（环境科学专业论文）逆向工程技术在塑料制品与模具设计中的应用研究.pdf

青岛海洋太学硕士论文 a b s t r a c t t h i s p a p e r i sf o c u s e do nt h e a p p l i c a t i o n a n d s t u d y o fr e v e r s e e n g i n e e r i n g i n p l a s t i cp a r t a n dm o u l dd e s i g n f i r s t l y , i tr e v i e w st h e d e v e l o p m e n tc o m p e n d i u m o fr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e ，s y s t e m a t i c a l l y d i s s e r t a t e st h es p e c i a l t i e s ，m a t h e m a t i cb a s ea n dd e v e l o p m e n tt r e n do ft h e k e yi s s u ei n c l u d i n g d a t ac a p t u r e ，d a t ap r o c e s s i n ga n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ， e t c b e c a u s ep r o 甩s o f t w a r ec a n ta u t o m a t i c a l l yp i c ku pt h ef e a t h e r c u l e o fm a n u a lm o d e li nr e v e r s ee n g i n e e r i n gi np l a s t i cp a r ta n dm o u l d ，s y s t e m f r a m ea n dc o n f i g u r eo na p p l i c a t i o n o fr e v e r s e e n g i n e e r i n g i s b r o u g h t f o r w a r d s e c o n d l y , t h ep r i c i n p l ea n dm e t h o di s d e s c r i b e di nd e t a i li nt h ep a p e r , w h i c hi n c l u d e sr e d u n d a n c yd a t ap r o c e s s i n gb ym e a n s o f w i n d a g ef i l t r a t i n g ， f e a t h e rp o i n tj u d g m e n tu s i n gc u r v a t u r ea p p r o a c ha n dc m m d a t ae x c h a n g e w i t hc a ds o f t w a r es y s t e m s oas o r to ff e a t h e rc u r v e i s a u t o m a t i c a l l y p i c k e du p f i n a l l y , d a t a d i s p o s a l d a t ap r o c e s s i n gp r o g r a mi sd e v e l o p e d t h e w h o l ep r o c e s so f r e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g ni n c l u d i n gd a t a c a p t u r e ，d a t a p r o c e s s i n g ，s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，c a dm o d e l i n ga n di t m e r m e c h a n i c a l d e s i g ni sc o m p l e t e db ym e a n so f p r o es o f t w a r e a ne x a m p l eg e n e r a t i n g r e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g no fo v e r a l l a u t o m a t i cw a s h e ri sd e s c r i b e di n d e t a i 】 k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；d a t ap r o c e s s i n g ；d a t ae x c h a n g e ； f e a t h e rc u r v ep i c k e du pa u t o m a t i c a l l y 2 青岛海洋大学硕士论文 逆向工程技术在塑料制品与模县设计中的应用研究 引言 随着经济的发展，汽车、家电、玩具等行业的产品正朝着美观化、 艺术化、轻巧化及实用化的方向发展。