基于逆向工程技术的爬行士兵玩具外壳模具设计

诚 信 声 明 本人声明 1 本人所呈交的毕业设计 论文 是在老师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果 2 据查证 除了文中特别加以标注和致谢的地方外 毕业设计 论文 中不包含其他人已经公开发表过的研究成果 也不包含为获得 其他教育机构的学位而使用过的材料 3 我承诺 本人提交的毕业设计 论文 中的所有内容均真实 可 信 作者签名 日期 2011 年 06 月 03 日 毕毕业业设设计计 论论文文 任任务务书书 题目 基于逆向工程技术的爬行士兵玩具外壳模具设计 姓名 学院 机械工程学 专业 机械设计制造及其自动化 班级 学号 指导老师 职称 副教授 教研室主任 一 基本任务及要求 1 使用 3DSS 三坐标扫描仪 结合 3dsstd 测得玩具外壳表面点云数据 2 用 Geomagic 对点云数据处理 构建爬行士兵玩具外壳表面模 3 运用 UG 软件完成玩具外壳零件的文件建模 并应用快速成型技术造型 4 应用 UG MoldWizard 分模 完成爬行士兵外壳塑料模具设计 5 应用 Moldflow 软件实现注塑模流分析并优化设计 6 完成模具装配图及主要零部件图 不少于三张一号图纸工作量 按照要求撰写设计论文 二 进度安排及完成时间 1 准备阶段 时间 时间 2010 12 6 2010 12 26 了解设计内容 搜集有关技术文献资料 自学 CAD CAM 软件和相关设计技术 2 确定设计方案 时间 2010 12 27 2011 1 23 完成文献综述和开题报告 提出解决课题问题的初步方案 并对方案优 缺点进行比较 分析实施可行性 按实际条件确定实施方案 3 设计及实验 时间 2011 2 21 2011 5 20 应用 UG 完成曲轴锻造模具设计 运用 CAE 技术对曲轴锻造模具重要零部件分析 优化结构 并进行加工仿真 借助毕业实习环节完善设计 4 撰写毕业设计说明书 时间 2011 5 21 2011 6 5 按湖南工程学院毕业设计说明书相关标准要求撰写毕业设计说明书 5 毕业答辩工作 时间 2011 6 7 2011 6 10 6 毕业设计整改 时间 2011 6 11 2011 6 20 目目 录录 摘要 I Abstract II 第 1 章 绪论 1 1 1 逆向工程简介 1 1 1 1 逆向工程的概念 1 1 1 2 逆向工程的现状及应用 2 1 1 3 逆向工程的一般步骤 3 1 2 测量工具 3DSS 扫描仪介绍 4 1 3 Geomagic 软件介绍 4 1 4 UGNX6 0 软件介绍 5 1 5 UG MoldWizard 概述 6 1 6 Molflow 简介 6 1 5 本课题的意义 7 第 2 章 逆向工程中的测量技术 8 2 1 测量方式 8 2 2 扫描设备及扫描软件界面介绍 9 2 3 零件扫描过程 12 2 4 本章小结 14 第 3 章 逆向工程的后处理 15 3 1 逆向工程的后处理 15 3 1 1 逆向工程后处理的要求 15 3 1 2 点云数据处理 16 3 1 3 三角形网格曲面编辑处理 16 3 1 4 快速曲面重建的曲面阶段 17 3 1 5 栅格化并 NURBS 拟合成 CAD 模型 18 3 2 曲面重构具体过程 18 3 3 UG 环境下的实体建模 22 3 3 1 曲面缝合 22 3 3 2 塑件特征设计 23 3 4 本章小结 23 第 4 章 Moldflow 模流分析 24 4 1 最佳浇口位置分析 24 4 2 塑件流动性分析 24 4 2 2 气穴的分布 25 4 2 3 注射压力与锁模力变化曲线 26 4 2 4 V P 切换时压力分析 26 4 3 本章小结 27 第 5 章 玩具外壳模具设计 28 5 1 塑件的成型工艺分析 28 5 1 1 原料分析 28 5 1 2 塑件的结构 精度 质量分析 28 5 2 型芯型腔的创建 28 5 2 1 产品分析 28 5 2 2 项目初始化 29 5 2 3 建立模具坐标系 29 5 2 4 工件设置 30 5 2 5 选择制品的分型面 30 5 2 6 创建分型线和分型面 31 5 2 7 创建型芯和型腔 32 5 3 成型设备的选择 32 5 3 1 确定制品的成型方法 