（机械工程专业论文）逆向工程技术在平面凸轮机构优化设计中的应用研究.pdf

摘要 摘要 逆向工程是从实物模型测得的数据，构造出该物体c a d 模型，继而将这些 模型用于产品的分析和制造。相对于传统的正向设计方式，逆向工程适用于只有 产品或实物模型，没有产品图纸的条件下实现产品的制造。因此，逆向工程在机 械、航空、航天、医疗等领域的应用同益广泛并得到了越来越多的重视。 本课题的主要工作内容和成果如下： ( 1 ) 在分析凸轮工作原理的基础上，对零件几何参数进行检测逆向，包括零 件尺寸、形状、位置精度、凸轮曲线数据等，绘制c a d 零件圈。 ( 2 ) 进行计算机运动仿真，验证测量数据。 ( 3 ) 总结了逆向测量凸轮工作槽曲线列表数据，应用三次样条函数，拟合凸 轮曲线结合数控机床对凸轮槽加工的实际情况，对整个过程( 从测量数据、曲 线拟合、数控程序编制、数控加工工艺) 提出了系列化的t 作方案。 关键词逆向工程：平面凸轮；运动仿真：数控加工 北京工业太学工程碗士学位论文 a b s t r a c t r e v e r s ee n g i n e e “n g ( r e ) r e f e r st ot h ep m c e s so fc r e a t i n ge n g i n e e 一“gd e s i g nd a t af r o m e x i s t i n gp a r t ss o m ep r o d u c t sn g u r ei sv e r yc o m p i i c a t e d 扑di sh a r dt ob u i l dc a dm o d e ld 计e c t l y 1 - or e s o i v et h i sq u e s t i o n ，d e s i g n e r sa n de n g i n e e r su s es o m em 砒e a ii i k e c i a y o rw o o d e n m o c k u p st om a k eam o d e lo ft h ep r o d u c t ，s c a ni tb y3 dm e a s ur i n gm a c h i n e ，g e tt h ed a t ao ft h e g l i r e ，t h e nb u jj di t sc adm o d e lo nt h eb a s i so ft h es c a nd a t a a n ds o m e t i n l e sw en e e dl oc i o n e a n dr e c r e a t ea ne x i s t i “gp r o d u c tt h er e v e r s ee n g i n e e r j n gt e c h n o l o g ye n a b i e su st oc r e a t et h e c a dm o d e io ft h en e wp r o 血l c tq u j c k l yb yc a p t u r i n gt h es u r f a c eo fam o d e ll l s i n gl a s e rd j g i t i z e r s o rc o o r d i na t em e a s u n gm a c h i n e s t h em a i nw o r ka n da c h i e v e m e n to f t h i sp a p e r 懿f o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do na n a l y s i so fc a mo p e r a t i n gp r i n c i p l e ，m e a s u r e dt h eg e o m e t r yp a r a m e t e r sj n c l u d e t h es i z e ，s h a p e ，l o c a t i o np r e c j s i o na n dc a mc u r v ed a 诅o fap a n ，t h e np r o l r a c t e dc a dp a r td e l a j d r a w i n g ( 2 ) m a d ec h er u n n i “ge ml i l a t ei no r d e rt ov a i i d a t em e a s u r e dd a t a ( 3 ) s u m m e du pt h er e v e r s em e 船u r e dd a t ao fc 帅w o r ks l o tc u r v e ，a p p f u n c i i o n ，n t t e dc a mc u r v e ，c o m b i n e dt h ep r a c t i c a lp r o c e s ss t a t u so ca n d s c h e m ef r o mm e a s u r i n gd a t a ，a t t i n gc u r v e ，c o m p j l i n gt h e n u m e c a l n l 