（机械设计及理论专业论文）基于触觉交互的反求建模再设计技术研究.pdf

4llfl： j ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g r e d e s i g nm e t h o do f r e v e r s ee n g i n e e r i n gb a s e do n h a p t i ci n t e r a c t i o n c a n d i d a t a ：w u y a n q i s u p e r v i s o r ：p r o f c h e n gsi y u a n j u n e2 0 1 0 f a c u l t yo fe l e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g g u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y g u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9 0 摘要 摘要 本文研究的主要内容是基于触觉交互的逆向工程再设计方法，针对传统c a d 软件 对于复杂的曲面建模这一难点，利用逆向工程技术与f r e e f o r m 触觉式设计结合，快速 实现复杂外形的模型构建与再设计，通过快速原型技术成型样件检验模型的外观与实 用性。在逆向工程中，主要研究内容包括实物模型的表面数字化测量、数据点云的处 理和基于c a t i a 的曲面重构；再设计过程中主要利用f r e e f o r m 触觉交互技术对数据点 云的处理和基于逆向工程建立的模型进行修改和细节添加；快速制造是通过f d m 快速 成型技术制造真实样件，通过真实样件反馈模型的外观美观性和实用性。 对于复杂外形的逆向建模技术，详细分析了逆向工程技术的原理，思路以及反求 建模方法。介绍了实物模型表面数字测量技术的发展和测量原理以及本次实验用手持 式3 d 扫描仪测量壶体模型的过程介绍，对逆向工程的数据点云处理技术，讨论了多种 点云处理方法和原理，通过c a t i a 的逆向建模功能，分析其在逆向工程技术中应用的 基本方法和步骤，本文通过对壶体的逆向建模结果显示基于手持式3 d 扫描得到的点云 数据，结合c a i t a 逆向建模快速准确。 逆向工程技术需要进行再设计才能有所创新，本次实验对模型再设计的外形比较 复杂，对模型一部分外形进行了变形处理，主体部分添加了细节造型，因此，本次采 用了触觉交互工具f r e e f o r m 设计系统。结合该系统的特点分析了其设计原理和优 势，为模型外形进行细节添加和修改。 最后本文结合了快速制造技术比较常用的一种方法一f d m 熔融沉积快速制造方 法，介绍了该方法的原理与技术要点，成型本次实验模型同时达到了对模型的校验的 效果。 关键词：反求工程，再设计，f r e e f o r m ，快速成型，触觉交互 广东工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h em a i ns t u d yc o n t e n to ft h i sp a p e ri sr e d e s i g nm e t h o do fr e v e r s ee n g i n e e r i n g b a s e do nh a p t i ci n t e r a c t i o n a i m i n ga tt h ed i f f i c u l t ya b o u tc o m p l i c a t e ds u r f a c em o d e l i n gf o r t r a d i t i o n a lc a ds o f t w a r e c o m b i n i n gt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u ea n df r e e f o r m h a p t i cd e s i g n ，a c t u a l i z ec o m p l i c a t e ds u r f a c em o d e l i n ga n dr e d e s i g nq u i c k l y c h e c k i n gt h e s u r f a c ea n dp r a c t i c a b i l i t yw i t hp r o t o t y p ew o r k p i e c ep r o d u c t i n gb yr a p i dp r o t o t y p i n g t h e m a i ns t u d yc o n t e n to fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi st h ed i g i t a l i z a