（机械设计及理论专业论文）基于逆向工程的atv造型设计方法.pdf

摘要为了深入研究产品创新设计方法，本文以a t v 造型设计为例，对产品的逆向工程技术进行了系统的研究，总结出了产品短周期逆向设计程式，并应用空间点云数据三维模型快速重建c a d 模型的方法。本文围绕逆向工程的三个核心环节：物理模型的制作、三维数据的采集、c a d 模型的重建，详细地介绍了应用逆向工程技术的产品创新设计方法。文中针对客户需求，对a t v 的开发进行市场定位，应用仿生等设计方法，对a t v 的造型进行了概念设计，并制作完成了全尺寸物理模型。使用v i v i d9 1 0 三维扫描仪对油泥模型进行了空间数据采集工作，应用i m a g e w a r e 软件完成了s t l 文件数据的点云化、噪声处理等过程，应用p r o e n 酉n e e r 软件完成了c a d 模型的重建工作。经过光顺等技术处理的c a d 模型，可被应用于造型的模具设计，人机工程分析等研究与设计过程中。在产品造型概念设计、物理模型制作、三维c a d 模型重构过程中，都能对产品造型进行创新设计，特别是对于复杂的产品造型，使用逆向工程技术更有利于其创新设计。关键词：逆向工程、a t v 造型、油泥模型、三维数据处理a b s t r a c tf o ra ni n - d e p t hr e s e a r c hp r o d u c t sa n di n n o v a t i v ed e s i g np r o c e d u r e ，b a s e do np r o d u c td e s i g na t ve x a m p l e ，t h i sp a p e rs u m m e du pas h o r tp r o d u c tc y c l e sr e v e r s ee n g i n e e r i n gp r o g r a m m i n g i ta l s od i dt h es y s t e mr e s e a r c ho nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yo fp r o d u c t s ，a n dh o wt or a p i d l yr e c o n s t r u c tc a dm o d e lf o u n do ns p a c e3 dd a t ap o i n t sc l o u d t h i sp a p e rf o c u s e do nt h et h r e ec o r ea r e a so fr e v e r s ee n g i n e e r i n g ：m a k i n gp h y s i c a lm o d e l 、a c q u a i n t i n gt h r e e - d i m e n s i o n a ld a t af r o mt h em o d e la n dr e c o n s t r u c t i n gc a dm o d e li nc o m p u t e r i ta l s od e t a i l e di n t r o d u c t i o nan e wd e s i g np r o c e d u r eb a s e do nt h ea p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n g a c c o r d i n gt ot h ed e m a n d sf r o mc u s t o m e r s ，t h ep a p e rm a d ep o s i t i o nf o rt h ed e v e l o p m e n to fa t vm a r k e t i ta p p l i e ds u c ha sb i o n i cd e s i g nm e t h o df o rt h ep r o t o t y p eo fac o n c e p t u a ld e s i g no fa t va n dt h e nm a d eaf u l l - s c a l ep h y s i c a lm o d e l v i v i d9 1 03 ds c a n n e rw a su s e dt oc o l l e c ts p a t i a ld a t af r o mp h y s i c a lm o d e l ，s o f t w a r ei m a g e w a r ew a su s e dt os a m p l es t lf i l et od a t ap o i n t so fc l o u d 、e l i m i n a t en o i s ed a t aa n ds oo n ，i ta l s oa p p l i e ds o f t w a r ep r o e n g i n e e rt oc o m p l e t eac a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o nw o r k t h ec a dm o d e ld e a l tw i t ha f t e rs m o o t h i n gt e c h n i q u e sc a nb ea p p l i e dt ot h em o l dd e s i g n 、e r g o n o m i c sr e