AudiR8车身外形反求设计毕业设计.doc

本科毕业设计（论文） AudiR8 车身外形反求设计车身外形反求设计 学学 院院 机电工程学院机电工程学院 专专 业业 机械设计制造及其自动化机械设计制造及其自动化 （机械电子方向）（机械电子方向） 年级班别年级班别 2006 级级 5 班班 学学 号号 3106000202 姓姓 名名 陈陈 晨晨 指导教师指导教师 熊汉伟熊汉伟 2010 年年 5 月月AudiAudi R8R8 车身外形反求设计车身外形反求设计 陈陈 晨晨 机电工程学院机电工程学院摘摘 要要逆向工程是测量技术,数据处理技术,图形处理技术和加工技术相结合的一门综合性技术。随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术的逐渐成熟,逆向工程近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用。本文从阐述逆向工程的概念、关键技术、工作原理、研究内容、应用范围和研究与发展入手，加以介绍逆向工程的相关软件和硬件，来描述整个反求行业的大概情况。接着详细说明作者本人从 Imageware 到 UG 的设计过程。关键词：关键词：逆向工程，扫描，勾勒特征线，建模AbstractReverse engineering is a comprehensive technology which combine measuring technique, data processing technology, graphics processing technology and processing technology. With the rapid development of computer technology and themature of the unit technology gradually, reverse engineering has been applied into the development and design of new product these years.This article describe the basic situation of the whole reverse engineering industry from concept of reverse engineering, the key technology, working principle, researching content, scope of application and development,and introduce the software and hardware of reverse engineering.And then detailed instructions the design process from Imageware to UG.Key Words：Reverse Engineering, scanning, Outline feature line, modeling目目 录录1 1 绪论绪论 .7 71.11.1 概述概述.71.21.2 本文的主要内容本文的主要内容.72 2 逆向工程简介逆向工程简介 .8 82.12.1 逆向工程概念逆向工程概念.82.22.2 逆向工程的关键技术逆向工程的关键技术.82.2.1 形状表面数字化技术.82.2.2 测量处理技术.82.2.3 曲面重建技术.82.2.4 模型分析和评价技术.82.2.5 集成的逆向工程技术.92.32.3 逆向工程的工作原理逆向工程的工作原理.92.42.4 逆向工程的研究内容逆向工程的研究内容.92.52.5 逆向工程的应用范围逆向工程的应用范围.112.62.6 逆向工程的研究与发展逆向工程的研究与发展.123 3 逆向工程硬件系统简介逆向工程硬件系统简介 .14143.13.1 实物数据获取实物数据获取.143.23.2 德国德国 CometComet 三维激光测量机简介三维激光测量机简介.143.2.1 Comet Variozoom 测量原理.153.2.2 Comet 光学测量流程.163.3 COMET Variozoom 的特点.174 4 逆向工程软件简介逆向工程软件简介 .19194.14.1 UGUG 简介简介.194.1.1 UG 的特点：.204.24.2 ImagewareImageware 简介简介.214.34.3 其他反求软件简介其他反求软件简介.244.3.1、Geomagic Studio.244.3.2 CopyCAD.244.3.3 RapidForm.265 5 AUDIR8AUDIR8 反求设计过程反求设计过程 .28285.15.1 ImagewareImageware 部分部分.285.1.1 概述.285.1.2 点云处理过程.285.1.3 勾勒特征线.305.25.2 UGUG 部分部分.395.2.1 概述.395.2.2 在 UG 中生成外形轮廓具体步骤.395.35.3 误差分析误差分析.47总总 结结 .5050参参 考考 文文 献献 .5151致致 谢谢 .52521 1 绪论绪论1.11.1 概述概述反求工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的设计，这就是反求工程的含义，特别强调再创造是反求的灵魂。反求工程这一术语起源于 20 世纪 60 年代,但对它从工程的广泛性去研究,从反求的科学性进行深化还是从 20 世纪 90 年代初刚刚开始.反求工程类似于反向推理,属于逆向思维体系.