连杆三维数字化检测与逆向造型设计毕业论文.doc

装订线长 春 大 学 毕业设计（论文）纸连杆三维数字化检测与逆向造型设计毕业论文目 录第1章 绪 论11.1 逆向工程简介11.2 逆向工程的国内外研究现状31.3 课题研究的意义和内容5第2章 数据获取62.1 接触式测量方法及其优缺点72.2 非接触式测量方法及其优缺点82.3 连杆的数据获取9第3章 软件的学习与应用113.1 CAD技术的发展阶段113.1.1 线框造型阶段113.1.2 曲面造型阶段113.1.3 实体造型阶段123.1.4 参数化造型阶段123.1.5 变量化造型阶段133.2 CATIA软件简介143.3 CAD模型数学机理简介153.3.1 曲线连续性153.3.2 曲线的阶次163.3.3 曲面的几何组成163.3.4 曲面模型的评价指标173.3.5 逆向工程中曲面设计的要点183.4 Geomagic Qualify软件介绍193.5 Geomagic Studio软件介绍及应用20第4章 连杆逆向造型过程314.1 输入连杆的点云314.2 编辑点云324.2.1点云过滤324.2.2 点云铺面334.3 连杆的曲面重构364.4 本章小结50第5章 连杆三维数字化检测515.1 连杆数学模型与点云的检测515.2 连杆逆向后实体模型与点云的检测595.3 修改连杆实体模型并进行检测675.4 连杆实体模型修改前与修改后部分图片对比73结 论75致 谢76参考文献77附 录78附录一78附录二89共 II 页 第 II 页第1章 绪 论1.1 逆向工程简介当今工业中的许多领域，都需要已存在物体的计算机稽核模型，但往往又得不到现成的这类几何模型的原始数据，这就需要实际形体来生成计算机几何模型，逆向工程因此应运而生。逆向工程即RE(Reverse Engineering)，也称反求工程或反向工程。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，对已有的产品实物、样件、软件(包括样图、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)进行解剖、深化和再创造，是已有设计的再设计。它源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。传统的设计过程是首先要根据市场需求，由设计师基于产品或构件的功能和外形才CAD软件系统中构造几何模型，然后通过数控加工生成产品。我们称之为正向工程(或者顺向工程)。概括地说正向设计是由未知到已知，由想象到现实的过程，其示意图如图1-1.图1-1 正向工程流程图而逆向工程的设计过程则是从已有产品出发，回溯去寻求产品的科学性、技术性、先进性、经济型、合理性等等，在对其消化和吸收的基础上对产品进行分析、再创造、其设计过程示意图如图1-2所示。图1-2 逆向过程设计流程图逆向工程最初起源于航空航天和汽车工业。因为这两个领域对空气动力学性能要求很高，在产品开发的初级阶段就要认真考虑空气动力性能。常规的设计流程是首先经过概念设计出结构，由设计师制作出油泥模型，然后将模型送到风洞实验室去测试空气动力学性能，再很据试验结果对模型进行修改，经过反复修改直到获得满意结果为止。最终由逆向工程将这些实物模型转化为数字化几何模型，进而进行加工制造。随着技术更新换代速率的加快和消费水准的不断提高，很多其它行业也纷纷采用逆向工程技术进行产品设计。要在较短的周期循环中完成多样性、独特性和具有高竞争力的产品，必须尽快加速制造业的基础模具业的发展。过去，模具工厂是依靠技术工人手工制作复杂表面，后来发展了通过仿形机直接进行样件仿形的铣削加工方法。但是这些传统的模具制造工艺的效率和精度都无法满足生产要求，严重制约了模具设计加工的发展。而逆向工程技术则为快速设计和制造提供了很好的技术支持，能大大提高模具设计制造的精度和效率。综上所述，逆向工程应用非常广泛。在航空航天、汽车、模具制造业、工业设计、医学等领域都有重要的应用价值。总结起来，主要包括以下情形：(1) 在对产品外形的美学有特别要求的领域，如何根据造型师制作出来的模型，快速建立三维CAD模型，就必须引入逆向工程技术。(2) 当设计需要试验测试才能定性的工件模型时，首先要求在实体模型、缩小模型的基础上经过各种性能测试（风洞试验等）建立符合要求的产品模型。此类产品通常是有复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的试验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及模具。(3) 在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，在对零件原型进行测量的基础上，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代码或快速原型加工所需的数据，复制一个相同的零件。(4) 在模具行业，常需要通过反复修改原始设计的模具型面得到符合要求的模具。然而这些几何外形的改变，却往往未曾反映在原始的CAD模型上。借助于逆向工程的功能和设计、制造间所扮演的角色，设计者现在可以建立或修改在制造过程中变更过的设计模型。(5) 很多物品很难用基本几何来定义和表现，例如流线型产品、艺术浮雕及不规则线条等，在这种场合下，必须引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发难度。