32 5 3 2 计算制品体积 质量以及制品的正面投影面积 32 5 3 3 预选注射机的型号 33 5 4 浇注系统设计 33 5 4 1 主流道设计 33 5 4 2 分流道的设计 34 5 4 3 浇口的设计 35 5 5 模具的结构方案及尺寸的确定 36 5 6 溢流 排气系统的设计 37 5 7 脱模机构设计 38 5 8 冷却系统的设计 39 5 9 注射机有关工艺参数校核 40 小结 41 参考文献 42 致谢 43 I 基于逆向工程技术的爬行士兵玩具外壳模具设计基于逆向工程技术的爬行士兵玩具外壳模具设计 摘要 本文研究了逆向工程的关键技术 并应用于爬行士兵玩具外壳的模型重建以及 玩具外壳的模具设计 爬行士兵玩具外壳的外形曲面复杂 根据玩具爬行士兵的特点 采用逆向工程方法完成模型重建工作 采用 3DSS 扫描仪高效率 高精度地完成玩具 玩具爬行士兵的点云数据获取工作 应用 Geomagic 软件完成爬行士兵玩具外壳的点云 数据处理工作 以 UG 软件软完成玩具外壳模型的重构工作并用 UG MoldWizard 进行 模具设计 关键词 逆向工程 曲面构造 模具设计 II The Mold Design Of Crawling Solider Toy Shell Bassed On Reverse Engineering Abstract The key techniques of reverse engineering are researched and applied to crawling soldiers toy shell in this thesis The surface appearance of crawling soldiers toy shell is very complex According to the characteristics of crawling soldiers using reverse engineering method can complete the model reconstruction work Scanner can high efficiency high precision complete the crawling toys point cloud data acquisition of soldiers Using Geomagic software complete the processing work of crawling soldier s point cloud data With UG software complete the reconstruction of the toy shell and use UG MoldWizard for mold design Key words Reverse Engineering Surface structure Mold design 1 第 1 章 绪论 1 1 逆向工程简介 1 1 11 1 1 逆向工程的概念逆向工程的概念 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 逆向工程现已发展为 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 物体的实物模型进行测量 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 对已有新产品进行解剖 深化和再创造 是对已有设计的设计 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 2 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 1 21 1 2 逆向工程的现状及应用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 3 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 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 31 1 3 