它以社会方法学为指导,以现代设计理论,方法,技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维,对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,在工程设计领域,它具有独特的内涵,可以说它是对设计的设计。 反求工程技术是测量技术,数据处理技术,图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技术.随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术是逐渐成熟,近年来在新产品设计开发中愈来愈多的被得到应用,因为在产品开发过程中需要以实物作为设计依据参考模型或作为最终验证依据时尤其需要应用该项技术,所以在汽车,摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计,家电产品外形设计,艺术品复制中对反求工程技术的应用需求尤为迫切。 所谓反求工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据,输入专门的数据处理软件或带有数据处理能力的三维 CAD 软件进行处理和三维重构,在计算机上复现实物样件的几何形状,并在此基础上进行原样复制,修改或重设计,该方法主要用于对难以精确表达的曲面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。1.21.2 本文的主要内容本文的主要内容本文第二章叙述逆向工程的相关概念；第三章介绍了逆向工程使用的硬件设备及其原理、工作流程；第四章主要针对逆向工程软件作简介，包括 UG 和四大逆向工程软件；在第五章中，通过一些插图说明，详细介绍了 Audi R8 的车身数模反求设计的具体过程，主要包括 imageware 中的曲线特征提取、UG 曲面建模、误差分析等。最后一章是设计总结以及个人对逆向工程未来发展的看法。2 2 逆向工程简介逆向工程简介2.12.1 逆向工程概念逆向工程概念逆向工程技术，也称逆向工程、反向工程、反求工程等，是在没有产品原始样图、文档的情况下，对产品实物进行测量和工程分析，经 CAD/CAM/CAE 进行数据处理，重构几何模型，并生成数控程序，由机床重新加工复制出产品的过程。它有别于传统的由图样制造产品的顺向思维模式，这项新技术一经问世，立即受到了各国和学术界的高度重视。逆向工程是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的.正向工程是泛指常规的从概念或草图设计到具体模型设计再到成品的生产制造过程。反向工程常指从现有模型、产品样件或实物模型等经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型，如利用三坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构，或者直接将这些离散数据转化成 NC 程序进行数控加工而获取成品的过程，是对已有产品的再设计、再创造的过程。2.22.2 逆向工程的关键技术逆向工程的关键技术从上面的定义可以看出逆向工程技术的研究对象为产品实物，其关键技术包括形状表面数字化、三维模型重建、数字化制造、逆向工程集成系统等。2.2.1 形状表面数字化技术零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获零件表面离散点的几何坐标数据，在这个基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进、制造。所以作为逆向工程的第一步，如何高效、高精度的获得实物表面数据成为了逆向工程实现的基础和关键技术之一， 现有的数据采集方法主要分为三大类：接触式测量、非接触式测量和逐层测量技术。2.2.2 测量处理技术CAD 模型重建之前应进行数据预处理，目的是获得完整准确的测量数据以方便以后的造型工作其主要的处理工作包括数据格式的转换、数据平滑及过滤、数据精简、数据分割、多次测量数据及图像的数据定位对齐和对称零件的对称基准重建。2.2.3 曲面重建技术根据曲面的数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型，称为曲面重构。根据曲面重构方法的不同，可以分为：函数曲面拟合法、矩形域参数曲面拟合法、三角曲面拟合法、神经网络拟合法。2.2.4 模型分析和评价技术模型的分析主要指的是对模型进行结构工程分析，包括有限元分析、注塑分析和运动模拟。模型的评价主要指的是对模型的精度进行评价，一般来说是在造型的数据上取一个参考点，以参考点到评价曲面的偏差为目标函数，对模型的精度进行评价。逆向工程的一个很重要的特点就是进行模型的评价，我们实际制造中生产的产品到底是不是能符合设计的要求，这全靠最后的模型检测和评价。2.2.5 集成的逆向工程技术重建实物的 CAD 模型的目的是为后续应用提供几何持，逆向工程技术往往和其他先进制造技术相结合应用于产品设计和制造，如 80 年代初发展起来的快速原型制造技术、基于数字及网络的快速模具设计及制造技术等，通常需要逆向工程技术的支持。由于逆向工程技术和计算机辅助测(CAT)、辅助设计(CAD)，辅助制造(CAM)、以及计算机辅助工程分析(CAE)密切相关，因此其成功应用的关键不仅仅在于各计算机辅助子模块和系统能较好地独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块和系统的计算机集成程度。可以说逆向工程是 CAT/CAD/CAM/CAE 等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。2.32.3 逆向工程的逆向工程的工作原理工作原理反求技术是利用电子仪器去收集物体表面的原始数据,之后再使用软件，计算出采集数据的空间坐标，并得到对应的颜色。