(6) 逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。利用逆向技术，可以直接在已有的国内外先进的产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再优化设计与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大的缩短产品开发周期，有效地占领市场。(7) 逆向工程也广泛应用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的损坏零件等等。此时，不需要复制整个零件，只是借助于逆向工程技术抽取原来零件的设计思想，用于指导新的设计。(8) 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需要首先建立人体的几何模型。(9) 在RPM的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程技术，可以方便的对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，逆行重新设计，经过反复迭代可使产品完善。现代逆向工程技术除广泛应用在上述的汽车工业、航天工业、机械工业、消费性电子产品等几个传统领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比如立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画等；另外在医学科技方面，比如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、人体外形测量、医疗器材制作等，也有其应用价值。总之，逆向工程是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，具有广阔的应用前景。尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业的快速CAD设计与制造水平，增强产品设计与制造中的高新技术含量，提高产品的市场竞争能力，具有重要的实际意义和较高的应用价值。1.2 逆向工程的国内外研究现状随着计算机技术发展，逆向工程技术与计算机辅助测量(CAT)、辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)以及计算机辅助工程分析(CAE)的结合日趋紧密。逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等计算机辅助技术集成应用的一个典型例子，是计算机集成制造系统(CIMS)研究的一个重要分支。逆向工程引起各国工业界和学术界的高度重视，有关逆向工程技术的研究与应用一直受到政府、企业和个人的关注。一些重要的国内外学术会议将逆向工程及相关技术作为一个重要的会议专题。国内已经形成了长期从事逆向工程的单位和个人。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。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20年时间从经济上几乎处于瘫痪状态而一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国，这和其善于引进国内外先进技术并进行消化、吸收、创新分不开的。逆向工程作为消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强经济竞争能力。随着科技的日新月异和市场全球化趋势，世界范围内的市场竞争越来越激烈。要在激烈的市场竞争中占有一席之地，企业不仅要有适应市场需求的产品，还必须不断提高产品的质量和性能、缩短产品的生产周期，以保持持久的竞争能力。学习先进的技术、引进先进的装备、采用先进的设计师推动企业技术进步、提高产业产品竞争能力的重要途径。同时在制造领域，近40年来随着科技的飞速发展，市场竞争加剧，社会需求多样化，各种产品在不断提高性能的同时，个性化要求越来越强，其外形也变得越来越复杂。一方面小批量特殊制造要求提高；另一方面，计算机技术、信息技术在制造业中得到广泛应用，使逆向工程的应用范围越来越广泛。同时在与制造业密切相关的航空航天、汽车、造船及模具等工业领域，自由曲面零件在现代工业中得到了越来越广泛的应用。随着产品功能和外形等方面的要求日益严格，加工质量和生产周期对提高产品的性能和市场的响应速度起着关键作用。目前，世界上三坐标测量机的数量已经数以万计，在国际市场上的竞争日益激烈，其中著名的产品提供商有德国Zeiss公司、美国Brown&Sharpe公司、英国LK等。国际上著名的非接触式测量设备有德国GOM公司的ATOS、德国Steinbichler公司的COMET、美国Cyberware公司的三维激光彩色扫描仪、美国CGT公司的层析断层测量机等。一些CAD/CAM软件也集成了逆向工程模块，如Pro/Engineering模块等。专用的逆向工程软件相继出现，具有代表性的有：美国EDS公司的Imageware、英国DelCAM公司的CopyCAD、英国MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction等。