逆向工程的一般步骤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 4 1 2 测量工具 3DSS 扫描仪介绍 3DSS 系列三位扫描仪是上海数造机电科技有限公司研发生产的三位数字化设备 产品又分为单目和双目两大类 它能对物体进行高速 高密度扫描 输出三维点云供 进一步后期处理 3DSS 的基本原理 扫描时光栅投影装置投影数幅特定编码的机构光到待测物体上 成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像 然后对图像进行解码和相位计算 并利 用匹配技术 三角形扫描原理 解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标 采 用这种测量原理 使得对物体进行照相测量成为可能 3DSS 具备自动标定 参考点识别与测量 点云扫描 多幅扫描拼合功能 系统包 含扫描硬件和扫描软件 硬件包括电脑 两个摄像头 投影装置 三角架 软件对 CCD 和投影装置进行实时采集和控制 对采集的图像进行软件处理 生成三维点云 并能进行三维显示 输出点云文件 可用 Surfacer Imageware Gemagic 等软件进行 进一步处理 1 3 GeomagicGeomagic 软件介绍 Geomagic Studio是由美国雨滴公司研发的逆向工程应用软件 它以先进的数学模 型 曲面构建理论为基础 能快速地整理曲面点云数据自动产生网格 可构建任意复 杂的精确曲面模型 创造从原型曲面测量点云到多边形数据的高品质三维模型产品 其主要功能有 特征线自动搜寻 特征线分析对比 横切截面轮廓线获取 新点坐标数据 处理技术 可按曲率差异分割模型的特征线 按曲率连续填补破洞 可自动还原NURBS 曲 面边界合并到新的扫描测量数据中 边界处理使圆角边自动锐化 提供多边形 处理技 术 通过系统自动计算各面交线 可建构成尖角效果 处理后的点云数据能以IGS 格式 输出到主流CAD CAM系統中 Geomagic中曲面片的划分是做好曲面的关键 它是以曲面分析为基础的 曲面不 能分的太小 否则得到的曲面太碎 曲面片也不能分得过大 否则不能很好地捕捉到 点云的形状 得到的曲面质量也较差 构建曲面片时 应使每一块曲面片的曲率变化 尽量均匀 使每一块曲面片尽量为四边曲面 这样拟合曲面时就能够更好地捕捉到点 云的外形 降低拟合误差 5 1 4 UGNX6 0UGNX6 0 软件介绍 UG NX是美国UGS公司推出的CAD CAE CAM一体化软件 它具有强大的实体造型 曲 面造型功能 在设计过程中还可以进行有限元分析 动力学分析 玩成产品概念设计 模型建立 性能分析和运动分析 加工刀路的生成等整个产品的生产过程 实现真正 意义上的无纸化生产 UG 的CAM模块提供了交互式编程产生精确刀具轨迹的方法 用 户通过创建程序节点 刀具节点 几何节点 加工方法节点 生成刀具加工轨迹 通 过观察刀具运动来图形化地编辑刀具轨迹 最终的刀位源文件经过后置处理即可生成 数控加工程序 UGNX6 0软件的几个主要应用模块及功能如下 1 基本环境 这是启动UG后自动运行的第一个模块 是其他应用模块的公共运行平台 它支持 包括打开已存的部件文件 建立新的部件文件 绘制工程图以及输入 输出不同格式 的文件等操作 也提供图层控制 试图定义和屏幕布局 表达式和特征查询 对象信 息和分析 显示控制和隐藏 再现对象等操作 2 建模环境 实体建模集成了基于约束的特征建模和显性几何建模两种方法 提供复合建模的 方案 使用户能够方便地建立二维和三维线框模型 扫描和旋转实体 布尔运算及进 行参数化编辑 提供草图工具 各种曲线的生成及编辑工具 尺寸驱动 定义和编辑 变量及其表达式 实体建模是特征建模和自由形状建模的必要基础 3 装配建模 用于产品的模拟装配 支持 自顶向下 和 子底向上 的装配方法 装配建模 的主模型可以在总装配的上下文中设计和编辑 组件以逻辑对齐 贴合和偏移等方式 被灵活地配对或定位 改进了性能和减少存储的需求 参数化的装配建模提供为描述 组件间配对关系和为规定共同创建的紧固件组以及其他重复的零件的附加功能 这种 体系结构允许庞大的产品结构并为设计者创建和共享 使产品开发并行工作 4 制图模块 能够以实体模型自动生成曲面工程图 也可以利用曲线功能绘制平面工程图 