（机械制造及其自动化专业论文）面向rerp集成制造的stl模型再设计技术的研究与实现.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的不断发展和制造业竞争的日益激烈，不断开发新产品成为 企业发展的当务之急。r e r p 集成制造技术已成为先进制造的一种有效手段， 服务于企业新产品的开发设计中。基于s t l 模型的再设计成为提高新产品开发 速度的一种方法，有利于企业提高产品的开发效率，其主要关键技术成为当前 研究的热点。 s t l 格式模型已成为众多c a d 软件的标准数据输入和输出模块。由于快速 成型建模方式以及成形设备规格的限制，由c a d 系统提供的s t l 模型在进行原 型制作前通常需要进行必要的处理。 通过对s t l 模型的再设计进行深入探讨，在r e r p 集成制造的基础上，分 析了s t l 模型再设计的需求，研究了面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的 体系结构和功能框架。 针对快速成型中的三角网格s t l 模型，分析再设计中s t l 模型的编辑、分 割和拼合处理技术。将较大的s t l 数据模型分割成若干个较小的数据模型分次 加工或将若干个较小的s t l 数据模型拼合并调整到合适的位置一次加工，研究 s t l 模型的编辑、分割和拼合处理算法，包括s t l 模型读入与输出，分割的前 置处理、分割相交面片的三角网格化、拼合的边界识别和处理，实现对s t l 模 型的再设计或改型设计。 本文以r e r p 集成制造为平台，基于v i s u a lc 抖及d i r c c t xs d k 开发了基 于s t l 模型的再设计原型系统，可对s t l 模型进行再设计，能够缩短原型的制 作时间，进一步提高面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的效率，增加企业 新产品开发中的经济效益。 关键词：r e r p 集成制造，s t l 模型再设计，模型编辑，分割，拼合 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h eu n i n t e r r u p t e dd e v e l o p m e n to fs c i e n c et e c h n o l o g ya n dt h ec u t t h r o a t c o m p e t i t i o ni nm a n u f a c t u r i n g ，i ti st h em o s tu r g e n ta f f a i rf o re n t e r p r i s e st od e v e l o p n e wp r o d u c t s r e r pi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n i c a lh a sb e c o m ea ne f f i c i e n t m e t h o di nt h ep r o c e s so fn e wp r o d u c td e s i g na n dd e v e l o p m e n ti nt h ea d v a n c e d m a n u f a c t u r i n gf i e l d t h er e d e s i g no fs t lm o d e li sb e c o m i n gam e t h o dt h a tc a l l i m p r o v et h et e m p oo fp r o d u c td e v e l o p m e n t ；i ti sp r o p i t i o u st oe n t e r p r i s e s i t sm a i n t e c h n o l o g yh a sb e c o m eah o ts t u d ys p o t s t lm o d e lf i l ef o r m a th a sb e c o m et h es t a n d a r di n p u ta n do u t p u tm o d u l ef o r m o s tc a ds o f t w a r e b e c a u s eo f t h el i m i t a t i o no f p r o t o t y p i n gm a n n e ra n de q u i p m e n t s p e c i f i c a t i o n , i ti sn e c e s s a r yt oh a n d l et h es t lf i l ew h i c hf r o mt h ec a ds y s t e m b e f o r ep r o t o t y p i n g s t u d yr e d e s i g n o fs t lm o d e l ，a n a l y s ei t s r e q u i r e m e n tb a s e do n r e r p i