t i o np r o c e s so ft h e o u t s i d e s u r f a c e so ft h ep a r t ，t h et r e a t m e n to ft h ep o i n tc l o u di nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n g ，a n dt h e r e c o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g yo fc a dm o d e lb a s e do nc a t i a i nt h er e d e s i g n ，m a i n l yu s i n gt h e f r e e f o r mh a p t i ci n t e r a c t i o nt ot r e a tt h ep o i n tc l o u d ，a d d i n ga n dr e p a i r i n gt h ed e t a i lf o r c a dm o d e lb a s e do nf r e e f o r m r a p i dm a n u f a c t u r em a k ep r o t o t y p ew o r k p i e c e 、析t l lf d m r a p i dp r o t o t y p i n gf o rf e e d b a c k i n gt h ea r t i s t r ya n dp r a c t i c a b i l i t yo ft h em o d e l f o rm o d e l i n gt e c h n o l o g yo fc o m p l i c a t e ds u r f a c e ，p a r t i c u l a r l ya n a l y z i n gt h ec o n v e r s e e n g i n e e r i n gp r i n c i p l e ，p r o c e s s i n g r o u t ea n dm e t h o do fc o n v e r s e e n g i n e e r i n g m o d e l i n g i n t r o d u c i n gt h ed e v e l o p m e n t ，m e a s u r i n gp r i n c i p l eo fd i g i t a l i z a t i o np r o c e s so f t h e o u t s i d es u r f a c e so ft h ep a r t ，t h ep r o c e s so f3 dh a n d ys a n n e rf o rs c a n n i n gt h ek e t t l e a i m i n g a tt h et e c h n i q u eo fp o i n tc l o u dt r e a t i n go fc o n v e r s ee n g i n e e r i n g ，i n t r o d u c i n gs e v e r a lm e t h o d s a n dp r i n c i p l e s a n a l y s i n gt h eb a s i cm e t h o da n dp r o c e s sa b o u tt h ec a t i ac o n v e r s e e n g i n e e r i n gm o d e l i n g t h er e s u l ti n d i c a t et h em e t h o dc o m b i n i n gt h ec o n v e r s ee n g i n e e r i n g w i t h3 dh a n d ys c a n n e ri sq u i c ka n de x a c t c o n v e r s ee n g i n e e r i n gn e e dr e d e s i g nt oi n n o v a t i n g t h es u r f a c eo ft h i se x p e r i m e n ti s c o m p l i c a t e d ，t h em a i np r o d u c i n gm e t h o d sa r ed e t a i la d d i n ga n dr e p a i r i n g f o rc a d m o d e l s o ，t h ef r e e f o r mh a p t i cd e s i g ni sa d o p t e di nt h i sp r o c e s sa n da n a l y s i n gi t sp r