在 模型改变时 工程图将被自动更新 制图模块提供自动的视图布局 可以自动 手动 尺寸标注 自动绘制剖面线 形位公差和表面粗燥度标注等 利用装配模块创建的装 配信息可以方便地建立装配图 包括快速地建立装配图剖视 爆炸图 明细表自动生 成等 5 产品分析模块 6 集成了有限元分析功能 可用于对产品模型进行受力分析 受热后的变形分析 可以建立有限元模型 对模型进行分析和分析后的结果进行处理 提供线性静力 线 性屈服分析 模拟分析和稳态分析 运动分析模块用于对产品模型进行运动分析 可 以进行机构连接设计和机构综合 建立产品的仿真 利用交互是运动模式同时控制5个 运动副 设计出包含任意关键节数的空间机构 完成机构的运动分析 以多种格式表 达分析结果 注塑模流分析模块用于注塑模中对熔化的塑料进行流动分析 具有前处 理 解算和后处理的能力 提供强大的在线求解和完整的服务材料数据库 1 5 UG MoldWizard概述 UG MoldWizard是用UG NX 进行注塑模具设计的专业应用模块 是一个功能强大的 注塑模具软件 它按照模具设计的一般顺序来模拟设计的整个过程 其只需根据一个 产品的三维实体造型 从而建立一套用产品造型参数相关的三维实体模具 其运用UG 知识中的嵌入基本理论 根据注塑模具设计的一般原理来模拟注塑模具设计的全过程 提供了功能全面的计算机模具辅助设计方案 极大地方便了用户进行模具设计 UG MoldWizard模块支持典型的塑料模具设计的全过程 即从读取产品模型开始 到如何确定和构造拔模方向 收缩率 分型面 型芯和型腔 再到设计滑块 模架及 其标准零部件 最后到模具的装配结构 建立几何联结并进行零部件的相关设计 1 6 Molflow简介 Autodesk Moldflow Adviser软件是由德国西门子公司的用于注塑模流分析并优化 模具设计的软件 该软件是对塑料产品和模具进行深入分析的软件包 可以在计算机 上对整个注塑过程进行模拟分析 可得到最佳的浇口数量与位置 从而为模具设计人 员进行模具设计和注塑人员进行注塑工艺参数调整提供依据 利用MoldFlow技术可以 在模具加工前 在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析 准确预测熔体的填充 保压 冷却情况 以及塑件中的应力分布 分子和纤维取向分布 塑件的收缩和翘曲 变形等情况 以便设计者能尽早发现问题 及时修改塑件和模具设计 而不是等到试 模后再返修模具 7 1 5 本课题的意义 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爬行士 兵外壳成形技术中的一些难题 应用UG MoldWizard分模并进行模具设计 缩短士兵 外壳模具的制造周期 加速玩具爬行士兵工业的发展 8 第第 2 2 章章 逆向工程中的测量技术逆向工程中的测量技术 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 触式测量两种 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 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 由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爬行士兵玩具外壳 经比较 选用非接触式测量方式的激光测量 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 P7 1 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 9 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 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 扫描设备及扫描软件界面介绍 1 扫描设备由扫描仪和计算机组成 而扫描仪的主要组成部分有光栅投影系统 两个摄像头 三角架 标定板及连接电缆 图 2 1 为扫描头的外观图 图 2 1 扫描头外观 2 扫描软件界面介绍 如图 2 2 所示为扫描软件的主界面 