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玩具汽车的逆向造型研究,玩具,汽车,逆向,造型,研究,钻研
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玩具汽车的逆向造型研究 学生姓名 ： 陈江波 班级 ： 0781053 指导老师 ： 于 斐 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 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 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 得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以 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 指导老师签名： 于 斐 of o 781053 u as a AD,is an in of an in of of As a it is of in in of to of in of By on of of is In of of of of is is of of is in an of of is of is an ; u 毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：玩具汽车的逆向造型研究II、毕 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： 玩具汽车覆盖件的点云数据设计技术要求：1.根据点云数据在CAD/CAM软件中，创建玩具汽车的覆盖件。2.完成玩具汽车的结构设计及虚拟装配III、毕 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. 创建玩具汽车的覆盖件 第7周第9周4. 玩具汽车的结构设计及虚拟装配 第10周第13周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 金涛,童水光.逆向工程技术.北京:机械工业出版社,20032 柯映林等.反求工程CAD建模理论、方法和系统.北京:机械工业出版社,20053 谢金,王文,等.基于激光测量的自由曲面零件逆向工程的实现.组合机床及自动化加工技术,2002(1)4许智钦，孙长库.3D逆向工程技术M.北京:中国计量出版社，20025 T.Pawson , R.Linding.Synthetic modular systems reverse engineering of signal transduction . FEBS Letters , Volume 579 , Issue 8 , Pages 1808 - 1814, 20056 Adam A Margolin, Kai Wang, Wei Keat Lim, Manjunath Kustagi, Ilya Nemenman & Andrea Califano.Reverse engineering cellular networks. Nature Protocols 1, 662 - 671 (2006) 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）： 陈江波 填写日期： 2011 年 01 月 03 日指导教师（签名）： 于斐助理指导教师(并指出所负责的部分)： 机械制造工程 系（室）主任（签名）：姚坤弟 用逆向工程方法来提高模具制造 摘要 :现代 过，为了使用模具，仍然经常需要操作手册的精加工和装配。模具制造商进行手工修改铣削模具。逆向工程技术可控制模具的质量，评估模具加工几何尺寸和装配公差。有时模具决定加工产品的形状。在这种情况下，模具制造商可以直接修改模具。因此，最终的模具的几何形状并不真正反映一个原始的 文的目的是要指出非接触控制质量的好处，并在程序的基础上运用逆向工程技术，来改造和更新的数学模型模具的抛光和修改。这一程序通过光扫 描仪测试一个实体模具的生产。 关键词： 逆向工程 模具曲面重建 计算机辅助制造 1） 简介 生产工具（更好地称为模具）是在制造业中一个重要元素。一个新产品的开发在设计制造模具中是一个漫长和昂贵的步骤。因此，任何努力都有助于减少模具生产时间和成本。如今，现代 &开始 于 三维 &电火花加工电极的建设，以克服与几何形状上由铣刀加工不到的相关问题 &刀具轨迹由数控生成，使用策略开发可以减少加工时间 & 材料粗加工时去除率高 &精加工时能得到 较准确的尺寸公差和表面粗糙度 无论修剪操作被推迟多久使用，在模具投入使用之前，下面的操作仍然经常需要 & 手工操作，铣削和电火花加工过程中取得光滑表面 & 装配，以确保模具的封闭 一方面， 抛光和装配保证 片的 成型，但另一方面，他们修改腔体表面的方式是数学非定义。因此，最终的真实的模具几何形状不反映原始的 想几何）。现在的 另一个方面，模具引进的微小变化是往往被忽略的。有时模具需要修改，经过整理来反映产品最终的修改形状。在这种情况下，模具制造商可直接修改而不 更新模具此，可能出现问题： &模具零部件的装配过程 &模具因磨损和断裂需要更换 逆向工程技术为模具制造商克服一些问题提供了新的机会。在最近多年来，非接触式数字化设备已改善，主要表现在每次扫描的准确性和测点的数量上。高扫描速度 允许用户在几秒内检索十万（甚至几百万）份的模具表面。在高密度点云中包含的信息可为模具的质量控制和 彩色偏差图， 远远超出了坐标测量机（ 一些分散的检查 点的测量。对整体和局部的腔面偏差进行评估，来确定加工误差，并探讨其原因。在投入使用前对模具型腔表面的颜色偏差地图的考虑，可能有益于减少了模具制作所需的时间。检查的结果要推广到整个数字表面，而不是仅局限于某一点。明智的措施，可以分析到： 定义重新加工策略，当真正的模具表面超过了相应的 意味着材料还有余量，仍然可加工 ; 不可恢复的错误，检测并调查其原因。当 意味着材料没有余量手工加工或机加工。在这种情况下，模具不能投入使用，因为其公差超出了给 定的公差误差。 在另一边，逆向工程的资源可以通过数学模型来更新模具： 凸模和凹模模具配件数码化，作为点云数据的输出； 重构腔表面 ; 生成的三维 本文的目的是显示出非接触式测量点的优势。对模具的三维 就应成为模具制造商之间的良好实践。使用共同的逆向工程技术和软件包可以完成这一任务。对程序进行了建议性的测试，可以验证实体模具。 2） 插入数字化及检查（ 由一数控机床粗铣轻合金完成模具的插入，凹模模腔用电火花完成实体上的微小沟槽。