i n c i p l e a n da d v a n t a g e m e n t g e tt h el a s ts h a p eo f m o d e lt h r o u g ht h ed e t a i la d d i n ga n dr e p a i r i n gt h e m o d e l ss u r f a c e a tl a s tc o n v e n to ft h i sp a p e ri sas o r to fm e t h o di nr a p i d f a b r i c a t i n g - - f d m f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g a n a l y s i n gt h ep r i n c i p l ea n dm a i np o i n t o ft h i st e c h n i q u ea n dc h e c k i n gt h ec o n c l u s i o nf o rm a k i n gi to u t k e y w o r d s ：r e s e r v ee n g i n e e r i n g ，r e d e s i g n ，f r e e f o r m ，r a p i dp r o t o t y p i n g ，h a p t i ci n t e r a c t i o n 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论1 1 1 概述1 1 2 触觉交互技术简介1 1 3 逆向工程技术简介2 1 4 国内外研究现状3 1 4 1 触觉交互技术3 1 4 2 逆向工程技术4 1 5 本课题研究的内容分析6 第二章模型表面数字采集及数据处理8 2 1 表面数字测量技术发展现状8 2 2 基于h a n d y s c a n3 d 扫描仪的模型表面测量8 2 2 1 测量设备介绍。8 2 2 2 模型表面数字化过程：9 2 3 点云数据的预处理过程1 l 2 3 1 杂点删除1 2 2 3 2 填补孔洞13 2 3 3 点云数据平滑1 4 2 3 4 点云数据精简1 6 2 。4 ，j 、结18 第三章基于c a tia 的曲面重构1 9 3 1 自由曲线和曲面2 0 3 2 曲面的连续性2 4 3 3 壶体模型的曲面重构2 5 3 3 1c a t i a 逆向功能模块2 5 3 3 2 生成网格2 6 3 3 3 坐标系调整2 7 3 3 4 构建曲线j 2 7 广东工业大学硕士学位论文 3 3 5 曲面拟合2 8 3 3 6 拟合曲面后处理31 3 3 7 曲面质量分析3 2 3 4 小结3 3 第四章基于触觉交互的模型再设计一3 4 4 1 f r e e f o r m 触觉式设计3 4 4 1 1f r e e f o r m 设计系统3 4 4 1 2f r e e f o r m 系统与传统c a d 设计优势分析3 5 4 2f r e e f o r m 系统的细节添加与修改。3 6 4 2 1 构造粘土( c o n s t r u c tc l a y ) 3 7 4 2 2 雕刻粘土( s c u l p tc l a y ) 3 7 4 2 3 粘土细节造型( d e t a i lc l a y ) 3 7 4 2 4 变形粘土( d e f o r mc l a y ) 。3 8 4 3 壶体模型的f r e e f o r m 造型过程3 9 4 3 1 模型的细节修改3 9 4 3 2 模型完成后处理4 1 4 3 3 壶身细节添加4 2 5 4 ，j 、结4 4 第五章模型快速成型与检验4 5 5 1 快速成型技术在逆向设计中的应用4 5 5 2f d m 快速成型技术原理。4 6 5 3 壶体模型快速成型过程。4 9 5 4 小结5 2 结论与展望。5 3 参考文献。5 4 攻读学位期间发表的论文5 6 独创性声明5 7 致谢5 8 i v c o n t r n t s c o n t e n ts a b s t r a c t i a b s t r a c t i i c o n t e n t s i 1i n t r o d u c t i o n 1 1 1s u m m a r i z e 1 1 2t h es y n o p s i so fh a p t i ci n t e r a c t i o n 1 1 3t h es y n o p s i so fr e v e r s ee n g i n e e r i n g 2 1 4d o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n ts t a t u s 3 1 4 1t h et e c h n o l o g yo fh a p t i ci n t e r a c t