专用逆向工程软件取得了较大发展，但在实际应用中还存在一定的局限性，提供的曲面造型手段及辅助功能与功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有不小差距。而传统的CAD/CAM软件虽然集成了逆向工程模块，但是对于处理庞大的点云数据仍存在一定的困难。在国内，逆向工程的研究工作也有一定的进展。国内目前已经有中国航空精密机械研究所、青岛前哨柯发测量设备有限公司、西安爱德华等10余家主要的三坐标测量机的生产厂家。在非接触式测量方面，国内较著名的有海信技术中心工业设计所和西安交通大学合作研制成功的具有国际领先水平的层析式数字化测量机(CMS系列)、西安交通大学和台湾智泰科技公司合作开发的LSH型激光扫描仪、深圳特得维有限公司的TDV系列三维扫描系统等。在软件方面，浙江大学CAD实验室在CT复员三维模型方面开展了大量的研究并取得较好的成绩，推出了Re-Soft软件系统；上海交通大学利用BP神经网络重构基于数字化点的曲面。目前，我国逆向工程设备和软件的研究主要在浙江大学、西安交通大学以及个别公司中开展，至今还没有出现具有真正的集开发和产业与一体的经济实体。我国的逆向工程研究仍处于摸索阶段。逆向工程技术经过20多年的研究和发展已经取得了巨大的成就，但这项技术在理论研究和实际应用方面仍存在许多需要解决的问题。逆向工程仍在发展之中，还有很大的，还有很大的发展空间。1.3 课题研究的意义和内容数字化检测技术是一项具有广泛应用前景的高新技术，对于检测手段的柔性化、自动化具有重要意义。随着科学技术的发展和制造水平的提高，人们对于曲面的零件的精度要求也越来越高，而曲面零件形状复杂，用传统的检具检验时难度大，且检验精度不高，如何采用有效的方法取代传统的检具，提高曲面零件的检测精度是实际生产中急待解决的问题。本课题正是在这一背景下设立的。逆向工程是先用一定的测量手段对实物或模型进行测量，而后把测量数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型，并在此基础上进行改进设计及生产全过程，它在产品设计中的应用具有非常重要的意义。首先，它能够拓展设计师的思维。其次，它缩短了设计周期，降低了设计成本。 最后，它对消化和吸收国外先进技术有着重要的意义。论文研究的内容是基于逆向工程的连杆模型重建。应用CATIA软件完成教学用连杆三维建模，应用天远OKIO-三维扫描系统完成连杆点云的采集，应用CATIA软件完成点云的预处理以及连杆的逆向造型设计，应用Geomagic Qualify完成连杆三维数字化检测，生成检测报告。第2章 数据获取逆向工程中数据获取是逆向工程中的第一个环节，是具有复杂曲面的产品进行建模、评价、改进和制造的基础。数据获取是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。高效率、高精度地实现零件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。随着新原理和新技术的不断发展，测量设备正在向着高速度、高精度、系统化、集成化、智能化的方向发展，但是各种测量方法仍存在自身的优点和缺点。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方式的不同。因此，要根据工作的具体要求来选择合适的测量设备和测量方法。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大类，即接触式数据采集与非接触式数据采集。根据测头的不同，接触式又可分为触发式数据采集和连续式数据采集；非接触式数据采集根据原理不同，又可分为光学式数据采集和非光学式数据采集。其中光学式数据采集包括三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法等；而非光学式数据采集则包括CT测量法、MRI测量法、超声波测量法和层析法等。各种测量方法的具体分类如图2-1所示。图2-1 实物数字化方法2.1 接触式测量方法及其优缺点接触式测量一般采用三坐标测量仪，沿着样件截面线进行测量，将复杂的三维曲面测量转化为二维测量，按曲面曲率的变化不均匀的布点。接触式数据采集方法包括使用基于力变化原理触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。(1) 触发式数据采集方法 触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到样件表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖(侧球中心点)的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。(2) 连续式数据采集方法 连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或有较软材料制造的模型。由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。(3) 磁场法 该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化。接触式测量的优点：(1) 准确性及可靠性高。因接触式探头发展已有几十年，其机械接头及电子信号已相当成熟。(2) 与工件的反射性无关。接触式数据采集为探头直接接触在工件表面，故与工件表面颜色与曲率关系不大。