产品的艺术化、美观化是人们 对产品的第一印象，具有美观、漂亮艺术化外观的产品，往往能激发 人们的购买欲望。而美观、艺术化的外观，在工程设计中离不开自由 曲线、曲面的应用。另一方面，由于注塑制品具有一次成型、不用后 加工、可成型复杂制品等方面的优势，在汽车、家电等行业的应用越 来越广泛，甚至有的产品出现了全塑制品。因此，现在的塑料零部件 越来越复杂，并且大多都带有自由眭线、曲面。 传统的塑料制品的设计，一般都是从使用性能开始t 由使用要求 决定制件结构、材料选择、塑件成型工艺以及性能与检测。然后再由 设计人员直接构思并绘出二维图。对于复杂并带有自由曲面的塑苷斗制 品与零部件来说，如果再用传统的设计方法，已很难处理。另外，在 产品的厉行设计中，以及摸具的引进消化中经常会遇到只有制品没有 图纸的情况，对这些产品的设计，过去唯一的测量方法是手工测量， 进行仿行制造，目前新产品的开发周期越来越短，这种方法已不能适 合产品开发的要求。 随着计算机c a d c a m 技术与测量技术的发展，新的设计思总与 方法不断出现。其甲，自上而下的设计策略是比较有典型的一种：该 方法的主要思想是：首先根据使用功能进行概念设计，由工业设计师 按照产品设计要求，在满足产品功能的基础上，力求使产品更符合美 学原则以适应市场潮流。然后按比例制作实物模型，进行设计评阶、 设计修改的反复过程，再利用测量技术与计算机c , h d 三维造型技术， 进行曲面重建，最后生成c a d 模型。模具设计师据此进行三维模吴结 构设计及数控加工。 其中，这种以实物模型为依据生成几阿数学模型设计方法即为 青岛海洋大学硕士论文 c a d 逆向工程技术。也称为测量造型技术。c a d 逆向工程技术与传统 意义的复制是有区别的。运用逆向工程技术进行复制的零件都比较复 杂，往往包括空间自由曲面，通常很难用常规的方法来加以精确处理。 因此在整个复制过程中，必须使用计算机辅助技术( 包括辅助测量、 辅助设计、辅助制造以及辅助工程分析等先进手段) ；由于运用逆向工 程来进行零件的复制，使整个复制过程的工作复杂化了，因为它不仅 要求各计算机辅助子模块能较好的独立完成各项工作，还对各子模块 之间的计算机集成程度提出了要求，可以说集成度是逆向工程应用成 功与否的又一关键【l j 。 我们开展“逆向工程”技术的应用研究与开发，旨在根据软件本 身的不足，解决应用中的一些实际问题，特别是提高测量造型的准确 性与数据处理的效率。从而最大限度的缩短塑料零部件设计周期与模 具生产周期。 第一章文献综述 1 1 逆向工程技术的发展概况 逆向工程技术是伴随着测量技术与c a d 三维造型技术的发展而发 展起来的。因此，测量技术即表面数字化技术与数据处理技术、三维 曲面造型技术是其关键技术。在表面数字化技术中，根据测试方式的 不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类【2 j 。传统的测 量方法是以三坐标测量机( c m m ) 为代表的接触式。c m m 由英国 f e n a n t i 公司早在5 0 年代就开始研制，德国z e i s s 公司于1 9 7 3 年推出 u m m 5 0 0 三坐标测量机。7 0 年代末期，z e i s s 公司研制出气浮导轨( 空 气轴承) ，这是c m m 发展史上的一个重大转折点，由于气浮导轨的普 及，各生产厂家纷纷采用花岗岩材料作为三坐标测量机的工作台、横 梁和主轴，简化了c m m 的机械结构，降低了制造成本。当前国际上 较有名的c m m 制造厂商还有意大利的d e a 公司、美国的 b r o w n s h a r p e 公司、英国的z k 公司。在国内，北京机床研究所是第 一家研制和生产c m m 的单位，19 8 2 年北京机床研究所研制出第一台 2 青岛海洋大学硕士论文 c l w 6 3 型万能测量机，同年在国内率先研制出带气动导轨的c l z 8 6 4 型手动c m m 。近几年来，随着计算机、传感、控制等技术的更新，出 现了三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、 莫尔等高线法等方法。由于具有测量过程非接触和测量迅速等优点， 越来越受到人们的重视【3 。在国内目前的应用来看，逆向工程中数据 的获取手段主要是依靠c m m 。 c a d 技术最早应用在交互式计算机绘图中，6 0 年代初美国麻省理 工学院i e s u t h e r l a n d 发表 博士论文， 这是世界公认的第一篇计算机图形设计系统论文，它为c a d 技术的发展 提供了理论基础【4 ) j 。随后相继出现了许多二维工程绘图系统，如美 国早期版本的c a d a m 系统、a u t o c a d 系统，英国的d o g s 系统等。但是， 仅仅用计算机来代替绘图板的二维绘图是远远不够的，怎样使用计算 机技术、用三维图形直观描述设计对象，一直是工程师们追求的梦想。 7 0 年代初期，用计算机直接描述三维物体的三维造型技术，随着计算 几何( c a g d ) 这门新兴学科的诞生而得以实现。1 9 7 1 年，英国的 a r f o r r e s t 首先对c a g d 做出定义：c a g d 就是几何外形信息的计算机表 示、分析和综合。