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机械毕业设计全套

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CLSW01-017@车用发动机齿轮泵逆向设计,机械毕业设计全套

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收稿日期： ! # $ # %&作者简介：姜楠（ %(! # ），女，扬州人，现为东南大学硕士研究生，扬州大学工学院讲师。主要研究方向为：计算机辅助工业设计、 )*+,)-。产品的逆向设计法研究姜楠（扬州大学工学院，江苏 扬州 !.）摘要 对产品的逆向设计法的流程、关键技术与应用作了研究，指出现代工业设计师进行产品造型设计时采用逆向设计法将有起点高、成本低、周期短、易改型、易创新的特色。关键词：产品设计；逆向设计中图分类号： /0$1! 文献标识码： 0 文章编号： % # 2.(2（ !） 2 # %22 # !#$%& () *)+%#,)- .#,-) /(% 0%(12&3#!#$% $&（ 3456789: ;5? C?9D， EB AD85 45G 4CCH? GG ?K L9G?5 ? M4B G 4CC?94D8 A84A ? ? ? ?4NH 4 OHH 4 4K67 8(%1#： P?9G:DA G?， 英 国 AB=C 公司 的 $=,1A 3(D $6/738) ,)8E(;F/68FE( 等 ， 英 国 B)&#?A公 司 产 品 ?E%G?B； 此 外 ， 一 些 ?BH?A 系统 ， 如 美 国 I=? 公 司 的 I/EH(4()/ -JJJ、 美 国 +K$公 司 的 +(4/3%=1 等 在其 系 统 中 也 集 成 了 可 实 现 逆 向 三 维 造 型 设 计 的 模块 ， 但 与 专 业 的 逆 向 工 程 软 件 比 较 在 功 能 上 有 较 大局 限 性 。 例 如 ： $6/738)/9:! 逆 向 设 计 软 件 可 方 便 的实 现 下 面 几 项 功 能 ： !） 接 受 不 同 来 源 的 扫 描 资 料 点的 分 析 与 处 理 。 如 ?AA， L3;)/， ;)(;E/;， +&F/3;E6(D等 ； -） 快 速 、 准 确 地 将 扫 描 点 转 换 成 *+,$ 曲 面 ； 0）对 曲 面 模 型 的 精 度 、 品 质 进 行 评 价 ； M） 对 曲 线 、 曲 面的 形 状 实 现 交 互 修 改 。 在 产 品 的 曲 面 模 型 重 建 时 ，$6/738)/9:! 不 需 经 过 建 造 曲 线 来 构 造 曲 面 而 是 直 接由 扫 描 点 来 直 接 产 生 曲 面 ； 或 采 用 建 立 周 边 曲 线 再用 该 边 界 与 其 内 部 的 扫 描 点 群 来 产 生 曲 面 ； 也 可 首先 在 扫 描 点 群 中 构 造 *+,$ 曲 线 ， 再 由 曲 线 来 产 生曲 面 。M 结 论展 望 未 来 ， 伴 随 着 计 算 机 硬 件 与 软 件 技 术 条 件的 发 展 ， 逆 向 设 计 法 所 具 备 的 起 点 高 、 成 本 低 、 周 期短 、 易 改 型 、 易 创 新 的 优 势 会 日 渐 明 显 ， 该 方 法 必 将成 为 现 代 工 业 造 型 设 计 师 实 现 产 品 造 型 设 计 的 首 选方 法 之 一 。 参 考 文 献 ! 田 晓 东 等 : 复 杂 曲 面 实 物 的 逆 向 工 程 及 其 关 键 技 术 N : 机 械 设 计 与 制 造 ， -JJJ， -O（ M） : - 齐 天 鹏 等 : 基 于 点 云 资 料 的 曲 面 重 构 方 法 研 究 N : 工程 图 学 学 报 ， -JJ!， -（ !）!:（ 上 接 第 !0- 页 ）属 于 改 革 开 放 后 成 长 起 来 的 一 族 ， 敢 于 挑 战 陈 旧 ， 敢于 实 践 的 新 人 类 或 新 新 人 类 。 这 些 人 ， 并 非 真 崇 洋媚 外 ， 而 是 对 于 任 何 新 鲜 事 物 都 感 兴 趣 ， 这 一 点 就 使我 们 的 设 计 中 多 了 一 种 融 世 间 万 物 于 一 体 的 能 力 ，也 就 是 世 界 潮 流 。0:0 设 计 中 的 东 方 气 质其 次 ， 风 格 问 题 将 是 本 民 族 设 计 走 向 世 界 的 标志 ，“ 只 有 民 族 的 才 是 世 界 的 ” 。 著 名 的 美 籍 华 裔 设计 师 陈 秉 鹏 先 生 讲 ：“ 对 西 方 风 格 的 主 流 加 以 挑 战 和刺 激 是 很 必 要 的 ， 世 界 需 要 来 自 不 同 文 化 的 新 品 位和 新 理 念 。 中 国 应 当 在 设 计 领 域 继 续 进 行 国 民 文 化和 本 体 教 育 。 ”“ 虽 然 工 业 设 计 发 端 于 西 方 ， 但 中 国 将会 找 到 自 身 的 美 学 和 文 化 承 传 ” 。 也 就 是 说 ， 中 国 应当 将 东 方 哲 学 底 蕴 应 用 到 现 代 设 计 中 去 。 我 们 知 道东 方 哲 学 是 唯 一 可 以 和 西 方 文 化 相 媲 美 的 。中 国 的 设 计 讲 究 空 灵 、 隽 永 、 富 有 文 化 气 质 ，“ 小桥 流 水 、 诗 情 画 意 ” ； 同 时 ， 因 为 有 着 五 千 年 的 历 史 ，故 而 设 计 中 有 着 高 贵 、 典 雅 、 富 丽 堂 皇 、“ 歌 舞 升 平 、光 彩 照 人 ” 的 成 分 。 这 些 都 是 文 化 赋 予 我 们 的 历 史财 富 。文 化 是 一 种 活 生 生 的 载 体 ， 她 不 是 单 纯 的 对 历史 的 总 结 和 回 顾 ， 其 根 本 是 要 发 展 的 ， 如 何 将 现 代 设计 与 文 化 底 蕴 有 机 结 合 是 当 代 设 计 者 的 历 史 责 任 。这 需 要 设 计 者 有 敏 锐 的 眼 光 ， 创 造 性 的 思 维 ， 而 故 步自 封 和 全 盘 照 搬 必 将 造 成 设 计 文 化 的 混 乱 。在 现 代 产 品 设 计 中 ， 一 般 情 况 下 ， 西 方 形 体 表 达方 法 为 人 性 化 、 构 成 化 、 抽 象 化 。 其 实 这 些 与 中 国 的文 化 是 完 全 可 以 相 容 的 。 例 如 人 性 化 设 计 ， 我 们 一般 在 自 然 界 不 是 以 人 为 主 题 ， 而 是 将 人 与 自 然 融 为一 体 ， 这 种 形 势 比 单 纯 的 人 性 化 显 得 更 高 ， 设 计 技 法多 使 用 对 称 、 均 衡 。 同 时 这 些 手 法 对 于 设 计 师 的 要求 则 更 高 。 对 于 产 品 设 计 的 欣 赏 ， 是 平 淡 中 见 真 谛 ，即 某 项 产 品 设 计 不 要 过 分 的 突 出 ， 否 则 “ 过 犹 不 及 ” 。设 计 是 经 济 基 础 ， 是 以 人 为 核 心 的 服 务 。 同 时 ，也 是 哲 学 理 念 的 现 实 化 的 反 映 。90!