毕业论文-玩具汽车的逆向造型研究

南昌航空大学科技学院学士学位论文玩具汽车的逆向造型研究学生姓名： 班级： 指导老师： 摘要：逆向工程技术是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。逆向工程是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，逐渐成为产品开发中不可或缺的一环。逆向工程能够提高设计精度，获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期，具有广阔的应用前景，因此受到各国工业界和学术界的高度重视。本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于玩具车覆盖件的模型重建。逆向工程的关键技术包括:数据获取、数据处理和模型重建。通过对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。根据根据玩具车覆盖件的特点，采用逆向工程方法完成模型重建工作。采用ATOS I光学扫描仪高效率、高精度地完成玩具车覆盖件的数据获取工作。应用CATIA软件完成玩具车覆盖件的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以CATA软件和Pro/E软件相结合的方法，充分利用软件的优势，完成玩具车模型的重构工作。研究表明，采用逆向工程的方法完成玩具车覆盖件的模型，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法，具有重要的实际意义和较高的应用价值。关键词: 逆向工程 CATIA Pro/E指导老师签名：于 斐南昌航空大学科技学院学士学位论文1Reverse Modeling of toy carsStudent name Class:Supervisor:Yu Abstract:Reverse engineering, as a relatively independent category in CAD,is an im- portant technique in the tendency of digital and rapid response manufacture. Being pioneering, integrated and comparatively practical, reverse engineering has become an indispensable technique in product exploitation. Reverse engineering can enhance the precision of design, produce high quality model and shorten the cycle of design and manufacture. As a result, it holds out broad prospects for application and is thought highly of in both industrial and academic circles in many countries. The key techniques of reverse engineering are researched and applied to shroud model reconst- ruction of toy car in this thesis.The key techniques of reverse engineering include: data acquisition，data processing and model reconstruction. By researching on the techniques of data processing, the general manipulation flow of data processing is explored. In light of the characteristics of shroud parts of motorcycles, the shroud model reconstruction of toy car is completed with reverse engineering. The data is collected with ATOS I optical scanner efficiently and accurately. The data processing of shroud parts of toy car is done with CATIA, which results in an integrated and accurate data convenient for model