随后，线框造型、曲面造型、实体造型等描述物体 三维模型的造型方法也就应运而生儿7 j 。 早期的三维造型方法是在三维绘图基础上发展起来的线框造型， 这种方法以轮廓线和边界线描述几何体模型，简单、速度快、存储量 小，但形状表示不唯一，存在无意义的几何体，无法描述曲面，无法 计算形体重心、体积等。目前，线框造型一股只作其他造型方法的辅 助手段。线框造型最具代表性的有c a d k e y 系统等。 曲面造型通过数学方法描述自由形状，可在计算机内精确表示各 种形状复杂的表面，在设计和处理中十分方便。它主要研究在计算机 图象系统的环境下对瞌面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、 飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由c o o n s 、b e z i e r 等大师于二十 世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型 青岛海洋大学硕士论文 现在已形成了以有理b 样条曲面( r a t i o n a lb s p l i n es u r f a c e ) 参数化特征 设计和隐式代数曲面( i m p l i c i ta l g e b r a i cs u r f a c e ) 表示这两类方法为主 体，以插值( i n t e r p o l a t i o n ) 、拟合( f i t t i n g ) 、逼近( a p p r o x i m a t i o n ) 这三种 手段为骨架的几何理论体系。1 9 6 3 年美国波音飞机公司的f e r g u s o n 首 先提出将曲线曲面表示为参数的矢函数方法，并引入参数三次曲线。 从此曲线曲面的参数化形式成为形状数学描述的标准形式。1 9 6 4 年美 国麻省理工学院的c o o n s 发表一种具有一般性的曲面描述方法，给定 围成封闭曲线的四条边界就可定义一块曲面。但这种方法存在形状控 制与连接问题。1 9 7 1 年法国雷诺汽车公司的b e z i e r 提出一种由控制多 边形设计曲线的新方法。这种方法不仅简单易用，而且漂亮地解决了 整体形状控制问题，把曲线曲面的设计向前推进了一大步，为曲面造 型的进一步发展奠定了坚实的基础。但b e z i e r 方法仍存在连接问题和 局部修改问题。到1 9 7 2 年，d e - b o o r 总结、给出了关于b 样条的套 标准算法，1 9 7 4 年g o r d o n 和r i e s e n f e l d 又把b 样条理论应用于形状描 述，最终提出了b 样条方法。这种方法继承了b e z i e r 方法的一切优点， 克服了b e z i e r 方法存在的缺点，较成功地解决了局部控制问题，又轻 而易举地在参数连续性基础上解决了连接问题，从而使自由型曲线曲 面形状的描述问题得到较好解决。但随着生产的发展，b 样条方法显示 出明显不足且不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，这就造成了产 品几何定义的不唯，使曲线曲面没有统一的数学描述形式，容易造 成生产管理混乱。为了满足工业界进一步的要求，1 9 7 5 年美国s y r a c u s e 大学的v e r s p r i l l e 首次提出有理b 样条方法。后来由于p i e g l 和t i l l e r 等人的功绩，终于使非均匀有理b 样条( n l r r b s ) 方法成为现代曲面造 型中最为广泛流行的技术 4 5 。n u r b s 方法的提出和广泛流行是生 产发展的必然结果。 实体造型以基本体素( 立方体、球、圆柱等) 为单元，通过集合 运算( 并、交、差等) 组成所需几何形体。主要有：边界表示法、体 素构造法、半空间法等，实体造型所描述的形体具有完整的几何信息， 吐 青岛海洋大学硕士论文 是真实而唯一的，目前市场上流行的c a d c a m 系统大都使用了实体造 型方法。 1 2 逆向工程技术的现状与发展趋势 1 2 1 数据采集的技术现状与发展趋势 一般地，三维表面数字化技术可分为接触式和非接触式两大类。 接触式方法中，有基于力变形原理的点位触发式和连续扫描式的数据 采集方法和利用磁场、超声波等媒介的数据采集方式。 在以三坐标测量机( c ) 为基础的接触式测量在实际测量中应用 的最为广泛。利用c , ) f i m 测量复杂曲面一般采用扫描测量方式，因此， 这个基本问题的实质是采样方式问题。它包含两方面的内容：其一是 采样点数相同的情况下，哪一种测点分布测量准确度最高：其二是在 相同的测量准确度的情况下，哪一种测点分布可以减少采样点数。对 这个问题，理论上业已证明，巧妙的选取测点分布既可以减少测点数 又可以提高测量准确度。研究表明：h 分布可使采样点数的减少和测量 准确度的提高达到平方根级水平，因而，选取h 分布可以达到上述目 的。由于等间距法原理简单又易于实现，因而在实际中应用最广，然 而其缺陷也是显而易见的。对曲率变化不一的复杂曲面，小步长测量， 工作效率低下，且数据处理冗繁：大步长测量，测量数据无法精确反 映被测轮廓曲率半径较小处的形状，影响测量准确度。