姜 楠 产 品 的 逆 向 设 计 法 研 究万方数据nts产品的逆向设计法研究作者： 姜楠作者单位： 扬州大学工学院,江苏,扬州,225009刊名： 包装工程英文刊名： PACKAGING ENGINEERING年，卷(期)： 2002，23(3)被引用次数： 7次参考文献(2条)1.田晓东 复杂曲面实物的逆向工程及其关键技术期刊论文-机械设计与制造 2000(04)2.齐天鹏 基于点云数据的曲面重构方法研究期刊论文-工程图学学报 2001(01)相似文献(10条)1.学位论文 鹿素芬 概念设计自动化软件DARFAD与其它系统的集成技术研究 2007概念设计自动化软件ACIS-DARFAD借助于生物生长的机理，提供产品设计从无到有、零件从少到多、表面从初级到高级、结构从简单到复杂的进化模式。生长型设计模式的出发点是已有产品的需求原型。本文从已有产品出发，以STEP中性文件为交换机制，从中性文件中提取3-D产品模型的数据信息，应用ACIS API函数重建，并转化成基于功能表面的产品装配模型，进而通过逆向设计得到产品的需求原型，实现了ACIS-DARFAD软件与其他系统的信息集成。本文建立了基于STEP的面向对象的产品装配模型。首先将STEP中性文件的实体数据信息映射为一系列的C+类结构，保存在一个链表中。然后根据面向对象的思想采用C+语言建立基于边界表示法(B_rep)的产品信息模型的类结构，将中间文件的几何和拓扑关系信息读入到相应的类结构中，建立了几何和拓扑关系信息的关联。最后采用ACIS API绘图函数实现三维产品模型的重建，在ACIS环境下进行产品几何模型的显示。实现了ACIS几何模型向ACIS-DARFAD的基于功能表面的产品装配模型的转化。首先在ACIS数据信息的基础上，采用宽度优先算法实现装配关系的查找，根据装配体的几何信息自动识别装配关系。然后对识别出的装配关系进行存储，将ACIS中的零件类、表面类转化成基于功能表面产品装配模型中的零件类和功能表面类，向PartNet网络结构中添加零件与零件、表面与表面之间的关系。然后，对生长型设计过程进行回溯，通过功能模式之间的耦合作用实现对需求原型的反求。提供了一条从已有产品到创新产品的实用设计技术途径。最后，阐述了系统的功能、模块设置、系统开发技术和运行环境。并以机械带传动结构为例进行STEP后置处理器功能的验证；以活塞半精镗工序夹具为例，详细介绍了产品装配模型的转化和产品原型的反求过程，验证了本文理论研究与技术实施的正确性和实用性。2.期刊论文 姜斌.魏琳.JIANG Bin.WEI Lin 基于逆向工程的工业设计研究 -轻工机械2005,23(2)为有效运用逆向设计工具及方法,体现计算机辅助设计中逆向环节对产品设计的重要作用;以及企业如何运用逆向设计进行产品的创新设计研究,本文对信息时代产品设计的竞争力,逆向设计的技术,特别是逆向创新设计进行分析,以建构起适合信息时代的创新设计方法.3.学位论文 林通 基于逆向设计的摩托车造型设计方法研究 2008随着人们需求的变化，产品造型设计在机电产品设计中的地位越来越重要。而在产品造型设计中产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造都非常需要逆向工程的支持。文中在对产品的逆向工程技术进行系统研究的基础上，以两轮骑式摩托车造型设计为例总结出了产品短周期逆向设计程式。首先根据产品程式化与系统化设计方法，在对现有摩托车的造型进行市场调研与分析的基础上，确定设计方向和目标人群，并进行初始方案设计与方案优选。其次应用逆向设计方法，对优选的设计方案制作油泥模型，并对其进行数据采集，应用拼接软件制成数模，在空间点云数据模型基础上快速重建了CAD模型。最后应用3Dmax软件完成产品的效果图制作，并进行方案优选。文中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、CAD模型的重建，通过两轮骑式摩托车造型设计详细地介绍了应用逆向工程技术的产品创新设计方法。通过市场调研与分析，对摩托车的开发进行市场定位，对摩托车的造型进行了概念设计，应用功能分析法进行方案综合与选择，并制作完成了全尺寸物理油泥模型。使用Vivid910三维扫描仪对油泥模型进行了三维数据采集，应用Imageware、Pro/E、3Dmax软件完成了STL文件数据处理与CAD模型的重建。在产品造型概念设计、物理模型制作、三维CAD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。4.期刊论文 庞爱民.生鸿飞.汪小曼.林富生.PANG Aimin.SHENG Hongfei.WANG Xiaoman.LIN Fusheng 基于逆向工程的产品设计研究 -武汉理工大学学报（信息与管理工程版）2007,29(7)描述了在Pro/E系统里实现逆向设计的关键部分,阐述了逆向设计中的数据处理、三维模型重构等基本概念,介绍了基于逆向设计的产品设计开发过程.并以激光弱视治疗仪眼罩的设计为例,通过选用合适的硬件系统和软件系统,完成了逆向设计全过程.实践证明该方法方便可行,是一种可以推广应用的逆向设计方法.5.学位论文 刘慧 汽车车身正、逆向混合设计技术研究 2009汽车车身设计过程可分为顺向设计和逆向设计。顺向设计与逆向设计的主要差别在于顺向设计由概念设计、产品设计图到建立三维CAD模型，而逆向设计则是实物或模型经测量得到的数据反求得到三维CAD模型。根据不同的产品开发要求选择不同的产品设计流程，对于开发一个新的车型可采用顺向设计，即由产品设计到车身油泥模型再到测量后数值模型重建最后反复修改的设计流程。逆向设计一般用于产品改型设计，对现有产品的改良创新；或者如汽车等一些带有复杂功能曲面的形体，一般不易建立CAD模型，而是直接使用油泥模型塑造外观形态，即先制作三维模型，再经过逆向设计建立产品三维数字模型。本文介绍了近年来汽车车身设计方法与流程的发展现状，并分析了车身设计常用的两种方法存在的弊端和优势，将顺向设计和逆向设计方法相结合，取长补短，对车身设计流程进行优化。论文首先从汽车车身设计的国内外发展现状入手，介绍了本课题的开发环境与平台，研究了车身逆向设计过程中的一些关键技术，在掌握了点云去噪、精简、拼合以及调整的基础上，提出了利用最小包容体的思想方法来实现数据融合，并且用Matlab实现了编程计算。改进现有数据融合的处理方法可以方便曲面重构及曲面局部修正且能提高重构曲面的质量，通过最小包容体求出点云重叠区的数据，然后对其做数据融合处理，不仅能够提高计算效率而且极大的方便了曲面的重构以及光顺，在工程上有一定的实际应用价值。本文中还讨论了数据测量、数据处理、曲面重构和光顺评价等技术。论文最后利用具体案例来说明正逆向相结合的混合型设计方法的可行性和优越性，给出设计流程和方案，在掌握曲线曲面的理论知识的基础上，结合两大流行软件(Imageware和Pro/E)的强大功能，最后分别对车身做了改型设计，并对车身表面进行了光顺性的评价。6.期刊论文 陈雪辉.袁根福.CHEN Xue-hui.YUAN Gen-fu 有限元技术在产品逆向设计中应用研究 -机械工程师2008(10)nts 逆向工程(RE)和有限元(FEM)技术是近年来较多用于新产品开发过程中的两种现代设计方法,分别在产品的仿制、改型和分析、优化领域获得广泛应用.