客户区被固定分成四个区域 其中第一象限 是扫描点云显示区 第二象限是参考点管理区 第三象限是做摄像头图像显示区 第 四象限是图像显示区 10 图 2 2 扫描控制软件主界面 3 扫描类型 3DSS 扫描仪能满足大多数扫描任务 能很便捷的携带 安装投入运行 其扫描类 型有如表 2 2 所示三种 表 2 2 扫描类型 3DSS TD II 标准型 3DSS MINI II 迷你型 3DSS STDC II 彩色标准型 单幅扫描范围 典型值 mm mm mm 单幅扫描点数130 万130 万130 万 彩色 24bits 扫描精度 0 03mm0 02mm0 05mm 操作系统Windows XPWindows XPWindows XP 扫描头重置3 5Kg3Kg5Kg 单幅扫描时间输2 5 秒2 5 秒5 秒 输出文件格式ASC CRML2 0ASC CRML2 0ASC CRML2 0 11 4 扫描系统的基本操作 1 正确连接好所有电缆插头 打开镜头投影盖 2 先启动计算机再启动扫描仪 3 运行 3DSS 扫描软件 点击主菜单 初始化 下的直接控制对话框 图 2 3 直接控制对话框 通过上面的按钮 可以直接控制扫描头的操作 开灯 关灯按钮可以打开或关 闭投影灯 其余按钮依次是不同扫描模式 扫描时会自动投影到物体上 在此可以点 击任意一个按钮投影中的一个 供检查或实验只用 4 在主菜单工具子菜单里 有 CCD 控制 二级菜单 点击其中的 拍摄 菜 单项 即可开启实时摄像功能 在左右摄像头对应的视图窗口内 动态显示各自动拍 摄内容 5 调节 CCD 参数 在左右两个 CCD 视图区内 分别有电子亮度 电子光圈和电子增益三个拉动杆 在连续摄像功能打开的前提下 可调节相应的参数 调节效果立即在窗口中显示出来 可根据环境 灯泡亮度 扫描材质调节这三个参数 两个 CCD 的参数应尽量调节成一 样 调到最佳值后 可在 参数 中的 CCD 参数 中进行设置 作为下次启动软件时 两个 CCD 的系统默认参数 根据待测物体待测材质的不同 可以调整增益 使亮度适 宜 亮度适宜的标准是动态图像窗口中刚出现一点红色 红色图像太多表示图像太亮 12 会使扫描结果变差 此时应该调低增益 如果图像太暗也不利于扫描 应调高增益 电子光圈不宜随便调动 否则可能会使图像出现滚动的暗条纹 这会使扫描结果大为 恶化 应绝对避免 5 扫描是应注意的事项 1 扫描前应确认左右摄像头位置是否安装正确 2 扫描前要用标定板对扫描头进行标定 3 要对待扫描物体的黑色表面 透明表面 反光面等进行处理 4 对待扫描物体喷显像剂时 喷涂要均匀 不要喷到皮肤上 不要吸入 对贵重 物品要先试喷 喷涂现场应通风 禁止吸烟 2 3 零件扫描过程 爬行士兵外壳是一个三维的曲面模型 其外形曲面结构相当复杂 采用单视扫描 方法很显然无法得到零件完整的点云数据 采用多视扫描方法 扫描时利用扫描软件 的自动拼合功能将相邻两个扫描视角的公共区域拼接起来 其扫描流程如下 1 启动软件 确认左右摄像头安装正确 2 调整摄像头镜头 将焦距调整到最佳扫描位置 3 标定扫描头 标定计算使极差要小于 2 4 建立一个新项目 5 设置扫描参数 6 打开投影灯 扫描头对准待扫描区域 观察左右视频区 调准三脚架或物体 使扫描头基本垂直于物体表面 物体的扫描距离近似等于设定的扫描距离 7 观察图像亮度是否合适 不合适则调准相应的增益参数 8 扫描第一副点云 按菜单项 扫描 图标 软件自动地先扫描参考点 再进行 点云扫描 在右上角的点云显示窗口中观察可视区内的参考点和点云是否都被扫描到 点云是否完好 若对扫描结果满意 则按参考点管理窗口的 OK 按钮 使参考点固 定并显示为红色 9 将当前视角加一 扫描下一个视角的点云 并按 匹配 按钮进行匹配 10 扫描完所有视角后 输出点云并保存点云数据 11 扫描结束后关闭连续摄像功能 然后才能关闭扫描程序 图 2 4 图 2 5 图 2 6 为爬行士兵外壳在三个不同视角下的扫描图片 13 ab 图 2 4 第一视角扫描 ab 图 2 5 第二视角扫描 ab 图 2 6 第三视角扫描 14 通过上面三个视角对爬行士兵外壳扫描 基本可以得到其完整的曲面点云数据 上面六个图中 黑色正方形是扫描是贴上去的参考点 当第一视角扫描完成之后再继 续做第二视角扫描是 要先点击扫描软件的图标 