【m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s st e c h n i q u e s 【i e dt h et h r i c et r a n s e c t b r i n gf o r w a r ds e r i a l c o n t r o i p r o g r a ma n d k c y w o r d s r e v e r s ee n g i n e e n g ； p 】a n ec 砌；r u n n i n ge m u l a t e ； n u m e r j c a ic o n t r o 】p r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 洲 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 签 保密的论文在解密后应遵守此趣定) 名：谧导师签名：盟 日期：垒鱼塑：z 第1 章绪论 1 1课题的学术背景及课题的研究意义 1 1 1逆向工程技术产生的背景 人们通常所称的设计， 般均指证向设计。它是指在某具体产品事先并不 存在的情况下，通过分析市场、比较同类，进行销售对象、功能、使用方式、价 格定位、前景预测等全方位综合判断，提出设计目标，然后进行产品初步分析、 产品结构分析、市场定位，再经过初步结构设计、提h 1 各种漫计草案、设计初步 定案、制作效果图、初步确定外形尺寸、分析工艺、制作模犁、设计完善等一系 列创造性的劳动之后，最后向生产单位提供装配结构图、零件图，制造出能够满 足人们需求的产品。概括地说，正设计是由未知到已知，由想象到现实的过程。 正设计的周期长，投入高，为了能够快速的消化吸收先进技术，产生了在已 有设计的基础上进行再设计的技术，这就是逆向工程。它是在己知某种产品的有 关信息( 包括硬件、软件、照片、广告、情报等) 的条件f ，以方法学为指导，以 现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的t 程设计经验、知识和 创新思维，叫溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理 性、改进的可能性等等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行 再创造。 1 1 2 课题的研究意义 随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进 步的重要手段。各国都在充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，发展自 己的新技术。实践证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速增长 的战略措施。而逆向工程就是针对消化吸收先进技术的一系列方法和应用技术的 组合是门跨学科、跨专业的综合工程。 世界各围在经济技术发展中应用逆向工程消化吸收先进技术的经验，给我们 以有用的启示。同本列引进技术的消化、吸收与创新的经验，具肯典型性，以下 做概括介绍。 h 本在第i 次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，1 9 5 0 年国民 生产总值仅为英目的1 ，2 9 ，法国的1 3 8 ，经济上落后于欧关先进国家二三十年。 但在后来的3 ( ) 余印中却以惊人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强 国。其经济的高速度发展是与善于引进先进技术和进行逆向工程研究分不开的。 掘同本政府推算，成功的技术引进和逆向工程使h 本节省j 7 约2 3 的研究时问和 9 j 0 的研究费用。 重视逆| _ | j 工程研究的不仅是h 本，其它国家也是如此。当今科学技术同新月 异，渗透到社会的各个领域，已经没有哪一个国家可以包天j 、了。据有关统计 资制表f ! i j ，杆田百分之七r 以j ：的技术都是来自外围，要掌j ：_ i i 这些技术，证常的 资利袁州，抖田订分之匕p 以上的技术都是来自外围，安孛桥这些技术，i f 常的 北京工业大学工程硕士学位论文 途径都是通过逆向工程。由此可见，逆向工程作为计算机辅助测量辅助设计辅 助制造辅助工程( c a t c a d ，c a m c 技术集成的具体应用和c i m s 研究的一 个重要单元技术，在引进产品的国产化与开发新产品方面有着重要的现实意义。 1 2 课题的研究现状及研究进展 1 2 1 研究现状 从国外来看，国外很多公司、大学纷纷致力于逆向工程的研究，并己经发展 得比较成熟。早在9 0 年代初，k w o k 等人将三坐标测量机( c o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n e ，c m m ) 与a u t o c a d 图形软件结合，使每一个测量点由c m m 进行数字 化，程序记录有关的坐标值，自动转化为i g e s 格式。他们丌发的逆向工程系统 具有实时可视化的功能，可以动态监测扫描过程，便于及时修改。但他们仍然是 以线框图形的形式表达模型，不含有任何实体信息。 