i o n 3 1 4 2t h et e c h n o l o g yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n g 4 1 5t h es t u d yc o n t e n t s 6 2t h ed i g i t a lp r o c e s so ft h eo u t s i d es u r f a c e sa n dp r e t r e a t m e n t 8 2 1t h ed o m e s t i ca n do v e r s e a sd e v e l o p m e n ts t a t u s 8 2 2t h ed i g i t a lo fo u t s i d es u r f a c e sb a s eo nh a n d y s c a n3 ds c a n n i n g 8 2 2 1t h ee q u i p m e n ti n t r o d u c t i o n 8 2 2 2t h es a n n i n g p r o c e s so f t h ed i g i t a l 9 2 3t h ep r e t r e a t m e n tp r o c e s so f t h ep i n tc l o u d 11 2 3 1t h eu n w a n t e dp o i n td e l e t i n g 1 2 2 3 2t h eh o l ef i l l i n gu p 1 3 2 3 3t h ed i g i t a ls m o o t h i n g 1 4 2 3 4d a t ar e d u c t i o n 1 6 2 4b r i e fs u m m a r y 18 3t h er e c o n s t r u c t i o nb a s e do nc a t i a 1 9 3 1f r e ec u r v ea n ds u r f a c e 。2 0 3 2t h ec o n t i n u t yo fs u r f a c e 2 4 3 3t h er e c o n s t r u c t i o no f t h ek e t t l e 2 5 ：；3 1t h er e v e r s em o d u l eo fc a t i a 2 5 3 3 2m e s h g e n e r a t i o n 2 6 3 3 3k e e p i n gt h ec o o r d i n a t eo nt h el i n e 2 7 3 3 4c u r v ec o n s t r u c t i n g 2 7 v 。：。：二垒三兰窒圣兰里圭童兰兰竺圣：；。；：。：。：；。：。：一 = ! ! ! ! = = = = = 2 = = ! ! ! e ! ! = ! = j = = = = = = = = = = = = = 0 1 = = = = = = = = = ；5 一一 3 3 5t h es u r f a c ef i t t i n g ”2 8 3 3 6t h er e t r e a t m e n ta f t e rt h es u r f a c ef i t t i n g ”3 1 3 3 7e r r o ra n a l y s i s 3 2 3 4b r i e fs l 姗m 锄了”3 3 4t h er e d e s i g nb a s e do nt h et e c h n o l o g yo f h a p t i ci n t e r a c t i o n 3 4 4 1t h eh a p t i cd e s i g no ff r e e f o r m 3 4 4 1 1t h eh a p t i cs y s t e mo ff r e e f o r m 3 4 4 1 2p r e d o m i n a n c ea b o u tt h et r a d i t i o n a lc a d a n df r e e f o r m 3 5 4 2t h ed e t a i la d d i n ga n dr e p a i r i n gb a s e do nf r e e f o r m 3 6 4 2 1c o n s t r u c tc l a y 3 7 4 2 2s c u l p tc l a y ) 7 4 2 3d e t a i lc l a y 。