因此，近几年 来，复杂曲面测量中自适应采洋成了研究热点，其基本思想是：采洋 点的疏密应随曲率变化而变化，曲率越大，采样点越密：反之亦然俐。 目前，曲面测量数据的自动优化布置仍然是实现曲面测量自动化、 智能化及测量系统和c a d c a m 集成的瓶颈问题。赵东福h 在分沂了现 有曲面测量规划的基础上，从曲面的测量和造型角度对曲面的合理离 散化描述和自动测量问题进行了分析，提出了任意拓扑曲面的边界跟 踪、优化网络的测点自动分布规划和四边、三角混合网格的生成方法。 非接触式方式采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接 触，它们利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取其三维 青岛海洋大学硕士论文 信息，如声、光、电磁等。其中应用光学原理发展起来的现代三维形 状测量方法应用也比较广泛，如三角形法、结构光法等。激光三角法 采用的原理是采用激光做为光源，照射到被测物体上，利用c c d 接受 漫射光成像点，根据光源、物体表面反射点，成像点之间的三角关系 计算出表面反射点的三维坐标。此方法已经成熟，目前已走向实用。 其特点是数据采集速度快，因而，可以相当密集的对产品表面进行数 字化，形成所谓的“点云”。如果采用线光源，激光扫描测量方法可 以达到很高的测量速度。但是，这种方法有一个局限性，不能采集到 物体的内表面数据，为了实现物体内部表面的数字化，断层扫描技术 在逆向工程中取得广泛的应用。断层扫描也有两种方式：一种是基于 工业c t 的、无损的断层扫描技术，一种是破坏式的断层扫描技术，即 每切削一个断层后，测量该截面的内外边界。然后，以一定的厚度再 切一层，这样一直进行下去，直到实物模型被切割完毕，数字化过程 也随之完成。【2 【3 前者，不破坏零件，成本较低，但是精度较差；后 者精度高，但是，要破坏样件，并且测量过程复杂，成本较高。结构 光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是 将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后用两个镜 头获取不同角度的图象，通过图象处理的方法得到整幅图像上像素的 三维坐标，这种方法具有速度快、无需运动平台的优点【2 j 。 1 2 2 数据处理的技术现状及发展趋势 1 ) 概述： 数据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。此过程经常包括以下几方面的工作叫j ：( 1 ) 数据予处 理，如噪音点处理，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 来形成整块曲面。( 3 ) 数据光顺，通常采用局部回弹法、圆率法、最 小二乘法和能量法等来实现。( 4 ) 数据优化，冗余点的处理，压缩不 必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量。( 5 ) 散乱数据处理，对 6 青岛海洋人学硕七论文 于具有较复杂形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，须建 立数据点问的拓扑关系。 2 ) 噪声点的处理 无论是接触法还是非接触法的数据获取，都不可避免地在真实数 据点中混有不合理的噪声点，过滤掉噪声点是逆向工程中数据处理的 基础。噪声点的去除最早在信号和数字图象处理中研究，经常被归结 在各种滤波器的设计研究中。在逆向工程中，最简单的噪声去除方法 是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点 删除 11 。很明显，这种方法在数据量大的情况下是不适宜的。对大范 围“数据云”的噪声过滤常用程序判断滤波、n 点平均滤波以及预测 误差递推辩识与卡而曼滤波相结合的白适应滤波法等。这几种方法借 鉴了数字图像处理中的概念，将所获得的数据点视为i m a g ed a t a ，即 将数据点z 值作为图像中像素点的灰度值来对待，但上述的每种方法 都而临着既要消减噪声点又要保持真实点不受损过多的矛盾，所以每 种滤波法都应使闽值选取具有针对性，以防将工件上的台阶点( 线) 作为坏点去除。值得注意的是，去除噪声点的方法来源于数字图像处 理，这就要求像素点( 数据点) 相互问的排列具有规则性，若获得的 数据点是散乱的，上述的方法中除了人工交互不受影响外，其他方法 就勉为其难了，这点在复杂曲面形体的反求中尤为重要。从目前的 研究状况来看，直接对散乱点进行处理难以实现，因为点与点之问拓 扑笑系并没有建立，叮行的途径是首先建立拓扑关系，然后通过高斯 f f f | j 莽等其它标准进行判定。除此以外，这些噪声去除的方法要求数据 点具有单值性，即存在点( x ，y ) 必有唯一z 值和其对应。如果物体 表面复杂，必须有多值出现，则须采用多视拼合。 3 ) 数据分块 对测量数据进行分块，可将复杂的数据处理问题简化，使后期的 曲丽局部修正变得方便灵活，有利于提高精度。分割曲面拟合是逆向 t 程的关键。【2 3 j 分块建市在分块数据凹凸性一致的基础上的，分块数 7 青岛海洋大学硕士论文 据曲面重构的选择性较好，很多参数曲面在曲率大范围扰动时的拟合 状况并不理想。