与国外相比，国内研究起步晚、经费投入较少，限制了高水平研究的开展， 创新性研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。 1 2 2 国外研究成果 目前对于逆向工程的研究相当活跃，并已取得了一定成果，市场上流行的商 用c a d c a m 系统f 在推出或己推出了各自的逆向工程模块，如m a t l a b ， u n i g r a p h i c s ，p r 0 e n g i n e e r i n g 等，一些测量设备生产企业为增强其设备的竞争， 也在推出各自的逆向工程软件，如r e n i s h a w 公司、d e a 公司等。 1 2 _ 3 国内研究成果 浙江大学是国内进行逆向工程研究比较早的单位之一。他们研究了测量数据 测头补偿问题：曲面轮廓度误差的可视化算法以及三角b e z i e r 曲面重构方法； 而且他们还丌发出了逆向工程c a d 系统r e s o r 软件。另外，西安交通大学也 丌发了逆向工程的核心软件c a d 重构软件，西北工业大学，华中科技大学，南 京航空航天大学，上海交大等都在着手此方面的研究。由于缺乏自主的 c a d c a m 软件的支撑，以及逆向工程的上游测试设备和下游应用 f c a d c a e c a m ) 基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数掘转换和 应用上一直滞后于国外相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处 于竞争的劣势。 1 一课题研究的主要内容 课题的主要研究对象是联合收割机上震动筛网的驱动j 马轮。 课题的主要思路方法是：以平面凸轮为反求对象，对凸轮轮瑚i 进行反求设计 既经凸轮轮廓测量、曲线拟合等一系列工作后得出凸轮的工程概念模型。之后， 用计算机机构运动仿真方法分别得出机构从动件及工作端的运动规律曲线。 ( 1 ) 在分析凸轮工作原理的基础上，对零件几何参数进行检测反求，包括零 件尺寸、形状、位置精度、粗糙度、凸轮曲线数据等，绘制c a d 零件图。 ( 2 ) 通过对反求机构从动件加速度曲线的分析，对凸轮轮廓进行评价并修正。 ( 3 ) 对零件进行工艺分析，确定加工工艺路线，包括结构设计、零件材料、 热处理确定；重点探讨了凸轮曲线槽在数控加工中的关键工艺问题，如刀具的设 计定制、加工过切、磨损补偿等，并进行了多次试验，使整个过程受到良好的控 制。 ( 4 ) 总结了反求测量凸轮工作槽曲线列表数据，应用三次样条函数，拟合空 问凸轮曲线，结合数控机床对圆柱凸轮槽加工的实际情况，对整个过程f 从测量 数据、曲线拟合、数控程序编制、数控加工工艺方案的比较、分析制定1 提出了 系列化的工作方案。 北京工业大学工程硕士学位论文 第2 章逆向工程及其关键技术 2 1 逆向工程的基本概念及分类 传统的设计过程是在市场调研的基础上，根据功能和用途来设计产品，得到 图纸或c a d 模型，经检查满意后制造出产品【1 a 此类丌发模式称为预定模式 ( p r e s c r i p t i v em o d e ) ，这就是目前制造业广泛使用的f 向工程( f o n v a r d e n g i n e e r i n g ) ，其流程图如图2 - l 所示。 幽2 l传统设计流程幽 f 嘻2 - 1t r a d i t i o n a r yd e s j g nn o wc h a r 【 但是在某些场合，一些产品并非来源于图纸或c a d 模型而是来源于实物模 型。例如，在汽车、飞机等的工业设计与详细设计中，形状独特而复杂的自由曲 面件一般不能直接建立c a d 模型，往往是以制件模型( 如粘土模型等) 或经过手 工进行修改后的样件为设计原型；没有图纸或图纸无法得到的己知复杂形面的产 品造型或磨损零件；在其它方面的应用，基于功能仿真分析需要而创建的某些复 杂的物理模型，如医学仿真系统中的人体器官模型等：为了仿制某些流线型或形 状无法直接描述的物体，如生物器官、艺术雕塑品等等，这时就要求先根据这些 模型的表面测量数掘，基于新的设计概念和功能描述重构c a d 模型，然后再进 行后序操作，如模型修改、有限元分析、误差分折、数控加工指令的产生、制造 加工和产品检验等【2 j 。这种产品的设计制造过程称为逆向工程fr e v e r s e e n 譬i n e e r i n g ) ，其流程图如图2 2 所示。 呻网 1 - j 幽2 - 2 逆向设计流释图 f i g2 2r e v e r s ed e s i g nn o wc h a r t 刘之生、黄纯颖给出了逆向工程的定义，定义如下： 逆向工程又称反求工程，它是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应 用技术的组合。反求工程是以先进产品设备的实物、软件( 图纸、程序、技术文 件等) 或影像( 图片、照片等) 作为研究对象，应用现代设计理沦方法、生产工程学、 材制学和有关专业知识进行系统深入地分析和研究，掌握其天键技术，进而丌发 出可类的先进产i 晶。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺反求、管理反求等 各方面。 反求一哪。