事实上 ，这些尺寸过小的沟槽的加工不能由铣削完成。在凸模模腔的左半边却没有被加工，以便它仍然呈现出 45交叉磨削路径。另一半是加工后抛光。这种非接触式扫描仪能够区分为两步完成的操作被引入评估。为了体现非接触检测的优点，数字化的模具镶件所用光学扫描仪由墨西哥湾有限公司按 外，目前为了提高光学扫描仪的精度和分辨率，部分边缘点作了大数目的定义，便于测量。所选的扫描装置利用立体视觉，因为它有两个索尼 768 572像素 / 8位），其光存储扫描对象边缘的图像。投影机在传感器的中心 位置，其包含 10张有顺序的幻灯片： 4干涉条纹（相移技术） 6个二进制编码后的灰色图像。这 6位代码可以区分 26个视野为 64列。考虑到模具插入整体规模，扫描仪进行了标定的工作面积为160 毫米 200毫米。这样的扫描仪配置的精度为 设备上的数据表里有 显示。 扫描识别软件网是由固定参考标记创建的，故多重扫描自动注册在一个点云内。有一个标记中所涉及的领域的缺少了部分数据，但墨西哥湾的软件可以完成关闭这些漏洞的虚拟模型。通过软件计算了在墨西哥湾上的参考标记为基础的网格对齐程序。由 有限公司雇用的模具检查。 凹模腔数字化扫描需要 12个点。数字化数据和原始 示了最大偏差在 过 型腔深度的偏差结果为 在电火花加工中，电极运动也许并没有完全垂直于凹模模腔分型面。在电火花加工机床上一个不正确的模具的安装方式，导致个很小的倾斜是很正常的。在 对完全数字化的凸模模腔来说，九点扫描是必要的。在扫描之间的数据和原始 大误差定位在右腔模上。在这一区域，有铣刀下降而造成的一种轻擦变化。在 微小沟槽底部边界有毛刺。凸模的模腔插入是由直径为 4毫米的数控球状铣刀加工，刀具路径为 45 方向与平面对角线平行的轨迹。这种操作不会允许创建的凹槽底有毛刺。 因此，扫描数据显示，处理槽会有很大的误差。还原的差异性的极限规模最大误差多达 光操作已去除了一层非常薄的材料，故造成的偏差小于 3） 模具 在模具 何公差（对称，同心度，平行度，正交等）已被 视为制造，装配和正确的工作的重要资料。在设计阶段，以及运用逆向工程，片功能是非常重要的，它不能被忽略。对于这样的原因，重建进程在很大程度上取决于操作者的经验。为了正确的 要创建标准的自动化程序模型的。最重要的步骤是分割的过程，这是扫描到表面细分领域或区域数据。形状特征支持产品重新设计和先进的制造技术。专门的自动程序软件尚未需要用户足够地干预，结果就令人很满意：他们顺利产生的连接、修剪补丁反映了全球的拓扑结构形状，但很少会在表面边界沿特征线，锋利的边缘，圆角型材等所谓的任意拓扑结构的细分曲 面上，在不理智的态度进行部分重新设计，因为这个重建进程的基础是三角数据结构，它不会讨论信息是如何细分的。自动曲面重建是相当快的，逆向工程过程的最终目的是建立一个不需要 作出任何修改它的形状和质量要求的数字模型。在这种情况下，有时，三角模型是足够的，因为计算机图形应用 需要更新的模具或产品三维模型，以保持它的形状，供进一步修改或将来重新设计，就应该使用一个 建进程的最好的结果是用逆向工程软件，用户建立细分点云在相同的方式，制造 以用户交互仍起着根本性的作用。凸台，型腔，孔，倒 角和圆角的边界曲线要被检测和扫描数据定义，但自动化功能仍不能令人满意。事实上，软件的自动检测的，而不是一般的平稳连续曲线的几何实体，只是零散的零部件。 毫无疑问，人类的干预，使该过程相当艰苦和耗时，但表面质量和形状更容易修改。即使没有达到汽车 构表面曲率连续的质量是良好的，同时为所需形状提供了一个简单的数学表达式。越复杂的曲面重构， 此，重要的是要方便细分扫描数据沿模具或产品的特征线来生成简单表面的边界。如果分割过程是人类理性和智慧参与，即需要用户的干预，就能得到最 好的结果。 该确定重构模具的数学模型的程序，实现了普通的商业软件的使用。 生成 序的开发通过以下步骤： 1 模具型腔的数字化 模具的一个最重要的部分是模腔表面。因此，只有重建的模具型腔数字化，而分型面，可以从原来的 可能很容易得到 过整个型腔的数字化，多种扫描必须一致，有时数据一定要根据流程图。点云功能处理软件时，扫描数据是喧闹的，不光滑。用户决定是否在整个数据或一个小区域内使用这种功能。软件包可计算和显示最佳 的数据来选择函数参数的值，但在特定情况下，用户不得不依据经验对值进行调整。 2 网络曲线创建 这种从表面扫描数据集的方法，被称为网络曲线创建表面。它是基于特征曲线，如对称线，特征线或锋利的边缘线。网络曲线的创建需要用户交互：用户通过曲线坐标轴或扫描数据点插值创建平行截面。正如已经解释，最终的结果是最好沿同一曲线或边界划分， 些点云首先通过逆向工程软件生成模具。曲线的定义由用户交互引导细分的过程，并决定该创建多少曲线。如果一个新的特性曲线（对称线，特征线，锋利的边缘线 ，圆角轮廓线，边界曲线等）都可以通过由一个平行于坐标轴切片机生产，那么生成三角模型要设置切片机的位置。在所有其他情况下，尤其是复杂的剖面，用户通过扫描数据插值点来创建特征曲线。逆向工程软件允许进一步调整曲线的插值点的位置，以获得连续，平稳的几何实体。 因此，它是依据用户的经验，决定建立多少网络曲线就有多少个曲面。作为一般规则，尤其是重建程序的中间步骤复杂的形状，曲面要求有更大数量的曲线。每个表面延伸取决于关于对象的细节的存在。 3 一个 的每个点的参数方向必须由操作员设定。根据 10和 20补丁点的参数方向延展。因点较多而导致过于复杂的 一个下面的平面不足以保证在规定公差内重建误差。表面生成算法能够修剪生成 则，就修剪 些因素必须对每个补丁的界限制约，以保证连续性和邻近表面相切。这减少了软件表面重建算法的自由度。靠近边界的大补丁不完全适应模具表面的曲率变化。因此，分界应配合锋利模具表面和点云的曲线位置细分。 4模具 以三维实体建模为入口。一个简单生成实体模型的模具镶件的方法来是加入所有的表面，并创造一个亚平面。对腔体模具而言，问题是，外侧表面不是平面：在 外， 此，在建立稳固的模型操作者未能通过使用亚平面。另一种方法是发现和测试。该过程在概念上比较简单，但它具有个相当辛苦工作的缺陷。该战略是构建根据流程图代表每个 面首先复制并沿成型方向，就关闭块建立了的原面和复制相应的 边界曲线直纹面。模腔的实体模型，加入所有的块在一起生成。在绘制模具使用 5 倾斜插入嵌件。这种表面的模具在最后一部分的位移提供了正确的封闭指引。完整的 5模具 直接在模具上介绍了一种审美的变化，以验证上述解释的重构过程。然后用逆向工程更新模具的数学模型。凹模模体进行改性加工用 5毫米直径的刀具完成纵向槽与球鼻的加工。左半边腔的新沟是 30毫米长，放在对面的腔体上。腔体外表面，然后与目前的修改反向形状 突出。复制凸模模型预测是同样的。模具数字化插入修改后，根据曲线网络方法生成模腔表面。