因此，文献】中采用曲率法来检测数据分块区的边界 线，从文中分析得其对象是规则数据点。对散乱点数据分块的研究较 多，主要分为基于边和基于面两种方法，基于边的方法是根据目标点 周围的点集的几何和数值微分特性完成边点的线形信息，当曲面片间 为光滑过渡时，需寻求高阶微分，带来和存在的问题是有效点的占有 率及检测的不稳定性。基于面的方法是寻求连续点域内具有某些共同 特定参数( 高斯曲率) 的点集面，其稳定性较高，但对光滑边界的检 测困难。b e s 等人f 1 2 j 采用分布法将面分解为面元，在以面元为基础的 种子区域内生长，直至生长失败。 1 2 3 曲面重构的技术现状与发展趋势 随着计算机图形显示对于真实性、实时性和交互性要求的目益 增强，几何设计对象向着多样性、特殊性和拓扑结构复杂性靠拢这一 趋势的曰益明显，以及激光测距扫描等三维数据采样技术和硬件设备 的日益完善，曲面造型近几年得到了长足的发展，这主要表现在研究 领域的急剧扩展和表示方法的开拓创新。 自由曲面是不能用初等解析曲面来组成，而是以复杂方式自由地 变化的曲面。并且通常是由矢函数形式的参数曲面方程p = p fu ，v ) 来 描述，常用的有c o o n s 曲面、b e z i e r 曲面、b 样条曲面和n u r b s 曲面， 它们都是用一些基本函数和控制点定义的。简单和常用的方法是采用 距离加权插值法为基础的b 样条法【1 4j 。以数据点为型值点为反求其 控制点，然后将b 样条曲面看作是两个不同方向的b 样条曲线的直积， 避免复杂的矩阵运算。目前使用中经典的方法是采用最小二乘法的双 三次b 样条【1 5 j ，可以避免由于坏点所引起的插值算法的波动，提高曲 面重构的质量。n u b r s 曲面造型功能强，可以对规则立体曲面、回转 体等统一描述，几乎所有现行c a d 软件都对它完全支持。但由于其数 学描述式中分式有理式及权值的出现，使得参数的优化成为研究的热 点。f a r i n 于1 9 9 2 年提出根据曲面片的曲率来分配权值。一些学者在非 青岛海洋大学坝士论z 一 线形逼近中作了许多工作，如h o s c h e k 采用此法通过最小化数据点和 逼近曲面差值平方之和同时确定n u r b s 蓝面的控制点和权值。册 m a 1 6 采用两步线形化的方法首先确定权值，控制点在第二步解决。从 目前的研究应用来看，最小二乘法和非均匀b 样条结合的方法来重构 矩形域曲面可以称为能够满足工程需要的可行方法。 自由曲面重构应用可分为两大类：插值和逼近 7 】。插值法中曲回 的拟合是通过所有的数据点，通常用于精确点的测量。逼近法中表圆 的拟合不必通过所有的数据点，但它表达了对数据点的总体最优逼近 的程度，它通常用于处理大量的数据点，或需要对测量误差和噪声进 行平均化的情况。大多数情况下，对于所测得物体表面为自由曲面型 的情况，可采用直接控制顶点的方法建立其几何模型。由此构造的曲 面容易满足设计所需的数学特性，保证曲面连接处的一阶或二阶以上 高阶导数的连续性。自动建模时，先进行由任意分布型值点反求曲圆 控制顶点的工作。求出曲面控制点后，即可利用现有的自由曲面造型 技术，建立相应的几阿模型 1 7 。 用基于物理摸型的方法对变形曲面进行仿真或构造光顺曲面是 c a g d 和计算机图形学中一个重要研究领域。1 9 8 7 年加拿大学者 t e r z o u b s 等率先将基于能量的弹性可变形自由曲面造型技术引用到计 算机图形学领域，受到了国际上众多学者的重视。w i l l i a n s 以虚拟弹 性薄板总能量作为能量泛函用有限插分法构造光顺曲面。c e l n i k e r 和 g o s s a r d 提出了基于有限元分折的自由曲面设计系统。m o r e t o n 和 s e q i n 提出了设计光顺曲面的函数优化方法。他们首先建立使用曲面插 值给定点、法矢和曲率的几何约束方程，然后再利用非线性优化技术 使反映曲面形状的光顺函数最小。使用这种技术，可以较好地：i 哿形：扶 约束和几何约束结合在一起，克服传统上的不足。该方法可以产生高 质量的曲面，但其计算耗费较大。w e l c h 和w i t k i n 提出了变分曲面设 计方法。这种方法也是从设计的角度出发，将整张曲面看怍是一张有 弹性的曲面，可以用曲面上任意一些点或曲线控制其形状，或者要求 曲面在一些关键点插值于给定的法矢或高斯曲率。同时，要求曲面满 9 青岛海洋大学硕士论文 足设计者的定性要求，如形状光顺而美观等。根据这些要求建立优化 的约束方程，然后用数值方法求解得到所要求的曲面。所采用的能量 泛函与c e l n i k e r 和g o s s a r d 的工作类似，但在曲面表达上作了改变： 采用了f o r s e y 和b a r t e l s 的分层b 样条曲面表达形式以提高局部控制 能力，但使用起来仍不方便【1 7 j 。 1 9 9 4 年，t e r z o p o u l o s 等在n u r b s 曲面的定义中增加了一个时间变 量，又提出了基于能量模型的动态n u r b s ( d _ n u r b s ) 曲面。t e r z o p o u l o s 的基本思想是根据l a g r a n g e 动力方程建立一个偏微分方程，按照曲面 的变形要求旋加一个外力，以给定偏微分方程的边界条件建立曲面的 几何边界约束，通过方程中表示形状变化的能量函数的内部参数来反 映曲面的物理属性，最后由数值计算方法得到这张曲面离散或精确形 式的解i i j 。 