，! 改h 的基水方法包括软件反求设计法、影像反求砹计法和实物反求 设计法三种。 根据反求对象的不同，实物反求可分为以下三种： ( 1 ) 整机反求反求对象是整台机器或设备如一部汽车，一架飞机，一台机 床，也可以是汽车或飞机的一台发动机，成套设备中的某一设备等。 ( 2 ) 部件反求反求对象是组成机器的部件这类部件是由一组协同工作的零 件所组成的独立制造或独立装配的组合体。如机器设备上的阀泵、机床的尾架、 床头箱等。 ( 3 ) 零件反求反求对象是组成机器的基本单元尽管刘之生早在1 9 9 1 年就给 出了逆向工程的定义，但到现在为止，对逆向工程还没有一个统一的定义。目前 流行的观点有如下两种。一种观点认为，逆向工程是指以实物( 或样件1 为依据的 产品设计和制造过程，认为逆向工程是针对现有工件( 样品或模型) 利用3 d 数字 化测量仪器准确、快速地将轮廓坐标测得，由测量数据构造三维c a d 模型，传 至一般的c a d c a n t 系统，再由c a n l 产生刀具轨迹送至c n c 加工机床制出 所需模具，或者送到快速成形机将样本模型制作出来，此流程称为逆向工程。 另一种观点认为，逆向工程是指由实际的零件反求出其设计的概念和数据的 过程。这种观点认为传统的工程将产品的概念或( c a d ) 模型转变为实际的零件， 而逆向工程则是将实际的零件转变为产品的( c a d ) 模型或概念。目前，关于逆向 工程的研究基本上局限于由实物样件或模型反求其三维几何模型，即实物反求方 面【4 】。因此，也有一些文献把“由实物样件( 模型) 反求其几何模型”作为逆向工 程的定义。本人认为上述对逆向工程定义的两种观点都不太准确。严格地说，上 述这两种定义都是仅局限在逆向工程实物反求中的零件反求方面。具体地说仅是 对实际零件的几何模型的反求。本文提到的逆向工程也仅指这方面的涵义。具体 来说，在本文中逆向工程是指在已经有了物理原型的情况下，将物理原型数掘转 换成设计数据，以保证设计出的零件与物理模型一致( 既达到原样件c a d 原形的 快速重构) ，并为后续的产品的开发、制造及加工等工作提供基础。 2 2 逆向工程的研究内容及应用领域 逆向工程是针对消化吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合。而 在引进技术中包括产品的研究与发展、生产制造工程、管理和市场等方面的问题。 它们组成完整的系统，反求工程应包括对整个系统的分析和研究。在实际生产中 主要研究的是反设计的问题，也就是从己有产品或技术进行分析研究，掌握其功 能原理、参数、尺寸、材料和结构，特别是关键技术，在此基础上进行仿制或再 设计，丌发出先进产品。这也可称为反求设计法或二次设计法：设计反求的目的 是根据设计的思维规律，研究反求对象的设计思想系统的组成，特点和内在的联 系。一般可以从以下几个方面进行分析。 ( 1 ) 探索产品设计的指导思想要分析一个产品首先要探索其设计指导思 想和技术特点。 ( 2 ) 原理方案的分析各种产品是针对一定的使用要求设计的。功能是产 品设计的核心问题，由此可引出不同的原理方案。 ( 3 ) 结构分析零部件的结构是功能原理的具体体现，与加工使用及生产 成本有密切关系。 ( 4 ) 形体尺寸这是儿何模型反求中最重要的部分。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 5 ) 材料分析根据零件功能及工艺特点分析鉴定并选择材料和热处理方 式。 ( 6 ) 工作性能分析针对产品的工作特点及其主要性能( 强度、刚度、精度 或寿命等) 进行试验测定、反计算和深入地分析，掌握其设计准则和设计规范。 ( 7 ) 造型设计分析对产品的外形构型进行分析反求。 ( 8 ) 工艺分析对许多引进设备的关键技术主要是先进的工艺诀窍。 ( 9 ) 使用维护分析先进的产品必须具有良好使用性能和维修性能。 在本文中主要研究上述的形体尺寸和造型设计分析两部分。 2 3 逆向工程的主要方法及典型应用软件 反求对象的不同，反求研究的重点也会有所不同，采用的手段和方法也不会 是一样的。没有现代化高科技手段，反求是很难进行的。所以要根据反求对象的 具体情况，有针对性地确定反求研究的重点，以及采用的手段和方法。 2 3 1逆向工程的主要方法 综观现有工业企业所采逆问工程方法，共有如下三种类型： ( 1 ) 传统逆向工程方法逆向工程系统将测量的点云数据，经过必要的编辑、 多模型自动匹配、偏置、滤波、排序等优化处理，人工或半人工寻找结构特征线， 根据结构线烫域内点云拟合出各局部的曲面c a d 模型。 传统逆向工程方法存在的问题主要为速度问题，因为需逆向工程的实物模型 都是非常复杂的几何形体，否则用简单测绘的办法即可解决。复杂形体的几何模 型是由多曲面经裁减、过渡等组合而成。其特征淹没在点云之中，欲将特征重新 提取出来，是一个非常烦琐、专业性要求极高的工作。 ( 2 ) 测绘逆向工程方法采用人工测绘的办法，测量出复杂形体的特征构造 线或由点云数据中获取特征构造线，再由c a d c a m 系统利用正向曲面建模的 办法完成整个模型的建立。从严格的意义上，该方法不能称其为逆向工程方法， 是f 向方法在逆向工程中的应用。 a ) 测绘逆向工程方法的优点对于由标准形体经布尔运算所形成的复杂形 体，该方法简单实用。 