(3) 被测量物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确的测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的缺点：(1) 为测量基准点而使用特殊夹具，会导致较高的测量费用。不同形状的产品需要不同的夹具，而使成本大幅度增加。(2) 探头会因为接触力而磨损，为保证精度需要经常校正探头的直径。不当的操作会使探头变形或损坏，也会影响被测物体的表面精度。同时也可能损伤被测件表面。(3) 由于是逐点测量，所以测量速度较慢，效率低。(4) 由于其内部原和测量方式先天限制，存在着难以克服的静态和动态误差。(5) 一些工件内圆角较小，可能用探头无法测量；对于复杂的三维曲面，用球头测量曲面修正较困难。2.2 非接触式测量方法及其优缺点非接触式测量装备是利用某种与物体表面发生相互的作用的物理现象，如声、光、电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中，以应用光学原理发展起来的测量方法应用最为广泛如激光三角法、结构光法等。由于其测量迅速，且不与工件接触，因而对于质地柔软的零件也能测量等优点，越来越受到人们的重视。(1) 激光三角法 激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原理是：利用具有规则几何形状的激光投影到被测量表面上，形成的漫反射光点的像被置于某一空间位置的图像传感器吸收，根据光点(光带)在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。激光三角法根据入射光不同，以三角法为原理的测量方法可分为点测量、线测量和面测量三种。点式激光测量三角测量法常采用直射式和斜射式两种。(2) 结构光法 把一定模式的光源(如光栅)投影到被测件表面，受被测物体表面高度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的图像，通过调解变形光栅影线，就可以得到被测表面的整幅图像上像素的三维坐标。(3) 激光干涉法 由一个光源射出的一束光经过分光后产生的两束光分别射向参考平面和目标平面，反射后的两束光产生干涉图样，通过分析指定的入射光的波长与干涉图样之间的关系测得目标平面与参考平面的距离。(4) 工业CT法 是一种射线成像检验技术，它对被测物体进行断层截面扫描。以X射线的衰减系数为依据，用数学方法经过电子计算机处理而重建断层截图图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。(5) 核磁共振法(MRI) 其基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动到静态场得平衡时，把吸收的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号，信号输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。(6) 超声波法 超声波测量方法的原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质变界面会发生回波发射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，即可计算出各面到零点的距离。这种方法相对于CT和MRI来说，设备简单，成本低，但是测量速度较低且精度不高。目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。(7) 层析法 层析法是一种直接从样件到模型的使用、可靠的方法，它可以对任意复杂形状的样件进行快速测量。这种测量方法可以对具有孔或者内腔的物体进行测量，测量精度高，得到的数据完整，但是这种测量方法是破坏性的。与接触式测量相比，优点如下：(1) 不必做探头半径修正，激光点位置即为工件表面位置。 (2) 测量速度快，不必像接触式触发探头那样逐点进行测量。(3) 由于是非接触式的，可测量软工件、薄工件，不可接触的高精度工件。(4) 与被测物体无接触，因此不会损坏工件表面。(5) 由于测取点云数据较多，且速度快，获得数据全，非常适合于扫描零件自由曲面的立体造型。当然，非接触式测量仪也存在着一些缺点：(1) 因为非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD(Position Sensitive Detector)来检测光点位置，目前PSD的精度一般，PSD目前精度不高，均0.02mm。(2) 由于其探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性(Reflectivity)影响，如反射光强度、被测物光顺程度、被测物颜色。(3) PSD易受环境光线及杂散光影响，故噪声信号比较多，需要进行后续处理。(4) 只能够对工件轮廓坐标大量取样，对边线处理、凹孔处理及不连续形状的处理较困难。(5) 使用CCD(Charge Coupled Device)作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，在工件几何外形变形大时成像会失焦，成像模糊。(6) 由于它采取的测量方法多是扫描式大规模取样，所以造成了数据量很大这个问题，使得后续处理较为繁杂。