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松下手机的逆向造型研究 摘 要： 随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在工业上已经得到了广泛的应用。为了解决手机外形设计周期长的困难，本文研究了手机外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程概念、方法进行系统的阐述，同时又以松下 机为例详细介绍了对手机外形进行逆向工程的步骤。 关键词： 逆向工程，点云，快速制造， of D in In to of on s a on is in of is of of s is in 60. 毕业设计（论文）任务书 I、毕业设计 (论文 )题目： 松下手机的逆向造型研究 业设计 (论文 )使用的原始资料 (数据 )及设计技术要求： 原始资料： 松下手机的点云模型 设计技术要求： 业设计 (论文 )工作内容及完成时间： 1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（ 6000 字符 ) 第 1 周第 3 周 2. 研究反求造型的基本方法 第 4 周第 6 周 3. 完成松下手机的曲面造型 第 7 周第 10 周 4. 创建松下手机的实体 第 11 周 第 13 5. 撰写毕业论文 第 14 周第 16 周 6. 答辩准备及毕业答辩 第 17 周 、主 要参考资料： 1 王霄 . 逆向工程技术及其应用 M北京化 学工业出版社 ， 2 董伟 ， 夏德伟 ， 李瑞 . 业造型设计典型实例教程 M电子工业出版社 ，3孙慧平 ， 张建荣 ， 张建军 . X 基础教程 M北京人民邮电出版社 ， 4 姜元庆，刘佩军 . 向工程培训教程 . 清华大学出版社 5 J H C S of a by a 2001， 17 (9)： 639 643 6 ， W A 1998， 10 (4)：226 293 7 马丽霞 ， 李建 ，等 . 模具 求造型中的应用研究 J. 中国机械工程 ， 2005， 34(5)： 24航空与机械工程 学院 机械设计制造及其自动化 专业类 0781053 班 学生（签名）： 陈述 填写日期： 2011 年 01 月 03 日 指导教师（签名）： 助理指导教师 (并指出所负责的部分 )： 机械制造工程 系（室）主任（签名）：姚坤弟 附注 :任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。 毕业设计（论文） 外文文献翻译 题目 玩具汽车的逆向造型研究 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105303 学 生 姓 名 陈江波 指 导 教 师 于 婓 填 表 日 期 2010 年 04 月 08 日 学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期： 毕业设计（论文）开题报告 题目 松下手机 的 逆向造型研究 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105306 学 生 姓 名 陈 述 指 导 教 师 于 斐 填 表 日 期 2011 年 4 月 9 日 说 明 开题报告应结合自己课题而作，一般包括：课题依据及课题的意义、国内外研究概 况及发展趋势（含文献综述）、研究内容及实验方案、目标、主要特色及工作进度、参考文献等内容。 以下填写内容 各专业 可根据具体情况适当 修改 。 但每个专业填写内容应保持一致。 一、 课题的意义 产品数字开发技术是现代化产品开发技术中的核心技术之一。逆向工程是实现产品数字开发的重要方法，成为当今研究的一个热点方向，它被广泛用于翻模、复制零件、快速原型制造等方面。 逆向工程是近年来发展起来的一种产品数字开发方法， 是现在研究的一个热点方向。它的出现，极大的缩短了产品的开发周期，提 高了产品精度。对于改善产品开发的技术水平、提高生产力、增强经济竞争力有重要作用。据统计，各国百分之七十以上的技术来源与国外先进技术，同时，逆向工程作为一种快速掌握技术的手段，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是快速消化、 吸收先进技术进而创新和开发各种新产品的重要手段， 是制造业面向 21 世纪全球市场经济激烈竞争的形势下， 缩短产品开发周期，降低成本，提高竞争能力的必由之路，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重要作用。 二 、 国内外研究概况及发展趋势（含文献 综述）： 根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的二次设计。 从广义讲，逆向工程可分以下三类： (1)实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件或组件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件 。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。 目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的为 “ 实物逆向工程 ” 。逆向工程示意图如下： 逆向工程示意图 数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、 位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。 现有的数据采集方法主要分为两大类： (1)接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针 受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能测量到被测零件的一些细节之处，不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接 触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。 (2)非接触式数据采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。 