n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，s t u d yt h es y s t e ms t m c t u r e a n df u n c t i o no fr e d e s i g no fs t l m o d e lf a c i n gr e r pi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g a n a l y s ed i v i s i o na n dc o m b i n a t i o nt e c h n o l o g ya i m e da ts t lm o d e l d i v i d i n g l a r g e rs t l m o d e l st os e v e r a ls m a l l e rs t lm o d e l s ，a n dp r o t o t y p i n gt h e ms e v e r a lt i m e s o rc o m b i n i n gs e v e r a ls m a l l e rs t lm o d e l st oa l a r g e ro n ea n dp r o t o t y p i n go n c e s t u d y a l g o r i t h mo fe d i t ，d i v i s i o na n dc o m b i n a t i o n , i n c l u d ei t si n p u ta n do u t p u t , r e a l i z e r e d e s i g no f s t l m o d e l t h i sp a p e rf o c u so nt h er e d e s i g ns y s t e mo fs t lm o d e lb a s e do nv i s u a lc + + a n d d i r e c t xs d ko nt h ep l a t e f o r mo fr e r pi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，t h i ss y s t e mc a l l r e d e s i g ns t lm o d e l ，s h o r t e np r o d u c td e v e l o p m e n tt i m e ，a n di m p r o v ed e v e l o p m e n t t e m p oa n de f f i c i e n c y k e yw o r d s ：r e r pi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g ，s t lm o d e lr e d e s i g n , m o d e le d i t , d i v i s i o n , c o m b i n a t i o n i l 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年月 日 辟一 凯 痧， 9 ， 、- 侈日一 名 ， 戳 月者岁 作 年 文7 一 论 优 墨 学 一 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 矽d 7 年 串日 凯铲 妇月 一p孑 第1 章绪论 1 1 选题背景与课题来源 第1 章绪论 随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的创新开发日 益成为市场竞争的主要矛盾。由于种种历史原因，我国在科学技术和经济实力 方面和发达国家相比有着很大的差距，而制造业的差距尤其明显。我国大部分 产品的技术水平还只停留在先进工业国家7 0 年代末、8 0 年代初的水平上。大多 数企业无法以市场需要的速度开发出新的产品，这种现状已经严重制约了国家 整体经济实力和科技水平的提高。为了改变我国制造业长期落后的面貌，必须 要引入新的技术和思想，面对新的世纪，机遇与挑战并存，传统制造业只有与 先进技术相结合，不断出新品、精品，才富有生命力。展望2 l 世纪，集成化、 网络化、数字化、虚拟化以及智能化是改变传统制造系统，使之成为信息时代、 知识经济时代的先进制造系统的最主要的内容。除此以外，新的切削机理、新 材料以及与其相对应的结构和工艺等方面也会有大的发展。在计算机、通信等 行业成为人们追逐热点的今天，可以相信，一个以人为本，以产品创新开发为 龙头，以先进技术为支承，以快速响应及国际协作为特征的机械制造业将会重 新焕发青春。 在快速成形系统开发研制以及对外服务的过程中发现，被加工c a d 模型的 尺寸有时超出快速成形系统的成形空问( 工作台尺寸) ，从而无法直接加工出该 模型；有时c a d 模型相对于系统的成形空间又非常小，如果加工单个的模型， 则会导致成型机的加工效率很低，原材料的浪费很大；另外，对于大型的薄壁 件，在加工的过程中会发现在沿薄壁方向因为上下层贴合部分面积小而容易出 现粘结不牢或因散热不均等原因出现变形翘曲，不能很好的按设计意图加工出 薄壁件。 