选按钮，鼠标选中曲面的一个控制点并拖动到合适的位置使 之满足要求。（样条曲面的形状由控制点和节点不同，节点是骨架曲线的组成点，曲面必经过节点，而控制点控制曲线的形状，曲面不一定经过控制点。控制点大动，骨架线曲线小变，曲面形状微变）。 图3.28 修改曲面前后对比3.3.3曲面重新构造此处的重新构造指的是小曲面块的重新构造。即将不满的或者造型有误的曲面块删除后重新构造，以满足要求。选中要删除的问题曲面，单击右键在弹出的菜单栏选择“删除”选项即可。单击工具栏中的“插入投影到小平面特征的曲线”按钮，对删除的曲面块进行重新构造边界线。然后，单击工具栏中的“插入由四条曲线形成边界的矩形曲面”按钮，创建由四条曲线构成的曲面。注意：创建时应该先选择一条边，再按住ctrl键选择其对边曲线，在依次选中其他两边，即可创建曲面。为了使新创建的曲面与相邻曲面光滑过渡，需对其约束进行设置。选中曲面，长按鼠标右键，在弹出的菜单栏选择“显示约束”选项，设置边界约束为“相切对称”，使该曲面与相邻曲面在该边界上互为相切。用同样的方法处理所有需要重新构造的曲面之后，单击工具栏中完成“按钮”。3.4实体化过程在模型树中右击“小平面特征”，在弹出的菜单中选择“隐藏”选项。单击菜单栏中的“视图”/“显示设置”/“模型显示”命令，弹出的对话框如下图所示：在“着色”选项组中，取消选中“带基准曲线选项”前面的勾选项。单击模型树顶部选项，选中模型后，单击菜单栏中的“编辑”/“实体化”选中模型表面作为参照，单击单击工具栏中完成“按钮”。即可完成实体化过程。完成后单击模型树顶部以选中实体化后的模型，单击打开外观库，选择红色为外表色得到最后的模型如图所示： 图3.29实体化后的乌龟模型单击“视图”/“视图管理器”单击视图管理器“剖面”选项组，单击新建，输入“新建剖面名称”，单击鼠标中键，选中菜单管理器“平面”和“单一”选项后，单击完成。选取过模型中间的平面dtm1为参照面。单击“视图管理器”/“剖面”/“选项”/“设置为活动”即可得到模型的剖视图如下，确定模型实体化成功。图3.30剖切后的乌龟模型3.5快速成型制造在新产品零件的三维cad模型生成后，常常通过快速成形技术制造其原型。快速成形技术是8o年代迅速发展起来的新型综合制造技术。rp技术可以依据计算机上构成的产品三维cad设计模型，对其进行分层切片，处理成一系列薄截面的轮廓。根据各截面层形状的二维数据，由快速成型机将材料逐层添加堆积，最终生成三维实体模型或零件。由于rp技术具有的技术优势，使它特别适合于新产品的原型制造，有利于新产品的快速开发和制造。叠层结束后得到的零件原型在力学和机械物理性能上往往不能直接满足需要，仍然需要进一步处理，包括余料去除，以及防水、防潮、加固和使其表面光滑等后置处理，以满足快速原型表面质量、尺寸稳定性、精度和强度等方面的要求。利用pro/e软件将乌龟模型三维cad模型曲面生成后实体化，转换为快速成型机的标准文件stl格式，然后导入快速成型机后即可。成型件制成之后，还要按照一定步骤进行后处理，才能得到最终完美的样品，包括固化、表面清洁、打磨抛光、喷漆上色等。逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成iges或stl数据，据此就能进行快速成型或cnc数控加工。iges数据可传给一般的cad系统（如：ug、mdt等），进行进一步修改和再设计。另外，也可传给一些cam系统（如：ug、mastercam、smart-cam等），做刀具路径设定，产生数控代码，由cnc机床将实体加工出来。stl数据经曲面断层处理后，可以直接由激光快速成型方式将实体制作出来.3.6质量评估检测逆向工程处理的是实物原型它本身具有固定的形状、拓扑关系及相应的参数。这种体现在实物原型上的参数称为实物原型参数。实物原型在被制造时，要依据图纸上所标注的参数。这种体现在制造实物原型的设计图纸上的参数称为原始设计参数，其是制造实物原型的原始参数。相对原始设计参数，实物原型本身存在误差：一是制造实物原型所产生的制造误差ai制，二是原型在使用中的磨损和破损误差ai损。在对实物原型测量时，会产生测量误差ai测。在再设计阶段，逆向工程要完成从测量规划制订至cad三维模型重构(在此，再设计环节暂不考虑)。这种cad模型自然是具有各种几何参数。这些参数是逆向工程依据测量点数据经拟合运算得到并体现在重构的cad模型上，故称其为重构参数。在重构的计算中，不可避免地会产生误差，记为计算误差ai计。在制造阶段，逆向工程依据重构参数制造产品，产生制造误差ao造。综上所述，逆向工程误差a可表示为：a逆f(ai制，ai损，ai计，ai测，ao造)。实物原型是依据原始设计参数制造的，还原产品是依据重构参数制造的。从上面分析可知，原始设计参数与重构参数存在误差。因此、将依据重构参数还原制造的产品置于实物原型的工作环境下，有可能会达不到工作性能要求。通常逆向工程不去直接测量实物原型参数。故实物原型参数是未知的，自然原始设计数也是未知的。重构参数是逆向工程对实物原型复现的参数。为了提高逆向工程还原精度，提高测量精度及拟合计算精度，可以减小测量误差ai测和计算误差ai计，但仍无法减少制造误差ai制，ao造和磨损误差ai损，其结果只是使重构参数，尽可能接近实物原型参数，仍无法还原原始设计参数。在某些情况下，单从复制原型这一角度出发，为满足逆向工程还原产品的工作性能要求，需用原始设计参数进行还原制造。这就要求逆向工程在前述的再设计阶段能还原实物原型的原始设计参数。为此需综合运用人工智能技术、数理统计理论、精度设计等多学科技术知识对实物原型的磨损及制造误差等进行评估分析，在此基础上对重构参数进行修正再设计，得到接近原始设计参数的再设计参数。上述思想，给出了以精度还原为目标对逆向工程的质量