3 7 4 2 4d e f 0 n nc l a y “3 8 4 3t h ed e s i g np r o c e s so f t h ek e t t l eb a s e do nf r e e f o r m 3 9 4 3 1t h ed e t a i lr e p a i r i n g 3 9 4 3 2t h er 建r e a ：缸i l e n ta f t e rd e t a i lr e p a i r i n g 4 1 4 3 3t h ed e t a i la d d i n g 4 2 4 4b r i e fs u m m a r y ”4 4 5t h er a p i dp r o t o t y p i n g a n dc h e c k i n g 4 5 5 1t h ea p p l i c a t i o no f r a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g yi nr e v e r s ee n g i n e e r i n g 4 5 5 2t h ep r i n c i p l eo ff d mr a p i dp r o t o t y p i n g 4 6 5 3t h em o u l d i n gp r o c e s so ft h ek e t t l e 4 9 5 4b r i e fs u m m a r y ”5 2 su m n a r va n df u t u r e 5 3 r e f e f e n c e s 5 4 p a p e rp u b l i s h e dd u r i n gt h ep e r i o do f m a s t e r i n gd e g r e e 5 6 t h ed e c l 猁t i o no fo r i g i n a lc r e a t i o n 5 7 ，i h a i l i 岱：5 8 v i 第一章绪论 1 1 概述 第一章绪论 随着时代与技术的快速发展，消费者对产品有了新的更高的要求，企业之间的竞 争也逐步发展成为产品速度决定产品市场的阶段。因此创新被提到产品设计的首位， 创新设计可以是之前没有过的东西，也可以是针对原有产品进行创新和改进，即基于 国内外同类产品的引进和分析，在消化吸收的基础上进行再设计和创作，设计出同类 型的创新产品。由于从无到有的创新难度较大、消耗的周期较长，因此在满足产品功 能性的前提下，为了满足快速多变的市场需求和缩短新产品开发周期，基于原有产品 的创新设计成为现代企业开发新产品的广泛的设计手段，这一开发思路在现代制造业 中体现为逆向工程。据有关统计资料显示，各国7 0 以上的技术都来自国外n ，中国作 为制造业大国，面对纷繁复杂的产品，基于逆向工程的产品创新设计技术的应用成为 我过制造业发展的必由之路。 1 2 触觉交互技术简介 人机交互技术( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o nt e c h n i q u e s ) 是指通过计算机输入、 输出设备，以有效的方式实现人与计算机对话的技术。多年来，人们主要关注的是人 机交互中的视觉与听觉。随着计算机技术和性能的不断发展，其他形态的交互技术也 相继出现，触觉交互作为一种新兴的人机交互技术开始得到广泛的关注和认可乜，。 触觉交互技术是利用操作者的触感，通过触觉界面，使用户不仅能看到和听到屏 幕上的内容，还能通过触觉感知和操作它们，产生真实的接触的感觉，使设计和操作 过程更真实和准确。 触觉交互技术在很多领域都有很重要的应用价值。早在1 9 9 4 年，美国n a s a 就开 始针对空间作业任务的要求研制具有力觉反馈的虚拟预测环境。1 9 9 6 年卡内基梅隆大 学机器人研究所率先研制出一套典型的具有虚拟操作功能的视觉力触觉虚拟现实交 互系统，通过力触觉再现装置，操作者能够控制并同时感受到c c d 图像和图形合成的 虚拟环境中物体的运动和作用力。2 0 0 2 年斯坦福大学机器人实验室建立的基于手控器 的虚拟操作机器人系统能够模拟复杂环境中人的运动特性以及接触形变和作用力啪。近 广东工业大学硕士学位论文 几年来，在远程医疗领域，基于力触觉再现的虚拟操作有着非常广阔的应用前景。1 9 9 9 年德国的研究者研制了一个具有图像和力反馈的虚拟操作系统用于骨髓穿刺手术实 验。2 0 0 0 年美国r u t g e r s 大学和斯坦福大学联合研制成功虚拟操作和遥操作的辅助康 复系统，通过力触觉和视觉的交互，医生能够远程帮助在家中的残疾病人进行手臂功 能的回复锻炼。2 0 0 1 年德国k a r l s r u b e 商用虚拟内窥镜手术训练装置研制成功，操作 者通过操作带有力触觉的机械手模拟控制手术刀进行虚拟内窥镜手术，同时在图形界 面上逼真模拟手术过程中人体组织切割、变形、流血等现象。2 0 0 4 年，美国俄亥俄州 大学机械工程系的研究人员建立了一个虚拟触诊系统，用于专家对学员的训练“，。 