文中将二者有机结合进行新产品的设计开发,介绍了有限元技术在产品逆向设计中的应用步骤和一般思路,并通过一个具体事例进行了详细说明,同传统的产品设计模式相比,该模式显著地提高了工作效率,缩短了新产品的开发周期.7.学位论文 李烈华 逆向工程技术在产品数字化检验中的研究与应用 2005制造业作为整个社会发展的前提和基础，在人类社会中起着至关重要的作用。产品开发是制造业中最为重要的部分，特别是产品开发的早期阶段更是起着决定性作用。模具作为产品成形的重要工具，广泛应用于国民经济各生产领域，模具的设计制造是一个复杂过程，涉及到产品设计、模具设计、电加工、机械加工等方方面面，因此，如何快速、高质量、低成本地设计制造出产品模具，尤为关键的是如何使制造的产品能迅速地满足客户的要求，以最快的速度形成批量就成为在市场竞争中的一个重要因素。在现在的汽车工业及模具工业中，三维的CAD/CAM软件已得到了普遍的运用，根据产品的实际情况，制造产品的工序流程往往有所不同。即：所谓的正向设计及逆向设计的两种设计思路。因现实中的各种因素并非所有产品都采用正向设计，如需仿制和备份某一非专利产品或是因原数据丢失等情况，这时就要采用逆向设计了。但不论正向还是逆向设计，在产品的开发过程中都不可避免地需要采取一定的手段来验证产品制造的正确性这个工作环节。如何使产品开发的周期缩短，使产品早日进入批产阶段，这是各企业所关心的问题。验证工作这道工序在整个开发流程中就起到了至关重要的作用！在目前大多数企业中，对产品的验证工作主要都是通过检具来进行的。从模具设计开始，产品工程师就必须充分消化产品图纸，了解产品的装车部位及列出零件重要特性分级表，并与检具设计工程师一起分析、考虑检具的设计工作。然而，现实工作中总是存在着不少的困难，如：检具的费用一般价格不菲；因匹配的关系，即便产品符合数模的要求，因与该产品相匹配的产品又不便更改等情况的出现时，应主机厂的要求而必须更改产品形状。这样一来，产品数模、模具、检具就必须进行一连串的更改。根据实际经验，产品进入批产时，一般情况下，检具往往已改得面目全非，并且与初始的设计数模对不上号了，可以说，这样的流程具有三大缺点：1 频繁的修改，资金浪费较大，投入的人力、财力消耗较大；2 频繁的修改，有时数模不能或难以及时地进行相应的更改，致使检具的实际情况与数模有所偏差，不利于检具的复制及存挡数据的正确性的工作的进行；3 检具的更改不是一天二天的事情，一定程度上延缓了产品开发的进度。所以该课题研究的是：能否在产品开发的过程中，跃过检具的设计及制作工序？而是利用逆向工程的技术采用更加简洁的方法达到此目的。节约加工成本、加速产品开发的进度。本课题提出了这样的一个问题：在产品开发的过程中，能否运用现在的逆向手段，另僻渠道，更加快速地验证产品与设计的符合程度，以加速产品开发的速度。当然，在产品经过数据验证及装车认可后，为了便于批量生产过程中的操作便利性，我们仍然可以在后期进行检具的加工工作，但这样就可以消除上述所说的常规流程给我们所带来的缺陷了，本课题结合了企业的多项生产事例，论证了逆向工程技术在产品数字化检验中的研究和运用，表明了本文研究得到的成果和结论是成功而有效的。8.期刊论文 尹青松.YIN Qing-song 基于PRO/E软件的逆向工程产品设计 -机械2008,35(12)逆向工程产品设计是根据已经存在的产品实物模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程.在逆向工程产品设计过程中,实物的CAD模型重建是逆向工程的关键部分,而PTC公司的Pro/ENGINEER是在机械设计领域被广泛应用的三维自动化模型设计软件,具有强大的数据建模功能.简要介绍了逆向工程技术的概念、系统构成及应用范围,以一款电话听筒的逆向设计为实例,详细介绍了在PRO/E软件中利用实物模型测量数据文件进行逆向设计的方法和步骤.9.学位论文 刘进 后舱门的逆向设计和有限元分析 2007逆向工程技术是当今先进制造技术热点之一，可以缩短产品设计和制造周期；有限元分析技术可以改善产品质量，降低产品成本。本文应用这两种技术对金龙客车后舱门进行了逆向设计和有限元分析。本文总结了逆向工程技术的数据采集方法，采用三坐标测量机对金龙客车后舱门进行了实际测量，并对获得的测量数据预处理。本文利用UG NX4 几何造型技术，研究了重构曲面的方法，包括基于扫描线点云数据的曲线建立方法，基于网格曲面的曲面重构方法等，完成了后舱门的曲面重构。在此基础上对后舱门结构进行了详细设计，并运用高级仿真功能对建立的后舱门模型进行了有限元分析。分析了后舱门的结构强度和刚度，对后舱门结构的设计作出了评价。研究了后舱门的自由振动模态，得出了后舱门的固有频率及相应的振型，为避免共振，对后舱门的振动特性作了分析。同时对后舱门加强筋进行了深度和结构的优化，改善了整体性能，使质量减轻了8.06，有效地节约了成本，并在实践中得到了很好的应用。10.期刊论文 来德义 钣金件逆向设计探讨 -公路与汽运2008(1)逆向设计作为产品设计的一种方法,在我国汽车设计中起着十分重要的作用.文中以汽车座椅支架为例,说明了钣金件逆向设计的一般流程,归纳了逆向设计中应注意的问题.引证文献(7条)1.张建敏.伍庆丰 汽油发电机新产品开发的工业设计策略期刊论文-包装工程 2007(10)2.于岩.平雪良.龚玉玲.马仙龙 基于逆向工程技术的产品外包装结构设计期刊论文-包装工程 2007(9)3.胡伟峰 产品设计中工业设计与工程技术设计衔接过程研究学位论文硕士 20054.来振华 顺向工程与逆向工程结合的数字化汽车设计流程研究学位论文硕士 20055.杨君顺.乔现玲.胡志刚 从CT灰度图像到快速原型制造的研究期刊论文-轻工机械 2004(4)6.杨君顺.乔现玲.胡志刚 从CT灰度图像到快速原型制造的研究期刊论文-现代制造工程 2004(8)7.来振华.孙守迁.熊云飞.李中扬 基于顺向工程与逆向工程结合的创新产品设计流程规划期刊论文-包装工程2004(2)本文链接：/Periodical_bzgc200203053.aspx授权使用：黑龙江工程学院(hljgcxy)，授权号：c2f01f1d-95b7-4509-865e-9e9c00ca9a67下载时间：2011年3月4日nts浙江大学计算机科学与技术学院博士学位论文产品设计重用中的创新方法研究姓名：刘红政申请学位级别：博士专业：数字化艺术与设计指导教师：叶修梓20080417nts浙江大学博上学位论文 摘要摘要随着计算机技术的发展，产品设计逐渐演变成为多学科交叉的创作活动。工业竞争的加剧导致现有的设计模型数量成倍增长，在设计时间紧的前提下，设计重用已经成为大多数设计机构的第一选择。现有的设计重用主要的实现途径有逆向设计、参数化设计、自由形状变形。本文在总结已有设计重用方法的基础上，首次提出了逆向创新设计(RID：Reverse Innovative Design)这一新的设计重用方式，丰富了设计重用的手段。产品的逆向建模方法是设计重用研究的重点，按照建模对象几何特征的差别，设计师会采取不同的建模思路。即对器官类型的模型而言采用自动创建拟合曲面的方式，对包含大量规则曲面的模型采用基于特征的参数化实体造型，对以自由曲面为主的模型则使用基于曲线的自由曲面建模方式，其中后两种方式便于加载产品定义参数，从而达到参数化驱动模型变形的目的。