s e a r c ha n da n a l y s i so ft h ed e s i g np r o c e d u r e p r o d u c tm o d e l i n gc o n c e p t sd e s i g n ，p h y s i c a lm o d e l i n g ，c a dm o d e lr e c o n s t r u c t i o np r o c e s s ，i n n o v a t i v ep r o d u c td e s i g np r o c e d u r ew i l lb ea p p l i e di n ，e s p e c i a l l yf o rc o m p l e xp r o d u c tm o d e l i n g ，t h eu s eo fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi sm o r ec o n d u c i v et oi t si n n o v a t i v ed e s i g n k e yw o r d s ：3 dd a t ap r o c e s s i n gr e v e r s ee n g i n e e r i n ga t vm o d e l i n gc l a ym o d e l i n gi l论文独创性声明本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已经公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。：弦明希冲日敝储摊：铥喇系冲6 月7 日论文知识产权权属声明本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为长安大学。( 保密的论文在解密后应遵守此规定)论文作者签名：导师签名：豫昭条磁佯托呼月7 日7 内7 年多月7 日长安大学硕士学位论文第一章绪论作为产品设计制造的一种手段，在2 0 世纪末，逆向工程技术开始受到各国工业界和学术界的高度重视，从那时起，有关逆向工程技术的研究和应用就一直受到政府、企业和科研机构的关注。特别是随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用c a d c a m 技术、先进制造技术来实现产品的逆向工程，已经成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容【2 1 。1 1 正向工程概述所谓“正向工程 ，就是先有产品的定位，包括产品的外观、大小、尺寸和功能需求等，然后设计师根据这个定位要求去设计并制造出符合要求的产品，这样的工作流程为“正向工程”，更进一步讲，产品经历了从概念设计到图样，再到制造的过程【1 0 1 。这种设计过程及方式是我们通常所习惯并且熟知的传统的设计过程。它同样也适合自行开发的各种产品，其具体流程如图1 1 图1 3 所示【1 1 l 。图1 1 正向工程开发流程一1 1 2 ”1 17j u 订异饥捅助以订ii顺向工程+误差刀具路径模型规划分析软件( 模具)上1 l，ic n c 铣床射出成型机快速原型机l 自鬻统l产品l图1 2 正向丁程系统流程二图1 3 正向工程中的产品造型设计流程第一章绪论然而，在产品功能满足基础上，人们开始注重造型，基于此，一些设计需要通过美工手段来完成，如木模、石膏模、黏土模、蜡模、工程塑料模、玻璃纤维模用来创造完美的外观造型，然后再用三维尺寸测量来建立出自由曲面模型的图形文件，这个过程已经有逆向工程的内容，属于具有对象导向( o b j e c t o r i e n t e d ) 的观斜1 1 j 。正向设计产品时，需要首先进行组件的图纸设计及c a d 模型设计，在各个组件的所有资料齐备时，方可进入下一阶段的产品制造，一旦出现设计中的疏漏，需要进行大工作量的设计修改工作，产品研发周期长，投入大。1 2 逆向工程概述逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称为反求工程、反向工程等。它起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路【9 1 。它的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，随后发展成一项以先进产品、设备的实物、样件、软件( 包括图样、程序、技术文件等) 或影像( 图像、照片等) 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。根据逆向工程中研究对象的不同，逆向工程分为影像逆向、软件逆向、实物逆向等。就实物逆向而言，又包括形状( 几何) 逆向、功能逆向、材料逆向、工艺逆向，在本论文中所提及的属实物逆向部分内容，它主要包括：产品实物模型( 或样品) 、模型( 或样品) 数字化和曲面重构技术，它的发展领域是自由曲面的逆向工程和表面简单但具有复杂拓扑关系的逆向工程。目前，基于c a d c a m 系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描、完成实物3 d 重建后，通过n c 加工就能快速地制造出模具，最终注塑得到所需要的产品。逆向工程技术现在已经广泛地用于产品仿制、改进及创新设计。