这样就把当前视加一 转换到 下一个视角 进行下一个视角的扫描 扫描时相邻两个视区内的公共参考点必须有三 到五个 扫描完后 点击 匹配 按钮 匹配成功之后 相邻两个扫描视角下的点云 数据就拼接起来了 3DSS 扫描软件进行多视扫描就是用这一拼接功能 对不同视角下 扫描得到的点云数据进行拼接 从而得到零件完整的三维点云数据 2 4 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 扫描时在零 件表面适当位置贴参考点 进行多视角扫描 利用拼接技术对不同视角下的点云数据 进行拼接 得到完整的曲面点云数据 15 第 3 章 逆向工程的后处理 3 1 逆向工程的后处理 3 1 13 1 1 逆向工程后处理的要求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云所产生的三角网格 所以点云数据 的处理 曲面的构建方式及修边与分析功能的健全 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 面建构时点云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 依据逆向建模策略和实现方式的不同 当前曲面重建的方法可以大致分为两种 传统曲面造型方式和快速曲面造型方式 所谓传统曲面造型方式指的是遵从经典的由 点 线 面的曲面造型方式 它使用 BEZIER 和 NURBS 曲面直接由曲线或测量 点来创建曲面 而快速曲面造型方式指的是通过对点云的多边形网格化处理并对网格 使用 BEZIER 或者 NURBS 曲面进行拟合来创建曲面 快速曲面重建系统的典型代表是 Geomagic Studio 其完整的流程如下 1 从点云中重建出三角网格曲面 2 对三角网格曲面编辑处理 16 3 模型分割 参数化分片处理 4 栅格化并 NURBS 拟合成 CAD 模型 3 1 23 1 2 点云数据处理点云数据处理 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 杂点就是测量错误的点 不是噪声 是无效的点 放大后就看得出 很明显地 离开零件表面 孤立的点 譬如 激光扫描仪生成的图像里就比较多杂点 散布在图 像四周 轮廓边缘外尤其多 而 CMM 的杂点通常较少 或因为零件表面很粗糙 很 糟糕 或出现在测量沟 台 孔处 或因测量时的抖动引起 对这样的点 一般用手 工或使用分离点 3 数据的噪声滤除 排序 平滑化及筛减 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 对点云数据进行统一采样与封装 点云噪声点 体外孤立点以及非连接选项处理后 就可以对点云数据进行统一采 样和封装了 对点云进行统一采样时 根据物体表面的平滑度及物体的几何外形 应 该把曲率优先值调到适合的大小 以方便后续处理 封装是根据物体的类型选择封装 的类型为曲面或者体积 封装时 可根据物体外形尺寸的大小选择目标三角形数 一 般选择默认值 但也可以根据自己的需要适当的把目标三角形数值稍微调大 3 1 3 1 3 3 三角形网格曲面编辑处理三角形网格曲面编辑处理 17 在建模的初期 应对模型整体的建构有一定的初步的规划 可以在模型上勾勒出 曲面与曲面间隔 也可将模型的一些简单几何要素找出来 作为后续曲面建模与模型 基准的参考 必须了解对精度与平滑度之间取舍的允许度 在允许的精度误差上 会 舍弃精度取平滑度 必须对后处理的过程有全盘的了解 由于不同的曲面建构 不同 的软件以及后续的加工等 都可能造成不同的结果 所以必须了解后续工作的动作过 程 以控制误差的允许度 曲面的建构应尽可能简单 简单的曲面有利于后续工作的修 编 较容易构建出较高质量的平滑曲面模型 在曲面编辑之前 如能利用软件的分析功能 来充分掌握构建构曲线的精度与控 制点 则构建出高质量曲面的可能性较大 基本几何曲面的构建在逆向工程中 由于 测量出来的点数据坐标可能没有固定 所以用点数据构建基本几何要素的功能就显得 相当重要了 利用这些基本几何要素 可以很方便地找到平面 模型的孔位 定位用 基准等 要对基本几何体做出快速的分析 随着测量系统的不同 测量出来的精度也 有差异 最好要配合软件的分析功能 