1 3 当今几种c a d c a m 系统的曲面功能评述 美、法等国的c a d 技术一直走在世界的前沿，它们拥有许多世界 闻名的c a d c a m 系统，这些系统具备十分强大的功能。 1 ) 美国s d r c 公司的i - d e a s m a s t e rs e r i e s 软件采用v g x ( 超变量化) 技术，用户可以直观、实时地进行三维产品的设计和修改。v g x 有如下 好处：不必象参数化造型系统那样要求模型“全约束”，在全约束及 非全约束的情况下均可顺利地完成造型：模型修改不必拘泥于造型历 史树，修改可基于造型历史树，亦可超越造型历史树；可直接编辑任 意3 d 实体特征，无须回到生成此特征的2 d 线框初始状态：可就地以 拖动方式随意修改3 d 实体模型，而无须仅以“尺寸驱动”一种方式来 修改模型；模型修改许可形状及拓扑关系发生变化，而并非象参数技 术那样仅仅是尺寸的数据发生变化：所有操作均为“一拖一放”方式， 操作简便。该软件的m a s t e rs u r f a c e 模块是建立复杂雕塑曲面的快捷工 具，它基于双精度n u r b s ，与实体模型完全集成。它支持各种曲线曲面 造型方法，如拉伸、旋转、放样、扫掠、网格、点云等，强大的变量 扫掠支持变截面、多轨迹线以及尺寸驱动。其结果是一个曲面集合或 1 0 青岛海洋大学硕士论文 具有拓扑关系的曲面实体模型。该模型可参与全部几何造型操作、干 涉检查、物性计算等。i - d e a s 提供了独特的变量成形工具，它基于最 小能量法，使用先进的高层次操作，例如对直观的几何形状进行推挤、 弯扭、相斥、吸引等，使底层的曲面曲线成型。也可以对真实的t 何 体直接进行交互修改，从而得到光顺的形状，而不象传统的那样对控 制点、权及节点进行交互操作。该软件较完整地解决了主要的曲面造 型问题。 2 ) 美国u n i g r a p h i c ss o l u t i o n s 公司的u g 源于航空业、汽车业，以 p a r a s o l i d 几何造型核心为基础，采用基于约束的特征建模和传统的几 何建模为一体的复合建模技术。其曲面功能包含于f r e e f o r mm o d e l i n g 模块之中，采用了n u r b s 、b 样条、b e z i e r 数学基础，同时保留解析几 何实体造型方法，造型能力较强。其曲面建模完全集成在实体建模之 中，并可独立生成自由形状形体以各实体设计时使用。而许多曲面建 模操作可直接产生或修改实体模型，曲面壳体、实体与定义它们的几 何体完全相关。u g 软件实现了面与体的完美集成可将无厚度曲面壳缝 合到实体上。总体上，u g 的实体化曲面处理能力是其主要特征和优势。 3 ) 美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r ( 以下简称p r o e ) 以其参数七、 基于特征、全相关等新概念闻名于c a d 界，其曲面造型集中在 p r o s u r f a c e 模块。其曲面的生成、编辑能力覆盖了曲面造型中的主 要问题，主要用于构造表面模型，实体模型，并且可以在实体上生成 任意凹下或凸起物等。尤其是可以：解特殊的曲面造型实例作为一种特 征加入特征库中p r o 7 e 带的特征库就含有如下特征：复杂拱形表面、 三维扫描外形、复杂的非平行或旋转混合、混合扫描、管道等等。 该软件的曲面处理仅适合于通用的机械设计中较常见的曲面造型问 题。 4 ) 美国i b m 公司的c a t i a c a d a n i ( d a s s a u l ts y s t e m s 公司开发) 是个广泛的c a d c a m c a e 伊d m 应用系统。该系统有关曲面的摸 块包括：曲面设计( s u r f a c ed e s i g n ) 、高级曲面设计( a d v a n c e ds u r f a c e d e s i g n ) 、自由外形设计( f r e ef o r md e s i g n ) 、整体外形修形( g l o b a ls h a d e 青岛海洋大学硕士论文 d e f o r m a t i o n ) 、创成式外形修形( g e n e r a t i v es h a p em o d e l i n g ) 、白车身设 计( b o d v i n w h i t et e m p l a t e s ) 等。c a t i a 外形设计和风格设计解决方案对 设计零件提供了广泛的集成化工具。该系统具有很强的曲面造型功能。 5 ) 中国广州红地公司开发的“金银花( l o n i c e r a ) ”m d a 9 9 系统具 有强大的高级曲面设计模块，提供灵活多样的曲线、曲面构造功能， 与实体建模实现无缝连接。设计者利用m d a 9 9 所提供的曲面工具，可 随心所欲地构造任意复杂的过渡曲面、自由曲面等；曲面编辑、修改、 驱动非常方便。m d a 提供对实体的边以及边与面、面与面之间的各种变 半径高级过渡，包括固定半径、固定宽度、参数半径、位置半径、周 边倒角、旋转椭圆等。