扫描仪是对物体作全方位的扫描、然后整理数据、三维造型、格式转换、输出结果。整个操作过程，可以分为四个步骤： 1、物体数据化：普遍采用三坐标测量机或激光扫描仪来采集物体表面的空间坐标值2、从采集的数据中分析物体的几何特征：依据数据的属性，进行分割、再采用几何特征和识别方法来分析物体的设计及加工特征3、物体三维模型重建：利用 CAD 软件，把分割后的三维数据作表面模型的拟合，得出实物的三维模型4、检验、修正三维模型2.42.4 逆向工程的研究内容逆向工程的研究内容反求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： 1、探索原产品设计的指导思想握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提。如微型汽车的消费群体是普通百姓，其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下，尽可能降低成本，所以结构上通常是较简化的。2、探索原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的，而满足同样要求的产品，可能有多种不同的形式，所以产品的功能目标是产品设计的核心问题。产品的功能概括而论是能量，物料信号的转换。例如，一般动力机构的功能通常是能量转换，工作机通常是物料转换，仪器仪表通常是信号转换。不同的功能目标，可引出不同的原理方案。设计一个夹紧装置时，把功能目标定在机械手段上，则可能设计出斜楔夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、定心夹紧、联动夹紧等原理方案；如把功能目标确定扩大，则可设计出液动、气动、电磁夹紧等原理方案。探索原产品原理方案的设计，可以了解功能目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大帮助。3、研究产品的结构设计产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标的保证，对产品的性能、工作能力、经济性、寿命和可靠性有着密切关系。4、确定产品的零部件形体尺寸分解产品实物，由外至内，由部件至零件，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸，并用图样及技术文件方式表达出来，它是反求设计中工作量很大的一部分工作。为更好地进行形体尺寸的分析与测绘，应总结箱体类、轴类、盘套类、齿轮、弹簧、曲线曲面及其它特殊形体的测量方法，并合理标注尺寸。5、确定产品中零件的精度确定零件的精度，即公差设计，是反求设计中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺寸，而不能获得几何精度的分配。精度是衡量反求对象性能的重要指标，是评价反求设计产品质量的主要技术参数之一。科学合理地进行精度分配，对提高产品的装配精度和力学性能至关重要。6、确定产品中零件的材料通过零件的外观比较、重量测量、力学性能测定、化学分析、光谱分析、金相分析等试验方法，对材料的物理性能、化学成分、热处理等情况进行全面鉴定。在此基础上，遵循立足国内的方针、考虑资源及成本、选择合用的国产材料、或参照同类产品的材料牌号、选择满足力学性能及化学性能的国有材料代用。7、确定产品的工作性能针对产品的工作特点机器主要性能进行试验测定，反计算和深入地分析，了解产品的设计准则和设计规范，并提出改进措施。8、确定产品的造型对产品的外形构型、色彩设计等进行分析，从美学原则、顾客需求心理、商品价值等角度进行构型设计和色彩设计。9、确定产品的维护与管理分析产品的维护和管理方式，了解重要零部件及易损零部件，有助于维修及设计的改进和创新。2.52.5 逆向工程的应用范围逆向工程的应用范围随着逆向工程技术的不断发展，逆向工程已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，被广泛应用于家用电器、汽车、摩托车、飞机、模具等产品的改型与创新设计，成为消化、吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要手段。具体说有以下几方面的应用：1、新零件的设计在工业领域中，有些复杂产品或者零件很难用一个确定的设计概念来表述。但为了与客户交流，以获得优化的设计，设计者常常通过创建基于功能和分析需要的一个物理模型，来进行复杂或重要零部件的设计，然后用逆向工程方法从物理模型构造出CAD 模型，在该模型的基础上可以作进一步的修改，实现产品的改型或仿型设计。2、已有零件的复制在缺乏二维设计图样或者原始设计参数情况下，需要将食物零件转化为数字化模型，从而通过逆向工程方法对零件进行复制，以再现原产品或零件的设计意图，并可利用现有的计算机辅助分析（CAE） 、计算机辅助制造（CAM）等先进技术，进行产品创新设计。3、损坏或磨损零件的还原 当零件损坏或磨损时，可以直接采用逆向工程方法重构该零件 CAD 模型，对损坏的零件表面进行还原或修补，从而可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长其使用寿命。4、模型精度的提高设计者基于功能和美学的需要对产品进行概念化设计，然后使用一些软材料，例如木材、石膏等将设计模型制作成实物模型，在这个过程中由于对初始模型改动得非常大，没有必要花费大量的时间使物理模型的精度非常高，可以采用逆向工程的方法进行模型制造、修改和精练，提高模型的精度，直到满足各种要求。5、数字化模型的检测对加工后的零件进行扫描测量，再利用逆向工程方法构造出 CAD 模型，通过将该模型与原设计的 CAD 模型在计算机上进行数据比较，可以检测制造误差，提高检测精度。