利用逆向工程技术，可以直接在已有先进的国外产品基础上进行结构性能分析、设计模型的重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短了产品开发周期，更重要的是可以快速赶上世界先进生产技术水平，有效地占据市场，领导技术前沿【9 1 。现代逆向工程技术除广泛应用在汽车工业、航空航天工业、机械工业、消费| 生电子产品等几个传统应用领域外，也开始应用于立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画、文物及艺术品的仿制与破损的修复等领域。另外，在医学科技，如人体中的骨头和关2长安大学硕士学位论文节等的复制、假肢制造、人体外形测量、医疗器材制作等方面，也有其应用价值【9 1 。1 3 逆向工程与工业设计逆向工程的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，在产品设计开发过程中，采用计算机建模的方法，实际应用的结果是可以在某种程度上减少小比例模型的数量。物理模型( 油泥、石膏、木材或硬脂塑料模型) 的数量虽然可减少，但数据模型尚不能完全传达和呈现物理模型的全部形态信息，物理模型依然占有非常重要的地位。由于物理模型的不可替代性，在设计中通常采用物理模型和数字模型并存，相互参照的方法来进行产品的设计开发。对于物理模型的数据采集，采集后的数据处理，c n c 模型加工就需要逆向工程技术了。当然，在工业设计及产品研发过程中，逆向工程技术的应用并不是纯粹逆向的，是用逆向与正向结合的方式进行。通过数字模型采集设备生成的数据资料还仅仅是一个基础数据，要达到产品设计所要求的高质量曲面，还需要使用专门的逆向工程设计软件，对基础数据进行进一步的加工和二次设计。虽然在测量空间点云数据的基础上建立模型，也不完全用测量点逼近的方法建立，一些曲面的建立通常是一些正向设计的方法与逆向设计的方法同时应用，发挥各自的优势来满足设计的要求。这一阶段高密度点云处理软件是必不可少的，修改和生成模型的过程主要用专业软件，如此建立的模型曲面才能达到a 级曲面的质量要求【2 1 1 。逆向工程还可以依据设计意图进行反复修改、调整，并根据需要进行多方面的分析检查，使曲面形态的光顺性、连续性和精确性方面均有提高。由于数据模型上的二阶导数的连续已完成分析评估验证，曲面的光顺性也经过检验，真正能实现二阶导数的连续性和视觉上的光顺性，使得a 级曲面有可靠的保证。经过分析的数据模型，传送到c n c 设备中，制作最终硬脂模型或样车【2 1 1 。结合工业设计流程，逆向工程与正向工程已广泛应用于工业产品的设计中，如图1 4 所示i l l j 。1 4a t v 概述a l lt e r r a i nv e h i c l e ( 适合所有地形的交通工具) 是a t v 的全名，直译成“全地形越野机车 ，也可以称作沙滩车、运动娱乐车等，很难用简单的中文名称来表达它的真实含义。a t v 是一种集娱乐、体育运动、旅游于一体的特种车辆，它可以在海滩、草地、3第一章绪论森林、山地、旅游场所等多种复杂路面自由行使。图1 4 工业产品设计流程图现代a t v 的前身三轮并有低压气胎的机车，于1 9 6 0 年后开始在美国市场销售。开始时它只是为越野赛设计的车，后来逐渐成为比赛赛车、实用运输车、家庭休闲用车等等。1 9 8 0 年代开始，各个厂商开始参与并且针对各种用途投入了对a t v 原型的制作，并在1 9 8 5 1 9 8 7 年造成了它在美国市场的大流行，同时机车也由三轮改变成四轮。而随着四轮车辆的增加，以前从未出现的四轮驱动式车也发展起来。外壳通常由塑料制成，骨架采用铝合金和钢结构焊接，轻巧而且实用。它驾驶简单，根据不同的排量，最高时速通常限制在3 0 - 6 0 公里，能满足不同年龄的消费者娱乐需要。a t v 具有锻炼驾车能力，培养勇敢精神的作用，它性能优良，造型美观，乘骑舒适，坚固耐用，已经取得了国内外市场广泛认同，目前已经远销美国、欧洲、澳大利亚等国家地区。同时，由于a t v 可应用于不同地形，依照其用途可分为农业用、畜牧用、狩猎用、运动用、休闲用、消防用等。比如，那些大马力的a t v ，农场主甚至用它当作小型拖拉机来使用；国外甚至组织进行专门的a t v 赛事；性能优良的a t v 甚至可以征服条件更加恶劣的沙漠地形，这是因为在软质的沙地上，a t v 宽大的轮胎能增加与地面的接触面积，从而产生更大的摩擦力，再配合独特的胎纹使得轮胎不易空转打滑，使其容易行驶于沙地上。同时，a t v 具有品质良好、性能优良等特点，这使得他同样可以克服河床、林道、溪流等复杂道路状况，也能载送人员或运输物品。基于上4长安大学硕士学位论文述情形。a t v 的功能发挥得淋漓尽致，因此堪称全能的行动工具，如图1 5 图1 7所示。国产a t v 分类主要是将其应用场所和发动机规格的不同作为依据。小排量的( 5 0 c c )列为青年少年儿童体育型，大排量的( 2 0 0 2 5 0 c c ) 被列为公用场所实用型a t v ，因为它们的使用目的都主要是作为交通工具。与此同时，同时具有公共用途和体育用途特点的a t v ，则既可以用于工作，也可以用于娱乐用。麟融趟黼图1 5 沙漠a t v 行驶图l 6 越野河流穿越幽17 a t v 芽越丛林山地141a t v 的生产制造情况目前，我国大多数 t v 供应商以全国本土拥有的私营企业为主，虽然也有少数是外资或国企。其中，高达8 3 2 以上是私人拥有的本地公司1 1 8 属于国有企业，另外5 属于外商投资。对于a t v 供应商，他们的成长极其迅速。我国一摩托车知名企业，自创办a t v 生产以来，仅在三年时间内，生产能力已经从几百万美元的营业额迅速增长到去年创造出口高达4 0 0 0 万美元。a t v 在中国生产主要集中在两个主要地点。