逆向创新设计方法立足于传统的逆向建模，从扫描数据提取出各种参数信息，进而建立参数化模型，并采用高层的自然参数乃至更高层的产品定义参数来驱动模型变化到一个新的设计。逆向创新设计可以说是一门整合的数字化设计方法学，它涵盖了三维CAD及CAID，逆向工程(I也)，CAE分析，快速原型(I冲)等领域。D方法既有参数化驱动的方便性，又保持了自由形状变形的灵活性，它能够有效利用设计对象的行业参数及知识，将其映射到产品定义参数中。该方法首先需要提取出高层次的参数信息产品定义参数，然后再编辑产品定义参数进行产品变形设计。D方法对现有逆向工程的建模流程是一个有益的补充，它要求建模对象对应一定的行业参数，并适用于以自由曲面为主和以规则曲面为主的模型。对以自由曲面为主的模型而言，其参数化设计重用的思路是提取网格模型的特征线框及特征点，进而得到所需的产品定义参数。对以规则曲面为主的模型而言，产品定义参数则源于截面轮廓的线段识别及基于网格分区的规则曲面识别。列D的建模方式可以很方便地集成到现有CAD软件平台中，其核心算法已nts浙江大学博士学位论文 摘要经被Solidw|orl岱的插件Sc锄T03D所采用。我们还在SindyNGRE平台中成功地开发出基于D方法的设计模块，并以鞋楦模型的改型设计为例，详细描述了刚D方法在鞋楦设计中的应用。此外，我们还以其它产品的重新设计为例，全面展示D方法在这类模型中的成功运用。关键词： 设计重用，逆向工程，参数化设计，自由形状变形，设计方法学，CAD，CAID，CAE，细分曲面，特征识别，运动仿真，计算流体力学，人机工程，特征线，产品定义参数，逆向创新设计，特征线框nts浙江大学博上学位论文 Abs仃actAbstractWit量l tlle development 0f computIer science，product desi印becomes a creatiVeactiV毋、)I，im Ilcw iIlterdiSciplineIIltensified in山Ist巧competition booms currentdigital model锄ountDesi印rellse is也e firSt choice of most desi弘咖dios t0 fimsh adesi弘晰m giVen timeReVerse desigIl，p麟髓etric desi印and船e-fonIl defomationare II坷or methods for design rcuseIn“s也esis，we propoa reVerse en舀neeringinn0VatiVe desi朗metl砌ology called ReVerh1noVatiVe Desi印 (D) as acomplementation of cu玎ent design reum甜10dProduct reVerdesign is an imponant design reus呛memodWe introduced threeRE modeling strategies：an autosu矗ing strategy for orgallic Shapes；a solid modelingS仃ateg)r witll触reco鲥tion锄d su血ce fitting for锄址ytical models；锄d acurvebaSed modeliIlg stl斌egy for accurate reVerse modeliIlgThe laSt t、o mettlodsare more conVeniem to ex缸act product definition pammeters、)l，：11ich call“velemo(1el defonned eaSilyBaSed on仃aditionm reVerse design，IUD is t0 extract all l【indsof p钺吼eterS from sc籼ed da瓴aIld use tlle hi曲leVel蛐fean鹏锄d even hi曲erlevel product defillition pa嗡meters to driVe tlle cl姗ges of the product model to fo肌new desi印D is锄integrated digital desi朗m甜姗10logy inco叩orating 3Ddi西tizing，3D CAD aIld CmD，reVerengineeriI培(RE)，CAE analysis，and rapidprotot)，ping(RP)D o、)I，l：ls t11e conVeIlienCe of p觚吼eter“Ven and neXibili哆of舶e-fo衄defo肌ation at the same tinleRm c龃utilize tlle l【Ilowledge of specified indus臼y孤dmap“t0 product desi印p觚吼ete瑙We need to extract me lli曲level p舭吼eterproduct defiIlition p撇eter，锄d tllen edit mese p猢eterS to defonn the modelR【Dis a 900d coIIlplememation t0 current reVerSe modelingD requires design object h嬲correspondiIlg iIlduSn了pa唿metcr a11d it is suita_ble for撕。帅esmodelOne is tllemDdel晰tll肫efom surfiuce，觚d tlle key is eX仃acting the fe孤鹏埘refame andfea：ture pointThe omer oIle iS the model、杭m analytical sl玎自ce，and the key is liIlereco鲥zation on section view and regular faCe reco鲥zation on meSh segmentationnts浙江大学博士学位论文 Abstract1k deVeloped刚D module can be e嬲ily integrated into current 3D CAD systems1k main RE S仃ategies and core algorithms have been inte掣ated into SolidW6rks雒趾add-iIl product called Sc锄T03DA shoe laSt desi弘module baSed on刚D isdeveloped in SindyNGRE platfo肌aIld some other redesigIl ex锄ples are in们duCedatlastKe唧ords： design reuse，reVerSe en西neering，fkef0册defo姗ation，desi朗melodology，CAD，CAID，CAE，subdiVision，fea血H-e recogmze，motion simulatiomCFD，e唱onomics，fea_ture lifle，product def“tion par锄eterreVerse imloVatiVe design，feanlre、)l，irefaments浙江大学博士学位论文 图目录图目录图11苹果公司IPOD系列产品家族3图12数据流向图8图13六角螺母可视化配置界面9图14产品设计正向工程流程图lO图15基于骨架驱动的动态变形13图16常规逆向建模流程1 4图17三坐标测量机1 7图18激光扫描仪18图19光学测量组合1 8图110核磁共振成像计算机断层成像设备19图111多边形建模及光顺效果图对比21图112模型细分前后的效果对比22图113汽车内饰建模23图114 IMA中的变形方式25图115 CAT认中集成CAID功能的产品设计流程25图116 T-Splines VS NURBS表示的车门模型效果26图117 T-Spline与NURBS之间格式转换。