表面之间的重建和点云数据的最大误差小于 样的结果是令人满意的，每个补丁较大的偏差局部化。一个可能的最高计算错误是，在数字化数据锋利的噪声申请被过滤为 60（它是由软件需要一个值）。使用这样的精度，对每一个面（即点之间的 常小于千分之十的毫米（ 10微米），这是腔体的成型公差。用更高的精度值，有时，表面生成算法在表面的点或面的计算生成的，因为 确管理过于复杂的 面产生凹槽的错误也是相当巨大的。也许，一个最好的新后的凸模 凹模的相应型腔模具实体之间布尔减，以保证一个完美的配合。修改后的母模腔，然后由表面模型扫描数据重建。 4）结果与讨论 该文件指出，模具制造商如何通过引入非接触检测和逆向工程作为模具制造工程技术标准的活动而受益。最近非接触的模具质量控制改良提供了模型的尺寸和几何公差的完整信息，用光学扫描仪，以便检查，然后才 将它正确的投入制造业。非接触检查也可以被用来检测磨损和模具磨损后的数周或数月的连续运行情况。使用积极的成型材料是特别有趣的。另一个优势来源于最终修改，这些产品的形状和变化与实际进行更新几何原本模具 一个正确的抛光和手工操作的结果。模具 损或断裂的需要被替代。 在本文中，一个交互式程序，重建和更新的模具 描阶段的一般检查，接触很短：模具都被插入在一个工作日内数字化。表面重建的步骤，以及创建 是很长：他们 需要在一个工作周内数字化。每个片表面创建是辛苦的。此外，每次该公司为下一个补丁进行交互。网络的曲线创建，可能不要交流，如果可以选择一次在所有的补丁表面进行自动创建。关模具公司已利用建模功能用 时，要返回到前面的步骤，以减少 为 了简化程序，宏可能会被用来创造每个坚实的表面。自动化改造模具数学模型的过程可以成为今后进一步研究的活动，这无疑需要以网络软件算法改进为起点自动建立实际的曲线。 毫无疑问，现在，一 个模具或产品可以在短的时间通过自动曲面重建功能得到，但由此生成的模具往往质量较低，其形状需进一步的修改，因此制造起来很难。它代表了在最终要求的情况下得到很好的折衷解决。当需要更新的模具或产品三维模型时，以保持它可用于未来的重新设计，然后是基本的和人为的干预过程时间较长。民航处驱动的办法应该是在这种情况下使用更高质量的型号和物体形状容易的修改。另一个的例子，建议程序大规模适用逆向工程定制产品：为儿童滑雪启动。一个扫描数据可以由用户交互的手段定义网络的曲线细分，生成最后高品质的 事实上，以原始扫描 数据重建的数学模型，平均偏差小于 外，通过适当的分割，灵活的灰色部分的表面从启动系统中分离，因此，这两个部分可以单独重新设计滑雪启动形状修改。在逆向工程重建过程中的关键步骤是扫描数据分割，其中通过人类理性和经验来开发高质量的数学模型是至关重要的。用户用这种自动分割，可替代复杂的专用系统。 然而，在不久的将来，越来越先进的软件算法，将简化了模具 具制造商，将普遍的采取逆向工程来更新程序有很大的竞争优势。 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 2011 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： 陈江波 日期： 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： 陈江波 日期： 师签名： 于 斐 日期： 毕业设计（论文）开题报告 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 斐 填 表 日 期 2011 年 3 月 5 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 四、目标、主要特色及工作进度 目标 主要特色 结合玩具汽车设计制造的特点，采用逆向工程技术对玩具汽车进行设计研究， 是一项开拓性，实用性和综合性很强的工作。 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） （ 4 周） （ 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 by of . P. 5 008 / 1 008 /23 008 # 008 2009) 43:551562 . P. *) 24. AM to in to a of by of be in to on in s a In if of of AD of is to of to a on to of it on a of a by of a 2 as a in of of a in of a to AM an 1 & A of D of & of to by & of C to 2; & of in & in 3, 4 No of a & to a by of DM & to n of on in a is of of AD AD do to is is of on to in In AD 3 & of to & to be of or a of AD of to to In in of of to or on in a in be s AD 5, 6. as a of AD a of be of on a 7, 8. on be to to on of be to of to to be & of of AD is be & of of AD no is or In be if go n be to & of as 4 & of & of D of to of to of of D of a a A to on a of a 2 of of 1). on C DM of on of in be by of so it of 5 of 2). to if is to of In to of 3). of or is be by of to 1 of 20098 35 552 is is of on to in In AD be & of to & to be of or a he 5 AD of to to In in of of to or on in a in be s AD 5, 6. as a of AD a of be of on a 7, 8. on be to to on of be to of to to be & of of AD is be & of of AD no is or In be if go On be to & of as & of & of D of to of 6 of of D of a a A to on a of 2 of of 1). on C DM of on of in be by of of 5 of 2). to if