b ) 测绘逆向工程方法的缺点对于复杂曲面经光顺过度处理而形成的复杂 形体如汽车覆盖件等情况，对测量方式的要求很高，若不按特征测量，无法保证 精度。 ( 3 ) 专用逆向工程软件方法采用专用的逆向工程软件，不但可以保证几何 模型的精度，而且能性好地解决了逆向工程的速度问题。当前主要的逆向工程软 件有：w i l c o xa s s o c i a t e s 公司的p c d m i s ，s d r c 公司的s u r f a c e r d e l c a m 公司 的c o p y c a d ，z e i s s 公司的d i m e n s i o n ，p t c 公司的p r o s c a n ，m a t r a d a t a v i s i o n 公司的s t r i m 等1 5 】。 国外目前采用专用逆向工程软件与其它的先进制造方法棚结合即将产品设 计、结构性能分析、n c 加l ：及三维检测等过程融为一。体，根掘制造厂商接收的 工件型嘶数据，计算机完成设计并自动生成n c 指令，通过n c 机床完成产品的 制造。这种借助n c 机床干二坐标测量机( c m m ) 不离丌加工小心即可实现产品尺 寸精度检测的方法，可以大幅度缩短生产周期，提高加工精度。 在国内目前的应用来看，逆向工程利用三坐标测量机或激光扫描装置对用作 参考物的样品进行快速测量，将测得数据反求为可被c a d c a m 软件接受的数 据模型，进而做修改和详细设计，以达到快速开发新产品的目的。 2 3 2 软件简介 2 3 2 1p c d i m s p c d i m s 是w i l c o xa s s o c i a t e s 公司开发的具备强大c a d 功能的通用测量软 件，为几何量测量的需要提供了完美的解决方案倒。从简单的箱体类工件直到 复杂的轮廓和曲面，p c d m i s 软件使您的测量过程始终以高速、高效率和高精 度进行。这，完善的测量软件，通过其简捷用户界面，引导使用者进行零件编程、 参数设置和工件检测。列时，利j = i j 其一体化的图形功能，能够将检测数据生成川 视化的图形报告。 p c d m i s 的主要技术特征包括： 模块化配置，满足客户的特定需要；可定制的、直观的图形用户界面( g u i ) ： 全中文界面、在线帮助和用户手册；完善的测头管理、零件坐标系管理和工件找 诈功能；符合幽际和幽家标准舰定的形位公差评定功能：p t b 认证的软件计算方 法：具有强大c a d 功能的通用测量软件：预留基于用户需要的二次开发接口； 具有各种智能化扫描模式，完成复杂型面的扫描；强大的薄壁件特征测量程序库； 使键的逆向设计测量功能：互动式超级图形报告功能，增加了报告格式和数据处 理的灵活性；各种统计分析功能，满足生产控制的需要。 2 3 _ 2 1u g u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司( 简称u g s ) 是全球著名的m c a d 供应商，主要为汽 车与交通、航空航天、日用消费品、通用机械以及电予工业等领域通过其虚拟 产品丌发( v p d ) 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m c a d 解决方案1 7 j 。其主要的c a d 产品是u g 。 u g 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。u g 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。 u g 的特点： ( 1 ) 建模的灵活性无需草图，需要时可进行全参数设计，无需定义和参数 化新曲线，可真接利用实体边缘；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：拥有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町退化至极限零。 ( 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，方便快速的 确定部件位置。对装配件的简化表达，可以隐藏或关掉特定组件，利用产品空间 区域划分以及过滤器功能，选择工作组件或显示组件，并可以进行局部着色。具 有强大的零件问的相关性，设定配对条件，创建零件问的表达式( 火系) 。 | j f | 、同化团队l ：作，可方便的替换产品中任一零部件，刷新部件以墩得最新的 工作版本，闭队成员可并行设计产品中各子装配或零件。 北京工业大学工程硕士学位论文 ( 4 ) 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。 ( 5 ) 被业界证实的数控加工支持2 5 轴铣：车加：e ；线切割：钣金件制 造：刀轨仿真和验证；具有刀具库标准工艺数据库功能。 ( 6 ) 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；钣料展丌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。 ( 7 ) 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。 ( 8 ) 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。 ( 9 ) 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。 ( 1o ) 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。 ( 1 1 ) 可分阶段实施的数据管理业界最紧密的c a d c a m c a e 与p d m 集 成，可管理c a d 数据咀及整个产品开发周期中所有相关数据。 2 4 逆向工程技术的组成 2 4 1数据获取 数据获耿又叫数据点的采集，是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面 的若干组点的几何坐标。是逆向工程中必须和关键的操作，可以有多种方式进行 数据测量。在表面数字化技术中，根据测量方式的不同可以将数据采集方法分为 接触式和非接触式两大类8 1 。 数据获取后，通常需要输入专门的逆向工程软件如p c d i m s 进行处理数据。 2 4 2 数据处理 数据处理也就是点云的处理，如过滤、光顺、网格化( 即三角化) 等对点云的 处理。数掘处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的 质量【9 1 。 此过程中经常包括以下几方面的工作【1 0 j ： ( 1 ) 数据预处理如噪声处理，多视拼合等，增强数据的合理性及完备性。 ( 2 ) 数据分块整体曲面的拟合往往较难实现，通常采用分片曲面的拼接来 形成整块曲丽。 ( 3 ) 数据光顺通常采用局部回弹法、圆率法、堆小二乘法和能量法等来实 现。 ( 4 ) 三角化直接为p r m 产生切片数据和为b e z i c r 二i 舶n i 造型奠定基础。 第z 章逆向工程及其关键技术 _ w1 | ( 5 ) 数据优化压缩不必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量。 ( 6 ) 散乱数据处理对于具有较复杂形状的工件，测量数掘中必然有一部分 是无序的，须建立数据点问韵拓扑关系。 ， 2 4 t 3曲面重构 曲面重构技术：首先是对测得的模型表面数据进行处理，然后借助软件进行 曲面拟合，实现模型的曲面重构，并进行修改和优化设计。 目前工程上对反求工程曲面建模一般采用两种方法：按照n u r b s 曲面建模 的要求，精心规划侧量方案及数据预处理工作，采用通用c a d c a m 系统完成； 或者采用专用反求工程c a d 软件完成初步建模，再交给通用c a d c a m 系统完 成后续设计、建模工作。本课题采甩后一种方法，由p c d i m s 完成初步建模， 再由u g 完成后续： 作。 曲面重构分为两个步骤：对测量数据进行预处理及曲面的拓扑组织，曲面的 重建】。两者相互影响、彼此依赖，拓扑结构的组织形式决定了曲面的重建方法， 曲面重建的结果反过来又对拓扑结构的组织形式提出要求。 以上的处理一般只用于复杂曲面的重建，对于象柱面( 曲面造型这个柱面是 广义的，它包含任意曲线扩展所形成的柱面一同圆扩展所形成的圆柱面道理一样) 这样相对简单的曲面，重构时直接转化为曲线豹重构即可，而一般曲线的重构是 其拓扑结构的组织很简单，只需适当地选取采样点根据曲线的构造不同进行反算 即可，鉴于以上分析，本课题主要研究的是曲线重构问题。 2 4 4 数字化制造 在三维原形的制造技术方面，用c a d c a 衍软件对零件进行工艺处理，分 析工艺参数的合理性，优化加工方式，改进加工方法，生成n c 程序，转换成g 代码，输入加工设备中进行加工，从而生产出优质产品。 2 5 本章小结 本章分析了逆向：l = 程方法和技术，进一步明确了实物逆向工程的概念、组成、 方法和分类，并以逆向工程软件p c d i m s 为基础，研究了针对实物的逆向工程 及其关键技术。 北京工业大学工程硕士学位论文 第3 章凸轮轮廓曲线的正反设计分析比较 3 1平面凸轮轮廓曲线的正设计方法 凸轮一般有空间凸轮和平面凸轮之分，因本课题中以平面凸轮为例，所以在 此只讨论有关平面凸轮的内容。 常规设计平面凸轮机构的凸轮轮廓时，需要给定的原始数据有从动件运动规 律参数( 直动从动件的位移、类速度、类加速度，或摆动从动件的角位移、类速、 类加速度) 和凸轮机构基本尺寸。其中基本尺寸参数是随从动件的形式而异，因 此，凸轮轮廓设计应按从动件的型式分类进行。其设计方法分为作图法绘制凸轮 轮廓曲线和解析法计算凸轮轮廓坐标。对设计精度要求较低的凸轮，还有一些圆 弧凸轮，用作图法设计可满足工作要求。 下面主要介绍一下滚子( 或尖底) 直动从动件平面凸轮机构的作图法绘制凸 轮廓曲线和解析法计算凸轮轮廓坐标。 3 1 1直动从动件平面凸轮机构的凸轮轮廓画法 3 11 l尖底直动从动件凸轮机构 一组偏置的尖底直动从动件平面凸轮机构，若基圆半径肋、偏距e 的大小 及偏置方向已经确定，且给定从动件位移线图，规定凸轮以角速度。顺时针方向 匀速回转。要求绘出凸轮的轮廓曲线。 凸轮机构运转时，凸轮和从动件均具有机械运动。为了在固定的图纸上画出 凸轮廓曲线，引入所谓“反转法”。令运转中的凸轮机构( 包括机架) 绕凸轮轴线 以一。角速度匀速回转，则凸轮可视为固定，而机架( 即从动件的移动导路1 以一 u 角回转。