6、特殊领域产品的复制如艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、关节等的复制，具有个人特征的太空服、头盔、假肢的制造时需要首先建立人体的集合模型，这些情况下都必须从实物模型出发得到产品数字化模型。综上所述，逆向工程技术是一种先进产品的实物、样件、软件作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，已经得到了广泛的应用。它不仅可以消化和吸收原始模型，通过修改和再设计制造出新的产品，还可以使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计和制造的过程中充分利用CAD、CAM、CAE、RPM、PDM 及 CIMS 等先进制造及其管理技术。逆向工程技术是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，具有广阔的市场前景。2.62.6 逆向工程的研究与发展逆向工程的研究与发展1980 年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。1990 年初期包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工件取得产品外型。再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回来的时间取得距离。逆向工程软件部分品牌包括 Imageware、ICEM、CopyCAD、Rapid Form 等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用 CATIA 等CAD/CAM 高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。 逆向工程在台湾的发展轨迹持续在进行，工研院曾写过一套逆向工程软件，学术界不少研究团队也将逆向工程领域作为研究主题，开发出具不同功能的系统软件，但是最后这些软件都没有真正落实到产业界应用。工研院的团队后来也结束逆向工程研究，转而开发其它主题。原有的研发成果后继无人，殊为可惜。 1998 年，NEWPOWER 启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有源代码转变成设计， 如果需要的话，进一步转化成产品需求规约。这恰恰与类似于 V 模型的标准开发过程模型相逆。这样一来，客户就可以容易地维护他们的产品（需求，设计，源代码等等） ，而不需要想以前那样，每次改动产品都需要直接修改源代码。 是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。目前，逆向工程，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。通俗说，从某种意义上说，逆向工程就是仿造。这里的前提是默认我们传统的设计制造为“正向工程（当然，没有这种说法） ”。 软件的逆向工程是分析程序，力图在比源代码更高抽象层次上建立程序的表示过程，逆向工程是设计的恢复过程。逆向工程工具可以从已存在的程序中抽取数据结构、体系结构和程序设计信息。3 3 逆向工程硬件系统简介逆向工程硬件系统简介3.13.1 实物数据获取实物数据获取数据的获取其实是一个将产品表面特征进行数字化的过程。它通过专门的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转化成离散的几何点坐标数据，也就是点云数据。只有得到高质量的点云数据才能高效、高精度的还原产品表面的各种复杂的曲面。因此，采用何种测量方法才能获取高质量的点云数据一直是反求工程的重点和难点。目前反求工程的测量方法基本上可以分成两种，即接触式测量法和非接触式测量法。在接触式测量法中，最常用的设备是三坐标测量机（Coordinate Meauring Machine，CMM） 。其测量原理是：将被测物体放置于三坐标测量机的测量平台上，移动探针通过点对点边界面扫描的方法获取被测物体各测点的坐标位置，根据被测点的空间坐标值，经过计算机的处理，还原出可显示被测物外形轮廓的点云文件。非接触式测量法又可分为激光三角法、结构光法、工业 CT 法、核磁共振（MRI）法、超声波法等。各种方法的原理各不相同。目前结构光法被认为是三维形状测量中最好的方法之一。其主要的优点是测量方位大、稳定、速度快、成本低等。其原理是把一定模式的光源（如光栅）投影到被测件的表面，受到被测物体表面的高度限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过调整变形光栅影线，就可以得到被测物体表面的整幅图像上像素的三位坐标。3.23.2 德国德国 CometComet 三维激光测量机简介三维激光测量机简介德国 Steinbichler 公司是一家专业生产及设计测量设备及测量系统的公司，其产品种类繁多，用途广泛，从单机到大型专用测量系统；从牙医到工业设计；从汽车到飞机测量；从静态到动态；从应力分析到运动分析，直至虚拟人物制作都得到了广泛应用。Comet C200/400VZ 由该公司出品，它综合了光学三角法、条纹投影法、相位移动法等原理对实物做高速、高精度、非接触测量，广泛应用于反求工程及工业检测等领域。Comet 扫描系统由一个数码摄像机和一个旋转光栅组成，一次可采集150200mm 或 295390mm 范围内点云数据，精度0.04mm。对大型物体，可在 Aicon 数字摄影测量系统辅助下，通过多幅深度图像拼接，完成测量。对小件物体，换用变焦镜头进行细部测量。 