非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表 面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在 50 次 /秒到 23000 次 /秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响 (颜色、光度、粗糙度、形状等 )的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在 10 微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。 总之， 在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离散点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。 数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续 型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点 和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行 建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。 每个 统都有自己的数据格式，目前流行的 件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了 统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准( )来实现数据通讯。 在逆向工程实际的过程中，由于坐标测量都有自己的测量范围，因此无论采用什么测量方法，都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次性完全测出。产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数 据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对齐 (多视点云的拼合 )。多视数据的对齐主要可以分为两种：通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐；事后数据处理对齐。采用事后数据处理对齐又可以分为：对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐研究研究中，出现了多种算法，如 法；四元数法； ；基于三个基准点的对齐方法等。 数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤 波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。 运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因 此，可以在保证一定的精度的前提下缩减数据量，对点云数据进行精简。目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数 据域，为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。目前的分割方法有：基于参数二次曲面逼近的数据分割方法；散乱数据点的自动分割方法；基于 术的数据分割方法。 在整个逆向工程中，产品的三位几何模型 建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的 型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析 、加工制作模具、快速成型等后续应用问题。 目前使用的造型方法主要有： (1)曲线拟合造型：用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。曲线是构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。优点是原理比较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合比较简单的曲面。 (2)曲面片直接拟合造型：该方法直接对测量数据点进行曲面片 拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。算法有：基于有序点的 B 样条曲面插值； B 样条曲面插值；对任意测量点的 B 样条曲面逼近。 (3)点数据网格化：网络化实体模型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。 逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处 理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面： (1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径； (2)数据 的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处 件，完善改进目前的数据处理算法； (3)曲面拟合： 能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接； (4)集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。 三 、 研究内容 覆盖件。 机构设计及虚拟装配。 四 、 目标、主要特色及工作进度 目标 覆盖件。 下手机 的结构设计及虚拟装配。 毕业设计（论文）的工作进度 阅相关文献资料，外文翻译（ 6000 实词以上），撰写开题报 告： （ 3 周） （ 3 周） 覆盖件 ： （ 4 周） 4 松下手机的结构设计 ： （ 4 周） （ 3 周） 五 、 参考文献 1 金涛 ,童水光 北京 :机械工业出版社 ,2003 2 柯映林等 模理论、方法和系统 机械工业出版社 ,2005 3 谢金 ,王文 ,等 组合机床及自动化加工技术 ,2002(1) 4许智钦，孙长库 向工程技术 M中国计量出版社 ， 2002 5 of 79 , , 808 - 1814, 2005 6 , 662 - 671 (2006) 1 目 录 1概 述 . 