当前大多数c a d 造型软件系统都有生成s t l ( s t e r e ol i t h o g r a p h y ，s t l ) 格式文件模型( 以下简称s t l 模型) 的模块，而且使用非常方便，并能快速的 生成s t l 模型，调用这个模块就能将c a d 系统构造的三维模型转换为s t l 模 型。如在u g 软件中只要在保存时选择格式为s t l ，并给定一定的精度，就可以 第1 章绪论 完成对s t l 格式文件的输出。但是这些c a d 软件系统不能有效地将s t l 模型 进行逆向的逻辑操作如拼合和分割处理，因为在此过程中存在两次转换( s t l 模型寸一般c a d 模型号s t l 模型) 使得处理后的s t l 模型的精度大大地降低， 甚至出现缺陷。如u g 软件中可以读入s t l 文件格式，并能真实地再现实体模 型，但不能对此模型再进行裁剪操作【2 l 。 对于需要进行分割或拼合的s t l 模型，以往的解决方法是让用户返回到模 型的c a d 设计阶段，对模型进行必要的分割和拼合处理，再输出s t l 文件，这 种方法费时费力，有时还达不到要求。如果能够直接对s t l 文件格式所描述的 模型进行编辑、分割和拼合等再设计处理，就可以有效的解决上述问题。 本课题来源于上海市“十五”重点科技攻关项目“基于c a d r e r p r t 技 术集成的新产品快速开发应用系统及反求测量设备开发”( 项目编号： 0 2 1 1 l l l 2 6 ) 。 1 2 研究现状与发展趋势 1 2 1 逆向工程技术 逆向工程技术( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) 也称为反求工程技术，它作为产 品快速开发的重要支撑技术，目前受到人们的关注和重视 3 1 。随着计算机技术与 电子、检测技术的飞速发展，逆向工程技术越来越多地与其它先进制造技术相 结合，如2 0 世纪8 0 年代发展起来的快速成型技术( r a p i dp r o t o t y p i n g ，r p ) 、 快速模具技术( r a p i d t o o l i n g ，r t ) 等 4 1 。逆向工程技术本身也与c a t ( c o m p u t e r a i d e dt e s t ) 、c a d 、c a m 、c a p p 以及c a e 等技术密切相关1 5 1 。逆向工程已不 再是对已有产品进行简单“复制”，其内涵与外延都发生了深刻变化，成为航空、 航天、汽车、船舶和模具等工业领域最重要的产品设计方法之一，是工程技术 人员通过实物样件、图样等快速获取工程设计概念和设计模型的重要技术手段 【6 】。 逆向工程成功应用的关键不仅在于其各子功能模块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的计算机集成程度。因此，逆向工程技术 能更加有效地发挥各辅助技术的功能，实现数据共享和不同系统间数据的无缝 集成，能够更便捷、经济、快速地实现整个逆向过程，从而加快新产品快速开 2 第1 章绪论 发的进程【刀嗍【9 】。典型的逆向工程过程如图1 1 所示 图1 1 典型逆向工程过程 逆向工程技术包括形状的几何逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，目 前国内外的研究主要集中在几何逆向上，它是产品仿制、改型设计乃至新产品 开发中实现快速、精确的测绘和模型重构的重要手段。 逆向工程技术主要有以下几种【1 0 】： 逆向工程测量技术。根据测量探头是否与零件表面接触，测量技术分为 接触式采集和非接触式采集两大类。接触式采集包括基于力变形原理的触发式 和连续扫描式数据采集；非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干 涉法、结构光学法、图像分析法等。随着工业c t 技术的发展，断层扫描技术也 在逆向工程取得了应用。 测量数据处理技术。由测量得到的数据输入到c a d 系统或专用的逆向 造型软件进行3 dc a d 模型的重建，进行重建之前需要对测量数据进行预处理， 获得完整、正确的测量数据以便后续造型，主要有测量数据格式的转换、数据 过滤及平滑、分块数据整合对齐、球头半径补偿、数据精减、数据分割。 c a d 模型重建技术。c a d c a m 系统中的几何模型是由几何信息和拓扑 结构两部分组成，通常分为线框( w i r e f r a m e ) 、曲面( s u r f a c e ) 、实体( s o l i d ) 、 特征模型、产品模型以及仿生模型等。c a d 模型重建是根据坐标测量机得到的 数据点构建实物对象的几何模型。 逆向工程曲面造型技术。在逆向工程中，主要有两种曲面构造方案：以 b 样条或n u r b s 曲面为基础的曲面构造方案、以三角b e z i e r 曲面为基础的曲面 构造方案。逆向工程造型方法有基于曲线的曲面重建方法和基于测量点直接拟 第1 章绪论 合的曲面造型方法。 1 2 2 快速成型技术 快速成型技术于2 0 世纪8 0 年代末期在美国出现。快速成型技术是一种基 于离散堆积成形思想的数字化成形技术，该技术一经出现，很多制造业便对其 产生了浓厚的兴趣。