非接触式测量方法在高速采集数据方面具有显著的优势而且数据采集和数据处理能够进行并行处理，因此越来越受到重视。其中，光学原理的测量方法在接触式测量方法中应用最为广泛，基于光学原理的测量设备在逆向工程中的应用最为广泛。2.3 连杆的数据获取各种数据采集方法都存在一定的局限性，要根据逆向工程中测量样件的具体要求选择相应的测量方式，也可以采用不同的测量方式相互补充，以便高效率、高精度地实现样件表面的数据采集。此次设计连杆的数据采集是由天远OKIO-三维扫描系统完成的。天远三维扫描系统是北京天远三维科技有限公司与清华大学联合开发具有国际先进水平的光栅式扫描系统。该扫描方式有别于传统的激光点扫描和线扫描方式，采用照相式原理，在极短时间内获得整个物体表面的三维数据。天远三维扫描系统具有独特的GREC全局误差控制模块，首先利用标志点拼接形成被测物体标志点三维整体数据，把被测物体的大轮廓三维空间框架位置确定住，然后再对被测物体所需要相应部分任意地进行三维点云数据扫描，从而把每次扫描的点云数据自动地拟合到物体相应部位，得到高精度顺滑的三维数据。清华大学从90年代中期开始研究此项世界顶尖技术，目前已达到国际先进水平，并成功实现技术的产品化。天远三维OKIO扫描系统特点：(1) 非接触面扫描 天远三维扫描仪采用独特的照相式原理，在瞬间获得整个物体表面的三维数据，每次扫描一个面，效率极高。用于柔软、易变性的物体测量适用范围非常广泛。(2) 精度高 天远三维扫描仪利用独特的测量技术，可获得非常高的测量精度。(3) 速度极快 天远三维扫描仪单面扫描时间小于5秒。(4) 一键式标志点全自动拼接 天远三维扫描仪采用先进的标志点自动拼接技术使得拼接精度大大提高，拼接时间大大缩短。扫描过程变得非常灵活，扫描所得数据非常完整。(5) 对环境条件不敏感 环境光对该扫描仪的影响极小，相对于其他光学式扫描系统而言，该系统不需要在暗室中操作，适用环境范围非常广泛。第3章 软件的学习与应用随着综合国力的进一步增强和加入世界贸易组织，我国已逐步成为全球制造业的中心，并与国际制造业市场接轨，但目前我国制造业在技术含量和生产附加值较高的产品方面仍缺乏国际竞争力。我国政府已经提出信息化带动工业化的战略构想，CAD技术作为信息技术的一个组成部分，是促进新技术的开发和转化、实现设计自动化、降低消耗、缩短新产品开发以及工程建设周期、大幅度提高劳动生产率的重要手段，是制造企业提高自主升发能力和管理水平、参与国际合作和竞争的重要条件，是制造业信息化的源头，也是进一步向计算机集成制造系统发展的重要基础。3.1 CAD技术的发展阶段从CAD技术发展史来看，CAD三维造型技术的发展经历了线框造型、曲面造型、实体造型、参数化造型及变量化造型技术五个阶段。下面对这五个阶段分别加以介绍。3.1.1 线框造型阶段在20世纪50年代后期，计算机技术的发展提高了计算机绘图的可行性。计算机绘图技术的出发点是以电子图纸为媒介，利用计算机绘图来摆脱烦琐、费事、绘制精度低的手工绘图，是二维计算机绘图技术的起源。在此阶段，CAD的含义仅仅为计算机辅助绘图（Computer Aided Drawing）,利用传统的三视图方法来表达零件，而并非现在所讲的计算机辅助设计（Computer Aided Design）。二维CAD系统的具有较好的二维表达功能，如绘图时编辑剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等，可以帮助设计人员把图纸绘制规范、漂亮，在提高绘图效率的同时，便于图纸以后的修改及管理，因此二维计算机绘图技术得以迅速发展。以二维计算机绘图技术为主要目标的算法在20实际70年代末期基本发展成熟，其后作为CAD技术的一个分支平稳的发展起来。3.1.2 曲面造型阶段二维图纸很难描绘三维空间机构的运动以及检查产品的装配干涉问题。采用二维设计模式时，一般是在对产品进行试装、调试时才发现干涉或设计不合理等现象，再设计早期很难全面考虑整机的要求，因而导致设计修改工作量大、产品开发周期长、成本高等设计缺陷。进入20世纪70年代，在飞机及汽车等制造业中遇到了大量的自由曲面的问题，当时只能采用多截面视图、特征纬线的方法来近似表示所设计的曲面。由于曲面造型是利用各种特征面来描述曲面的，如平面、圆柱面、旋转面等，三视图的方法不能完整的表达零件的信息，因而按设计图纸制作出来的样品与设计者所想象的有很大的差异。法国的达索飞机制造公司率先提出了三维制造系统CATIA，该系统标志着计算机辅助设计技术从单纯模仿图纸的三视图模式中解放出来，首次实现以计算机来完整描述产品零件的主要信息，同时也使得CAM技术的发展有了实现的基础。以曲面造型系统为代表的技术革新，使汽车开发的手段与传统设计模式相比有了质的飞跃，新车型的开发速度大幅度提高。3.1.3 实体造型阶段与线框模型和曲面模型相比，实体模型是最为完善的一种几何模型。采用这种模型，可以从CAD系统中得到工程应有所需的各种信息，并将其用于NC编程、空气动力学分析、有限元分析等。SDRC公司基于对CAD/CAM一体化技术的探索，于1979年发布世界上第一个完全基于实体造型技术的大型CAD/CAE软件I-DEAS。实体造型技术能够精确的表达零件的全部属性，在理论有利于统一CAD、CAE、CAM的模型表达，给设计者带来了很大的方便。在当时的计算机硬件条件下，实体造型的计算及显示速度很慢，在实际应用中用于设计有点勉强，实体造型技术也没能推广开。推动此次革命的SDRC公司失去了一次飞跃的机会，在以后的10年里，随着计算机硬件性能的提高，实体造型技术尤为众多的CAD系统所采用。