此时从动件与机架之间的相对运动仍保持给定的运动规律。从而不难 求得在“反转”过程中从动件失底的一系列相应位置。由于从动件的尖底须与凸 轮轮廓始终保持接触，因而“反转”过程中尖底的运动轨迹曲线就是凸轮的轮廓 曲线。 应用“反转法”绘制尖底直动从动件平面凸轮轮廓的作图步骤如下： ( 1 ) 耿位移比例尺“s 和角度比例尺b ，精确画出从动什位移线图。将凸轮 的推程运动角曲和回程运动角7 分别划分为若干等分( 假设各六等分) 。 ( 2 ) 根据取定的基圆半径r 6 和偏距e 作同心圆，即基圆和偏距圆。作圆的比 例尺与fs 相同。同心圆的圆心0 即为凸轮的回转中心。 ( 3 ) 在基圆上任取一点c d 作为凸轮轮廓的推程起始点。此时，从动件尖底的 位置设为嘞，和。点重合。从半径线0 凸丌始，沿u 力m 在基剖上依次截取 与曲、曲( 远休止角) 、西7 相对应的分点c 6 、c 7 、c m 将圆弧( j ) gc 7 c ，j 分别 划分为与位移线图中相同的等分，即得各分点c ，、q 一( 1 加 ( 4 ) 通过各分点c ，、o 、c 圩分别作偏距圆的切线( 若e = o ，即为对心直动从 动件，则切线变为基圆的一系列径向射线) 。这些切线即为神o 反转”过程中从 动件相对丁机架的运动方位线。在作这些切线时，必须注意它们与偏距网的相切 位置应与偏筲方向扪符。 ( 5 1 在各切线上分别以c ，、o 、为起点，截取与从动件位移量对应相等 的线段，即c ，口，_ 1 1 、o 历= 2 2 ，得从动件尖底的运动轨迹点口，b 玉。 ( 6 ) 将点协、b ，、b 7 依次用光滑曲线连接，得凸轮的轮廓曲线。其中与远 休止期对应的魄、b 7 两点之问以及与近休止期对应的占小岛两点之间，是以d 点为圆心的圆弧。 3 1 1 2 滚子直动从动件凸轮机构 在绘制滚子直动从动件平面凸轮轮廓时，首先将滚予中心视为尖底从动件的 尖底，按上述步骤求得滚子中心的相对运动轨迹曲线称为凸轮的理论轮廓曲 线。然后以理沦轮廓上的点为圆心，作一系列滚子圆( 半径为月，) 。滚子圆的包络 线即为凸轮的轮廓曲线称为凸轮的实际轮廓曲线。滚子圆的内包络线是外凸轮的 轮廓，外包络线是内凸轮的轮廓。若采用槽形凸轮，则内、外包络线是槽形凸轮 两个工作侧面的轮廓曲线。 3 1 2 直动从动件平面凸轮机构的凸轮轮廓解析设计 用作图法绘成的凸轮轮廓往往有较大的作图误差，不宜用于工作速度较高的 凸轮机构设计。有的凸轮机构，虽然工作速度很低，但是要求从动件的运动精确 度较高时也不宜用作图法设计凸轮轮廓。为了求得精确的凸轮轮廓坐标数据，必 须应用解析计算的方法。计算时所用的坐标系类型可视凸轮的加工方法和检验方 法而定，凸轮轮廓的坐标类型之间的换算是非常简便的。 下面简单介绍一下滚子( 或尖底) 直动从动件凸轮机构的凸轮轮廓解析设计。 滚子直动从动件平面凸轮机构中的凸轮分有内凸轮和外凸轮之分，为了统一计算 公式，引入凸轮轮廓类系数 ，对外凸轮 = l ，对内凸轮 = 一1 。偏景方向符号 系数为_ 1 7 ，左偏置时町= 1 ，右偏置时叮= 1 ，并规定凸轮按顺时针方向转动为正。 按“反转法”规定设计计算的坐标系：q 轴线通过凸轮轮廓的推程起始点，d v 轴为o 。轴沿”。方向转过9 0 0 的方向，图3 1 为 = 1 ，叩= 1 时的情况。 幽3 1凸轮机构示意幽 ， 北京工业大学工程硕士学位论文 设给定凸轮的基圆半径值为如，偏距值为e ，从动件的滚子半径为b ，当 凸轮回转角为卢时，凸轮理论轮廓上的对应点b 的极坐标矢量可由矢量三角形 0 c b 确定，即 p b e i 8 8 = r b e j 6 + s e j 拍一自b ? 式中 即 因此得 孱= ( 3 1 ) 孱e b 列 协z ， 凸轮实际轮廓曲线上的对应点足的极坐标矢量可由矢量三角形0 b k 确定 因此得 p k e i 8 n = p 乒i e a + 九r ? e i 矾+ 吼e 【o 却】( 3 3 ) 式中爿一一凸轮机构的压力角 若是尖底从动件，r ，_ o ，实际轮廓坐标即为理论轮廓坐标。 求得轮廓曲线的极坐标值后，可由下式求得直角坐标值 工b = p 日c o s 口口 y b = p b n 8 8 h = 凤c o s 吼 儿= ns i n 吼 上列公式也适用于其他各种型式凸轮轮廓坐标类型的换算。 3 - 2 平面凸轮轮廓曲线的反求设计方法 ( 3 4 ) 平面凸轮轮扇j 曲线的反求设计是指通过反求的方法将己有实物凸轮轮廓转 化为工程设计+ 概念模型，即将已有的凸轮实物轮廓数字化，然后对这些离散数据 点进行处理，如去除坏点，补点及数据分析等，并重新生成光顺曲线，此曲线即 为凸轮轮廓曲线。反求设计可分为两个步骤，即零件数字化和汁算机模型重构， 下面分别进行介绍。 志刊 3 2 1零件数字化( 即零件数据获取技术) 零件数字化对于平面凸轮，即为凸轮轮廓测量，从而获取轮廓数据。近几年 来，随着传感技术、测试技术、光电技术等相关技术的发展，零件数据获耿的方 法及测量工具也趋于多样化，且各有其优缺点，故选择具体测量方法及工具时应 根据实际情况而定。 3 2 2 计算机模型重构 计算机模型重构，在本机构中为凸轮轮廓重建，即如何把一系列凸轮轮廓离 散数据值重构成凸轮轮廓曲线，这就是曲线拟合问题。