reconstruction. Taking advantage of the combination of Pro/E and CATIA, the shroud model reconstruction of toy car is conducted.The research indicates that the shroud model reconstruction of toy car, completed with reverse engineering, is an effective technique, which can bring about high quality model and efficiency and have great actual and practical value.Key words: Reverse Engineering; CATIA; Pro/E;Signature of Supervisor:Yu Fei南昌航空大学科技学院学士学位论文2毕业设计（论文）题目 玩具汽车的逆向造型研究专 业 名 称 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 南昌航空大学科技学院学士学位论文1目 录第一章 绪论1.1 逆向工程简介31.1.1 逆向工程的概念31.1.2 逆向工程的现状及应用41.1.3 逆向工程的一般步骤41.2 测量工具 ATOS介绍51.3 软件 Pro/E 介绍61.4CATIA 软件介绍71.5 本课题的意义和内容9第二章 逆向工程中的测量技术2.1 测量方式112.2 零件扫描过程122.3 本章小结15第三章 逆向工程的后处理及三维建模3.1 逆向工程的后处理153.1.1 逆向工程后处理的要求153.1.2 曲线与曲面的连续性153.1.3 曲线的拟合153.1.4 曲线的构建163.1.5 点数据处理173.1.6 曲线的构建和分析183.1.7 曲面构建与分析193.2 基于 CATIA 软件下逆向后处理213.2.1 CATIA 曲面重构工具介绍213.2.2 平面特征223.3 曲面重构具体过程456223.4 曲率分析303.5 本章小结32第四章 基于 Pro/E 的玩具汽车结构设计及虚拟装配4.1 各个零部件的设计32南昌航空大学科技学院学士学位论文24.1.1 规则实体重构方法324.1.2 零件设计的一般步骤334.2 虚拟装配384.3 本章小结41第五章 结论参考文献43致 谢44南昌航空大学科技学院学士学位论文3第一章 绪论1.1 逆向工程简介1.1.1 逆向工程的概念逆向工程(反求工程) 是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用 CAD/CAE/CAM 等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。逆向工程现己发展为 CAD/CAM 中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生 CAD 模型，可以使产品设计充分利用 CAD 技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为 CAD/CAM 系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM 系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。将逆向工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其 CAD 模型的过程。在这一意义下，逆向工程可以定义为:是将实物转变为 CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求，是广义上的反求。应该看到:逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，逆向工程作用十分巨大。现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出，反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究，则出现于 60 年代，逆向工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平，赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明 1。