最早采用r p 技术的是航空、汽车等工业制造行业，随后在 医学领域中该项技术的应用逐渐受到重视i 。 从历史上看，快速成型技术很早以前就有“增长”制造原理。例如，1 8 9 2 年，j e b l a n t h e r 在他的美国专利( # 4 7 3 9 0 1 ) 中，曾建议用分割制造法构成地形。 2 0 世纪5 0 年代之后，出现了几百个有关快速成型技术的专利。1 9 7 9 年，日本 东京大学的n a k a g a w a 教授开始采用分割制造技术制作实际的模具，如落料模、 压力机成型模和注塑榭。 快速成型技术向两个方向发展的趋势：一是工业化大型系统，服务于生产 高精度、高性能零件；二是自动化的桌面小型系统，主要用于制造概念原型。 快速成型技术很有可能进入家庭，适合于个性化的消判”1 。 在目前众多的快速成型技术中，有以下几种比较成熟【1 4 】： 光固化立体造型法( s t e r e ol i t h o g r a p h ya p p a r a t u s ，简称s l a ) ) l s l 法 是以各类树脂为成形材料，以氦一镉激光器为能源，以树脂受热固化为特征的快 速成型方法。具体做法是，由c a d 系统设计出零件的三维模型，然后分属设定 工艺参数，由数控装置控制激光束的扫描轨迹。当激光束照射到液态树脂时， 被照射的液态树脂固化。当一层加工完毕后，就生成零件的一个截面，然后移 动工作台。加上一层新的树脂，进行第二层扫描，第二层就牢固地粘贴到第一 层上，就这样一层一层加工直至整个零件加工完毕。 分层叠加制造法( l a m i n a t e do b j e c tm a n u f a c t u r i n g ，简称l o m ) l o m 利 用计算机控制下的激光束或者切刀按照平面二维图形切割塑料薄膜、纸或者金 属片等材料，其材料的厚度等于用来制作三维物体材料的厚度，然后新的一层 材料再叠加在上面，通过热压装置和下面的已切割层粘合在一起，反复进行直 至形成最后的三维模型。 选择性激光烧结法( s e l e c t i v el a s e rs i n t e r i n g ，简称s l s ) s l s 法采用各 种粉末( 金属、陶瓷、蜡粉、塑料等) 为材料，利用滚子铺粉，用c 0 2 高功率 4 第1 章绪论 激光器对粉末进行加热，直至烧结成块。利用该方法可以加工出能直接使用的 金属件。 熔丝沉积造型法( f u s e dd e p o s i t i o nm o d e l i n g ，简称f d m ) 该方法使用 蜡丝为原料，利用电加热方式将蜡丝熔化成蜡液，蜡液由喷嘴喷到指定的位置 固化。一层层地加工出零件，该方法污染小，材料可以回收。 1 。2 3 逆向工程与快速成型技术的集成 r e 与r p 技术的集成是先进制造技术不断发展的产物，是现代制造业的重 要组成部分，是产品快速开发设计过程中所产生的。作为引进、消化、吸收先 进技术，缩短产品设计与制造周期的重要支撑技术，已成为制造业关注的热点。 人们对r e 建模理论、方法、应用等各个方面做了深入研究，提出了许多方 法，对r p 技术的研究也非常广泛而深入，进一步实现r e r p 系统集成将在产 品开发中带来显著效益。复杂外形产品开发中，r e 与r p 是快速连接数字样机 ( d i g i t a lm o c k u p ，d m u ) 与原型产品的关键，也是提高产品开发质量与效率、 实旌并行工程技术、缩短产品开发周期、降低成本的有效手段1 15 】【1 6 】。 国内外r e 和r p 的集成理论和相关技术的研究，概括起来有以下几种【1 刀： 基于测量数据直接切片的r e r p 系统直接集成。l e e 、石晓祥等人研究 了从测量数据直接产生r p 系统所需要切片数据，实现r e 与r p 系统直接集成， 省去了所有的中间环节，节省时间，高效率地对离散点云进行三角划分。但这 种集成灵活性不足，它只能满足产品仿制要求，不能满足在r e 建模过程中进行 产品改型、创新设计需要。 r e r p 系统直接集成。s c h o n e t m 等人使用三维( t h r e ed i m e n s i o n ，3 d ) 数字化设备，直接从扫描得到的点云数据生成s t l 文件；v a i l 等人也研究了点 云数据直接与i 冲系统的连接问题，他们采用改进后的周培德教授提出的三角划 分算法d e l a u n a y 三角剖分。 基于c a d 建模的r e r p 系统集成。在c a d 建模过程中可以对产品模 型进行修改设计或者创新开发，这种集成方法应用范围广，不但可用于产品复 制，也适合用于产品快速开发。但是，对于表面特征非常复杂而且毫无规律的 零件而言，实现起来十分困难。 如图1 2 所示为r e r p 集成的方式。 第1 章绪论 备 方式a 。 测 i 心 量 方式b 数 s 成 据 t 型 获l 或 取 c 方式c格 c n oa 式 c 点 d 加 西 建 工v 模 方式d 图1 2r e r p 集成方式 方式a ：点云数据一i 心成形机或c n c 加工设备： 方法b ：点云数据一s t l 格式转换一r p 成形机或c n c 加工设备； 方法c ：点云数据- - c a d 建模一s t l 格式转换一r p 成形机或c n c 加工设 方法d ：点云数据一c a d 建模一i 冲成形机或c n c 加工设备。 