is to of In to of 3). of or is be by of to 1 of 2009835 552 2009 43:551562 a of as a of on as it CD 68 572 of on in of a of 9) by 10, 11 6 = 64 in of of on a 60 200 mm at a 00 of in mm as on a of 7 on in to of on on in as by is a of in by OMs to of by OM on of of AD by in of he of AD a mm on by on a of In of is is in 2 of 3 3D nt a of as a of on as it CD (68 572 of on in of a of 9) by 10, 11 6 = 64 in of 8 of on a 60 200 mm at a 00 of in mm as on a of on in to of on on in as by is a of in by OMs to of by OM on of of AD by in of (4) to of of is AD of DM in of be as an be in by to AD to of to be to an of on DM in of is of on on AD to In 9 AD is on of 5). In is a by of a In AD of by a a mm NC 5 in to on a on of to by 5 of of a is of of is by up to an 5). a of in a of In to by of of by of a on of on , to so it on of , to (6). on by on a AD 83 on 06 on . s in in of on AD 10 To MM of of to , of of of of AD in .南昌航空大学科技学院学士学位论文 毕业设计（论文） 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 斐 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 目 录 第一章 绪论 向工程简介 3 向工程 的概念 3 向工程的现状及应用 4 向工程的一般步骤 4 量工具 绍 5 件 介绍 6 件介绍 7 课题的意义和内容 9 第二章 逆向工程中的测量技术 量方式 11 件扫描过程 12 章小结 15 第三章 逆向工程的后处理及三维建模 向工程的后处理 15 向工程后处理的要求 15 线与曲面的连续性 15 线的拟合 15 线的构建 16 数据处理 17 线的构建和分析 18 面构建与分析 19 于 件下逆向后处理 21 面重构工具介绍 21 面特征 22 面重构具体过程 456 22 率分析 30 章小结 32 第四章 基于 的玩具汽车结构设计及虚拟装配 个零部件的设计 32 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 则实体重构方法 32 件设计的一般步骤 33 拟装配 38 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 向工程简介 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 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 一个相对独立的范畴。通过实物模型产生 型，可以使产品设计充分利用 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 统所需要的三维输入装置，又可以作为统处理后的误差检 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 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 4 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 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型，并以此为依据生成数控加工的 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 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 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 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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 （ 4）在 速原型制造 )中的应用 快速原型制造 (又称 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。 合了机械、 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 统为基础的快速工装模具制造 (快速精铸技术 (则可实现零件的快速制造 ( 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 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 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 此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。 向工程的一般步骤 逆向工程一般可分为四个阶段 : 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。 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。 通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的 型。 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。 