图 3.1 Comet 光学扫描系统 图 3.2 Aicon 数字摄影测量系统旋转光栅摄像机实物图 3.3 光栅投影测量示意图3.2.1 Comet Variozoom 测量原理这项技术的物理学基础是局部三角形测量法。在这里，通过白光源将一系列光栅化光束投射到待测量的物体上，再用数码摄像机将这些投射到物体表面上的光栅拍下来。通过旋转光栅，投影的模式也会随之变化。因此，对每一个在数码摄像机上获得的图片，都会分配有一个确定的编码。进而，对物体每一个点的三维位置，可以从目标镜头 K1 和光栅投影中心 K2 之间的距离 b 及三角法中的角 和 计算得到，如图3.2 所示。图 3.4 三角形测量原理待测实物光栅投影获取2D图像相位包裹相位展开2.5D深度图像配准对齐3D点云数据图像分析与处理 图 3.5 Comet 测量系统原理图3.2.2 Comet 光学测量流程图 3.6 Comet 光学测量流程图3.3 COMET Variozoom 的特点COMET Variozoom 的特点有如下 7 项：1、数据质量和点云密度高只利用一台照相机便可以将复杂曲面结构的阴影效果降到最小，而且也消除了因在同一个系统中使用两台照相机工作所可能引起的同步误差，保证每个测量面获得高质量的三维数据。使用一台一次能拍摄 200 万个点的高效能照相机更有助于取得实效高质量的数据。利用专有的测量方法，测量精度可达到0.04mm。2、多种解像度及变焦功能由于在 COMET VarioZoom 系统里内置有软件控制的调焦功能，用户可以很轻松的调整解像度。因此，对于物体表面上重要的局部细节就可以利用这种高解像度模式进行测量；而对于物体表面上大部分的同类曲面部分则可以采用标准模式进行测量。用户可以根据被测物体的特点制定最佳的测量方案。通过使用软件控制的可变焦功能，无须繁锁地更换软件。3、改变测量区域不需要重新标定设备与普通系统相比，COMET VarioZoom 系统通过使用可变焦功能，在改变测量范围后无须重新标定测量头，这就大大节省了测量时间。需要注意的是：通常在测量仪的镜头的时候，最好还是重新标定一下，因为换镜头会造成测量仪内部一些微小的变动，与原来的测量精度有些差异。4、现场标定Comet C200/400VZ 的配件中有两块标定板，测量头采用 C400VZ 的镜头的时候使用大板，采用 C200VZ 的镜头的时候则使用小板。利用系统自带的标定板,一个简单的系统校验(校验功能)或者测量头的标定可以在现场既快又可靠地完成.在一般情况下,每转换一次镜头，都需要标定一次；如果使用单镜头，每年标定一次就足够了。5、机械性能测量者通过调整测量头上的交汇激光点,可以容易地控制测量头和被测物体表面之间的测量距离。紧固结实的构造，不但在测量头重量和手工操作强度上没有任何负面效果，而且能保证在普通工业条件下得到极高的数据质量。系统部件（测量头、控制器、微机）可以放在专用铝箱里，使其在运输中得到最完好的保护。使用该光学部件和机械设备，即使在恶劣的环境光线条件下也能获得高质量的数据。6、友好用户界面软件即使对于无多少经验的用户来说，智能化的软件（Windows 风格)可以不需过多的培训就可以安全地操作。7、多种软件配置这里有三种不同的软件模块供选择（BASIC，MATCH 和 REFERENCE） ，因此有可能把最优化的测量方法应用到实际中去。BASIC：通过交互式拼接由参考点或联接点组成的单个图片，BASIC 配置可以用来测量较小物体或获取大物体的三维表面。MATCH：通过单个图片的空间拼接，来进行小物体和大物体三维表面的测量。通过物体表面特征或增加连接点，来进行自动识别和预联接。这就使该配置尤其适合测量有明显表面特征的物体（BASIC 配置包含在 MATCH 配置里） 。4 4 逆向工程软件简介逆向工程软件简介本次毕业设计主要使用的软件是 Imageware 和 UG。Imageware 主要用于点云导入和模型特征的提取；UG 主要用于 CAD 建模。4.14.1 UGUG 简介简介Unigraphics Solutions 公司（简称 UGS）是全球著名的 MCAD 供应商，主要为汽车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电子工业等领域通过其虚拟产品开发（VPD）的理念提供多级化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的 MCAD 解决方案。其主要的 CAD 产品是 UG。UG 公司的产品主要有为机械制造企业提供包括从设计、分析到制造应用的Unigraphics 软件、基于 Windows 的设计与制图产品 Solid Edge、集团级产品数据管理系统 iMAN、产品可视化技术 ProductVision 以及被业界广泛使用的高精度边界表示的实体建模核心 Parasolid 在内的全线产品。UG 在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。多年来，UGS 一直在支持美国通用汽车公司实施目前全球最大的虚拟产品开发项目，同时 Unigraphics 也是日本著名汽车零部件制造商 DENSO 公司的计算机应用标准，并在全球汽车行业得到了很大的应用，如 Navistar、底特律柴油机厂、Winnebago 和 Robert Bosch AG 等。另外，UGS 公司在航空领域也有很好的的表现：在美国的航空业，安装了超过10000 套 UG 软件；在俄罗斯航空业，UG 软件具有 90%以上的市场；在北美汽轮机市场，UG 软件占 80%。UGS 在喷气发动机行业也占有领先地位，拥有如 Pratt & Whitney 和 GE 喷气发动机公司这样的知名客户。航空业的其它客户还有：B/E 航空公司、波音公司、 以色列飞机公司、英国航空公司、Northrop Grumman、伊尔飞机和Antonov。