1 2 1 4s t l 模型再设计 目前，s t l 模型的处理技术主要集中在诸如s t l 模型的数据缺陷修补、制作 方向优化、支撑设计等到方面，我国已有不少研究机构立项开展了相关技术的 研究，如浙江大学、清华大学、西安交通大学、华中科技大学等，并取得了一 定的研究成果。s t l 模型及其切层轮廓的再设计方法鲜有报道，且主要运用在二 维交互式支撑设计中。s t l 模型的布尔运算虽然是s t l 模型造型设计和直接对 s t l 模型进行再设计的主要方法，但是到目前国内外针对s t l 模型的布尔操作机 理全面的、系统的研究却也鲜有报道。 目前绝大多数原型的再设计工作，只能通过其c a d 模型的再设计得以完成， 再将得到的c a d 模型转换为s t l 模型，如此给r e d l p 的集成制造带来了很大的不 便。 模型的再设计实际上就是通过调整模型的形状，获得新的设计方案，实现 s t l 模型创新设计。多年来，人们一直试图通过对曲面模型顶点的调节进行曲 面变形，但都无法使曲面达到预定的形状。自1 9 8 4 年b a r r 提出自由变形的思想 后，国内外相继开展了以下几方面的研究： 6 第1 章绪论 1 9 8 8 年t e r z o p o u l o s 提出了物理造型方法，其基本思想是在曲面造型时 把曲面看成薄板或弹性薄膜，并根据这个模型建立曲面的控制方程，然后通过 引入一定的物理参数【l 射该方法的最初出发点是通过物理参数来给用户提供一 种易于操纵曲面变形的手段，但在实际使用中用户很难给出合适的物理参数和 控制曲面的最终形状。 l e o n g 等于1 9 9 6 年采用遍历算法，在进行s t l 网格模型修复时略去三 角面片的拓扑关系。处理方泫简单明了，但是运算效率低【1 9 1 。 2 0 0 5 年，李德群、周华民等研究了通过用户交互来进行s t l 网格模型 的手工修复1 2 0 】。在检测文件错误的基础上，提出了s t l 错误的手工修复方法， 并开发了相应软件，通过实例验证了手工修复的必要性和有效性。 2 0 0 5 年，张征宇、丁玉成等，针对s t l 模型分割截面三角剖分的问题， 提出了s t l 三角网格模型分割截面的d e l a u n a y 三角剖分算法【2 i 】。此算法由于不 用对分割截面进行复杂的凸划分和多轮廓的单轮廓化处理，提高了s t l 三角形 网格数据模型分割截面的三角剖分效率。 1 3 主要研究内容 本文主要针对面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的主要关键技术进行 研究，并通过大量的实践经验进行系统的归纳和总结。根据r e r p 集成制造的 技术和基于s t l 模型再设计的需求，以逆向工程与快速成型技术为支撑，提出 了面向r e r p 集成制造的s t l 模型的再设计系统，并主要对以下几个方面内容 进行探讨和研究： 通过对s t l 模型的再设计进行深入探讨，分析s t l 模型再设计的需求， 在r e r p 集成制造的基础上，研究面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的体 系结构和功能框架。 针对快速成型中的三角网格s t l 模型，深入讨论s t l 模型的文件格式， 分析面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计中的s t l 模型的分割处理，研究分 割算法，包括s t l 模型读入与输出，实现对s t l 模型的再设计或改型设计，提 高再设计的速度和响应时间。 基于s t l 模型再设计的现状和需求，研究s t l 模型的编辑和拼合功能， 分析编辑和拼合的算法，在m i c r o s o f tv i s u a lc + + 6 0 的环境下进行开发，同时可 第1 章绪论 以进行人机交互及显示，并提供可视化的操作过程，以快速有效地将已有的优 良模型有机结合、生成新的满足产品创新需求的s t l 模型。 围绕着上述研究工作，论文的章节安排如下： 第1 章引出本文选题的背景与课题来源，综述了逆向工程和快速成型技术、 s t l 模型再设计的研究现状和发展趋势，提出问题，进而确定了本文的研究内 容。 第2 章介绍产品创新的概念和意义，分析了基于s t l 模型再设计的需求， 研究和构建了面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的系统框架和体系结构， 并对其主要关键技术进行了介绍。 第3 章在讨论了再设计的数据准备和模型三维重构技术的基础上，着重研 究s t l 模型的分割处理技术，包括分割的定义和处理步骤，以及s t l 模型再设 计的分割算法和实现流程。 第4 章研究s t l 模型再设计的编辑和拼合处理技术，包括编辑和拼合的定 义、拼合的方法、边界识别处理以及编辑和拼合处理的算法和实现过程。 第5 章阐述了面向对象的分析方法，通过再设计系统的实现过程和实例研 究，验证了本文所提出的理论和方法的正确性。 第6 章结论和展望，总结了本文的研究工作，并指出了需进一步研究的方 向。 