重庆，这是世界上最大的摩托车生产城市，去年生产了1 0 万多台a t v ，约占我国a t v 产量的半数左右。其它主要生产中心，则分布在浙江省内的各个地区，以永康最为集中，并且针对知识产权争端、出口5第一章绪论认证等普遍性问题自发建立了相关行业专有组织，该地区a t v 年产量已经超过了4万台。与之配套的零部件供应产业也正在两地迅速建立，辐射全国和海外市场。此外，一些国际品牌也已经通过各种途径陆续进入我国市场，比如，北极星公司( p o l a r i si n d u s t r i e s ) 采取与我国军工制造厂合作的形式，成功进入我国军用a t v 市场。而更多的国际品牌则直接通过我国境内的大批供应商的产品来拓展他们自己的国际市场、我国的俱乐部高收入阶层次市场。1 4 2a t v 的市场状况与销售趋势仅仅在过去的5 年时间里，我国的出口a t v 总金额已达到5 亿多美元。我国生产的a t v 产品，主要包括5 0 2 5 0 c c 的多种型号，个别车型时速高达1 0 0 公里，生产制造总量己约占世界a t v 总产量的4 0 。a t v 供应商大多数是从从事摩托车制造业供应商中产生的，他们凭借着摩托车制造业相关领域专长，借助自己必要的知识扩大应刚领域至a t v 制造业。截至目前，大批汽车零l ：b ；t j t j 造商也开始转向兼营a t v 。预计我国a t v 的出口销售需求将继续以两位数增长，尤其是来自美国等北美地区的需求，它将继续持续性地上升。由于出口预期是将出现广泛的出口增长，供应商也将积极扩大生产供应能力，提升制造设备和技术，同时引进质量控制体系，在重庆和浙江地区，a t v 产业化的趋势已相当明显。目前，a t v 的研发方向已有新发展，区别于休闲娱乐用车，部分制造商已经将研发方向转变为发展那些3 0 0 6 0 0 c c 实用型a t v ，重型、大排量a t v 的产业再造将会是未来的新增长点之一，它会涉及到与工作有关的任务，比如，消防专用a t v 。随着沙滩车行业供给能力的增长、应用领域的拓宽以及其在各领域应用深度的加强，可以预见，未来沙滩车的国际消费水平将保持稳定增长的态势。2 0 0 6 年全球a t v市场需求将突破1 1 0 万台左右，预计2 0 1 0 年将达到1 5 0 万台左右。未来四年，全球a t v 的市场容量将至少在5 5 0 万辆左右。从市场分布看，美国仍将是第一大消费国；欧洲a t v 市场将继续呈现快速增长势头，其中以英国和法国增长最快；澳大利亚由于拥有丰富的旅游资源以及农业资源，将成为拉动a t v 需求增长的重要力量；我国由于拥有较强的a t v 生产能力，随着人们对于休闲娱乐的重视程度增加，也将为拉动国际a t v 市场需求量增添助力。6长安大学硕士学位论文1 5 本文研究的内容本文在阅读国内外相关文献的基础上，紧密结合我国a t v 生产设计实践，从产品设计入手，尝试探索研究a t v 快速设计方法与程式，基于此，主要包括以下方面研究内容：( 1 ) 、研究了逆向工程设计流程、正向工程与逆向工程区别、逆向工程与工业设计等内容，提出以工业设计生产流程为主，结合使用逆向工程技术，快速研发具有独立知识产权的a t v 车辆的产品创新设计程式。( 2 ) 、应用仿生等产品设计方法，建立了客户需求模型，完成了a t v 造型的概念设计。应用二维人体模板，对a t v 概念设计方案进行了人因因素等设计要素分析，进行了设计更改，避免了概念设计中经常出现的设计纰漏，充分体现了“以人为中心的产品创新设计思想。( 3 ) 、研究了逆向工程系统模型组成，并应用逆向工程技术，结合使用v i d9 1 0激光扫描仪，采集物理模型三维空间数据，成功的完成了由实物到计算机虚拟空间的数据传输这一技术难题。( 4 ) 、依据a t v 产品效果图，制作完成了全尺寸物理( 油泥) 模型，将二维平面概念三维空间化，为a t v 造型方案的评估与确定，以及空间三维数据的采集提供了前提。( 5 ) 、研究了数据传输技术。针对目前不同的三维软件由于源代码为开放而造成的交互性差、空间点云量大超过计算机处理能力等难题，探索并成功解决了空间点云在不同软件中的不失真传输，提出并应用s t l 文件的输出及析出( s a m p l e ) 技术。( 6 ) 、研究了逆向建模技术。应用p r o e n g i n e e r 软件，完成了基于空间三维点云创建空间曲线、空间曲面，并生成曲面实体的c a d 模型重建工作。( 7 ) 、研究了光顺技术。在c a d 逆向建模过程中，要最大限度地保证曲面质量。应用p r o e n g i n e e r 软件完成了对曲面质量的分析以及调整工作，总结出了a t v 覆盖件的a 级曲面创建方法。( 8 ) 、创建了a t v 造型方案覆盖件的数字化模型。为随后的小批量r p 试制，c n c加工提供了严谨的数学模型依据。7第一章绪论1 6 本章小结本章结合有关文献资料，介绍了正向工程与逆向工程的概念，正向工程的工作流程模式，逆向工程与工业设计的紧密关系等内容。同时，结合我国a t v 市场及生产状况，预测了a t y 的发展前景，简要地指出了本文所要研究内容的要点。8长安人学硕士学位论文第二章逆向工程系统模型为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径，将这些实物信息转换成c a d模型，使之能利用c a d 、c a m 、r p m 、p d m 及c i m s 等先进技术进行处理或管理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已经发展成为一个c a d c a m 中的一个独立的范畴，即逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 技术。