UGS 公司的产品同时还遍布通用机械、医疗器械、电子、高技术以及日用消费品等行业，如：3M、Will-Pemco、Biomet、Zimmer、飞利浦公司、吉列公司、Timex、 Eureka 和 Arctic Cat 等。UG 具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。UG 进入中国已经有九个年头了，其在中国的业务有了很大的发展，中国已成为远东区业务增长最快的国家。几年来，UG 在中国的用户已超过 800 家，装机量达到3500 多台套。4.1.1 UG 的特点：1、建模的灵活性复合建模：无需草图,需要时可进行全参数设计，无需定义和参数化新曲线，可直接利用实体边缘。几何特征：具有凸垫、键槽、凸台、斜角、挖壳等特征、用户自定义特征、引用模式。光顺倒圆：业界最好的倒圆技术，可自适应于切口、陡峭边缘及两非邻接面等几何构形，变半径倒圆的最小半径值可退化至极限零。2、协同化装配建模可提供自顶向下、自底向上两种产品结构定义方式并可在上下文中设计、编辑，高级的装配导航工具，可图示装配树结构，可方便快速的确定部件位置，对装配件的简化表达，隐藏或关掉特定组件。局部着色，强大的零件间的相关性，配对条件，零件间的表达式（关系） ，协同化团队工作，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以取得最新的工作版本，团队成员可并行设计产品中各子装配或零件。3、直观的二维绘图对制图员来讲，简单并富于逻辑性，剖视图自动相关于模型和剖切线位置，正交视图的计算和定位可简便的由一次鼠标操作完成，自动隐藏线消除，自动尺寸排列，不需要了解设计意图，自动工程图草图尺寸标注。4、被业界证实的数控加工2 轴 5 轴铣、车加工，线切割，钣金件制造，刀轨仿真和验证，刀具库、标准工艺数据库功能。5、领先的钣金件制造可在成型或展开的情况下设计或修改产品结构，折弯工序可仿真工艺成型过程，钣料展开几何自动与产品设计相关，可在一幅工程图中直接展示产品设计和钣料展开几何。6、集成的数字分析机构运动学分析，硬干涉检查和软干涉检查，运动仿真和分析，动画过程中的动态干涉检查。7、广泛的用户开发工具用户命令宏，高级编程语言，可自定义裁剪的用户界面8、内嵌的工程电子表格可与其他表格软件交换数据，可简便定义零件系列，可方便修改表达式，可生成扇形图、直方图和曲线图等。9、照片真实效果渲染利用基于数字的设计审视，加快产品上市时间，快速成型。10、可分阶段实施的数据管理业界最紧密的 CADCAMCAE 与 PDM 集成，可管理 CAD 数据以及整个产品开发周期中所有相关数据。4.24.2 ImagewareImageware 简介简介Imageware 由美国 EDS 公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota 等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海 DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。以前该软件主要被应用于航空航天和汽车工业，因为这两个领域对空气动力学性能要求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空气动力性。常规的设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出油泥模型之后将其送到风洞实验室去测量空气动力学性能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止，如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型，这就需要采用逆向工程软件。首先利用三坐标测量仪器测出模型表面点阵数据，然后利用逆向工程软件，例如：用 Imageware surfacer 进行处理即可获得class 1 曲面。随着科学技术的进步和消费水平的不断提高，其它许多行业也开始纷纷采用逆向工程软件进行产品设计。以微软公司生产的鼠标器为例，就其功能而言，只需要有三个按键就可以满足使用需要，但是，怎样才能让鼠标器的手感最好，而且经过长时间使用也不易产生疲劳感却是生产厂商需要认真考虑的问题。因此微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型并交给使用者评估，然后根据评估意见对模型直接进行修改，直至修改到大家都满意为止，最后再将模型数据利用逆向工程软件 Imageware 生成 CAD 数据。当产品推向市场后，由于外观新颖、曲线流畅，再加上手感也很好，符合人体工程学原理，因而迅速获得用户的广泛认可，产品的市场占有率大幅度上升。Imageware 逆向工程软件的主要产品有： 1、Surfacer逆向工程工具和 class 1 曲面生成工具；2、Verdict对测量数据和 CAD 数据进行对比评估；3、Build it提供实时测量能力，验证产品的制造性；4、RPM生成快速成型数据；5、View功能与 Verdict 相似，主要用于提供三维报告；6、Imageware 采用 NURB 技术，软件功能强大，易于应用。Imageware 对硬件要求不高，可运行于各种平台：UNIX 工作站、PC 机均可，操作系统可以是 UNIX、NT、Windows95 及其它平台。Imageware 由于在逆向工程方面具有技术先进性，产品一经推出就占领了很大市场分额，软件收益正以 47% 的年速率快速增长。Surfacer 是 Imageware 的主要产品，主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点曲线曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。