曲线拟合，即对测量数据 点进行分析j 处理，提取有效的数据信息，并将其根据一定方法重新生成曲线。 下面分别介绍有关拟合的基本概念和方法。 3 ，2 2 1基本概念介绍 ( 1 ) 插值插值是函数逼近的重要方法。例如给定函数阳在区间 a ，b 】中互 异的n 个点的值服j ，f - 1 ，2 ，n ，基于这个列表数据，寻找某一个函数， 庐俐去逼近，酬。若要求曲在* 处与胎p 相等，就称这样的函数逼近问题为插 值问题，称曲俐为脚的插值函数，而称为插值节点。也就是说，毋俐在n 个插 值节点为处与m 相等，而在别处就用中曲倒近似地代替阳。在曲线、曲面 中最常用的是线性插值和抛物线插值。 ( 2 ) 逼近当型值点太多时，构造插值函数使其通过所有的型值点相当困难 的。客观上看，由于过多的型值点也会有误差，也没有必要寻找一个插值函数通 过所有的型值点。此时人们往往选择一个次数较低的函数，在某种意义上最佳逼 近这些型值点。逼近的方法很多，最常用的有最小二乘法。 ( 3 ) 拟合拟合并不象上述的插值、逼近那样有完整的定义和数学表示，拟 合是指在曲线、曲面的设计过程中，用插值或逼近方法使生成的曲线、曲面达到 某些设计要求，如在允许的范围内贴近原始型值点或控制点序列；如使曲线、曲 面看上去“光滑光顺”等。 ( 4 ) 曲线段间c7 ，一和g 、g 2 连续性定义由调和函数构造的参数曲线， 其自身( 即在参数，的取值区间内) 连续性是由调和函数决定的。这里我们主要讨 论参数曲线段之问的连续性，如图3 2 ，对于参数曲线段9 倒和q ? 倒，f i o ，1 l ； 若： a ) 当q “1 ) 函( o ) ，即当烈r ) 和9 ( 0 的端点不重合时，这两个曲线段是不连 续的，实际上它们仍是两个曲线段( 如图a 所示) 。 b ) 当q ( 1 ) = 9 ( 0 ) ，即颤，) 和函( ，) 的端点重合于p ，则9 ( ，) 和9 ( t ) 在尸点处 有p 和g o 连续( 如图b 所示1 。 c ) 当9 “1 ) 和q ? ( o ) 在p 点处重合，且其在j p 点处的切矢量方向相同，大小不 等，则臼“t ) 和9 ( t ) 在尸点处有c 。连续( 如图c 所示) 。 d ) 当妇刖) 和p ，( 0 ) 在p 点处重合，且其在尸点处的切矢量方向相同，大小相 等，则q ，( 1 ) 和函( t ) 在尸点处有c 。连续( 如图d 所示) 。 e ) 若q 刖) 利( 0 1 在，。 处已有，c 7 ，且其q ，”( 1 ) 和q 二”( o ) 的大小和方向 均扪刚，则9 ( i 用9 7 ( 【) 在p 点处具r 连续。推广之，若9 ”( 1 ) 和q “( o ) 在p 点 北京工业大学工程硕士学位论文 处的大小和方向均相同，则说9 j ( 0 和9 ( f ) 在p 点处具9 连续。 f ) 若q 础) 和9 ( 力在p 点处已具有酽，g 连续，且其q ，”( 1 ) 和q ( o ) 的方向相 同，大小不相等，则说q ，( f ) 和9 ( 0 在p 点处有护连续。 在曲线、曲面造型中，般只用到d 、和g 、g 2 连续，切矢量( 一阶导 数) 反映了曲线对参数，的变化速度，曲率( 二阶导数反映了曲线对参数f 变化的 加速度，通常c f 连续，必能保证g 7 连续，但g l 连续并不能保证d 连续。曲线 段在连接处达到g 连续和d 连续的光滑程度是相同的，但曲线的变化趋势在这 两种情况下不一定相同。在实际应用中，要适当的选择曲线段、曲面片间的连续 性，使造型物体能保证其最终要求。 图3 2 连续性不意图 f 嘻3 - 2c o n t i n u i l ys k e t c hm a p 3 2 3 2 拟合方法及效果判断 光顺是拟合需达到的最终效果，则曲线拟合问题最终可归结为型值点曲线的 光顺问题。在此较为系统地介绍有关光顺的基本概念和方法。其中包括曲线光顺 的基本问题和曲线的光顺处理及判断。 f 1 ) 曲线光顺的基本问题 关于曲线光顺处理，需要解决两个基本问题： a ) 什么样的曲线是光顺的( f a i r ) 即光顺准则( f a 矾n gc r i t e r i o n ) 如何定义； b ) 对于不光顺的曲线，采取何种光顺处理方法。 什么样的曲线是光顺的? 直观上来看，直线、圆弧、平面、柱面、球面等简 单几何形状是光顺的，如果一条曲线拐来拐去、有尖点或许多拐点，或一张曲面 上有很多皱纹、凸凹不平，则认为这样的曲线和曲面是不光顺的。通常认为在插 值于给定型值点的所有曲线中，通过这些型值点的弹性木样条或弹性薄板是最光 顺的，但很难给光顺f 一个准确的定义，光顺性仍然是一个模糊的概念，这是因 为光顺性涉及几何外形的美观性，难免受主观因素的影u 向，此外，在不同的实际 问题中，对光顺性的要求也不同。因此，迄今为止对光顺性还没有一个统一的标 准，在不同的文献巾对光顺准则有不同的提法。 但光顺性也有其客观性的一面，不同的文献中对光顺准则的提法虽有差异， 第3 章凸轮轮廓曲线的正反设计分析比较 但是有很多共同点。 对于平面曲线，苏步青、刘鼎元给出了如下的光顺准则【l 到：二阶参数连续( c 2 连续) ：没有多余拐点；曲率变化较均匀。 施法中又增加了“应变能较小”这一条，其光顺准则为1 1 4 j ：二阶几何连续( 指 位置、切线方向与曲率矢连续；不存在奇点与多余拐点；曲率变化比较均匀；应 变能较小： 可以发现，后者前三条准则和苏步