通过逆向工程复现实物的c a d 模型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中，充分利用c a d 、c a m 、r p m 、p d m 、c i m s 等先进制造及管理技术，同时，由于逆向工程的实施能在相对较短的时间内复制实物样件。2 1 逆向工程的工作流程基于叫c a m 系统的数字扫描技术为逆向工程提供了有力支持，在完成数字化扫描、c a d 模型重建后，通过n c 加工就能快速地制造出模具，最终注塑得到所需的产品。逆向工程通过重构产品零件的c a d 模型，可以对产品的原型进行修改和再设计，这就为产品的再设计以及创新设计提供了数字原型平台，各种先进的计算机辅助技术手段也为此提供了强有力的支持。逆向工程通常是以工程方式执行某一模型的仿制或设计工作。往往一件拟制作的产品没有原始设计图文件，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头，要求制作单位复制出来。传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三维靠模铣床制作出1 ：1 成等比例的模具，再进行批量生产，这种方法属模拟式复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形改进，已渐渐为新的数字化逆向工程所取代。目前所谓的逆向工程是针对一件现有实体产品( 样品或模型，尤其适合复杂不规则的自由曲面) ，利用3 d 数字化测量仪器准确、快速地测量出轮廓坐标值，并建构曲面，经编辑、修改后，生成数字化几何模型，再将图档转至一般的c a d c a m 系统，再由c a m 所产生刀具的n c 加工路径送至c n c 加工机床制作所需模具，或者以快速成型机( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将样品模型制作出来。目前，逆向工程模式有如图2 1 、图2 2 、图2 3 所示的三种【l o l 。通过逆向工程构建而得到的立体模型，经由c a m 产生刀具路径后，其切削精度及效率更胜于传统的仿削加工。此外，除了模仿外形是逆向工程的功能外，更能在过程中修改该产品，赋予产品更新的造型。9第二章逆向工程系统模型图2 1 逆向工程流程图一图2 2 逆向工程流程图二2 2 逆向工程系统的特点图2 3 逆向工程流程图三逆向工程是在只有实物模型或者产品原型，没有产品图纸的前提下进行产品制造生产而提出来的。在这种情况下，就必须采用传统测量或者先进测量手段进行产品数字化工作，即物理实物的数字化处理过程，经过技术处理，利用空间数据，进行曲面的重构工作，然后借助c a d c a m 系统构造实物的c a d 模型，再输出n c 加工指令1 0长安大学硕士学位论文驱动c n c ，或输出s t l 文件驱动快速成型机制造出产品或者原型。这一产品开发模式就是上述介绍的逆向工程，再利用集成的思想，将逆向工程和其他先进制造技术，如快速原型制造技术、基于数字及网络的快速模具设计及制造技术等相结合，构成一个完整的应用系统，称为集成逆向工程系统【翻( i n t e g r a t e dr e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。逆向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计模型，是通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近。从功能和应用的目标考虑，一个完整的集成逆向工程系统应具有以下特点和要求【9 1 ：( 1 ) 、由于目前运用逆向工程进行复制的零件，一般都比较复杂，往往包括一些空间的曲面等等，通常很难以常规的方法来加以处理。因此，在整个复制的过程中，必须使用计算机辅助测量( q 虹) ，计算机辅助设计( q ) ，计算机辅助制造( c a m ) ，以及计算机辅助分析( c a e ) 等先进手段。从某种意义上讲，这是逆向工程与c a d c a e c a m 系统采取一种柔性集成的方案，以支持不同应用的要求。( 2 ) 、实物的数字化( 包括模型检测) 应是一种指导下行为。( 3 ) 、系统具有统一的数据模型。( 4 ) 、支持异地过程。2 3 逆向工程系统的组成逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来，然后再以取得的各点数据对曲面进行处理，并最后加工成型。因此，建立一套完整的逆向工程系统，这个系统的框架可以分为三个部分( 或三个子系统) ：数字化及数据处理子系统、模型重建子系统和产品制造子系统。数字化及数据处理子系统的任务是测量规划、测量和数据处理转换；模型重建子系统主要包括模型重建、模型分析、模型评价等模块，与目前的c a d 造型软件或洲c a e c a m 系统不同的是数据结构是面向集成的数据模型结构造型、有专用的逆向功能( 曲线、曲面拟合等) 和重建模型评价功能等；产品制造子系统主要是加工制造设备，包括各种机床( n c ) 和快速成型机等。测得的数据经数据处理和转换，输入到加工制造系统，最终得到产品样件、实物和模具，这与现有的m s 系统相同。在产品开发中，以逆向方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性，这包括外观上曲面的造型与结构上各种机构的位置。