8 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模犁再设计系统 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 随着信息化时代的来临和全球统一市场的逐渐形成，产品及技术交流日益 频繁，市场竞争日趋激烈，产品批量变小、技术含量增大、生命周期变得越来 越短，产品快速开发的技术和手段已成为企业的核心竞争力【2 2 】【2 3 1 1 2 4 1 ，而逆向工 程和快速成型技术正是缩短产品设计与制造周期的重要支撑技术【2 翻。 目前，r e r p 集成制造中采用的是零件的s t l 模型，该模型具有数据结构 简单并且与三维c a d 系统无关的优点。目前对原型进行设计更改主要依赖于对 其c a d 模型进行设计更改，给产品创新带来了极大的麻烦。多数情况下，r e r p 集成制造中零件的原型都需要面向i 也、r p 、c a e 或者r p r t 工艺等进行再设 计处理，而产品快速开发服务中心因原型c a d 模型数据格式的多样化，致使储 备多种三维c a d 软件，增加了软件成本，因此针对s t l 模型再设计的研究和探 讨对r e r p 集成制造而言就显得极为重要。 2 1 面向r e 胂集成制造的产品创新 2 1 1 创新的概念 早在1 7 7 6 年，亚当撕密在他的经典著作国民财富的性质和原因的研究 中就指出机械的改进具有重大作用。2 0 世纪初，熊皮特在经济发展理论中 提出技术创新的理论观点，认为技术创新促使经济的发展，技术进步则是经济 增长的内生变量【2 6 1 。 产品是提供一定效用的物化商品和非物化服务的总和，是满足人们需要与 欲望的载体，也是企业赖以生存与发展的基础。当代市场营销学界最有影响的 学者之一菲利普科特勒认为现代产品由核心、形式和附加3 个层次构成产品整 体，见图2 1 2 q 。 创新作为一种基于企业的行动，涉及企业活动的所有方面，可分为产品创 新、工艺创新、市场创新和管理创新。产品创新是关于“设计什么以满足目标 市场功效性要求的”创新，工艺创新是关于“如何制造产品”的创新【2 6 1 。 9 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 聪朦 安袭 黪巡务 图2 1 产品的3 个层次 附加罄 棱心菇 快速成形机能自动、快速、准确地将设计师的思想物化为具有多功能的原 型或直接制造出产品。快速成型技术的出现，创立了产品开发设计的新模式， 使设计师以前所未有的直观方式体验设计的感觉并迅速得到验证。 现代产品创新设计是建立在产品整体概念上的以市场需求为导向的系统工 程，由于市场的不确定性，加之未来产品的多样性和个性化特征，使得具有较 强灵活性的基于i 冲的产品创新设计成为当今设计领域的新一代产品开发模式。 同时辅助以逆向工程技术，更加快了快速成型技术用于开发产品的速度，有助 于企业对同类新型产品进行快速的吸收、消化、再创新。快速成型的特点是无 需改变工装或模具，只要改变c a d 模型，即可制造成另一个零件或产品，即快 速成型是c a d 模型直接驱动的数字制造方法。快速成型技术的这种高柔性正符 合现代产品创新设计与制造的要求，因此基于r p 的创新设计是适应2 1 世纪灵 活多变的市场和用户个性化需求的新一代产品开发模式。 2 1 2 产品创新的意义 随着我国市场经济的不断发展，近几年国内工业生产过剩，许多产品供过 于求，许多人把生产过剩的原因归于有效需求不足，提出刺激需求的对策，然 而就其根本，生产过剩的原因是产品创新不足、“生产宽度”和“消费宽度”狭 窄【2 引。 要想提高产品创新的能力，增强产品创新的力度，除了不断提高自身的设 计水平以外，还有一个很重要的途径就是吸收国外先进产品的设计思想和理念， 通过引进、消化、吸收、再设计这种方式来提高竞争力。而r e r p 集成制造就 1 0 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 提供了这样一种方式和途径。 在短缺经济时代，产品创新还显得不那么重要。企业只要生产出产品，就 可以生存甚至得到发展。然而我国已加入w t o ，在即将与全球经济融为一体的 买方市场态势下，企业竞争的焦点在于对市场的快速响应和产品的创新。产品 创新成为企业生存的唯一出路。 产品创新可分为全新产品创新和改进产品创新。全新产品创新是指产品用 途及其应用原理有显著变化，如蒸汽机、电话、电视机、集成电路、电子计算 机等。改进产品创新是指在技术原理没有重大变化的情况下，基于市场需要对 现有产品所做的功能上的扩展和技术上的改进，如由火柴盒、包装箱发展起来 的集装箱，由收音机、录音机发展起来的组合音响等。改进产品创新的动力机 制一般是需求拉引型。美国麻省理工学院的马奎斯等曾研究了5 6 7 项不同的技 术创新项目，其中只有l ，5 的情况是由技术本身的发展引起的，而创新活动中的 3 4 情况是以市场需求作为出发点。技术推进和需求拉引相互跟随，技术的发展 创造出新的产品，将潜在的市场需求激发为现实的市场需求，同时又会刺激需 求目标的提高，形成新的潜在需求，这又引起人们对技术的追求，产生新的科 技成果，如图2 2 所示1 2 6 1 。 图2 2 产品创新的技术推动与需求拉引机制 根据创新产品进入市场时间的先后，产品创新的模式有率先创新、模仿创 新。