27图118 FIORES定义的设计流程28图119汽车顶部区域变形前后对比29图120参数控制的自由形状变形30图121人体模型的关键点3l图122基于特征线框建模的流程32图123网格特征复制粘贴方法的具体步骤33图21骨骼逆向建模实例(左为网格模型，右为曲面模型)37图22遥控板逆向建模实例一39图23汽车模型逆向建模实例。40图24逆向创新设计框架示意图一44图25参数化变形设计流程46图31汽车引擎罩变形52图32模型预处理54图33鞍座曲面及特征线框54图34男女坐骨结节间径示意图54图35鞍座的辅助截面线55图36变形的目标曲线56图37男女型号的鞍座变体模型56图38基于约束的曲面局部变形57VIInts浙江大学博士学位论文 图目录图39控制杆件模型58图310控制杆件截面数据58图31l常见加工特征59图312规则曲面的提取60图313优化设计流程图64图314把手优化设计图解64图41木制鞋楦67图42自由形状物体的RID方法工作流程72图43鞋楦中的语义特征点示意图73图44模型参数化流程图73图45鞋楦的特征线框(取自两个不同视角)74图46语义特征点(a)及其派生的产品定义参数(b)74图47采用RID方法进行鞋楦建模的原型系统76图48不同参数驱动下的鞋楦77图51模型预处理80图52参数化CAD模型制作8 l图53凳子的前处理状态82图54初始模型的静力分析结果82图55凳子的设计优化流程83图56凳子改型细节84图57改型凳子的静力分析结果84表3，1原始模型的参数提取6l表32参数驱动的变形结果61表41国标中的男皮鞋中问号(部分)68表42鞋楦部位系数定义75表61眼镜模型的D应用实例87表62高尔夫球头的D应用实例一88表63汽车把手的D应用实例90VIIInts浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。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，也不包含为获得逝鎏盘堂或其他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谢意。学位论文作者签名： f跏仰凉 签字日期：如佃矿年么月乙日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解逝鎏盘堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝婆盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名： 爱吖彬，签字日期：02p扩年月二日翩躲彬彳签字眺彬易月fnts浙江大学博上学位论文 第l章绪论11课题背景第1章绪论人区别于其它动物最根本的地方在于劳动，而劳动过程使人产生无穷的创造力。步入工业化时代以后，制造的产品日趋复杂，单靠个人纯手工制作的传统手段已经无法满足很多设计要求。计算机的出现为广大设计人员提供了一个非常有力的工具。如今，计算机辅助工业设计(CAID)、计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助工程(CAE)、计算机辅助制造(CAM)在生产的各个环节发挥着越来越重要的作用。最近二十年中，设计人员经历了一次颠覆传统的设计革命，资料室中的大量图纸逐渐以二维和三维电子图档的方式保存起来。二维制图只是从形式上替代了传统的设计工具，但从本质上还是采用同样的设计流程。三维CAD软件的推出，则从根本上改变了传统的设计手段。三维模型真实的表达了产品的空间结构，并附带有模型的材料和质量等信息，为下游的CAE和CAM应用提供了可能。时至今日，三维造型已经逐步取代了二维制图，特别是特征技术、参数化技术、变量化技术和超变量化技术的应用，更加推动了CADCAM技术的进步【11。CAD软件广泛应用于各行各业，也使得产生的数字图档成几何级的增长。因此产品数据管理(PDM)和产品生命周期管理(PLM)也越来越受到生产企业的重视。任何一件复杂的产品，在严格的进度管理和版本管理下，也会变得游刃有余。在进行类似复杂产品设计时，我们不仅需要借鉴第一件产品的设计经验，更多的是需要一定程度的模型重用。设计重用是对设计本身及设计活动中所获得知识的重新使用，设计重用是将过去设计的信息、知识或者经验应用到当前的设计活动【2】。丰田的花冠轿车是全球生产量最大的一个汽车型号，经过近十代的发展，其设计车型也日趋完美。然而在相邻两个型号之间，除了外观设计改动较大之外，很多零部件都是在上一型号的基础上进行一定的修改或直接重用，底盘和发动机lnts浙江大学博=学位论文 第l章绪论的设计尤其如此。这样，对不同产品就提出了不同的设计要求。如汽车的外观造型主要来自概念设计师的创作灵感，而像底盘和发动机这类产品的设计，则主要考虑强度和功效等因素。因此，针对不同的产品类型，也需要采用不同的设计重用方法。设计师在进行一个新产品设计过程中，一般需要花近60的时间用于获取适当的信息，这通常是让设计师倍受挫折的阶段【3l。同样有数据表明，在创作过程中有超过75的情况都是基于实例的设计一即重用以前的设计知识而建立一个新的设计。然而，随着设计过程中涉及的物理模型和相应知识的复杂性及数量的不断增加，使得重用很少发生，从而导致浪费大量的时间和资金。因此，设计及相关的知识重用是减少新产品研发时间的关键。使用三维CAD(计算机辅助设计)工具可以明显缩短产品上市时间并降低成本。三维CAD技术的广泛采用，极大的促进了从物理模型到数字模型的产品研发，并在过去的几十年中，完成了二维到三维的过渡。全数字化的产品研发流程包括设计、造型、仿真及加工，三维CAD是其中不可或缺的一部分【451。 结果，产品数据库中保存有越来越多的三维数字设计样本。对于一个新的设计而言，如果在数据库中有一近似产品的数字模型存在其中，则可采用三维检索技术【2】来获取这个相似外形及设计意图的模型。通过重用全部或部分之前的设计，来着手规划一个新的设计。三维检索和重用技术已经得到了广泛而深入的研究【1315】。尽管已经有不少三维检索引擎用于商用【16l，三维检索和重用在设计及媒体检索领域仍然是一个正在研究中的主题。就三维模型的设计重用而言，目前存在三个比较成熟的技术。