也就是说，该产品数字数据不是以直接绘制的方式就可以获得的，因此，逆向工程的第一任务就是如何取得工程人员所需要的1 1第一二章逆向t 程系统模型点数据，以用于后续的模型建构，也就是逆向工程中一个重要技术环节为三维数据点测量技术。2 3 1 数字化及数据处理子系统产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大类，即接触式与非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式按其原理不同，又可分为光学式和非光学式。其中，光学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等；非光学式则包括c t测量法、m r i 测量法、超声波法和层析法等。接触式测量与非接触式测量两种方式的优缺点如表2 1 、表2 2 所示【1 1 l 。表2 1 测量方式的优点对比表格接触式测量非接触式测量1 、因接触式探头发展已有几十年，其机械1 、近年来，光电技术、微电子技术以及计结构及电子系统已经相当成熟，故有较高的准确算机技术的迅速发展，使得激光及光学在测量性和可靠性。领域中的应用有了重大突破，它具有以下优点：油泥模型的采集会遇到问题。1 、不必做探头的半径补偿，因为激光光点位置2 、接触式测量为探头直接接触下件表面，就是工件表面的位置。故与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不2 、测量速度非常快，不必像接触触发探头大。那样逐点进出测量。3 、被测物体同定在三座标测量机上，并配3 、软工件、薄工件、不可接触的高精密工合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几件可以直接测量。何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器( 标尺) ，利用导轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。随着测量技术的发展，产生了非接触式扫描测量a t o s测量系统，即光学测量系统，主要采用矩形光栅投影，该系统主要包括测量头、三角架、控制器、数码相机系统和相应计算机硬件组成。三坐标测量机接触方式测量与激光扫描仪器非接触方式测量的技术特点如表2 3所示【1 1 1 。长安人学硕士学位论文表2 2 测量方式的缺点接触式测量非接触式测量1 、为了确定测量基准点而要使用特殊的夹1 、测量精度较差，因为非接触式探头大具，会导致较高的测晕费用。不同形状的产品会多使用光敏位置探测器p s d ( p o s i t i o n造成原来的夹具不适用而使成本大幅度增加。s e n s i t i v ed e t e c t o r ) 来检测光点位置，目前的2 、球形探头易因接触力造成磨耗。所以，为p s d 的精度仍不够，约为2 0 比m 以上。了维持一定的精度，需要经常校正探头的直径。2 、因非接触式探头大多是接收工件表面3 、不当的操作容易损害工件某些重要部位的的反射光或散射光，易受工件表面的反射特表面精度，也会使探头损伤。性( r e f l e c t i v i t y ) 的影响，如颜色、斜率等等。4 、接触式触发探头是以逐点进出方式进行测3 、p s d 易受环境光线及杂散光影响，故量的，所以测量速度慢。噪声较大，噪声信号处理比较困难。5 、检测一些内部元件有先天的限制，如测量4 、非接触式测量只做工件轮廓坐标点的内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连直径。续形状的处理较困难。6 、对三维曲面的测量，因传统接触触发式探5 、使用c c d 作探测器时，成像镜头的头是感应元件，因而可能会导致修正误差的问题。焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化在测量的数据时，需要对整个曲面补正就需要繁大时成像会失焦，成像模糊。杂及冗余的计算，同时也是测量误差的来源之一。6 、工件表面的粗糙度会影响测量结果。7 、接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。8 、测量系统支撑结构存在静态误差和动态误差。9 、由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越( o v e r s h o o t ) 现象，趋近速度会产生动态误差。1 0 、测量接触力量即使一致，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。目前，国外主要测量设备主要有：美国的s h e f f i e l d 公司的e n d e a v o r 系列三坐标测量机、o g p 光学测量公司的s m a r t c o p e ( 尺寸规格为2 0 0 x1 5 0 x1 5 0 ，单位：r a m ) 与z p2 0 0 ( 尺寸规格为2 0 0 x1 5 01 5 0 ，单位：r a m ) 型光学式坐标测量机、t e s a b r o w ma n ds h a r p e 公司的c h a m c 1 e o n( 尺寸规格为7 5 0 x 6 5 0 5 0 0 ，单位：r a m ) 与z e l 2 1 0 6 ( 尺寸规格为1 2 0 0 x1 0 0 0 x 6 0 0 ，单位：m m ) 型气浮导轨式三坐标测量机；英国的f e n a n t i ( 现m s ) 公司的i m p a c t ( 尺寸规格为6 0 0 5 0 0 c面层a模信面层t t加原型ld型息层j工v或ll 。