1 3 逆向工程技术简介 通常产品的设计分为正向工程和逆向工程，正向设计开发一般遵循传统的设计开 发流程，从产品的功能与外形的预期目标出发，循序渐进设计产品模型，正向设计的 一般开发流程见图1 - 1 ： 图卜1 正向设计流程 f i g 1 1p o s i t i v ed e s i g nf l o w c h a r t 逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 技术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，配合反求软件进行曲面重构， 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i g e s 或s t l 数据，据此 就能进行快速成型或c n c 数控加工，得到新的产品的实物模型。逆向工程通常是在没有 完整设计图纸或c a d 模型的情形下，为了将实物零件转化为数字化模型而进行的一系 列相关的技术过程。逆向设计的开发流程一般如下图1 - 2 所示嗍。 2 第一章绪论 图卜2 逆向设计的开发流程 f i g 1 2r e v e r s ed e s i g nf l o w c h a r t 1 9 8 0 年开始，欧美许多国家开始注意逆向工程技术的应用，1 9 9 0 年初期，各国学 术界团队大量投入逆向工程的研究并发表研究成果。随着计算机辅助设计的流行，逆 向工程变成了一种能根据现有的物理部件通过c a d c a m c a e 或其他软件构筑3 d 虚拟 模型的方法吲。 随着逆向工程技术的不断发展和改进，逆向工程技术已广泛应用于家用电器、汽 车、摩托车、飞机、考古界和艺术品等各种产品的改型与创新设计。现在所说的逆向 工程不是简单的产品的复制，而是在原有产品的基础上的创新设计，本次论文研究的 内容将触觉交互技术与逆向工程技术结合，发挥各自在产品设计中的优势，不但实现 了产品的创新设计，而且加快了产品设计开发的进程，适应新产品的开发与市场竞争。 1 4 国内外研究现状 1 4 1 触觉交互技术 触觉交互技术的起源可以追溯到远程控制装置的出现，计算机性能的提升和更全 面的与虚拟世界交互的向往，驱动了触觉交互装置的产生和发展。如特殊游戏的操纵 杆、操纵盘等。 触觉交互技术是虚拟设计中交互技术的一种，目前交互技术的研究主要集中在三 个方面：触觉、视觉和听觉。 1 ) 视觉交互：视觉交互是交互技术中重要的反馈技术，随着科技的发展，视觉交 互技术提供了多种显示设备，如常用的桌面显示器、光栅眼镜、头盔式显示器等。 2 ) 听觉交互：听觉交互技术使用户更能沉浸在物体的真实感中，先进的三维声音 业大学硕士学位论文 与视觉反馈进行并行处理。在三维声扬中，声音 声音好像发自相应的物体，达到使用者在虚拟场 触觉交互技术的引入，使交互技术的真实感更加 础上加入触觉比只使用视频显示的准确率可提高 技术更可使准确率提高2 0 n ，。使用者若能亲手操 感觉信息，那么将大大增强使用者与物体之间的 多样，大致可将其分为两类：接触反馈和力量反 所得到的全部感觉，是摸觉、压觉、振动觉、刺 不同触觉纹理的方法是利用电信号或振动来刺激 。力反馈是在肌肉、关节和韧带等受到拉伸、压 物体的重量、冲力和运动等。提供力量反馈的常 用方法是采用一些机械装置来抵抗用户对虚拟物体的作用力。 触觉交互技术在未来的一些新兴领域将成为关键技术，在制造业领域引入触觉交 互，将使产品的创新性和顺利的开发过程显著提高。未来的触觉交互技术，将朝着智 能感知，触觉仿真的真实感以及触觉反馈设计的多样性方向发展。高保真的触觉交互 系统，将在军事、航空航天、工业产品的设计和制造、医疗等众多领域得到广泛利用， 为人类的生产生活带来便利。 近年来，触觉交互技术的研究主要分为以下三个主要的研究方向伸，： ( 1 ) 触觉交互中的人类触觉机制研究。主要集中于触觉界面中的人类触觉特征应 用及刺激一感受规律以及在有关触觉输入和触觉反馈中的相应算法研究； ( 2 ) 具体触觉界面设计及评价研究。主要研究的是依照触觉交互特点和理论上提 出的触觉设计实例，以及对该设计应用性和操作绩效的评价； ( 3 ) 虚拟现实中触觉交互的应用研究。触觉交互技术把触觉交互看作为界面交互 中的一种特殊输入输出的方式，与传统的人机交互有很多不同之处，因此以其自然性 和仿真性的特点出发研究在日常生产生活中的广泛应用有很重要和特殊的意义。 1 4 2 逆向工程技术 逆向工程技术是早在2 0 世纪8 0 年代初分别由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究 所以及美国u v p 公司提出来的，目前在美国等许多发达国家和地区，逆向工程设备和 4 多c a d 软件也相继开 前流行的c a d c a m 软件，具有很强的正向设计能力，但对于大规模测量数据的处理仍 不完善，将二者结合造型，取长补短是目前逆向造型的主要实现手段。将测量得到的 点云数据导入到专用反求软件i m a g w a r e 或g e o m a g i c 中，专用反求软件提供了从扫描 输入、点云处理、曲面连接、光顺、形成c l a s sa 曲面，提供了n u r b s 的曲线和曲面 建模环境，通过上述算法可根据曲率提取特征线，对曲面进行拟合，并通过修改控制 点和曲面度实现曲面的精度和光顺的要求，从而实现复杂型面的零件的曲面造型和基 于测量数据的自由曲面重构。