其中之一就是逆向工程(Reverse Enginee血g，简称RE)，也称之为反求工程或反向工程。逆向工程是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术。简言之，逆向工程就是根据零件(原型)生成数字化模型，再制造产品。它是一种以先进的产品设备的实物、样件或影像(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、材料学和计算机技术等有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技2nts塑垩奎芏苎主兰丝堡兰 苎!兰堕堡术采取的一系列分析方法和应用技术的结合。逆向工程主要分为数据采集和模型重建两个环节。数据采集追求的目标是快速精确，而模型重建的要求是光顺高误差小。可见精度高(或误差低)是二者共同追逐的效果。随着科学技术的飞速发展。误差控制也越来越好。这种依样画葫芦的技术在各行各业获得了广泛的应用和发展，比如我们日常接触到的手机、汽车、玩具、家电菩都有逆向T程的影了。在历史文物保护方面，逆向工程也起到了积极的数字化记录的作用。虽然传统的逆向工程要求误差越小越好，然而当我们肘市场上已有产品进行逆向设计的时候，我们并不能原样照搬。我们必须尊重产品原型设计的知识产权，这样才能建立一个岛性和谐的市场运行体系。因此，我们不能把逆向工程技术定位于产品的抄袭和模仿，而是应该建立起一个先消化吸收，后优化创新韵一个理念。只有这样，才能开发出更具竞争力的产品。参数化设计也是设计重用的重要组成部分。目前主流的三维cAD软件基本上都采用了参数化设训的思想。模型的结构在各个尺寸和几何约束等参数的驱动下，可以产生无穷的设计变体。我们只需改变一些参数，便可以很轻松的建立一个系列产品，通常我们称之为产品族(F枷ily)，苹果公司的ipod系列MP3便是产品族的一个典型，如图1 1所示。由于参数化设计要求被驱动模型的拓扑结构近似，因此该技术广泛应用于机械产品的设计领域，尤其是在标准件库的构建上。胃图I1苹果公司IpoD系列产品家族此外，自由形状变形(F崩-fo皿dcf0瑚越ion，FFD)是设计重用中又一常用nts浙江入学博上学位论文 第l章绪论的技术。通过CADCAID软件提供的各种变形工具，设计师往往能够创作出比原型更加精彩的作品。该技术尤其适合外观比较复杂的产品，经过一定变形而得到更加丰富的产品系列。目前的产品设计流程日趋完善，但在设计重用领域还有很大的提升空间。本文在研究目前产品设计的主要设计流程的基础上，融合最近的一些科研成果，在设计方法上进行大胆创新和尝试，提出一个全新的设计方法逆向创新设计法。该方法首次将参数化设计技术、自由形状变形技术以及逆向工程技术三者结合在一起，丰富了产品设计重用的手段，拓展了行业应用领域，也推动了设计方法学的发展。本文的目标是让设计师今后在进行新产品设计时，能够更加有效的利用已有的设计资源，拥有更多的设计思路。12国内外研究现状本节首先归纳总结产品设计方法学及产品创新等相关内容，然后从设计重用的角度，介绍参数化设计、自由形状变形设计、逆向工程的发展现状。121设计方法学设计方法论亦称为“设计哲学、“设计科学、“设计工程或“设计方法学。是20世纪60年代以来兴起的一门学科，主要探讨工程设计、建筑设计和工业设计的一般规律和方法，它涉及到哲学、心理学、生理学、工程学、管理学、经济学、社会学、美学、思维科学等领域，是研究开发和设计的方法论的学科，它包含了方法论中的各种层次的问题。第二次世界大战后，由于信息工程、系统工程、人类工程、管理工程、创造工程、科学哲学、科学学等一系列新兴学科取得了迅速的发展，一批哲学家、科学家、工程师和设计师从一般方法论的角度研究设计中的方法论问题，使许多工程师和设计师认识到：传统的设计方法已经不适合于解决日益复杂的设计问题，因而必须代之以新的设计观、思想、原则和方法【171。常用的设计方法论主要有突变论、智能论、信息论、系统论、控制论、优化论、对应论、功能论、离散论、模糊论、艺术论共11种。现代设计方法学从传统设计方法中脱胎而出，具有以下特点【181：4nts浙江大学博士学位论文 第l章绪论1从战略高度，用大视角审视设计对象。2设计方法学是方法论，是应用科学，是新兴起来的交叉学科。设计方法学主要研究设计进程中各阶段、各步骤之间的联系规律、原则和原理，以求得合理的设计进程。因此，设计方法学是探讨设计进程最优化的方法论。3设计方法学具有鲜明的系统性。4设计方法学追求设计结果的整体最优化。5现代设计方法的种类主要包括创新设计、虚拟设计、机电产品造型设计、可靠性设计、优化设计、人机工程学设计、绿色设计、稳健设计、并行设计、模糊设计、智能设计和反求设计等等。设计方法学的进化主要靠创新，创新是一个生产企业的灵魂所在。无论何时，一个企业所拥有的产品优势都只是暂时的、相对的。如20世纪的海鸥牌手表，飞鸽、永久、凤凰三大品牌的自行车，北京牌彩电等等这些国产名牌产品如今已经失去了昔日的辉煌。SONY风靡一时的随身听市场，也被更高科技含量的苹果IPOD所取代。创新的提出始于20世纪初，它的概念是由著名的美国经济学家熊彼特在出版经济发展理论【19l一书中提出“创新是生产要素的重新组合。它包含以下五方面：1)引入新的产品；2)引入新的经验、知识和操作技巧；3)掌握住原材料新的来源途径；4)开辟新市场；5)实现工业的重新组合。那么产品创新又是什么呢?我们把产品创新概要地定义为：新产品在经济领域中的成功运用。包括对现有生产要素进行重新组合而形成新的产品的活动。全面地讲，产品创新是一个全过程的概念，既包括新产品的研究开发过程，也包括新产品的商业化扩展过程。正因为有了产品创新，所以企业才能保持产品的竞争优势，提高企业形象，为经济发展提供持续的动力【20】。经过数十年的发展，在掌握已有创新技法的基础上，结合认知科学、人工智能、设计方法学、科学技术哲学等前沿学科，创新设计方法已经成为一门独立而且有待开发的新的设计和方法。随着计算机技术的发展，创新方法的研究也出现新的趋势，在现阶段，各种成熟的创新方法开始集成化研究与应用，并与计算机(包括网络)技术相结合，形成计算机辅助创新(CAI：nts浙江大学博上学位论文 第l章绪论Computer Aided IIlIlovation)技术，如：QFD、可靠性设计、网络协同创新设计、有限元分析等各种成熟的技术和方法开始融入到创新设计过程中【2l】。企业产品创新一般有两种方式，一种是首创式(也称之为原始性创新)，一种是模仿式(也称之为积累性创新)。首创式创新在首创研究、试验与市场开发的投入大、时间长、风险大，但在市场占有、商誉和知识资产方面得到的回报高，通常需要从原理上进行改变，是从无到有的创新。而模仿创新则可相对减少这些首创投入与风险，利用首创的基本概念或原型技术，利用首创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。这类创新通常是在第一类的基础上进行改进，这类改进更符合使用者的行为习惯和个性需求，创新性的设计属于其中，创新后的产品也就是个性化的产品。统计资料表明，8590的产品创新属模仿创新【221。在创新点的寻求方面，多依赖于设计师的创造性思维。创造性思维具有两种形式：直觉思维与逻辑思维。直觉思维是一种在下意识状态下，对事物内在复杂关系突发式的领悟过程，具有创造灵感忽然降临的色彩。