【一黼挥亚位叫分堆零件ll 原型概念设计同烈循不米r处。l模层理与粘积逆向获取型结图2 4 快速成型原型制造流程快速自动成型技术的本质是用积分法制造三维实体。利用计算机生成一个产品的三维c a d 实体模型或者曲面模型文件，将其转换成s t l 文件格式，用一个软件从s t l文件“切 ( s l i c e ) 出设定厚度的一系列的片层，或者直接从c a d 文件切出一系列的片层。将上述每一片层的资料传到快速成型机中去，用材料添加法依次将每一层做出来并同时连接各层，知道完成整个形体。它的制造方法可以包括以下几种：( 1 ) 、纸基分层形体制造( s s m )利用涂敷纸为成型材料，根据输入或扫描数据分层切割、复合成型。该方法较适用于非精细表面自由曲面实体。由于纸层厚度产生的边界阶梯效应，几乎不能做出精1 6长安大学硕士学位论文细的线角变化，纸基材料脆弱，成型后表面二次加工的难度很大。( 2 ) 、熔融挤压制造( m e m )利用a b s 丝为成型材料，喷头依据成型物体的扫描数据进行挤压运动，由a b s丝的层积生成形体。由于a b s 丝的特质，难以达到精细的外观效果，因此快速成型后的形体，一般要进行二次加工。( 3 ) 、激光烧结成型利用a b s 粉末为成型材料，激光束根据分层截面的数据逐层扫描，烧结固化粉末材料，生成形体。一般来说，可获得较好的形体表面质量。粉末烧结的形体固化后，可进行二次加工。( 4 ) 、光敏树脂成型( r s 系列)利用光敏树脂受激光照射凝固的原理，加工机械性能好，可直接获得不同材质包括透明材质的形体。其适用于小光逐层扫描固化液槽中的光敏树脂得到形体。这种成型方法精度高，表面光滑，具有精密产品的外观快速成型的功能。在成功生成产品的c a d 模型后，可以依据其制作模具c a d 模型，利用模具的c a d 模型直接制造模具，也就是制造快速模具( r a p i dt o o l i n g ，r t ) 。这样做，可以适应各种生产类型尤其是单件小批量模具生产，而且能适应各种复杂程度的模具制造，既能制造塑料模具，也能制造金属模具，模具材料还可以强韧化和复合化。同传统的成本高、周期长的c n c 加工方法相比，能大大降低成本、缩短生产周期，尤其对于形状特别复杂的中小型模具，快速模具更有优势。实施逆向工程的目的是为了更好地实现产品设计的并行工程，是产品设计及其相关过程实行同步作业，并使之优化，为的是提高产品设计的成功率，可以缩短产品研发周期，降低产品试制成本，减少制造商风险，提高产品质量，从而增强企业的竞争力。基于逆向工程的设计方法已经作为一种先进的产品研发方法被引入到新产品的设计开发工作中，它的目的是在最短的时间内，以最小的研发投入、同时向市场推出质量最好的产品。与此同时，随着数字化技术、计算机技术的发展，逆向工程技术将会日益成熟。2 4 逆向工程的应用目前，大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在集合形状，即重建产品实1 7第二章逆向工程系统模型物的q 模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程 。这是因为，一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象：另一方面，在产品开发和制造过程中，虽然已经广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定的途径将实物样件转化为c a d 模型，以期待利用计算机辅助制造、快速原型制造和快速模具等先进技术对其进行处理。同时，随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。目前，逆向工程成为a m c a m 系统中的一个研究及应用的特点，并发展成为一个相对独立的领域。在这一意义下，实物逆向工程可定义为：逆向工程是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。因此，在只有产品原型或实物原型的条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过构建产品零件的c a d 模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新的目的。对于其他具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式，汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由造型工程师制作1 ：1 的木或油泥模型，然后测量表面数据输入计算机，进行再造型、修改、完善，最后经过c a m 完成模具。目前，逆向工程广泛应用于下列方面n 伽1 ：( 1 ) 、尽管计算机辅助设计( a 啦) 发展迅速，各种商业软件的功能日益增大，但目前，还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用油泥( 黏土) 或泡沫模型代替c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为c a d模型，此时，就必须引入逆向工程的技术。( 2 ) 、工业设计师倾向于使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数字模型表达，通过比例运算得到美观的、真实尺寸的c a d 模型。