1 1 1 逆向工程原理 . 1 1 2 逆向工程特点 . 1 1 3 逆向建模的一般流程图 . 2 1 4 逆向工程的应用领域 . 3 2逆向工程一般步骤 . 3 2 1 实 体三维数据的获得 扫描 . 3 2 2 点云处理 . 4 2 3 曲面重构 . 5 2 4 实体建模 . 8 2 5 快速制造 . 8 3逆向工程软硬件设备 . 10 3 1 扫描设备 . 10 3 2 点云曲面处理软件 . 3 实体建模软件 . 12 3 4 快速成型设备 . 13 4建立手机外形具体步骤 . 14 4 1 松下 机外形逆向开发的流程 . 14 4 2 模型分析 . 15 4 3 扫描 . 15 4 4 点云数据清理 . 15 4 5 曲面造型 . 18 1建立对称平面 . 18 2建立上表面 . 19 3建立下表面 . 20 4建立侧面 . 21 5曲面初次裁剪 . 22 6建立倒角面 . 23 7建立棱角曲面 . 24 8曲面再次裁减 . 24 9建立按键曲线 . 25 10整体镜像操作 . 25 11曲面连续性处理 . 26 12误差分析 . 27 13数据精简 . 28 2 14数据转化导出通用格式 . 28 4 6 实体造型 . 28 1数据导入 . 28 2曲面缝合及模型实体化 . 29 3建立手机按键 . 30 5结 论 . 33 6谢 辞 . 34 1 松下手机的逆向造型研究 摘 要： 随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在工业上已经得到了广泛的应用。为了解决手机外形设计周期长的困难，本文研究了手机外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程概念、方法进行系统的阐述，同时又以松下 机为例详细介绍了对手机外形进行逆向工程的步骤。 关键词： 逆向工程，点云，快速制造， of D in In to of on s a on is in of is of of s is in 60. 概 述 1 1 逆向工程原理 在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或 据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不 存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。 随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在 域，这就是所谓的逆向工程。 1 2 逆向工程特点 传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等 比例的模具，再进行量产。这种方法属称类比式（ 制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。 传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：从样品数据产品。 2 逆向工程通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复 制（ 来。 因为长期专门从事逆行工作，所以工作效率很高，三维模型也很专业。 逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成 据，据此就能进行快速成型或 控加工。 据可传给一般的 统（如： ），进行进一步修改和再设计。另外，也可传给一些 统（如： ），做刀具路径设定，产生数控代码， 由 床将实体加工出来。 据经曲面断层处理后，可以直接由激光快速成型方式将实体制作出来。 1 3 逆向建模的一般流程图 图 向建模一般流程 模型曲面分析 确定扫描方案 进行实体点云扫描 进行点云数据处理 建立需要的曲线 建立曲面 进行实体建模 (如图 3 1 4 逆向工程的应用领域 逆向工程应用领域相当广泛，有军工，模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。 2逆向工程一般步骤 2 1 实体三维数据的获得 扫 描 在进行逆向工程时， 三维扫描 是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。 它的 重要意义在于 能够将实物的立体 信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了 相当方便快捷的 手段。 高速三维扫描及数字化系统在 逆向 工程中发挥 着巨 大作用 。 三维扫描技术能实现非接触测量， 且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪 作为 一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触 ， 使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对 手板， 样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与 件接口，在 统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工 中心 或快速成型设备 上 制造 ，可以极大的缩短产品制造周期 。 三维扫描设备是以三次元测量系统为主。基本上以 接触式探针式和非接触式（激光、照相、 X 光等方式）两大类。在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度。激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建。 三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见下图（ 图 ： 4 图 三维扫描技术分类 从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精 度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。 