率先创新是指在自身产生核心概念或核心技术突破的基础上，率先实现技 术的商品化和市场开拓，向市场推出全新产品。率先创新所需的核心技术主要 来源于企业内部的技术突破，在研究、试验与市场开发上的投入大，时间长， 风险大，而一旦首创成功，在市场占有、商誉和知识资产方面得到的回报高。 模仿创新是指企业通过学习、模仿率先创新者的创新思路和创新行为，吸取率 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 先者的核心技术和技术秘密，并在此基础上改进完善，进一步开发。模仿创新 则可相对减少投入与风险，利用率先产品的基本概念或原型技术，利用率先企 业已开发或在开发中的市场，再创新出奇，取得后发制人的优势。 产品创新设计的各个阶段包括从概念设计到拓展市场都需要原型，因此在 产品创新设计中运用快速成型技术，可以使产品创新设计和制造达到一种全新 的境界。基于r p 的产品创新设计是功能、形式及服务创新等多维交织的组合创 新设计口观。对于产品创新设计，快速成型技术提供的功能可以满足设计的方方 面面：设计、分析、制造、装配、维修、销售等。只是针对产品开发的不同阶 段，对r p 的要求不尽相同。 2 2r e r p 集成制造系统 2 2 1 系统体系结构 逆向工程技术能快速完成产品数字模型设计，快速原型又不受几何形状限 制，r e 和r p 技术的结合在功能上互补，运行上相互依存。r e r p 直接集成的 系统直接从实物测量数据产生r p 系统可以接受的s t l 文件，绕开通常需要熟 练技巧和经验，并且繁琐、费时的c a d 建模环节。s t l 模型既能满足对模型进 行修改、再设计的要求，又避免了数据多次转换以及c a d 模型转换为s t l 文件 可能出现的问题，这为旧产品的改进、新产品的开发提供可能1 3 0 】。如图2 3 所示 为r e r p 集成制造的系统体系框架口“。 整个体系由数字化处理模块、s t l 模型重建模块和快速原型制造模块组成。 数字化处理模块包括物理模型测量、模型分析、建模方案制定、数据预处 理及获取凸壳。零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面 离散点的几何坐标数据，在这基础上进行复杂曲面的建模评价，改进和制造， 物理模型测量是逆向工程实现的基础和关键技术之一。 s t l 模型重建是r e r p 直接集成系统的主要研内容，包括s t l 模型建模、 模型综合优化和s t l 模型再设计。s t l 模型是模仿式产品再设计的基础和依据， 改变s t l 模型，就是改变产品形状。在产品集成逆向工程的应用中，大多数都 是对同类型产品的仿制和改进，其目的都是为了借鉴同类型产品中设计优良的 部分，可以将s t l 模型中设计优良的部分截取出来，作为s t l 模型模板，再将 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 s t l 模型模板与本企业的产品或其他同类型产品的s t l 模型进行拼接，得到一 个新的产品s t l 模型。s t l 模型再设计的理念提出，是产品创新的一种需要， 是为企业新产品占领市场的一种有效手段。 快速成型制造模块是在s t l 模型建模之后，将s t l 数据文件输入到快速原 型制造系统，最终得到产品的样件、实物或模具。 图2 3r e r p 集成制造系统体系框架 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 以上几个模块紧密集成，构成r e r p 集成制造的体系，通过逆向工程和快 速成型技术，快速对实物样件分析和进一步修改，实现产品不断创新和改进。 2 2 2 开发过程描述 如图2 4 所示是r e r p 集成制造系统的开发流程。 图2 4r e r p 集成制造系统的开发过程 对实物模型进行数据获取，包括数据规划、数据测量，然后进行数据预 处理，主要有数据过滤、噪声处理、数据压缩等。 s t l 模型快速建模，即通过扫描手段获得的实物模型的三维离散数据， 经过数据处理后直接得到初始s t l 模型。 s t l 模型综合优化，优化的目的是消除局部狭长三角网格和改变局部三 角形大小，实现同时控制三角形个体形状优化和三角网格群体空间优化，最终 生成快速原型所需要的s t l 格式文件。 s t l 模型再设计，对s t l 模型进行改型设计或创新设计，通过编辑、拼 合和分割等主要技术，实现模型的再设计，然后输入到快速成形制造系统制作 出快速原型件，s t l 模型的再设计涵盖整个过程中。 整个过程是直接面向产品的，即有目标驱动，所有的设备和人的活动都是 围绕着最终产品展开的。 1 4 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 2 3 基于$ t l 模型再设计系统 2 3 1 系统需求 逆向工程有别于传统的正向设计，它弥补了原有的传统设计所不能完成的 工作，能够将现有的实物进行可靠的三维输入，实现新产品的创新，而快速成 型技术相对于传统的加工手段能够迅速地制造出零件的原型或样品，又不受模 型几何形状的限制。目前，s t l 模型的处理技术主要集中在诸如s t l 模型的数 据缺陷修补、制作方向优化、分割处理、支撑设计等方面吲1 3 3 1 1 3 4 1 。 