南昌航空大学科技学院学士学位论文41.1.2 逆向工程的现状及应用逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：（1）在产品仿制中的应用有时，拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或实物模型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以 1: 1 的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的 CAD 软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化逆向工程系统所取代。在这种情况下，在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或 CAD 模型，并以此为依据生成数控加工的 NC 代码，加工复制出一个相同的零件。（2）在新产品设计中的应用随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计，已不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用 CAD 技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。（3）在旧产品改进中的应用在对旧产品改进时，有时并没有零件的 CAD 模型，因此需要利用逆向工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的 CAD 软件对原设计进行改进。当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的南昌航空大学科技学院学士学位论文5自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。（4）在 RPM (Rapid Prototyping Manufacturing，快速原型制造) 中的应用快速原型制造(又称 RP 技术)是 80 年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术，被认为是近 20 年来制造领域的一次重大突破。RPM 综合了机械、CAD,数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以 RP 系统为基础的快速工装模具制造(Quick Tooling/Molding)和快速精铸技术(Quick Casting)等则可实现零件的快速制造(Quick Manufacturing)。为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管己经出现了许多成功的三维 CAD 软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。有时工程界提供的是实物，需要由实物制造模具或作设计上的改进，因此在 RPM 中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计.这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。因此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。1.1.3 逆向工程的一般步骤逆向工程一般可分为四个阶段:1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。2.从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。3.零件原形 CAD 模型的重建将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的 CAD 模型。 4.重建 CAD 模型的检验与修正采用根据获得的 CAD 模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的 CAD 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。1.2 测量工具 ATOS介绍德国 GOM 公司独家研制的 ATOS 流动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的南昌航空大学科技学院学士学位论文6非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率 CCD 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达 12m，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。ATOS 系统作为第三代逆向工程用数字化系统中最杰出的代表，他的工作原理在硬件结构及软件功能方面极具有领先性。