逻辑推理型创造思维方式是人们根据所提出的创造目标，进行逻辑推理式的思维，把目标展开、分解和综合，寻求各层分目标的解，然后找出最终整体解，用主动的可按部就班的工作方式向目标逼近。实际上，大量的创造过程是这两种思维方式交叉和综合的结果。当要设计一件复杂的产品时，设计师往往需要借助多领域的知识，协同设计显得尤其重要。122参数化设计参数化设计是通过改动图形的某一部分或某几部分的尺寸，或修改已定义好的零件参数，自动完成对图形中相关部分的改动，从而实现对图形的驱动。参数化设计广泛应用于机械产品的建模中，即建立图形约束和几何关系与尺寸关系的对应关系，由尺寸参数值的变化直接控制实体模型的变化。参数化设计极大地改善了图形的修改手段，提高了设计的柔性，在概念设计、动态设计、实体造型、装配、公差分析与综合、机构仿真、优化设计等领域发挥着越来越大的作用，体6nts浙江大学博上学位论文 第1章绪论现出很高的应用价值f23l。参数化研究工作最早可追溯到60年代早期，Sutherland在他开发的Sketchpad系统中，首次将几何约束表示为非线性方程来确定二维几何形体的位置。后续的研究工作大多是在Sutherland等的基础上开展的【24】。而在三维CAD产业引起轰动的事件则是PTC公司ProEngineer(以下简称为ProE)软件的问世。ProE的成功主要源于Samuel Geisberg的贡献。设计初期，ProE发展了三维线框设计的思想，首先建立基准面，在基准面上勾画二维草图，用扫描方法将二维轮廓引申成三维形体。依次更换作图平面，尽量用显式操作生成形体，避免面面搜索求交、裁减和集合运算。Pr0E的总体目标是使曲面、实体、参数化特征设计融为一体，可以任意构造复杂零件和装配体，而且修改设计方便。它的发展过程并非一帆风顺，最大难点在于集合运算中曲面求交、裁减运算和参数化草图设计中的几何约束求解不能迅速达到可靠、高效，这需要非常高的数学功底。S锄uel Geisberg正是发挥了他的数学专长，紧密结合CAD工程应用实践和软件开发技术，排除各种非议，使ProE得到了普遍接受，为CAD技术发展树立了一个崭新的里程碑【251。近年来开发的CAD系统都是基于特征和基于历史的三维参数化设计系统【261，它们一般都是采用基于组件的实现技术。目前使用的组件主要包含用户界面组件、几何引擎组件、约束求解器组件、真实感图像显示组件【27l。传统意义上的参数化设计大多集中在几何元素的处理上，包括二维草图绘制和三维实体造型两部分。其中二维草图绘制的设计对象是一般的点、线段和圆等一般的几何元素，并添加平行、垂直、同心、共点、尺寸等几何约束，然后在参数化草图的基础上，通过特征造型(拉伸、扫描、旋转等)以及加、减等布尔运算来生成零件的三维模型，在装配模块中通过添加诸如同轴、共面等装配约束来形成。该过程相对来说是一个狭义的参数化过程，并不能完全满足产品设计的需求。因此，也有学者提出广义参数化设计的概念【2引。产品广义参数化设计是为了支持产品的设计周期，其参数化对象不仅仅是二维或三维的几何零件实体，而是针对整个产品以及产品设计知识、设计约束的一种广泛程度上的设计集成。产品广义参数化设计概念的提出，拓展了传统一般意义上的仅限于几何尺寸参数化设7nts浙江大学博J：学位论文 第l章绪论计的范围，使得系统参数的定义不仅仅是几何尺寸的参数化而是包括产品的性能等非几何参数信息。产品广义参数化设计可以很好的支持产品从概念设计、结构设计到详细设计整个产品设计周期，使得产品设计人员从产品设计初期就能在设计要求的指导下进行产品设计，从一定意义上支持了产品并行设计和设计集成【2卅O不同CAD平台之间的模型数据主要依靠IGES或STEP这些中性格式进行传递的。IGES格式出现较早且有较多缺陷，而STEP格式是ISO(国际标准化组织)在1988年公布的产品模型数据交换标准。然而目前的这些中性格式并不能保留CAD模型的诸多参数信息，这使得设计重用大打折扣。Pralt【30】提出了扩展的STEP格式，力图弥补现有STEP格式信息量的不足，并研究论证了STEP格式带有参数信息的可行性。图12所示的内容基本表达了目前中性格式的数据在整个设计流程中的位置。茵冈嚣 可矽图12数据流向图另一股研究力量则是从特征识别这方面达到提取中性格式模型参数的目的【3l321，也就是说，由其它平台导入的IGES或STEP格式的文件，经过特征识别的操作后，一些常规的建模特征(如拉伸、旋转、圆角、倒角、切除、钻孔等)会被正确识别出来，并能够重新对识别的特征进行参数驱动。目前CAT认、SolidW酬ks、Inventor等三维CAD软件都包含了特征识别的模块。前面提到的部分逆向工程软件也集成了特征识别的模块，能够快速将点云或网格中的二次曲面特征识别出来，在一定程度上加快了逆向建模的速度。8nts浙江大学博上位论女 第】章绪论很多软件供应商开发了针对各个三维cAD软件的标准件库，便很好的利用了参数化设计的思想，由一个设计母体衍生出大量同类型派生体。随着互联网的飞速发展，这些三维资源也开始移植到各类网站中。国外有些成熟的网站p3】已经开始将厂商的产品阻三维模型的方式陈列给用户，并可以让用户自定义参数来配置所需的型号，从而获得比阅读产品手册更加直观的采购体验。在国内也开始出现类似的网站，例如新迪数字公司开发的三维资源在线网站l，里面就包含了大量国标常用件，用户不但可以自定义型号，还能进行缩放、平移、旋转等操作，虽后还可以保存为指定的cAD格式，以帮助工程师完成繁琐的标准件设计工作。图l 3显示了三维资源在线网站的部分界面，用户可以在此简洁的界面中完成自定义规格、指定3D下载格式及版本等操作。图1 3六角螺母可视化配置界面参数化设计广泛应用于现有的三维cAD造型软件中。纵观三维cAD的发展历史，其造型技术主要归为以下四类：曲面造型技术、实体造型技术、参数化造型技术、变量化造型技术。而进入二十世纪九十年代，后两种技术获得了长足的发展和普遍的认可。参数化设计在正向工程中得到了广泛的应用，目前几乎所有的三维cAD软件都支持参数化设计作为主要的产品设计方式。图1 4给出了一般产品设计正向工程的流程图。图中可以看到，cAD建模阶段是参数化设计屉常用的环节。设计师可以通过工程检测等反馈，通过参数编辑或修改等方式，快速实现模型的重新设计。一。蒹一nts浙江大学博士学位论文 第l章绪论图14产品设计正向工程流程图CAD系统的重要性主要体现在以下几个方面：1与下游CAE软件连接紧密，分析得到的结果可以有效反馈到CAD软件中，进行优化设计。2和C。气M软件无缝集成，使具有复杂外形的CAD模型的几何特征可以很好地进行数控加工。3易于采用PDM软件进行文件管理，可以将产品设计各个不同时期的版本有效的管理起来。4方便生成可用于加工的工程图纸。目前主流三维CAD软件都具有从CAD模型直接生成二维工程图的功能。可以毫不夸张的说，现在的制造型企业，几乎都采用了至少一款CAD软件进行产品设计。三维CAD软件中，国外的高端系列有Dassault公司的CATIA及UGS公司的UGNX，中端产品主要有DaSsaultSolidWbrl(s、UGSSolidEdge、Autodesl【，Inventor，而PTC公司的旗舰产品ProEngincer则可以定位于中高端产品。