分析显示基本几何信息 如尺寸 位置等 再 作适度的调整 求出最佳的结果 1 破孔的填充与边界修补 对点云数据的封装 只是得到物体初步的几何外形 由于 3DSS 扫描前必须对物 体表面的黑色表面 透明表面及反光面做处理 而物体表面又存在圆孔 矩形槽 参 考点等特征 加上扫描时周围环境 室温的影响导致扫描时部分点云数据丢失 在封 装阶段就会在物体表面形成不规则的小孔 和一些不完整的边界 这时就需要用填充 孔命令将物体表面的破孔及边界缺失的部分填充上 参考实物模型 尽量还原物体的 几何外形 完成曲面构建 2 烂面填充 封装后得到的曲面表面是由许多多边形构成的 这样形成的曲面 在物体表面会 有很多烂面 采用 Geomagic 软件可以把部分烂面删除再重新填充 对于部分凹孔 可 以采用去除特征的方法使模型中的小孔填满 3 边界编辑 封装阶段得到的曲面是由很多不规则多边形构成的 而且填充孔也是以多边形的 形式填充 这样在模型边界就会形成大量的不整齐的边界曲线 为了后续处理的顺利 进行 对于不整齐的边界 可以执行 编辑边界 命令 减少控制点的数目使边界变得整 齐 当多边形阶段对模型的编辑达到满意时 对模型进行最后一步操作 执行 修复相 交区域 对相交的三角形进行松弛 消除操作 如果无三角形相交 系统则提示 没有相 交的三角形 即使是不同的模型 对于点阶段和多边形阶段的操作都相类似 以上涉 18 及的命令在任何模型点云的处理过程中几乎都会用到 一般情况下 多边形阶段编辑 的好坏将决定最终曲面的质量 3 1 43 1 4 快速曲面重建的曲面阶段快速曲面重建的曲面阶段 曲面阶段的编辑的方法具有可选性 进入曲面阶段有两个模块可选 形状模块和 制作模块 形状模块有两种方法 一种从执行命令 探测轮廓线 开始 另一种从执行命 令 探测曲率 开始 制作模块即进入了 Geomagic studio 软件 Fashion 模块 本课题采用 由 形状模块 进入曲面阶段 由 探测曲率 开始 通过编辑菜单下的阶段 形状 阶段进入到形状模块后 执行 探测曲率 命令 通过对 粒度 曲率级别 的调整 以及简化轮廓线命令 在模型曲率较大区域获得轮廓线 以橙色线显示 同时根据 粒度所设定的目标值在模型上形成一系列的三角形区域 执行 编辑轮廓线 然后对软 件自动探测到的轮廓线进行编辑 根据模型自身的特点使用绘制 松弛 收缩等命令 对轮廓线进行编辑到准确位置 并保持轮廓线的平顺 执行 细分 延伸轮廓线 命令 延伸线根据轮廓线生成 延伸线在模型表面所占的区域即为曲面之间的过渡区域 使 轮廓线所划分的各块面部相互连接 形成一个完整的曲面形状 轮廓线将整个模型划分为不同的区域 每个区域即为一个面板 执行 构造曲面片 命令 将各面板铺设曲面片 曲面片数目可以通过软件自动估计 也可以指定数目 再执行 移动面板 命令 对所有面板进行定义 即指定所有的面板类型 由于在定义面 板时 可选的有格栅 条 圆 椭圆 套环以及自动探测 为了更准确地表达曲面 所以在构造曲面片时尽量使面板的定义在前五种定义范围之内 最终可得到曲面片均 匀网格化的模型 3 1 53 1 5 栅格化并栅格化并 NURBS 拟合成拟合成 CAD 模型模型 当所有面板都完成网格化之后 执行 构造格栅 命令 将 分辨率 调到合适的值 完成曲面栅格构造 并在 非均匀有理 B 样条 菜单下选择 NURBS 模型到 CAD 模 型 完成模型转化 得到最终的 CAD 模型 3 2 曲面重构具体过程 1 点云数据处理阶段 1 打开 Geomagic 软件界面 在此环境下导入扫描的爬行士兵玩具外壳的点云 数据 见图 3 1 19 图 3 1 点云数据导入图 2 使用去除孤立点命令去除孤立点 红色点 及多余的测量点 见图 3 2 图 3 2 去除孤立点 3 处理后的结果如图 3 3 图 3 3 点阶段处理后的图形 20 4 使用封装命令对点云分装后形成多边形曲面 见图 3 4 图 3 4 封装后的多边形曲面 2 构建曲面阶段 1 处理中的图形 见图 3 5 图 3 5 填充孔及烂面的过程 2 对部分特征进行去除 见图 3 6 图 3 6 去除特征 21 3 终处理后的的多边形曲面 见图 3 7 图 3 7 完整网格曲面 3 形状阶段 1 由多边形阶段进入到形状阶段并划分区域 见图 3 8 图 3 8 网格划分 2 根据橙色约束线在不同区域规划网格 