ATOS 系统采用结构光测量的方式，利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面，利用左右两个高分辨率数码相机进行同步的测量，利用立体相机测量的原理，可以在极短的时间内获得物体表面大量的三维数据。 ATOS 每次所得到数据是一幅类似照片状的三维点云数据，对于扫描一个整体零件来讲，ATOS 系统利用首创的参考点技术将每幅点云拼接起来，以得到一个完整的点云数据模型。为防止利用参考点技术拼接点云数据造成累计误差，超出技术要求，故 GOM 公司最先发明了数码相机定位技术 ,即 TRITOP 系统，利用特有的数码点和参考点来构建一个完整的座标定位系统，而扫描头所扫描的数据则会自动根据参考点的位置而自动粘贴上去，利用这样的方法，从而使扫描大到 10 米的汽车及汽车内外饰件而成为可能，且精度也可以达到 0.1mm/m。ATOS 扫描仪的技术优势： （1）高质量的扫描点云 ATOS 采用高分辨率 CCD 数码相机采集数据，可在短时间内获得任何复杂表面的密集点云（点距 0.030.5mm） ，并可根据表面的曲率变化生成完美的网格面，便于后期的曲面重建和直接加工。可清晰获得细小特征，并可方便提取工件表面特征（圆孔、方孔、边界线、黑胶带线等） 。测量的综合精度0.1mm/m。 （2）结构简单，便于携带 整个测量系统由扫描头、三角架、控制器及电脑组成，可放置在两个手提箱内随处携带，设备安装、标定工作可在 10min 完成，无需预热即可扫描，可在任何环境下进行测量。 （3）测量效率高 单幅扫描时间只需 1 或 8 秒，6 小时即可完成 1:1 整车的外表面扫描。 （4）测量范围大 南昌航空大学科技学院学士学位论文7扫描头的单幅测量范围可以通过调整镜头, 实现多种测量范围，单幅测量范围从 5040mm 到 20002000 mm；扫描点云的密度为 0.03mm 1mm，适合测量不同尺寸零件：10mm 12m。 （5）具有自我监测功能 采用双 CCD 测量方式，可以实现系统的自我监测，实现系统测量精度的实时监测，同时可以监测扫描过程中由于振动和环境光线变化对测量精度的影响，保证扫描精度。 （6）方便使用、性能稳定 系统软件和硬件均采用模块化设计，性能稳定。设备操作简单，经过两天的培训即可熟练的操作，软件提供完善的在线帮助和批处理功能，可适用于生产线检测。（7）首创的参考点拼合技术 不同视角的测量数据依靠粘贴在工件表面公共的三个参考点，可自动拼合在统一坐标系内，从而获得完整的扫描数据。可根据工件尺寸选择不同直径的参考点（1mm8mm） ，对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空洞，软件可根据周围点云的曲率变化进行插补。 （8）先进的数码相机定位技术 对于复杂的大型工件，采用数码相机拍照和整和定位计算，可迅速测量出全部参考点的空间三坐标值，从而建立统一的参考点的坐标框架，再利用 ATOS 扫描头进行测量，获得完整的扫描点云。通过这种方式，消除了积累误差，提高大型工件的扫描精度。1.3 软件 Pro/E 介绍 Pro/ENGINEER 软件由美国参数技术公司开发而成，是机械 CAD/CAM 软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、饭金设计、加工和装配工艺过程。设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有 UN 工 X 平台 Windows，Windows/NT平台，使它成为快速成形技术行业中市场占有率最高的 CAD 软件的核心技术特点：1、基于特征 Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于南昌航空大学科技学院学士学位论文8使用，并以这些简单特征为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸，还包括非几何属性)，然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。2、全尺寸约束在 Pro/ENGINEER 的设计过程中，将零件的尺寸和形状结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。几何造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束)，不能漏标尺寸(欠约束) ，也不能多标尺寸(过约束) 。3、尺寸驱动设计修改Pro/ENGINEER 设计过程中是通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。Pro/ENGINEER 提供了独特的 Pro/GRAMME，让设计者可以通过简单的编程，来实现设计模型尺寸修改的程序化，从而实现程序化修改产品的几何形状，并可以利用此功能实现产品设计的系列化，建立产品的标准零件等。