一直对曲面算法进行探索的CV公司首先取得了突破的进展，继承了各种软件为企业提供全方位解决方案的思路，采取了将软件的运行平台向价格较低的小型机转移等有利措施，成为CAD领域的领导者，试产份额迅速得以上升。3.1.4 参数化造型阶段如将过去的造型技术称为无约无束的自由造型的话，20世纪80年代中期，CV公司的技术人员提出更新颖、更高效的参数化三维实体造型方法可称为参数化实体造型。三维实体采用参数化设计，与传统的方法相比，其最大的不同点在于它存储了设计的整个过程。变化一个参数值时，无论是在三维造型上，还是在与之相关的二维工程图上修改，结果是相同的，都会引起三维模型和二维相关图线的重新生成。如配合力学分析的结果，这种更新和修改会更加可靠有效。这一点在零件改型或尺寸变动事时特别有用，可以通过调整参数来修改和控制几何形状，自动实现产品的的精确造型。由于参数化设计技术的核心算法与以往的系统有着本质的差别，若采用参数化技术，必须重新改写以往的CAD软件，投资及开发工作量必然很大。而当时市场上自由曲面的CAD设计需求量非常大，参数化技术还不能提供解决自由曲面的有效工具（实体曲面问题等），考虑到这些问题，CV公司内部否决了参数化技术方案。而公司内部主张参数化的技术人员在新思想无法实现时，集体离开了CV公司，另成立了参数化技术公(Parametric Technology Corp.,PTC),开始研制命名为Pro/E(Pro/Engineer)的参数化软件，Pro/E最大特点：一是它具有参数化、特征化定义实体造型的功能，可以给设计者提高设计上的简易和灵活性；二是它采用单一数据库的设计，是一种全相关的软件，既Pro/E中所有的模块完全互相连接，设计者在任何时候所作的修改都会扩展到整个设计中，自动修改所有的二维和三维尺寸，保证了数据的正确性，可以避免了反复修改的麻烦，并在Pro/E中能直接由三维模型生成二维工程图。早期的Pro/E软件性能较低，只能完成简单的工作，但由于第一次实现了尺寸驱动零件设计修改的技术，使人们看到了它的使用优势。20世纪80年代末，计算机技术迅猛发展，硬件成本大幅度下降很多中小型企业也开始有能力使用CAD技术。由于中小型企业用于产品设计的工作量不大，零件形状也不复杂，更重要的是它们无钱投资大型高档软件，因此它们很自然地把目光投向中低档的Pro/E软件。PTC公司一举打入这块市场，获得了巨大的成功进入90年代，参数化技术变得成熟起来，充分体现出其在通用件，零部件设计上存在简便易行的优势。3.1.5 变量化造型阶段 参数化三维设计技术也存在许多不足之处，最主要的是全尺寸约束功能。参数化技术必须要求全尺寸约束，既设计者在设计初期及全过程中，必须将形状和尺寸联合起来考虑，并且通过尺寸约束来控制形状，通过尺寸的改变来驱动形状的改变，一切以尺寸（参数）为出发点。一旦所设计的零件形状过于复杂时，面对满屏幕的尺寸，如何改变这些尺寸以达到所需要的形状就很不直观。再一个是拓补关系的依附性，既参数化技术使每对“父子”特征之间产生了很强大的依附性，这使得在一些简单零件设计中修改十分方便，但对于复杂零件，在设计中若某些形体的拓补关系发生改变，往往会使某些几何特征失去约束，造成系统数据混乱，从而造成修改的失败，这反而会给设计者带来麻烦。 根据参数化技术存在的不足，SDRC公司提出了一种比参数化技术更先进的实体造型技术，既变量化技术。变量化技术扩展了变量化产品的结构，允许用户对一个完整的三维产品从集合造型、设计过程、特征到设计约束，都可以实时直接操作，能保留每一个中间结果以备反复使用或优化设计时使用。采用变量化技术，完全符合设计人员进行机构设计和工艺设计这一习惯，使得设计人员的设计工作更加方便。变量化技术为用户提出了一种交互操作模型的三维环境，在可编辑性及易编辑性方面得到极大的改善和提高。当用户准备作预期模型修改时，不必深入理解和查询设计过程。用户在一个主模型中，就可以实现动态的捕捉设计、分析和制造等意图。 CAD技术的发展史，可以说是CAD软件的发展史，CAD技术的发展不断推动这CAD软件的发展。但CAD软件的发展并非只是CAD技术的发展，CAD软件包含的不仅是技术的先进性，还包括了许多其他因素，如市场的定位及销售、功能的实用性等。CATIA是基于曲面造型的，其核心算法并没有实质性的改变，但现阶段却因其功能强大而依然高居CAD软件榜首。3.2 CATIA软件简介CATIA(Computer Aided Three & Two Dimentional Interaction Application Sytem,计算机辅助三维/二维交互式应用系统)是由法国达索（DS）公司开发的大型CAD/CAM应用软件，后被美国的IBM公司收购。新一代的CATIA V5是IBM/DS公司在充分了解客户应用需求后基于Windows核心重新在CATIA V4基础上开发的高端CAD/CAM软件系统。1999年3月法国达索系统正式发布第一个版本，既CATIA V5 R1（CATIA Version 5 Release 1）。2003年4月发布的CATIA V5 R11(CATIA Version 5 Release 11),模块总数由最初的12个增加到了146个。将原先运行于IBM主机和AIX工作站环境的CATIA V4版本彻底改变为运行于微软Windows NT环境，99%以上的用户界面图标采用MS-Ofiice形式，并且自己开发了一组图形库，使UNIX工作站版本与Windows微机版本具有相同的用户界面。CATIA V5充分发挥了Windows平台的优点，在开发时大量使用了最新和最前沿的计算机技术和标准，使其具有强大的功能，具体的功能概括如下。