2 2 点云处理 通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云（ 扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤： 1去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交 互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整； 2数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面逆向造型和基于点的曲面拟合技术。 3数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。 4数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性，边界上的某些特征点（边界折拐点）必 须予以保留，而不能被视为“坏点”。 三维扫描技术 非接触式 接触式 光学式 声学式 磁学式 触发式 扫描式 三角形法 轮廓投影法 成像法 5 5点云的重定位整合，在重新装夹后多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的 件还都没有此项功能，需要手工“缝合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在 统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。 2 3 曲面重构 曲面重建可以 说 是逆向工程的另一 个 核心及主要的目的，是依据扫描得到 的点 云 数 据恢复 曲面形状建立 学模型的过程。在得到 产 品的 数 据后，以逆向工程 软 件 进 行 点数 据的处 理， 经过分门别类 、 群组 分隔、 点线面 与 实体误 差的比 对 后，再重新建构曲面模型， 产 生 据、制造或 工。目前在 点 云生成曲面的 过 程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以 面为基础 的曲面构造方案；其二是以三角 面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式 来 描述曲面物体。 在逆向工程的技 术发 展中重要的是建立 产 品的 型，并由此可再 进 一步的到 和快速成型制造，而仿制出 产 品的外形。一 般而言， 型是由 许 多不同的几何形 状所 组 合而成，而每一种几何形 状 都有其特性。因此若要 将产 品 应 用逆向工程的技 术 ，反求出此 产 品的原 型，并非 单纯 的使用一种方法即可完成，而 须视 此 产 品外形的几何特性，选择 适 当 的 处 理方法，方可得出良好的几何形 状 ，以 满 足 产 品外形的几何特性。由此可知，在曲面重建的 过 程中了解其曲面的特性及其曲面的 数学 模式，在 对 于我 们 重新建构曲面 时 可以 帮 助我 们节 省很多的 时间 以及提高 将 效率。 由于 统 的 发 展，各种自由曲 线 与自由曲面的理 论 因 应 而生，如 线 、 面、 线 、 扫描 曲面 ( 面 ( 标 准曲面 (、旋 转 曲面 (、网格曲面 (。一般 统较 常用到的曲 线 、曲面作以下特 点 介 绍 ： 1. 线 1962 年 时 法 国 雷 诺 ( 车 公司的工程 师 展的一种完全用控制 点 坐标来 定 义 的曲 线 (如 图 2. 2)。 6 图 2. 2 不同控制 点 建构的 线 线 有以下的特 点 ： (1) 控制 点 多角形 (2) 凸面被覆 (曲 线 被包含在自由控制 点 所构成的多角形 内 ，此性 质对 于 处 理曲 线 相交 时 相 当 有用。 (3) 控制 点 末 点 与曲 线 末 点 重合 ( 线 有以下的缺 点 ： A. 线无 法做 区 域性的控制 (no B. 其曲 线 的次 数 和控制 点 的 数 目直接相 关 ，定 义 比 较 复 杂 的曲 线 形 状时 ，曲 线 的次 数也跟 着 提高。 2. 线 相 较 于 线 而言， 线 除了保有 线 的优 点 外，由于 节点 向量与加 权数 的加入， 对 曲 线 有更好的控制性， 对 于 区 域性的控制也能藉由改 变节点 向量与加 权数而有更好的 结 果。 对 于 线 (程式我 们 描述如下： 其中 制 点 N(u )： ( 函 数 w：加 权数 u： 参数 值 Ri,p( u ) 为 有理基函 数 (由于加 权 值的加入，使得控制点对 曲 线 /曲面的控制 产 生不同比例的影 响 力， 当 加 权 值修改 时会 使得曲 线远 离或接近控制 7 多角形 (使得曲面的控制有更大的空 间 。在逆向工程中的大部分时间会用到它。 3. 面 面乃由 U、 V 参数 方向二 维 的基底函 数 (控制 点 所 组 成，基底函 数 是由多 阶参数 曲 线组 合而成，而控制 点则 在曲面的 U、 V 参数 方向上。在拟合面 时 ，方法是 获 得曲面 U、 V 参数 方向的控制 点 坐 标 值，以建立 面。 对 面以 数学 模式方程式表示如下： 4. 面 (面的拟合方式 则 不同于 面，首先 将 其中一 个参数 方向的测量点数据拟合出最佳化的 线 ，此 时 每 条 曲 线 的控制 点数 目必 须 相同。接 着 在另一 个参数方向上用先前所得的曲 线 控制 点 ，拟合出 该参数 方向最 佳化的 线 ，并得到另一组 新的控制 点 。由此 两组 先后得到的 U、 V 参数 方向 点 ，即可建立 面。因此 组 一 维 的 线 拟合所 组 成。 基本上基底函 数 的 阶数 、 节点 向量 (控制 点 的 数 目或控制 点 坐 标 值等的改 变 ，都 会 影 响 曲面的形 状 。因此在拟合曲面 时 ， 为 了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法时 ，或提高基底函 数 的 阶数 ，或增加控制 点 的 数 目，以 调 整 U、 V 参数 方向的控制 点 坐 标 值，最后使得曲面偏差量在容 许 曲面偏差量的范 围内 。此种曲面拟合法 对 于自由曲面造型或 有突点 等曲率 变 化比较大的曲面，都可以拟合出很好的 结 果。然而 对 于平滑或有 规则 性， 对称 性的曲面， 这 种曲面拟合法 会对产 品在加工制造及量 测 上的 误 差明 显 的 显现 出 来 ，以至于 无 法拟合出具有上述特性的曲面。 由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：一种是以近似的方式、另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面，以下分别就这两种方法做一简单介绍： 1. 