量工具 绍 德国 司独家研制的 动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的非接触 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，南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 借助两个高分辨率 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。 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。 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。 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， 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 司最先发明了数码相机定位技术 ,即 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 m。 描仪的技术优势： （ 1）高质量的扫描点云 用高分辨率 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 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 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 10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 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，单幅测量范围从南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 50 40 2000 2000 描点云的密度为 1合测量不同尺寸零件： 10 12m。 （ 5）具有自我监测功能 采用双 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（ 1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 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。 件 介绍 件由美 国参数技术公司开发而成，是机械 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 X 平台 T 平台，使它成为快速成形技术行业中市场占有率最高的 件的核心技术特点： 1、基于特征 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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 2、全尺寸约束 在 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 计过程中是通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。供了独特的 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 特的全相关性功能，因而使之成为可能。 建立在统一的数据库上的，不像一些传统的 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。 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 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 件， 仅提供了复杂的功能而且还为用户提供了开发接口，同时 自带一个 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 的 列南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 模块中，除了提供用于建立计算机几何模型的辅助工具 (还提供了在设计产品加工制造工艺时所需要的辅助工具 (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， 在设计 工制造程序上提供了功能强大的辅助工具一 C 加工制造模块。使用户可以利用 C 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 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。 C 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 C 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 所得到的 以利用 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 经由 行数据的转换，得到适用于实际加工所需要的机械控制码 (所产生的 合适当的工具及加工机床，可以实际应用 C 所设计的产品加工制造工艺。 件介绍 1、 介 是最高档的 件，由法国 司开发，后 司收购。该软件原运行于 工作站上，驱动系统为 已成移植至个人 又使这一 功 能强大的软件的使用者更加广泛。与 等相比，该软件在曲面造型方面具有独特的优势，应该说是任何一个 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 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， 提供了面对复杂设计与仿南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 真的 2、 台软件的同时，还配备了面对相对简单建模需求的 1平台 2 。 界的领导者，其作为全球 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， 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， 泛的集成解决方案加快了产品开发的全过程。 