其流程如下：1、点过程（1）读入点阵数据。Surfacer 可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格式，例如：STL、VDA 等。（2）将分离的点阵对齐在一起。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阵。Surfacer 可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点阵准确对齐。（3）对点阵进行判断，去除噪音点，即测量误差点。由于受到测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Surfacer 有很多工具来对点阵进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。（4）通过可视化点阵观察和判断，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阵；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。提前作出规划可以避免以后走弯路。（5）根据需要创建点的网格或点的分段。Surfacer 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、曲线创建过程（1）判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的)，或介于两者之间。（2）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。（3）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，可以检查曲线与点阵的吻合性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续。Surfacer 提供很多工具来调整和修改曲线。3、曲面创建过程决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，例如 class 1 曲面，或两者兼顾，可根据产品设计需要来决定。（1）创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面（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，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其它例如圆角、过桥面等生成曲面。（2）诊断和修改曲面。比较曲面与点阵的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其它曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点阵对齐，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。英国 Triumph Motorcycles 有限公司的设计工程师 Chris Chatburn 说：“利用 Surfacer 我们可以在更短的时间内完成更多的设计循环次数，这样可以让我们减少 50% 的设计时间。 ” 最新发布的 Surfacer 10.6 软件将以下工作流程的高性能工具完整的集成到一起：1、弹性的曲面创建工具：可以在一个弹性的设计环境里非常方便的直接从曲线、曲面、或测量数据创建曲面，支持贝茨尔（Bezier）和非均匀有理 B 样条（NURBS）曲面两种方法。用户可以选择适合的曲面方法，通过结合两种方法的优点来获益。2、动态的曲面修改工具：允许用户在交互的方式下试探设计主题，立刻就可以看到是否美观和思路是否符合工程观念。设计、工程分析、制造的标准都通过精心的构造过程考虑进去，所以当每次修改曲面时不需要再重新校核标准。3、实时的曲面诊断工具：可以提供诸如任意截面的连续性、曲面反射线情况、高亮度线、光谱图、曲率云图和园柱型光源照射下的反光图等多种方法，在设计的任何时候都可以查出曲面缺陷。4、有效的曲面连续性管理工具：在复杂的曲面缝补等情况下，即使曲面进行了移动修改等操作，也能保证曲面同与之相连的曲面间的曲率连续，避免了乏味的手工再调整过程。5、强大的处理扫描数据能力：根据 Rainbow 图法（相当于假设雨水从上面落下，由于形状差异导致雨水流速差异） 、曲率大小变化云图法(对于一个完全光顺的 class 1 曲面，相当于曲率大小变化为零，对于两个不同曲面，此值会不同)将扫描数据分开，这样可以很快地捕捉产品的主要特征，并迅速建立各个相应曲面，避免了费事的分析和处理。正是由于 Imageware 在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧的成为逆向工程领袖。4.34.3 其他反求软件简介其他反求软件简介4.3.1、Geomagic Studio由美国 Raindrop（雨滴）公司出品的逆向工程和三维检测软件 Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为 NURBS 曲面。该软件也是除了 Imageware 以外应用最为广泛的逆向工程软件。Geomagic Studio 主要包括 Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture 五个模块。