m d a 的曲线构成方式有：自由曲线、曲面交线、 投影曲线、偏移曲线、交叉曲线、螺旋曲线、u - - v 曲线，特有的函数曲 线功能使得设计人员利用函数方程、参数方程构造各种曲线。m d a 的曲 面生成方法更是应有尽有：拉伸曲面、旋转曲面、扫描曲面、蒙皮曲 面、放样曲面、网格曲面、等距曲面、插值曲面、边界曲面、函数曲 面等。尤其是m d a 所提供的变形( d e f o r m a t i o n ) 设计功能，先进而且实 用。设计人员给定不同的边界约束以及受力情况便可得到不同曲面形 状。m d a 同时还提供各种细致有效的曲面局部修改操作，包括裁剪、过 渡、延伸、拼接、缝合等。总之，m d a 高级曲面特征设计模块提供的生 成、修改、驱动的功能可以与各种国外大型的c a d c a m 软件相媲美。 预计在不远的将来，微机c a d c a m 系统将以其良好的2 d 设计 绘图、3 d 实体曲面造型、数控加工、工程数据管理，物性分析的集成 化优势而得到广泛应用和发展。 青岛海洋大学硕士论文 第二章课题选择背景及意义 2 1 p r o e 及逆向模块s c a nt o o l s 简介 1 9 2 0 2 1 2 2 j p r o e 软件是美国p t c 公司产品，该软件是基于参数化设计而发 展起来的机械设计自动化( m d a ) 软件。当前流行的“参数化设计、 并行工程、统一数据库”思想都是由p t c 公司首先提出来的，并在软 件中有充分的应用。 1 ) 基于特征的实体造型 在p r o e 软件中，特征是构造实体的基本单元，实体由一个或若 干个特征组成。造型的过程就是通过增加特征逐渐逼近最终零件的过 程，p r 0 e 的特征包括实体( s o l i d ) 特征、曲面( s u r f a c e ) 特征、 基准( d a t u m ) 特征。修饰( c o s m e t i c ) 特征等。其中，创建实体 特征有3 5 种以上的方式，创建曲面特征有2 2 种以上的方式，而且不 包括各种各样的特征选项。在构造实体过程中或实体构造完成后，可 以对特征进行操作。其中对特征进行修改、重定义、重排序、重定义 关系等操作是p t c 软件智能的体现，为用户修改模型提供了极大的方 便。 2 ) 参数化设计造型 p r o e 软件采用参数化设计，实体造型比较快，造型功能比较强， 用户在草绘特征时可以不关注具体尺寸。只需按照自己的意图构造几 何形状和约定几何之间的相互关系，随后按实际需要再行修改尺寸。 特别是p r o e 的尺寸自动标注功能，可以为用户标注尺寸提供很大的帮 助。当几何形状比较复杂时，可为用户节省许多时间，提高工作效率。 另外参数化设计比较适合于产品的系列化设计。对于结 勾典型的可 使用该软件进行参数化设计。 3 ) 统一数据库 使用统一数据库，使二维图形完全从三维模型中产生，几何上完 全一致，相关性非常好。当改变三维模型的尺寸时，二维工程图产生 相关的变化。另外，统一数据库以后，c a d 和c a m 能关联，c a d 数 据的变化在c a m 中也能产生相应的变化，这一点对c a d 、c a m 的一 青岛海洋大学硕士论文 体化很重要，可减少数据不统一造成的差错。 4 ) 并行工程 并行工程实现多个用户对同一产品进行设计，可缩短周期。这对 于大型、复杂产品的设计制造有一定的意义。并行工程涉及到企业管 理、计划调度、物资管理、思想观念等诸多方面的一项系统工程，当 诸多因素协调一致时方可较大限度的发挥其作用。 5 ) s c a n - t o o l s 模块介绍 s c a n t o o l s 是p t c 公司用于逆向工程的软件。它可以处理 定的测量扫描数据进行曲面重构。在三坐标测量机或激光扫描仪测得 数据后，通过点过滤和线过滤技术将模型的数据量减少，或者利用曲 线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区域，先生成曲面片， 然后通过拼接构成完整的曲面模型。s c a n t o o l s 提供了许多工具来 创建和定义光滑曲线、曲面，其能力包括：自动将曲线，曲面与原始 的数据参考点相拟合；借助于它们的控制多边形，动态实时显示修改 曲线、曲面；创建修改式样曲面通过修改定义曲线改变式样曲面的形 状：创建简化曲面：使用控制多边形，修改输入的曲面，曲线、曲面 修改图形显示，包括曲率、斜率、反曲点，一般形状的变化，以及对 参考点的偏差等；指明和保持在修改时曲线、曲面的边界条件：显示 投影曲线。 2 2 课题选择背景及意义 p r o e 曲面的生成、编辑能力覆盖了曲面造型中的主要问题，主 要用于构造表面模型，实体模型，并且可以在实体上生成任意凹下或 凸起物等。尤其是可以将特殊的曲面造型实例作为一种特征加入特征 库中。该软件的曲面处理适合于通用的机械设计中较常见的曲面造型 问题。测量数据的处理比较受限。s c a nt o o l s 模块的调线功能比 p r o s i 乐f a c e 要好，但是它调线时受限制比较大，比如：如果你动 了一根线，那么所有与它相交的线都不会自动相交，你必须再重新定 义它们相交、相切。 在曲面重构时，特征线的生成和拓扑关系的确定对重构曲面的质 1 4 青岛海洋大学硕士论文 量有很大的影响。特征线可由任意的曲线或特征点群来构造，而后根 据特征线及边界约束条件重新生成曲面片的真正边界线，最后生成以 边界线为界、逼近中间扫描点的曲面。