见图 3 9 图 3 9 编辑曲面片 22 3 对排列整理后形成的曲面片构造栅格 见图 3 10 图 3 10 栅格构造图 4 构造栅格后最终拟合曲面并转化为 CAD 模型 3 3 UG 环境下的实体建模 3 3 13 3 1 曲面缝合曲面缝合 UG 环境下曲面缝合用于连接两个或多个片体 并建立单一片体 如果选择作缝合 操作的片体形成一个封闭的容积 择缝合操作将创建一个实体 但是 在封闭容积中 的片体组之间的缝合缝隙必须小于指定公差 否则结果仍然是片体 如果两个实体共 享一个或者多个共同表面 则可以将两个实体缝合成一个单一实体 本课题的软品模 型曲面是用 Geomagic 软件制作的曲面片 片与片之间的间隙较大 在 UG 中缝合曲面 片时应将公差调大些 见图 5 1 缝合片体后 对缝合后的完整曲面片进行处理 在曲 率较大的地方做适当修剪 将曲面片加厚到 1 0mm 完成塑件的外形实体建模 见图 5 2 图 5 1 曲面片 图 5 2 实体模型 23 3 3 23 3 2 塑件特征设计塑件特征设计 本课题采用 3DSS 扫描仪扫描得到的知识模型外表面的点云数据 对点云数据经 过一系列处理后 还应应用 UG 的实体建模功能完成塑件的特征设计 设计方法是在实 体的适当部位建立适当的空间曲线 并以此建立合适的基准平面 并利用游标卡尺等 测量工具 测得模型内部一些特征的形状和位置尺寸 用 UG 的拉伸和修剪体的功能完 成模型的特征设计 还原塑件的完整形状 见图 5 3 图 5 3 特征模型 3 4 本章小结 本章是探讨逆向工程关键的一步 逆向工程的后处理技术 首先论述向工程处理 的内容和处理的原理 然后结合软件 Geomagic 的逆向工程功能将扫描得到的玩具爬行 士兵的点云图处理成零件图 阐述了 Geomagic 软件基本功能 将点云数据转化成 CAD 模型的基本原理及形成 CAD 模型的过程 可以看出将点云数据转化成 CAD 模型好坏 关键在于对点云处理后的网格曲面进行处理 网格曲面如果处理得比较完美 转化的 CAD 模型也会有较好的效果 24 第第 4 4 章章 Moldflow 模流分析模流分析 Moldflow 是一款模拟注塑成型的软件 利用计算机技术模拟注塑成型全过程 预 测制品最终可能出现的缺陷 找到缺陷产生的根本原因 在模具加工值钱得到最优化 的制品设计 模具设计方案和最适宜的成型工艺条件 确保产品以最短的周期 最低 的成本投入市场 增强市场竞争力 4 1 最佳浇口位置分析 Moldflow 软件中的 MPI Gate Location 浇口位置分析模块可以准确快速的分析出塑 件的最佳浇口位置 如果模型需要设置多个浇口时 可以对模型进行多次浇口位置分 析 在划分好网格后 开始进行模具流动性分析 步骤 选择分析序列 Gate Location 选择材料 GE plastic 公司的 ABS 成型条件设置 为默认 立即分析最佳浇口位置如图 4 1 所示 图 4 1 最佳浇口位置 结果如图所示 在手臂和外壳衣肩处的蓝色区域为塑件最佳浇口位置 将浇口设 置在该区域可保证注塑过程中熔体的平衡性 4 2 塑件流动性分析 注射时间与塑料的流动性 制品的几何形状和尺寸大小 模具浇注系统的形式和 其他因素有关 注射时间由流动充模时间和保压时间两部分组成 25 4 2 14 2 1 熔接痕分析熔接痕分析 熔接痕是塑件表面的一种线状痕迹 由注射或挤出中若干股流料在模具中分流汇 合 熔料在界面处未完全熔合 彼此不能熔接为一体 造成熔合印迹 影响塑件的外 观质量及力学性能 由图 4 2 可知 黑色线条为制件的熔接痕 且熔接痕的数量相对 较少 几乎分布在制件的内表面相对隐蔽处 不影响制件的外观 图 4 2 熔接痕位置 4 2 24 2 2 气穴的分布气穴的分布 制件上出现气泡的原因可能是模具过热或过冷 模具成型压力不够 成型时间过 短 塑料压缩率过大 空气含量过多 加热不均匀等几个因素 本制件气穴位置如图 4 3 所示 大多数分布于产品的边缘地带 分型面附近 气体很容易排出 并不影响制件 的外观 在制件结构转折处 这些位置由于结构原因压力较小 适当提高注射压力可 以减少气泡的数量 由于气泡出现的部位对其结构强度影响不大 因此允许其存在 图 4 3 气穴分布图 26 4 2 34 2 3 注射压力与锁模力变化曲线注射压力与