4、全数据相关为加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能，因而使之成为可能。Pro/ENGINEER 是建立在统一的数据库上的，不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个数据库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计开发全过程统一起来。这一优点，使得设计更优化，产品质量更高，产品能更好地推向市场。Pro/ENGINEER 的全相关性保证在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。5、装配管理Pro/ENGINEER 的基本结构能够使设计者使用一些直观的命令，例如“啮合” 、 “插入” 、 “对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。作为世界一流的三维 CAD/CAM 软件， Pro/ENGINEER 不仅提供了复杂的功能而且还为用户提南昌航空大学科技学院学士学位论文9供了开发接口，同时 Pro/ENGINEER 还自带一个 PROGRAM 模块。 6、制造加工 现今加工制造业所面临的加工目标要求多，如工件复杂性、精度要求及生产效率等的门槛越来越高，同行业的竞争也越来越激烈。在众多强劲对手中，需要更进一步提高加工技术的水平，才能在同行业竞争中脱颖而出。在 PRO/E 的 CAD/CAM系列模块中，除了提供用于建立计算机几何模型的辅助工具(CAD),还提供了在设计产品加工制造工艺时所需要的辅助工具(CAM)，使用户在产品的设计上更得心应手，加工制造技术更快速，生产程序更具有效率，上市时间更加领先，质量更加可靠。让用户的产品设计、制造、生产流程连贯化，因此更具有竞争力。在产品加工制造的环节上，PRO/E 在设计 NC 加工制造程序上提供了功能强大的辅助工具一 PRO/NC 加工制造模块。使用户可以利用 PRO/NC 将产品的计算机几何模型与计算机辅助制造进行整合，配合 NC 加工制造技术上所需要的各项加工参数：加工所需要的模型、加工坯料、夹具、加工刀具、加工机床及各种加工参数等等，来设计产品的各种加工工艺。PRO/NC 多样化的加工辅助制造程序设计工具，可以分别针对各类型加工机床(两轴半至五轴各型加工中心、两轴及四轴车床、两轴及四轴电火花线切割机等)及各种加工方式(铣、车、钻、电火花加工等等)，自动产生适用于加工机床及加工刀具与控制器所需要的加工控制数据。利用输出的加工控制数据可进行实际加工，制造出所设计的产品及零件模型。工程师利用 PRO/NC 设计好加工程序后，产生的加工刀具相对于加工坐标的路径数据称为 CL DATA (CUTTER LOCATION DATA)。所得到的 CL DATA 可以利用 PRO/NC-CHECK 在计算机中模拟所设计的加工程序切削材料时的状况，由此观察废料的产生及避免加工失败。还可以协助制造工程师达到制造流程最佳化的目的，并检验产品在进行切削时的状况。设计加工制造程序所产生的 CL DATA，可经由 PRO/NCPOST 进行数据的转换，得到适用于实际加工所需要的机械控制码(NCCODE)。所产生的 NC CODE配合适当的工具及加工机床，可以实际应用 PRO/NC 所设计的产品加工制造工艺。1.4 CATIA 软件介绍1、CATIA 简介CATIA 应该说是最高档的 CAD/CAM 软件，由法国 Dassault 公司开发，后Dassault 被美国的 IBM 公司收购。该软件原运行于 IBM 的工作站上，驱动系统为VM/CMS，现已成移植至个人 PC，这又使这一功能强大的软件的使用者更加广泛。与 UG、EUCLID 、PRO/E 等相比，该软件在曲面造型方面具有独特的优势，应该说南昌航空大学科技学院学士学位论文10是任何一个 CAD 三维软件所不能比的，因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业的复杂曲面造型设计中（据信现在国内几乎所有的飞机设计研究院所都用CATIA） 。CATIA 软件的曲面造型技术为这些行业的产品设计提供了先进、方便、快捷的手段，使设计更趋完美，周期越来越短，极大地提高了开发效率。通过其丰富的产品线提供一个集成的产品开发环境。为了保证其最大的灵活性，CATIA 在提供了面对复杂设计与仿真的 CATIA P2、P3 平台软件的同时，还配备了面对相对简单建模需求的 CATIA P1 平台 2 。CATIA 是 CAD/CAM 业界的领导者，其作为全球 CAD/CAM 市场的领袖，有20 年以上丰富的经验，拥有大大小小 9000 多家客户，IBM 的 CATIA 解决方案极大的提高了企业的竞争能力。从概念设计到最终的产品，CATIA 广泛的集成解决方案加快了产品开发的全过程。