(1) 复杂、灵活的曲面建模功能，CATIA不仅能够完成任何苛刻的要求的曲面设计工作，而且对于逆向工程提供了强大的数字化外形编辑模块，使逆向工程首次可以在CAD系统中更高层次地集成完成。CATIA特别针对A级曲面设计开发出汽车A级曲面设计(CATIA Automotive Class A,ACA)模块，该模块采用其独有的逼真造型、自由曲面相关性造型和实际意图捕捉等曲面造型技术，可生成和构造优美光顺的外形。它可以大幅度提高工作效率，并方便实用，开创了A级曲面处理的新方法，提高了A级曲面造型的模型质量和A级曲面(设计流程)的设计效率，并在总开发流程中达到更高层次的集成，将A级曲面整个开发过程提高到了一个新的水平。(2) 单一的数据结构，各个模块全相关，某些模块之间还是双相关；端到端的集成系统拥有宽广的专业覆盖面，支持自上向下(Top-down)和自下向上(Bottom-top)的设计方式。(3) 以流程为中心，应用了许多的相关工业优秀开发设计经验，提供提供经过优化的流程。(4) 创新的用户界面、极强的交互性能及界面图形化使用性和功能性结合起来，易学易用。(5) 独一无二的知识工程构架，创建、访问涉及的多学科知识有机的集成在一起。(6) 先进的混合建模技术，建立在优秀可靠的集合实现原理的基础上，具有领先的几何建模和混合建模功能。(7) 建立在STEP产品模型和CORBA标准之上，具有在整个产品周期内方便的修改能力，尤其是后期修改。(8) 提供多模型连接的工作环境及混合建模方式，实现真正的并行工程的设计环境。(9) 强大的数字样机技术，如形状虚拟样机、功能虚拟样机等。(10) 开放平台，为各种应用的集成提供了一个开放的平台。(11) 面向设计的工程分析，作为设计人员进行决策的辅助工具，开放性允许使用第三方的解算器(如NASTRAN、ADAMS)。(12) 具有完善的加工解决方案，唯一建立在单一的基础构架上、基于知识工程、覆盖所有CAM应用；支持电子商务，支持即插即用(Plug-Play)功能的扩展等。(13) 使用专用性解决方案，最大程度地提高特殊的复杂流程的效率。这些独有的和高度专业化的应用将产品和流程的专业知识集成起来，支持专家系统和产品创新，如汽车A级曲面造型、汽车车身设计、装配变形公差分析等。3.3 CAD模型数学机理简介3.3.1 曲线连续性曲线按数学形式可以分为直线、二次曲线(如圆弧、圆、椭圆、双曲线、抛物线等)、样条曲线等。样条曲线是通过一系列的离散点连接成的光滑曲线。B样条曲线现已作为工业标准。对于复杂曲面来讲，样条曲线是构建曲面的基础，在曲面建模中占有着非常重要的位置。用样条曲线几乎可以完成所有的复杂曲面。由于样条曲线都是由多样条曲线组合而成，这就涉及曲线的连续性问题，连续性通常有点连续、切线连续和曲率连续，各种连续性需要的条件如下：(1) 点连续。两连接曲线的端点坐标重合。两曲线断点处的切线向量和曲率中心没有要求。(2) 切线连续。两连续曲线端点的坐标、切线向量必须重合、曲率中心没有要求。(3) 曲率连续。两连续曲线端点的坐标、切线向量、曲率中心必须重合。3.3.2 曲线的阶次 由不同幂指数变量组成的表达式成为多项式。多项式中的最大指数称为多项式的阶次。 曲线的阶次用于判断曲线的复杂程度，而不是精确程度。简单的说，曲线的阶次越高，曲线就越复杂，计算量就越大。(1) 使用低阶曲线的优点1) 更加灵活。2) 更加靠近它们的极点。3) 使后续操作(显示、加工和分析等)运行速度更快。4) 便于与其他CAD系统进行数据交换，因为许多CAD只接受三次以下的曲线。(2) 使用高阶曲线常会带来的弊端1) 灵活性差。2) 可能引起不可预知的曲率波动。3) 造成与其他CAD系统数据交换时的信息丢失。4) 使后续操作(显示、加工和分析等)运行速度慢。由于在UG等CAD软件中默许的曲线阶次均为低阶，所以，一般来讲，曲面(曲线)设计时最好使用低阶多项式。3.3.3 曲面的几何组成曲面模型又称为表面模型。物体的形状、有关物理特性、有限元网格的划分、数控编程时刀具轨迹的计算等都是由物体的表面信息来确定的。(1) 曲面模型的描述方式曲面模型的描述方式通常有以下两种。1) 以线框模型为基础的面模型，就是把线框模型中的边所包围的封闭部分定义为面。2) 以曲线、曲面为基础构成的面模型，是以小平面逼近的方法近似的进行描述。对于需要精确描述的曲面，要通过曲面模型的参数方程进行表达。(2) 曲面造型常见的方法曲面造型常见的方法有以下几种。1) 扫描曲面。根据扫描的方法不同又可分为旋转扫描方法和轨迹扫描方法两类，一般可以形成以下几种曲面形式。 线性拉伸面。线性拉伸面是由一条曲线沿着一定的直线方向移动而形成的面。 旋转面。旋转面是由一条曲线绕给定的轴线，按给定的旋转半径旋转一定的角度而扫描成的面。 扫成面。扫成面是由一条曲线沿着另一条(或多条)曲线扫描而成的面。2) 直纹面。直纹面是以直线为母线，直线在两条轨迹上的线段的端点在同一方向上沿着两条轨迹曲线移动所生成的面。3) 复杂曲面。复杂曲面的基本生成原理：先确定曲面上的特定的离散点的坐标位置，通过拟合通过或逼近给定的型值点，得到相应的曲面。曲面的参数方程不同就可以得到不同类型和特性的曲面。常见的复杂曲面有孔斯(Coons)曲面、贝济埃(Bezier)曲面、B样条(B-Spline)曲面等。 孔斯曲面。孔斯曲面是由四条封闭边界所构成的曲面，它主要用于构成一些通过给定型值点的曲面，但不适用于曲面的概念性设计。 贝济埃曲面。