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 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） 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 这样几十家工业巨头将 为核心设计和制造系统，更重要的是以根据不同规模、不同应用的企业定制完全适合本企业的最佳解决方案； （ 2） 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） 成为世界工业的事实标准，主流软件。近年来，应用于 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 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） 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（ 解决方案。 及生产、加 工和人员三个关键领域。 （ 5） 可伸缩性和并行工程的能力可显著缩短产品上市时间。 2、 应用 件从事设计的技术人员前景： 由于 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。 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南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 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 后处理技术； 第四章主要介绍了基于 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。 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。 件扫描过程 1、 描仪类型选用 描仪有 4 种型号： 、 I 型、 、 种。 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 光电接收器件 1000 /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 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 面获取容易； 碎、不可接触 薄件、皮毛、变形细小等工作； 会伤害精密表面 特定几何 缺点 法判别特定的 几何形状； 光无法照到 的地方不易测量； 则测量的误差较大； 度慢； 面磨损，影响光滑度； 易补偿半径 , 精度难以保证； 状会影 响测量值 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 图 2描仪类型图 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 。 2、 描仪扫描仪使用特点 该扫 描仪体积小、重量轻尺寸：宽 245 250 80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 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。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 图 2 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、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 上，运算速度 2. 0 卡内存： 64 昌航空大学科技学院学士学位论文 15 内存： 512上 硬盘： 40 上 操作系统： 8/2000/P 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 扫描仪扫描仪零件。 第三章 逆向工程的后处理及三维建模 向工程的后处理 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 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。 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。切南昌航空大学科技学院学士学位论文 16 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 术发展，各种自由曲面和曲线的理论应运而生，如 。 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。 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南昌航空大学科技学院学士学位论文 17 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 3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。 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。通常南昌航空大学科技学院学士学位论文 18 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。 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边界条件等。在曲线构建出来以后，也可用曲线修编工具，对既有的曲线作平滑化或边界连续性的修改 3。 从逆向工程的角度来讲，在构建曲线时应注意以下几点情况：现有的硬 件设备大多可取得大量的点群，即使经过部分提取或特征搜寻，点数据还是相当的多。实际上曲线的建构并不需要太多的点，应斟酌调整参数。连续的曲线之间是否达成良好的连续性，这对后续曲面之间的连续性相当大的影响。 同一曲面的建构曲线最好拥有相同的曲线参数。如果以相同的参数的曲线建构曲面，可得到较高质量的曲面。在所选定的视角上绘制直线时，系统会将该直线投影在点数据上。当把视角作为变换时，可以发现该直线己自动的贴覆于点数据成为一条曲南昌航空大学科技学院学士学
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