国内由于三维CAD研发起步较晚，产品的性能与国外的中端产品相比都还有一定的差距，市场化较好的也只有CAXA实体设计这一款软件。123自由形状变形FFD在三维建模软件中是一个非常重要的功能，最近数十年也涌现出了很多关于FFD算法的研究。Sede舭唱【35】提出的方法适用面广，可以说是物体变形中最实用的方法之。FFD方法不对物体直接进行变形，而是对物体所嵌入的空间进行变形。FFD方法中的lanicc块的形状为平行六面体，这在一定程度上限制了它的应用。Coquillan【36】提出的拓广的FFD方法(简称EFFD)消除了对非平行六lOnts浙江大学博士学位论文 第l章绪论面体lattice的限制，使得初始的l砒ice允许棱柱和圆柱这种形状，因而增加了FFD的适用范围。L锄ousin【37】提出了基于NURBS的FFD方法NFFD，NFFD提供了更有效的控制。保体积的自由变形和约束变形也已有一些工作。目前的许多商用动画软件如So衔mage、3DMAX、Maya等都有类似于FFD的功能。Ruprecht【38】提出了一种通过散乱数据插值的空间变形方法。当物体的变形可通过移动lattice的控制顶点来实现时，上述各模型提供了强有力的变形工具。但是lattice变形和物体变形之间的对应关系并非很直观时，基于FFD的变形方法就难以奏效。Hsu【39l等于1992年提出了一种通过变形后物体上点的偏移来反求lattice顶点，从而达到直接操纵物体变形的方法。Borrel和Bechm锄【40】提出了空间变形的简单约束变形(Scodef)法。国内也有针对这些FFD算法的改进【4l42】，并取得了不错的应用。自由形状变形在计算机动画领域具有非常广泛的应用。设计师只需要对某几个关键点进行局部的变形操作，便能得到另外一个模型实体。如人脸的面部表情非常丰富，但设计师无需对每个面部表情都重新建模。我们只需要先建立一个人脸原型，之后在此基础上通过局部变形操作，得到带有丰富面部表情的系列人脸模型库。如今的计算机动画向着更加智能化的方向发展，自由形状变形也更多的借助于计算机参数的控制。设计师只需在事先统计好的参数范围中输入一些数值，便能表现喜怒哀乐等面部表情。然而在使用FFD时，一般有以下几种问题。首先，栅格(1a钍iCe)与目标模型之间的关系不明确，因此在编辑栅格的控制顶点时，很难直观地获取想要得到的变形结果。因此，如何恰当的选取并拖放栅格上的控制点以达到准确变形的目标是相当困难的。再次，模型在变形后仍然保持几何形状不受破坏也是不太容易的，很容易引起变形后模型扭曲的问题。最后，当需要保证尺寸精度时，FFD也无法对变形结果提供精度保障。在研究生物体的自由形状变形时，模拟生物体的各个关节的运动轨迹及规律，也是另一个研究热点。设计师往往只需要建立一个生物体原型，通过改变关节位置来获得各种运动造型。这个工作先采用提取网格模型特征骨架的方式获取生物体的骨架模型，之后设计师便可以通过控制它，得到关节的设置，进而确定nts浙江大学博士学位论文 第l章绪论模型各个部位的运动方式。可见，骨架在计算机动画中起着举足轻重的作用。此外，骨架还可以用于形状分析、表面重建、动作规划等其他方面，类似于三维搜索的作用，为模型提供局部的低维特征。网格模型的特征骨架提取算法很多，例如冯晋涛【43】发展了基于H0ppe提出的渐进网格基础上进行骨架抽取的方法，该方法不涉及复杂的数据结构，计算速度也比较快。郁佳荣f删提出了一种骨架驱动的人体动画模型，他将模型的结构分为线骨骼、三维中间层和控制网格体这三个层次，并通过三者之间的驱动关系，达到实时进行人体动画模拟的要求。lo【45】贝0发展了基于手绘的网格变形方式，该方法交互简单自由，对网格模型的局部骨架进行变形非常有效。steveml贝U研究了交互式骨架驱动的动态变形，他将网格模型划分为多个层次，并提出基于约束的快速求解变形结果的方法。图15表达了SteVe的研究思想，其中(a)图的左上图显示了从网格模型提取出的骨架及特征点的局部坐标系，右上图显示了半个模型的控制网格，左下图给出了控制网格与骨架之间的对应关系，右下图则显示了整个模型的控制网格，以及分割出来的局部网格区域，每个区域都对应着左上图的一个局部坐标系，其中混合颜色表示相邻网格区域的过渡区。(b)图则给出了采用该方法进行网格变形的实例，通过改变袋鼠模型背部一个特征点的位置，则可以驱动临近网格的顶点重新定位，而完成局部区域的变形。段德全【47l在研究了已有三维网格的骨架生成及其优化方法的基础上，提出了一种基于骨架的局部网格编辑算法。先由用户确定编辑区域，绘出与变形后的骨架相对应的编辑曲线，再根据网格顶点与骨架曲线及编辑曲线之间的对应关系，实现网格结点的平移和旋转等编辑操作。特征骨架除了可以从网格模型提取之外，也可以直接从扫描得到的点云模型上获取。其中线骨架提取f48】算法是最为常用的方法，线骨架提取大致分为四大类：细化过程方法、距离场方法、计算几何和图论的方法以及广义场方法。邹万红【49】在其博士论文中发展了点云骨架提取算法，该算法根据Morse理论确定模型特征点，用测地线连接中心点与各特征点可获得模型的初步骨架；然后采用可见反力可将初始骨架内推到模型内部可见反力局部极小值处，根据角度聚类光顺后得到12nts*汀大学博i学位*女 *I章绪论模型的最终骨架。蠕书海漆?萄 缚：(a)喁：强。爹?蓼：辫 ：戳。(b)嘲l 5基于骨架驱动的动态变形近些年柬，cADCAID软件也越来越多的引入了FFD模块，例如，cATIA含有Bump和sh8peMorphig的特征；uGNx提供了x-Fo衄和Def0咖功能；Pro，E则具有Tw础功能：s01idworks也有Flex、wrap及Defon等相关特征。这使得设计师在创作复杂外观的产品时，省去了很多不必要的步骤。由于cAD软件与cAE及cAM结合紧密，也使得FFD技术更好地服务于工业产品设计中。nts浙江大学博上学位论文 第1章绪论124逆向工程1241研究热点从逆向建模流程看，首先是对采集到的点云进行处理，得到符合建模要求的干净点云。在此基础上，我们可以直接在点云上提取特征线、截面线等建模要素，以作为曲面建模的素材。当然，除了基于点云的建模方式外，还有一个重要分支是采用基于三角网格的逆向建模方式。基于网格的建模仍然需要借助点云这个原始数据，但在可视化及精度方面具有更大的优势。我们姑且可以把点云和网格数据称之为参照体，而在二者基础之上生成的特征曲线则称之为模型的线架，而最终生成的曲面则是我们需要得到的结果。当然，生成曲面的质量主要靠光顺度和精度两个指标来衡量。图16给出了逆向建模的一个常规流程。图16常规逆向建模流程逆向工程的每一个步骤都涉及到大量数学理论及算法，因此在每个方面都是研究的对象【501。主要包括点云数据的拼接和定位技术、保体积的网格光顺技术、网格分区技术、特征线提取技术、解析曲面提取技术、基于点云或网格数据的NUImS曲目拟合技术、曲面精度评价技术等。对产品的逆向建模而言，曲面重构则是我们关注的重点。对于散乱数据的曲面重构，一直是逆向工程中的研究热点问题之一。三维散乱数据的曲面拟合主要分为两个阶段：基于三角域的三角化表示和基于四边域参数曲面的表示。三角模型是一种常用的数学模型，特别是在计算机图形学和动画领域尤为重要，受到人们的普遍重视，并且取得了长足的发展。这种模型是用一系列三角形彼此相连将整个区域封闭起来。三角化过程实质是用多面体模型来逼近和插值原14