主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形(Polygons)，快速减少多边形数目（Decimate） ，把多边形转换为 NURBS 曲面，曲面分析，输出与 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式（IGS、STL、DXF 等） 。4.3.2 CopyCAD是由英国 DELCAM 公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维 CAD 模型。该软件为来自数字化数据的 CAD 曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD 能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。CopyCAD 简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握其功能，即使对于初次使用者也能做到这点。使用 CopyCAD 的用户将能够快速编辑数字化数据，产生具有高质量的复杂曲面。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面，同时，CopyCAD 还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。该软件的主要功能如下：1、数字化点数据输入：（1）DUCT 图形和三角模型文件；（2）CNC 坐标测量机床；（3）分隔的 ASCII 码和 NC 文件；（4）激光扫描器、三维扫描器和 SCANTRON、PC ArtCAM、Renishaw MOD 文件点操作；（5）能够进行相加、相减、删除、移动以及点的隐藏和标记等点编辑；（6）能够为测量探针大小对模型的三维偏置进行补偿；（7）能够进行模型的转换、缩放、旋转和镜像等模型转换；（8）能够对平面、多边形或其它模型进行模型裁剪。2、三角测量，在用户定义的公差和选项内的数字化模型的三角测量，包括：（1）原始的法线设置；（2）尖锐尖锐特征强化；（3）特征匹配来自点法线数据的特征；（4）关闭三角测量为了快速绘图可以关闭模型。3、特征线的产生：（1）边界转换模型外边缘为特征线；（2）间断为找到简单的特征，如凸出和凹下，而探测数据里的尖锐边缘；（3）能够转换数字化扫描线为特征线；（4）输入的数据能够从点文件中摘录多线条和样条曲线。4、曲面构造：（1）通过在三角测量模型上跟踪直线产生多样化曲面；（2）连接的曲面之间，用已存在的曲面定义带有选项的正切连续性的边界；（3）使用特征线指导和加快曲面定义；5、曲面错误检查：（1）比较曲面与数字化点数据；（2）报告最大限、中间值和标准值的错误背离；（3）错误图形形象地显示变化。6、可以输出 IGES、CADDS4X、STL ASCII 码、二进制、DUCT 图形、三角模型和曲面。4.3.3 RapidForm韩国 INUS 公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为 3D Scan 后处理之最佳化的接口。RapidForm 也将使您的工作效率提升，使 3D 扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。1、多点云数据管理介面高级光学 3D 扫描仪会产生大量的数据（可达 100,000 200,000 点） ，由于数据非常庞大，因此需要昂贵的电脑硬件才可以运算，现在 RapidForm 提供记忆管理技术（使用更少的系统资源）可缩短您处理数据的时间。2、多点云处理技术可以迅速处理庞大的点云数据，不论是稀疏的点云还是跳点都可以轻易地转换成非常好的点云，RapidForm 提供过滤点云工具以及分析表面偏差的技术来消除 3D 扫描仪所产生的不良点云。3、快速点云转换成多边形曲面的计算法在所有逆向工程软件中，RapidForm 提供一个特别的计算技术，针对 3D 及 2D 处理是同类型计算，软件提供了一个最快最可靠的计算方法，可以将点云快速计算出多边形曲面。RapidForm 能处理无顺序排列的点数据以及有顺序排列的点数据。4、彩色点云数据处理RapidForm 支持彩色 3D 扫描仪，可以生成最佳化的多边形，并将颜色信息映像在多边形模型中。在曲面设计过程中，颜色信息将完整保存，也可以运用 RP 成型机制作出有颜色信息的模型。RapidForm 也提供上色功能，通过实时上色编辑工具，使用者可以直接对模型编辑自己喜欢的颜色。5、点云合并功能多个点扫描数据有可能经手动方式将特殊的点云加以合并，当然，RapidForm 也提供一技术，使用者可以方便地对点云数据进行各种各样的合并。5 5 AudiR8AudiR8 反求设计过程反求设计过程5.15.1 ImagewareImageware 部分部分5.1.1 概述本课题按照导师的意图，先在 Imageware 中勾勒出 R8 汽车外壳形状的特征线，然后在 UG 中利用这些特征线来还原出 R8 汽车的外壳形状。由于在 UG 中生成的面是靠 Imageware 中勾勒的特征线生成的，所以这些特征线直接决定着构造出来的面的好坏程度，但是由于误差是一定存在的，特别是在一些点云数据不够充足的部分尤其显得与实际外形有出入。勾勒 R8 汽车外壳形状大概分为三个步骤：第一个步骤是对测出的点云进行处理，主要工作是对齐点云、删除杂点和作剖断面构造点云网格；第二个步骤是勾勒出较为平滑且面积较大的面，并且观察这些面是否有一定的联系，例如两个面是否可以用一条引导线来扫略（如 R8 汽车的前挡风玻璃与顶面在交接处具有相同的曲率，即纵向引导线相切）或者这两个面是否本属于同一个面而被某种需要分割开了（如 R8 汽车的挡风玻璃两侧的两个支柱杆与挡风玻璃隶属于同一个曲面，被要安装挡风玻璃而截开了） ；第三个步骤是处理车轮附近部分曲面以及尾部边上的曲面。等三个步骤全部做