CATIA 涵盖的范围是一个跨行业的解决方案，包括汽车、航空航天、消费品、制造与装配、工厂设计、火车及重型机械等，比其它任何 CAD/CAM 的产品都广泛，它提供了一套全面的解决方案，可以建设一个完善而无缝的产品开发环境；（1）CATIA 的解决方案是一个可信赖的、经过实践检验的、先进的解决方案，具有象 IBM 等这样几十家工业巨头将 CATIA 作为核心设计和制造系统，更重要的是 CATIA 可以根据不同规模、不同应用的企业定制完全适合本企业的最佳解决方案；（2）CATIA 特有的并行工程能力，可使所有的设计者、制造厂及供应商等都能共享相同的数据库，大幅度降低生产改变时及修改零部件所需的费用。（3）CATIA 已成为世界工业的事实标准，主流软件。近年来，应用于 CATIA解决方案在商业应用方面硕果累累，丰富的应用软件支持整个产品周期，从构想、设计直到制造维护。并且 CATIA 已成为工业界的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖制造商所用的核心系统。（4）CATIA 在造型风格、设计等方面具有独特长处，为各种产品的设计和制造提供了端对端（end-to-end) 的解决方案。CATIA 涉及生产、加工和人员三个关键领域。（5）CATIA 的可伸缩性和并行工程的能力可显著缩短产品上市时间。CATIA软件已成为世界各地设计师和工程师的设计最佳工具。2、应用 CATIA 软件从事设计的技术人员前景：由于 CATIA 软件的强大功能，其已为越来越多的行业带来巨大利润，因此从事南昌航空大学科技学院学士学位论文11设计的人员薪水也极为可观（目前特别是外企或私企的汽车行业） ，对个人而言，其发展前景远远超过软件业（众所周知，除极少数人外，大多从事软件业者很难逃脱其年龄瓶颈） ，是绝对金领。这也是众多大专院校学生面对日益激烈的就业竞争，可以增强竞争实力，把握自己未来的发展的一个强大工具。1.5 本课题的意义和内容本文的选题背景是探讨利用逆向工程这一先进的制造技术手段来解决玩具汽车覆盖件成形技术中的一些难题，缩短覆盖件模具的制造周期，加速玩具汽车工业的发展。本课题的工作主要有五个部分：第一章介绍逆向工程的相关概念，及发展现状；第二章首先介绍逆向工程的测量技术，着重叙述三维激光扫描仪的测量原理；第三章主要论述了基于 CATIA 的后处理技术；第四章主要介绍了基于 Pro/E 的实设计及虚拟装配； 第五章是总结部分，对全文进行总的论述。第二章 逆向工程中的测量技术在产品开发中，以逆向方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性，这包括外观的造型以结构上的各种机构的位置。也就是说，该产品数据不是以直接的绘制的方式就可获得的。因此，逆向工程的第一任务就是如何获得工程技术人员所要的点数据，以用于后继的模型建构。2.1 测量方式逆向工程所需要的测量按其特性及应用，一般可分为两大类：接触式测量与非接触式测量，下表列出它们的技术特点。表 2-1 非接触式与接触式测量的比较表南昌航空大学科技学院学士学位论文12总上所述可知非接触式测量用于表面不规则的曲面测测量，而接触式用于规则的几何体的测量。由于本课题研究的是属于曲面形状零件的汽车覆盖件，经比较选用非接触式测量方式的激光测量。非接触式测量一般是基于三角法测量原理，可分为点接触式、线接触式、面接触式三种。非接触式探头一般用于不规则曲面的测量，因不规则曲面对于接触式探头的半径补偿相当不易，而且测量速度相当慢。2.2 零件扫描过程1、ATOS 扫描仪类型选用ATOS 扫描仪有 4 种型号：ATOS STD 型、 ATOS II 型、ATOS III 型、ATOS1 四种。图 2-1 ATOS 扫描仪类型图测量方式 非接触式 接触式 测量精度传感器测量速度前置作业工件材料测量死角误差10 - 100 P71光电接收器件1000-12000 点/秒需喷漆，无基准点无限定光学阴影处及光学焦距变化处随曲面变化大1 um 开关器件 人工控制 设定坐标系统，校正基准面 硬质材料 工件内部不易测量 部分失真 优势1.测量速度快，曲面获取容易；2.不必做探头半径补偿；3.可测量柔软、易碎、不可接触薄件、皮毛、变形细小等工作； 4.无接触力，不会伤害精密表面1.精度较高； 2.可直接测量工件的特定几何 缺点1.测量精度较差，无法判别特定的几何形状；2.陡峭面不易测量，激光无法照到的地方不易测量；3.工件表面与探头表面不是垂直，则测量的误差较大；4.工件表面的暗程度会影响到1.需逐点测量，速度慢；2.测量前要做半径补偿； 3.接触力大小会影响测量精度； 4.接触力会造成工件及探头表 面磨损，影响光滑度； 5.斜面测量时，不易补偿半径,精度难以保证；6.测量工件内部时，形状会影响测量值南昌航空大学科技学院学士学位论文13显然欲提高测量精度一定要减小仪器到被测物体之间的距离，但由于到仪器盲区的限制，不能无限缩小。这里选用 ATOS I。2、ATOS 扫描仪扫描仪使用特点该扫描仪体积小、重量轻尺寸：宽 245mm、长 250mm、高 80mm、重量为 2 公斤，可以架在摄影用的一般三脚架上工作。