主要是通过控制顶点的网格来确定曲面的大体形状，修改曲面的形状是通过控制点的位置来确定的，该方法的缺点是修改任意一个控制点都会影响整张曲面的形状。 B样条曲线。B样条曲线的构造方法不仅保留了贝济埃曲面设计方法的优点，而且解决了贝济埃曲面设计中存在的问题。3.3.4 曲面模型的评价指标(1) 曲面光顺的评价曲面的光顺性可按组成曲面网格的光顺准则去判断，曲线光顺的定义是如果曲线的曲率图是连续的且由一些单调线段组成，那么该曲线是光顺的。曲线光顺准则如下：1) 二阶几何连续。2) 不存在奇点和多余拐点，即曲线出现G个拐点，但在拟合时出现可多于G个拐点，这样是不允许的。也就是说不允许在不该出现拐点的地方出现拐点。3) 曲率变化小，当曲线上的曲率出现大幅度改变时，尽管没有多余拐点，曲线仍不光顺，因此要求光顺后的曲率变化均匀。4) 应变能小。对于曲面，通常依据曲面上的关键曲线以及曲率的变化是否均匀来判断。曲线光顺是曲面光顺的基础，曲面是否光顺并不由曲面的网格线光顺与否决定，但在实际应用中对曲面光顺实际上就是对曲面的网格曲线光顺，光顺的效果可以通过曲面的光照模型、曲率图、等高斯曲线等色彩图形去判断，也可以通过形状分布、明暗区域变化找到曲面不光顺区域，然后利用法矢、位矢扰动的方法光顺曲面，这是逆向工程研究的难点。(2) 模型精度的评价模型精度的评价是逆向工程中重建得到的模型和实物样件间的额误差，根据模型制造的零件是否与其数学模型相吻合，通过与最终模型的对比来进行的。具体说就是通过比较不同模型对应点之间的距离去检验实物模型与数学模型的差异，对应点是指实物上的点到模型曲面的最短距离点，当所有采样点到模型曲面的最短距离的最大值不超过给定的阈值，就认为重构的曲面模型是合格的。3.3.5 逆向工程中曲面设计的要点逆向工程(Reverse Engineering)技术，是指利用一定的测量手段对实物表面进行测量，根据测量数据，通过三维几何建模方法重构实物CAD模型的过程。有时人们把逆向工程称称为逆向设计、反求工程或反求设计，它相对于传统的设计方法“构思图纸产品”是一种逆向过程，即“现有产品电子数据创新构思新产品”的创新设计过程。逆向设计中，大量重要的工作是进行曲面设计及处理。逆向设计的过程可以看做是曲面设计的过程。逆向设计有时比正向设计更有挑战性。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在逆向设计一个产品之前，设计者首先必须尽量理解原有模型的设计思想，对设计对象进行仔细分析，同时要注意以下一些要点：(1) 原对象是否有缺陷，如不完全对称、异常凹坑和突起等。这些缺陷可能要事先进行修复或者进行逆向设计时修复。(2) 确定设计的整体思路，对自己手中的模型进行系统分析。面对大批量的无序的点云数据，初次接触的设计者会感到无从下手，这需要考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做。主要是将模型划分成几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。 (3) 确定模型的主题曲面。对于一个产品而言，整体曲面构成整个产品曲面最为重要的部分，即通常所说的大面。主题曲面一旦确定，整个产品的形状也就大体确定了。而关键曲面的光顺度是否合格，直接决定整个CAD模型是否合格。一些细节即使存在问题，也不影响模型。(4) 曲面重构是逆向设计的重点，对于不同曲面形状的类型，要选择相应的曲面模块。对于自由曲面，如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般组要具有方便调整曲面和曲线的模块；对于初等解析曲面件，如平面、圆锥面等则没有必要用自由曲面代替一张显然是平面或圆锥面的面。(5) 在确定基本曲面的控制线时，需要需要找出哪些点和线是可以用的；哪些点和线是一些细化特征的，需要在以后设计过程用的，而不是在总体设计中体现的。事实上一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时也应该选择一些扫描质量较高的点或线，对其进行拟合。(6) 曲线的光顺性调节是非常重要的。由于测量过程中测量得到的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，常常存在数字化误差，需要对其进行光顺处理。在逆向设计中，扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺性，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原型值点顺序，利用软件的相关功能模块进行调整。设计的准则是曲率的极值点尽可能少；相邻两极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。(7) 由于逆向工程中曲面造型既要保证曲面质量，又要保证计算精度。因此除了对原始值点进行光顺处理之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大。3.4 Geomagic Qualify软件介绍Geomagic Qualify是Geomagic公司出品的一款逆向校核软件，使用Geomagic Qualify可以实现迅速检测产品的计算机辅助设计(CAD)模型和产品的制造件之间的差异，Geomagic Qualify以直观易懂的图形比较结果来显示两者之间的差异，可以应用于产品的首件检验、生产线上或是车间内校验、趋势分析、