将经过处理得到的控制曲线以i g e s 文件格式输入到u g 或c a t i a 等正向设计系统中，利用相关的模块对不完整的模型进行二次设计：从输入 模型中提取边界、与模型求交、进行数据重采样、曲线延伸、曲面缝合等步骤，最终 完成模型的建立n “。 国内外大量事实证明，基于逆向工程技术的引进是吸收国内外先进科学技术，促 进国民经济高速增长的战略措施。然而，若仅仅引进别人的技术而没有创新，那么将 永远得不到发展。因此，引进的基础上要进行创新。索尼公司的晶体管收音机、日本 本田公司的摩托车等很多大公司的崛起，最开始靠的都是引进技术的“吸收性战略”， 这样为公司创立之初节省了大量的研究时间和经费。 当今反求设计技术主要包括：测绘仿制、变参数设计、适应性设计和开发性设计。 1 ) 测绘仿制：测绘仿制是通过测绘的方式，得到与原实物一样的实物模型的反求 5 广东工业大学硕士学位论文 方法。测绘仿制是反求设计的基础，但如果仅有测绘仿制而没有再设计，反求设计就 没有创新之处而失去了反求建模再设计创新的意义。因此反求建模的再设计创新是反 求技术的一个重要的环节。 2 ) 变参数设计：是指在原产品原理和机构方案的基础上，仅改变某些尺寸和性能 参数，以满足不同工作需要的设计方法。 3 ) 适应性设计：指在原产品原理方案的基础上，仅改变部分参数、结构或零部件， 以克服原产品的缺点或适应新的使用要求的设计。 4 ) 开发性设计：也成为创新设计，是针对反求对象的功能，提出新的原理方案， 完成从方案设计技术到施工设计的全过程。 实物反求是以选定的产品实物为对象，通过对其功能原理、结构原理、尺寸参数、 使用性能等进行分析、测绘、研究和再设计，进而研制和开发出新产品，是一个认识产 品_ 再现产品_ 创造产品的过程，。因此实物反求具有具体性和真实性的特点。本文用 实物反求的设计方法，对壶体这一具体实物进行反求，并在此基础上，通过适应性设 计，扬长避短，开展创新设计，实现壶柄和壶身的外形修改得到新的壶体造型。 由此可见，基于逆向工程技术的创新设计是一种以产品的实物为研究对象，结合 现代的设计方法探索其关键技术的过程，是一项具有开拓性、实用性和综合性很强的 技术，在生产生活中已经得到广泛的应用并具有广阔的市场前景。 1 5 本课题研究的内容分析 本论文的研究目标为用本文提出的方法实现产品模型的反求建模；并在此基础上 进一步将触觉交互系统与数字化测量、快速原型技术集成，构成一套完整的从产品实 物模型到新产品样件的反求工程c a d 建模平台。 本论文的研究内容： ( 1 ) 利用手持式3 d 扫描仪对产品样件表面进行点云数据采集，并通过c a t i a 逆向 功能模块对原始点云进行预处理； ( 2 ) 基于c a t i av 5 的逆向造型功能，利用上步预处理好的点云，重构样件的三维 数字模型； ( 3 ) 基于力反馈技术的重构物理模型的再设计； ( 4 ) 基于数字化测量、触觉交互与快速原型技术的集成方法； ( 5 ) 结合快速原型机得到新产品的实物样件； 6 第一章绪论 研究内容流程图见图1 - 3 。 毒 再 快 新 口 设 速 样日 口口 点 c r t i a 样测量 输入 逆向造 f r e c f o r m 系 计 输入 原 件 石 导入 统 再设计。 型模 型 型 机件 图1 - 3 研究内容流程图 f i g 1 3s t u d yc o n t e n tf l o w c h a r t 本论文的创新之处有： 1 ) 引入f r e e f o r m 触觉交互技术，与三维模型正逆向造型技术结合，在基于力反馈 的虚拟变形设计环境下，发挥触觉雕刻技术操作直观、有利于创新思维的优势，实现 重建数字化模型的创新设计，减少开发流程和开发周期； 2 ) 将触觉交互系统进一步与数字化测量、快速原型技术集成，建立一套完整的从产 品实物模型到新产品样件的支持产品创新设计的反求工程c a d 建模平台。 7 广东工业大学硕士学位论文 第二章模型表面数字采集及数据处理 2 1 表面数字测量技术发展现状 数据获取是反求工程c a d 建模的首要环节，数据获取利用坐标测量得到逆向建模 的数据，坐标测量设备总体上分为非破坏性测量设备和破坏性测量设备两种类型“”。通 常的非破坏性数据采集方法又可分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量 方法通过传感测头与样件的接触记录样件表面点的坐标位置，接触式扫描基于力一变形 原理的触发式和连续扫描式数据采集，主要有三坐标测量机和机械手臂测量两种“”。非 接触式测量方法主要通过光学、声学、磁学等原理生成。破坏性测量是利用自动断层 扫描技术，采用逐层铣削样件实物，并逐层扫描断面的方法，在此过程中获取零件原 形不同位置截面的内外轮廓数据，组合获得三维数据1 。 现代三维测量技术的主要特点及发展趋势是用激光光源取代常规光源，并且从光 机结合的模式向光机电一体化的模式转换，实现测量与控制的