仪器接通电源后，通过一根 USB 电缆和计算机相连即可进行工作。由于测量时对工件以及仪器没有严格的定位要求，因此可以到达一些接触式三坐标测量仪难以到达的部位进行测量，例如装在汽车内部或飞机内部工作。由于是采用激光非接触测量，因此也可以对柔软物体表面进行测量，一些薄板覆盖件。 扫描范围不受限制，扫描速度快由于后续软件具有点云拼接功能，可以非常容易实现对物体的整体扫描。点云拼接功能使得我们可以通过旋转被测物体或移动仪器的位置来实现对工件的全面数据采集。故其测量范围不受限制从而实现对大型工件的扫描。图 2-2 ATOS I 扫描仪总装配图3、扫描定位由于扫描从一开始就没有定位某一个坐标原点和坐标方向，所以扫描的结果是以扫描仪中心为原点的空间自由坐标系，这时的任何一点的三坐标值都是相对的、南昌航空大学科技学院学士学位论文14过度的。因为使用者可以通过后续软件的强大功能将初始测得的空间自由坐标平移和旋转到自己要求的坐标位置上去。这个过程极其方便，这时，点云上任何一个点的三坐标尺寸都可变换成使用者所需的新坐标系。4、扫描仪对被扫物体表面的要求以及扫描角度的选取该扫描仪对于激光无法到达的表面，如扫描仪无法进入的深孔或内腔无法进行测量。因此该扫描仪不适合测量轴和孔的配合零件。被测物体的表面以白色亚光为最佳。对于透明体和反光很强的物体必须经过表面喷涂处理后，同样可以进行扫描。我们要求光束尽量与被测物体表面垂直，在士 30 度范围内都是允许的。当大于 30度后采集到的数据虽可在后续软件中得到适当裁减，但会影响扫描数据的精确程度。5、对控制扫描仪的计算机硬件配置要求CPU：PIV 以上，运算速度 2. 0 GHz显卡内存：64 MB内存：512MB 以上硬盘：40 GB 以上 操作系统：WINDOWS 98/2000/NT/XP2.3 本章小结通过本章的研究，逆向工程的扫描主要分为接触扫描和非接触扫描，由于所要扫描的零件是一个三维曲面零件，故采用了非接触的三维扫描仪进行扫描。首先论叙了扫描的步骤，然后在此基础上选用了 ATOS I 扫描仪扫描仪零件。第三章 逆向工程的后处理及三维建模3.1 逆向工程的后处理3.1.1 逆向工程后处理的要求在逆向工程中，曲面模型重建是最重要、最繁杂的一环，因为最后要完成模型的加工，需要的是平滑的曲面模型或是由良好的点群所产生的三角网格，所以点群数据的处理、曲面的构建方式及边修与分析功能的健全，是逆向工程曲面模型重建相当重要的一部分。在逆向工程计划的执行上，应该对所建模型有一个通盘的了解，主要涉及到以下内容：(1)后继承接的工作南昌航空大学科技学院学士学位论文15各种不同领域的应用，其模型建构在处理上也大不相同，即使是在同一工业用的产品随着产品种类的不同，对精度与曲面质量的要求也大不相同。所以在计划执行以前，应该对后继的要求有所了解。(2)必须要达到的精度要求及其可能性可能产生的误差包括测量时造成的误差和曲面建构时点数据与曲面间的误差。各种产品需要达到的精度标准各有不同，配合件的要求较高，非配合件的精度要求则较低，然而这些都必须在计划执行前做一个规划，以达到任务的完满完成。(3)必须要达到的曲面质量：平滑程度与连续性以已往的逆向工程的经验来讲，高精度和高质量的曲面一直是追求的两大目标，大多数情况下，两者是相互冲突的，如果要一个曲面与点数据完全吻合，那么该曲面必然有很多波动。必须再两者有所折中，在大部分的情况下，只要误差没有超过允许范围，则更加侧重要求高质量的曲面。3.1.2 曲线与曲面的连续性曲面的连续性大致可分为位置连续、切线连续和曲率连续。位置连续是表示曲面键或曲线间仅在边界上相接的关系，这种相接的关系有可能形成一个尖锐的边界。切线连续是表示曲面间或曲线间的连续处有相同的切线角度，切线连续可以符合大多数工业的要求。曲率连续是表示曲面间或曲线间的连续处有相同的曲率，曲率连续的曲面能满足特殊的要求。随着 CAD/CAM 技术发展，各种自由曲面和曲线的理论应运而生，如 Bezier，B-Spline，NURBS 等。3.1.3 曲线的拟合曲线的拟合原理用测量仪所得到的点数据来简历曲线的方式一般有两种：近似的方式和插值的方式。近似的方式采用近似的方式来拟合曲线，首先必须指定一个允许误差值，并设定控制点求出一个曲线后，将测量点投影到这个曲线来，求出点到曲线的误差量，若作大的误差量大于允许误差，则要增加控制点的数目，再重新一最小二乘法来求出曲线，直至测量的点投影到曲线后的所有误差值小于允许值。再近似法的流程中必须一直增加控制点的数目，以求得与测量点更为接近的曲线，直至误差小于允许值，因此系统进行计算所需要得时间会与测量得到的点数据和指定的允许误差值有关，如果测量的数据很密或是指定的允许误差很小，则运算的时间相当的长。插值法插值法是在两个相邻测量点数据中插值，得到通过这些点的曲线。以插值方式建立近似的曲线，其优点是所得到的曲线必会通过所有测量的点数据，因此曲线与点南昌航空大学科技学院学士学位论文16数据的误差为零。