近似法 ( 以近似法来重建曲面，首先必须先指定一个容许误差值 (并在 U、 V 方向建立控制点的起始数目，以最 小平方法来拟合出 (个曲面后将量测之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。以近似法来拟合曲面的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于量测时的噪声将有抑除的作用。所述，使用近似法时通常是点云数据点多且含噪声较大的情况下。 2. 插补法 ( 8 以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。以插 补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过量测之数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。 由以上的分析我们可以知道对于少量的点而言，我们可以使用插补法来得到一较近似的曲面，然而对于激光扫描所得到的大量数据点若以插补法来重建曲面，则有在扫描时所夹带的噪声点与误差将随着曲面的建立而被包含在曲面之中的缺点 。 因此对于扫描点数据而言，由于点数据量大以近似法来重建曲面将会较插补法节省控制点的储存空间，而且对于扫描时所渗入的误差有抑除的效果，然而，以近似法来建立曲面，却会耗费大量的计算机内存及较多时间在曲面的计算上，因此我们在建立曲面的过程中应配合所测量得的数据点数目及精度来决定曲面重建所使用的方法。 2 4 实体建模 近年来，运用 是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、 以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。越来越多的三维设计软件如 得到了广泛的应用。 建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。 2 5 快速制造 快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术，它无需准备任何模具、刀具和工装卡具，快速成型设备可直接接受产品设计（ 据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障 。 快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。 20世纪 80年代末、 90年代初发展起来的快速成形（ P）技术，突破了传统的 加工模式，是近 20 年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。 统可分为两大类：基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（ 9 迭层实体制造（ 选择性激光烧结（ 形状沉积制造（ 等。 快速成形术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。艺术、建筑等领域也已开始使用 备。随着 术本身的发展和完善，其应用领域在不断拓展。 快速制造技术的优越性和特点 ： 1、制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用； 2、产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状 无关，在加工复杂曲面时更显优越，这是传统方法无法比拟的； 3、加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低 50%，加工周期节约 70%以上； 4、产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产； 5、整个生产过程数字化，与 型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造； 6、与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。 快速制 造 技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特 定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。 目前，大多数的快速成形制造系统中， 3采用所谓面型化 (理方法对实体曲面进行近似处理，用平面三角面片近似模型的表面。这样处理的优点就是大大地简化了 便于后续的分层处理，为制造过程准备数据。 D 987年提出的，由于它在数据处理上较简单，而且与 以很快发展为快速成形制造领域中 达一个三维实体模型的 图 2. 3所示，对每一空间小三角形面片用三角形的 3个顶点坐标及三角形面片的法向量来描述，法向量由实体的内部指向外部， 3个顶点的次序与法向量满足右手规则，如 图 2. 3所示。此外， 10 图 2. 3 3逆向工程软硬件设备 3 1 扫描设备 三维激光扫描技术，它能够完整及高精密度的重建实物或实 景、三维实体模型及原始测绘数据。最大特点就是：精度高、速度快、逼近原形。 法国 列三维激光超高精密度扫描仪 ， （ Z 50）具有很多优质：扫描精度极高，这利于将重建内容更逼近原形。扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等 。 具有一对 时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个 术还利于实时检测监测工作 ,以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接 ,现有的很多设备互换使用 ,光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术， 证了所有扫描云点的实测性、实时性及真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云 。本次选用的 列 中的0 是 近距三维激光扫描系统 。 分辨率可达 5m ，速度： 30000 点 /每秒， (可借助机械臂或数控机械平台扫描任何大小的物体） 。实体如下图： 11 图 3. 