比如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等方面的要求，首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试( 风洞试验) 建立符合要求的产品模型。此类产品通常由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的实验模型就可以借助逆向工程，转换为产品的三维c a d 模型。( 3 ) 、由于各种相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由c a e 来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需1 8长安大学硕一l 学位论文要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出c a d 模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，这样就可以大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。( 4 ) 、在目前国内，由于c a d c a m 技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实体零件，这时为了能利用c a d c 铷技术来加工模具，必须首先将实体转换为c a d 模型，继而在c a d 模型的基础上设计模具，分析模具。( 5 ) 、艺术品、考古文物的复制。一些流线型的产品、艺术浮雕等含有大量的不规则线条，如果利用c a d 软件、以正向设计的方式来重建这些物体的c a d 模型，在功能、速度及精度方面都将异常困难。这种场合下，可引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度。( 6 ) 、人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。( 7 ) 、特殊服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。( 8 ) 、在r p m 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便快速地对原型产品进行快速、准确地测量，找出产品设计的不足，从而进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品更加完善。市场的全球化使得国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域，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。如何更快、更好地发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用他国的科技成就，并加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术已经成为普遍的手段。事实表明，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，据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都来自外国，要掌握这些技术，正常的途径就是通过逆向工程。实际上，任何产品问世，不管创新、改进还是仿制，都蕴含着对已经有的科学、技术的继承、应用和借鉴。2 5 逆向工程与产品创新所谓产品创新是指为了达到企业经营目标，创造具有市场竞争优势商品的过程。产品创新主要来自设计阶段所涉及的产品造型、功能、原理、布局和结构等方面的创新f 2 2 1 。在产品创新过程中，设计师的思维、经验以及领域知识起着相当重要的作用，】9第二章逆向工程系统模型目前主要体现在创新设计的描述模型以及计算模型的建立上。产品创新主要体现在产品的设计上。因此，产品创新可以在不同层次上体现出来，一般来说层次越高处的创新，它的创新度越高，对产品的影响就越大。比如，需求层次的创新不但开发出一种全新的产品，而且会对产品设计产生巨大的影响【2 2 l 。产品创新不仅仅局限在方案设计阶段，同时还包括零部件的结构以及新材料的创新、造型、色彩、人机关系的创新等等。产品创新是关系到企业持续发展和保持竞争力的重要活动，是给企业带来活力和竞争优势的源泉，是带来更大经济效益的关键。这在某种程度上大大促进了逆向工程等相关技术的发展。辅之以计算机技术的发展，逆向工程已同先进制造技术结合，在产品创新设计阶段都需要逆向工程技术的支持，也提高了c a t c a d c a m c a e 应用于实践的程度。在实际应用中逆向工程技术，在实现计算机辅助产品创新设计中有两种连接方案：( 1 ) 直接基于q 牺删c a m 系统平台开发出支持逆向技术的模块。如基于p r o e 平台的s c a nt o o l s 模块，基于i - d e a s 平台的i m a g e w a r e 软件等。( 2 ) 通过转换、重建数据，建立数据通道。比如，有足够多的高密度点云直接产品n c 代码；逆向工程与快速成型集成技术等等【2 2 1 。目前应用逆向工程进行产品创新设计主要有两种方式：一种是通过设计好的产品油泥或者木制模型，由三维扫描仪或者坐标测量机将模型的数据扫入，再建立c a d数字模型；另一种是针对现有的产品实物，即仿制。在产品的逆向工程技术中，经过数字化测量和模型重建，获得了产品的数