r e p 心的集成制造中，零件的数据模型通常采用工业上标准的s t l 模型文 件，因此对s t l 模型的再设计就显得十分有必要。基于s t l 模型再设计的需求 源于以下5 个方面【3 5 】1 3 6 】。 c a d 软件不能够直接对s t l 模型进行再设计 目前，s t l 模型的处理技术主要集中在诸如s t l 模型的数据缺陷修补、制 作方向优化、分割处理、支撑设计等到方面，而s t l 模型及其切层轮廓的再设 计方法却鲜有报道，并且都主要运用在二维交互式支撑设计中。s t l 模型的布 尔运算虽然是s t l 模型造型设计和直接对s t l 模型进行再设计的主要方法，但 到目前为止国内外针对s t l 模型再设计技术全面系统的研究很少。 r p c a e 的需要 目前，s t l 模型可以直接划分为有限元单元网格，进行原型的有限元分析， 针对薄弱环节需要对其s t l 模型直接进行再设计，以快速制作出满足设计要求 的原型件。 产品快速开发网络化制造的需求 产品快速开发网络化服务集成系统的客户在提交制造任务时，出于技术产 权保密的原因，一般不愿意提交产品的c a d 原始数据模型，而是提交其s t l 模 型，因此基于c a d 模型的传统设计方式难以完成原型的再设计工作，需要对s t l 模型进行再设计。 面向，r t 的工艺的需要 r p 设备普遍采用的是s t l 模型，但是从快速成形制作工艺的角度考虑原型 可能需加以修改或添加辅助工艺面，客观上需要对原型的s t l 模型进行再设计， 如对s t l 模型添加工艺孔和工艺销，在快速模具中还需要对s t l 模型进行诸如 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 拔模斜度、注料孔和分型面等再设计工作；此外，在快速原型制造和熔模铸造 中还需要对s t l 模型进行抽壳处理。 r e 与r p 集成的需要 利用现有的三维重构软件或c a d 软件包进行曲面重构，要求操作人员具备 较强的专业知识和丰富的实践经验，而且工作量大、耗费时间多，并且随着c a d 模型复杂程度的增加，商用c a d 软件将其转化为s t l 模型时可能出现诸如因截 断误差而导致的面片间的间隙、法矢错误等缺陷，这就使得快速成型制作者需 要花费大量的时间和精力用在检验s t l 模型的正确性或修正其错误上。而直接 从逆向工程测量数据经滤波平滑、拼合及重采样处理后，再利用三角划分算法 直接输出s t l 模型，可以减少建模的时间和错误；此外，测量数据点云经数据 预处理后，通过插值或逼近的方法生成径向曲线，通过空间曲线与平面的求交 算法可直接获得r p 切层轮廓数据。这样绕开了三维散乱数锯的复杂曲面重构与 c a d 造型，出于原型精度的考虑，当原型沿一个方向制造难以到达规定的精度， 则希望可以将s t l 三角网格数据进行分割，以希望利用分开制造的方式弥补误 差，提高精度。 充分运用设计者的工程设计经验、知识，把正向设计和逆向工程有机结合 起来进行优化再设计，达到逆向工程的最终目的。 可以说，在现代产品的无纸开发方式中，只有建立正确的产品数字化模型， 才有可能采用各种虚拟技术进行产品分析、虚拟装配、虚拟制造，直至完成产 品的实际制造1 3 0 】。综合利用r e r p 技术可以显著提高复杂外形产品的数字化建 模工作质量和效率，增强企业对市场的快速响应能力。逆向工程在新产品开发 中的应用不局限于数字化模型的重建，三维重构只是实现产品创新的基础，再 设计的思想应始终贯穿于r e r p 集成制造的整个过程。 2 3 2 体系结构 针对面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的需求分析与现状研究，本文 构建了基于s t l 模型再设计系统的体系结构，如图2 5 所示。 从图2 5 中可以看到，基于s t l 模型再设计的功能主要有s t l 模型的读入 功能、s t l 模型的编辑功能、s t l 模型的分割功能、s t l 模型的拼合功能以及 s t l 模型的输出功能等，同时辅以人机可视化和交互界面，方便操作。 1 6 第2 章面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计系统 结合项目实际应用的需求，以及对于r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的 需求和发展现状，s t l 模型再设计系统的主要结构包括以下几个功能模块：文 件输入输出模块、s t l 模型编辑模块、s t l 模型分割模块、s t l 模型拼合模块、 s t l 模型的显示和渲染模块等。 图2 5 面向r e r p 集成制造的s t l 模型再设计的体系结构 s t l 模型输入输出模块，主要完成系统对s t l 文件的读入功能，将r e r p 集成制造中所用到的s t l 模型文件输入到系统，经过系统的后台处理，将s t l 模型显示在人机交互的界面上，以直观的形象展现在客户或者技术人员的面前， 以便进行下一步操作。而s t l 模型的输出功能，则是对已经做过再设计的s t l 模型进行输出，输出的文件格式仍然为s t l ，用户