1 三维激光扫描仪 3 2 点云曲面处理软件 目前市面上常用的逆向工程 软件系统采用的 基本 都是 面，从它们的功 能或操作方法来看，其共同特点是先构造曲线，或者是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。其优点是 面的应用在 域内相当广泛，因而，这些系统与其它 统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。然而，通过交互定义特征线费事费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。 要用来做 逆向 工程，它处理点云数据的流程遵循 ， 点 曲线 曲面 的 原则 ，整个 流程简单清晰 明了 ， 而且 软件 操作容易，对系 统性能要求也不高。 (一 ) 点 云处理功能 1 读入点 云 数据 ,将分离的点云对齐在一起（如果 有 需要）。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。 件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。 2 对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点， 件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。 3 通过 可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。 4 根据需要创建点的网格或点的分段。 件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。 (二 ) 曲线创 建功能 1 判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确 通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。 2 创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。 3 诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。 （ 三 ） 曲面创建 功能 12 1 决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。 根据产品设计需要来决定。 2 创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（ 可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其他例如 圆角 等 生成 曲面。 3 诊断和修改曲面。比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。 著名的 逆向 工程软件， 其 广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电 、模具、计算机零部件领域。 而且拥有以上专业的点云到曲面的造型功能，在进行逆向工程时是一个不错的工具。 3 3 实体建模软件 发出了三维实体造型软件 称 微机上，实现了快捷、精确的三维实体造型。与别的三维设计软件不同的是，它基于以被广大的中国用户所熟知的 于有 习和使用 用它，设计者在设计初期能够很方便地进行概念设计，将主要精力集中在零 件的选型、相关结构的关系以及零件的使用功能上，设计者们能最大限度的发挥聪明才智，这一过程在整个设计过程中，占据极为重要的作用。完善概念设计之后，输出立体效果图、零件施工图及系统装配图很方便，而且节约了大量的绘图时间。 件装配、曲面造型及二维出图等部分。 够非常方便地创建任何复杂形状的实体。 基于特征的参数化零件造型模块可用已经存在的 为平面草图，然后通过拉伸、旋转、扫掠等方法建立三维实体外形。可 对此实体的各个特征用智能化、参数化的尺寸进行约束，通过建立参数化表来建立零件族。功能如下： 1)草图特征：由草图生成实体，支持拉伸、旋转和扫掠。 2)圆角特征：对每一边可进行常值倒圆、变半径倒圆、可以表示非常复杂的造型及圆角过渡。 3)孔特征：可钻沉孔、阶梯螺孔、螺纹孔。 4)倒角特征：包括等边、不等边及边长和夹角。 5)切割特征：用曲面可以切割实体。 6)全参数化特征阵列：可以用数值和等式及参变量表示阵列特征，并且可随时对其进行修改。 13 7)参变量技术：参变量使零件之间建立尺寸连接关系，具有尺寸连接关系的所 有零件将自动变化更新。 8)约束类型：几何形状、尺寸、参变量约束。 9)工作特征：工作轴、工作点和工作平面。 10)约束技术：对约束可操作 装配造型模块及工程分析模块能容易地创建和管理包括成百上千个零部件的装配和子装配，它使用参数化的关系，模拟实际的装配过程。内建的分析工具可计算零件质量特性，如质心、回转半径、惯性矩等。能自动地开发全参数化的零部件的关联明细表等，具体功能如下： 1)智能化的装配约束。 2)装配文档管理。 3)材料特性分析。 4)干涉检查。 与模型关联的工程出图模块能通过零件造型和绘图双向的关联。 化了工程图纸的生成过程，从三维造型自动地生成详细的二维视图 轴测、正交投影、剖视等。当改变模型尺寸时，所有关联的二维视图自动地更新，或当更改一个二维视图时，将使得关联的模型及其它的二维视图也更新。这部分功能包括： 1)完整的模型 图纸双向关联； 2)借助 3)自动消隐； 4)支持 5)提供各种工程符号、形位公差、表面粗糙度、焊接符号等； 6)参数化的标注功能； 7)视图生成包括正交投影、轴测图、辅助 视图、剖面图、局部剖视图、平移剖面图、断开图及用户自定义图等。 3 4 快速成型设备 本次使用的快速成型机是新加坡的 系统 ，它的可成型件最大尺寸为380*280*340。完全满足我们的要求。实体如下图： 14 图 3. 2 快速成型系统 首家采用三坐标精密伺服电机驱动、精密滚珠丝杠传动、精密滚珠直线导轨导向，机械空运行重复定位精度为 采用独特技术保证工件 Z 方向精度。采用激光切割速度与切割功率的自动匹配控制技术，硬件实现速度跟踪，反应速度快。采用自动开发的软件技术，具有模拟成 型过程、预算加工时间、 件检查、缺陷自动修补、切片、 出、误差校正、镂空、分隔、组合的功能。采用激光切口宽度的自动补偿软件技术。采用轮廓线内外自动识别软件技术。采用美国著名品牌 产的金属管 光器，功率高
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