因而曲面受到扫描点和特征线 两方面的影响，且边界线的变动对曲面的影响相当大。使用这种方法 设计灵活，特别适合实物模型的再设计与修改。但操作复杂，曲面重 构的速度与精度与设计人员的经验关系较大。 在实际应用中，对于带有复杂自由曲面的产品来说，制品表面常 常为了美观加一些棱线，或一些有配合要求的边界，而且在棱线处精 度要求很高。如图2 1 。 图2 1 对于这类特，正线的处理，一方面，在利用c n t m 数据采集对，无 法自动测量只能用手动方式测量得到特征线，不又测量费事费力 而且特征线的可利用程度很低：另一方面即使采用等问距法4 - 鲁动测 量，但p r o e 无法自动识别并提取特征棱线，文献l j j 也提到p r o e 交 互定义多，自动提取方法相当有限。在这种条件下，进行逆向设计主 要是利用人工交互方式。具体的讲：先用等间距法，按照制品的拓扑 关系测得一定间距的扫描网格线，并用手动方式测得特正棱线；然后 设计师凭借经验，在扫描线的棱角处，参考手动测量的特征陵线手动 提取特征点：再：悔特征点连成曲线，并借助于曲线分析工具，反复修 青岛海洋大学硕士论文 改，直到自己满意为止；最后，构建曲面。这种方法的主要缺点为： 1 ) 特征点的判断没有依据，特征点是否是扫描线上曲率最大的点， 没有理论依据，仅凭借设计师的经验与眼睛进行判断，这样往往造成 曲面模型与c a d 模型带有很大的主观性，对于同- - n 量数据不同的设 计人员得到的c a d 模型是不一样的。 2 ) 曲线构建准确度不高，正因为特征点判断没有依据，造成了测 量复制过程的准确度不高。如果对于装饰性特征棱线，影响不是太大， 但对于装配性特征棱线或模具复制来讲，准确度往往达不到要求。 3 ) 工作效率低下，一方面表现在特征棱线的测量上，另一方面表 现在特征点与特征棱线的手工提取上。设计人员的主要精力都用在编 辑特征点与特征棱线上，因此设计周期比较长，效率低下。 为了解决这一类特征棱线的自动提取问题，针对具体实际应用， 我们专门编制了d a t a d i s p o s a l 程序用于测量数据的处理与特征点 的自动判断以及特征线的自动提取。因此，d a t a d i s p o s a l 数据处 理程序的开发，作为对现有p r o e 软件功能的有效补充，对于提高逆向 设计的准确性，缩短曲面重构的时间，提高工作效率，具有巨大的应 用价值。 2 3 用于逆向工程设计的系统框架与配置 2 3 1c m m 家电产品类型多、形状变化复杂，但一般没有外部不可见的内部 轮廓；并且由于塑料件本身的收缩作用，使得尺寸精度一般在正负1 至2 个微米左右，因此，选用价格适中的、测量精度在正负o 5 微米的 三坐标测量仪较为理想。基于以上分析，我们选用美国b r o w n & s h a r p e m a n u f a c t u r i n gc o m p a n y 的c h a m e l e o n 1 2 2 0 1 0 三坐标测量仪。该测量仪 可配有任何标准的接触式测量头和激光测量头。 三坐标测量机的主要技术参数如下： 1 ) 最大测量范围： x 一1 2 0 0 m m y 一2 0 0 0 m m 1 6 青岛海洋大学硕士论文 z l0 0 0 r a m 2 ) 最大测量误差：正负o 5 u m 1 0 0 0 m m 2 3 2 测量软件 选用著名的r e n i s h a w 公司的自动检测系统。测量软件选用德国 l e i t z 公司的q u l - n d o ss u r f 3 d 。系统支持的文件格式为v d a 、i g e s 。 2 3 3 逆向工程软件 安装带有逆向工程模块并且曲面功能很强的参数化软件是一种理 想选择。为此我们安装了参数技术公司( p t c ) 的p r o ? e 软件和逆向工 程模块p r o s c a nt o o l s 。这样一方面可以避免单独的逆向工程软件 和c a d 软件之间存在的集成困难，又可以节省投资。 2 3 4 用于逆向工程设计的系统框架 q u t n d o ss u r _ f 3 d 是一个测量软件，不具备曲面重均与计算机 辅助设计功能，不便于再设计与修改；p r o e 曲面功能较强并具有逆同 工程模块，但不具有测量功能，而且数据处理也受到一些限制：为了 测量、建模一体化，我们针对两个软件的特点，开发中间数据处理程 序d a t a d i s p o s a l ，用来进行一系列数据子处理工作，并：降扫描数 据转化为p r o e 可接受的格式，同时，在p r o 7 e 软件内实现特征梭线的 自动提取。具体框架如图( 2 - ：) 。 图2 2 1 7 青岛海洋大学硕士论文 第三章曲面造型的数学基础研究 4 5 6 7 曲面造型用有向棱边围成的部分来定义形体表面，由面的集合来 定义形体。具体要了解各种曲线、曲面的构造方法，首先从理论上掌 握曲面造型常用数学方法的特点。这样才能在实际应用中，适当的选 用曲面的造型方式，使得造型物体既能保证其光滑性的要求，也能保 证起美观要求。 3 1 曲面造型的基本概念 1 ) 位置矢量：一条自由曲线其上任一点的位置矢量，可用矢量p ( t ) 表示为： p ( t ) 2 x ( t ) ，y ( t ) ，z ( t ) ( 3 一1 ) 2 )