其缺点是当数据量大时，则曲线控制地点也相当地增加。同时若点数据有噪声存在，则所简历地曲线将不平滑。因此，使用插值法最好先将数据平滑化以除去噪声。3.1.4 曲线的构建当完成模型的扫描测量之后，可利用曲线，曲面重建来完成整体模型的构建。而构建良好的整体模型取决于曲线，曲面整合发展环境的优劣。因此在构建的过程中，无论是曲面上的曲线，或是由原始点数据所拟合出的曲线，均可成为构建曲面的有效工具，所以，对于曲线的建立与修编，使其能与曲面构建功能相整合，是重建原始模型的关键之一。另一方面，在曲面模型构建的过程中，其相关的构建方式与修编功能，也是建立良好模型的基础。因此在测量的过程中，噪声是影响测量结果的主要因素，若能将噪声的影响降至最低，则能构建出较好的的曲面。然而在测量方法上的改进是有限的。所以在曲线架构方面也需要更佳的技术，方能弥补测量上的限制。为了得到最好的曲面模型，必须结合曲面修编功能，才能改善逆向工程模型重建的质量。 从逆向工程的决度上来看，曲线的构建是非常的重要的。因此为曲线外形构建的好坏，会影响后继曲面模型的重构。所以，曲线的拟合在曲面重建过程中起着重要的作用。曲线构建的方式有很多种，下面介绍切割曲线和边界曲线的基本原理。所谓切割曲线，即利用平面切割点数据或用鼠标在屏幕上移动所产生的轨迹，与原始点数据做交集，再将交集后得到的点数据，经排序后利用曲线拟合的算法拟合出曲线。与点数据交集的过程中，必须利用到坐标转换的观念。就是将点数据在三维空间的坐标转还成在屏幕平面上所视的坐标。再把鼠标的坐标与点数据在平面上的坐标两者所产生的直线方程相比较，看彼此是否有相交。若两者之间有相交，则在此点数据区间内必有解，再利用得到的解，经由线性内插的公式而得到相应的 3D点坐标。最后再将这些点数据，用曲线拟合出方程式，进而求得相应的参数曲线。所谓边界曲线，是点数据前处理中判断边界的方法，而在边界判别之后，选取所判定的边界点，并利用这些边界点来重新拟合出曲线。一般而言，曲面与曲面之间的边界，即是斜率不连续之处。在扫描数据中，若有斜率与曲率不连续的边界点，通常称之为特征点 3。3.1.5 点数据处理点数据处理大致可分为：点数据的坐标定位，数据杂点的删除，数据的噪声滤除、排序、平滑化及筛减，利用特征搜寻功能找出曲面的趋势或特征，切割除需要南昌航空大学科技学院学士学位论文17的点或剖切点数据。1、点数据的坐标定位无论使用的是何种设备，在扫描过程中不免需要将待测物体作移动，以实现完整点数据的获取，这将会造成输入软件中数据的点数据产生坐标不统一的现象，目前部分扫描设备具备自动将不同角度的扫描点数据作定位的功能，但是毕竟还是有部分的点数据必须通过人工或后处理软件达到点数据的定位。2、杂点数据的删除事实上，无论是以接触式或非接触式所获取的点数据都会有不需要的点数据存在，这时可将不需要的点用圈选工具将不要的点数据圈起来并删除。3、数据的噪声滤除、排序、平滑化及筛减当工程师得到点数据后，必须检查点群，删除不需要的杂点。利用软件的排序功能，将要用来建构曲线和曲面的点数据作排序并使其平滑化；如果点数据太多，也可利用删减工具，将点数减少；通常特征变化较大的地方需要较多的点数据来描述，而较平滑的地方则以较少的点数据来表达；使用分析工具了解自己做了某些工作后，可能产生的误差有多少。4、利用特征搜寻功能找出曲面建构的概况或特征在建构一个模型之前，应先考虑整个模型的建构概况，再下手去编辑曲面。通常模型的建构式由平滑曲面与平滑曲面相交，经过延伸与修剪等编辑后，再与交接处导圆角或制作其他曲面，这样的方式得到的曲面比较能达到加工要求。所以再见构一个模型的曲面之前，应考率这个模型的建构方式，甚至可以用铅笔在模型上作大致的规划。而点群数据与后处理软件能帮助找到模型的特征，以便做出精确的曲面分隔处。(1)利用决度变化的搜寻方式设定一角度变化的最大和最小值范围，找出数据变化量。(2)利用光反射原理找出特征用打光的方式再不同角度，不同的距离打光，依照光打在模型上的颜色区分曲面区域。(3)利用已有的圆角面找出原来的曲面交线利用后处理软件的功能找出圆角面之前的特征曲线。5、点群或剖面点数据的切割在了解了特征分隔之后，接下来的工作是利用点群找出曲线建构需要的点数据，模型的边界可以用部分特征搜寻的结果，所要建构曲面的 U, V 曲面可以用剖面的方南昌航空大学科技学院学士学位论文18式指定平面法向量与间隔，将所要的剖面点数据提取出来。提取出来少量点的数据后，可以发现，如果用所有的点数据去绘制曲线，曲线仍然回有波动的情况，这是因为点数据太多所致，这时可采用平滑化功能，将这些少量点群作平滑化处理，并斟酌删减数据，以备后续曲线构建所用。3.1.6 曲线的构建和分析经过处理过的点数据可以建立精确且平滑的曲线，曲线的构建与分析对后续曲面的构建是很重要的。在经过了平滑化与点数据筛减后，通常可以看到，自动贴合的自由曲线会有抖动的现象。这是由于曲线的控制点过多造成的，根据点数据构建的特性，精度与平滑化是必须关注的地方。通常在建构自由曲线之前，根据提供的参数进行调整，如公差，曲线阶数，控制点数以及曲线的