4012酸奶桶的逆向造型研究【机械毕业设计全套资料+已通过答辩】
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毕业设计（论文）开题报告 题目 酸奶桶的反求造型研究 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 078105304 学 生 姓 名 陈 烈 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、选题的依据及意义 ： 逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品 已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。逆向工程的整个实施 过程包括了测量数据的采集处理、 统处理和融入产品数据管理系统的过程。其中在 品建模系统中实现了数据预处理、曲线曲面拟合等。 从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数据建立与现有 统完全兼容的数字模型，这是逆向工程技术的最终目标。实现逆向过程后，通过 行实体整合，制造出酸奶桶模型，通过实体模型反求酸奶桶的制造模具。 二、国内外研究概况及发展趋势（含文献综述） ： 传统的产品设计一般都是“从无到有”的过程，设计人员首先构思产品的外形、性能以及大致的技术参数等，再利 用 立产品的三维数字化模型，最终将模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期，这样的过程可称为“正向设计”。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，就是根据已有的产品模型，反向推出产品的设计数据，包括设计图纸和数字模型 1。 逆向工程 (为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头 福特汽车公司倡导的汽车“ 2 毫米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战 2 。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计 阶段。减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。九十年代初在世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研究、开发热潮 3。 在计算机高度发展的今天，三维立体的几何造型技术已被制造业广泛应用于工模具的设计、方案评审，自动化加工制造及管理维护等各方面 4。而往往我们都会遇到这样的难题，就是客户给你的只有一个实物样品或手扳模型，没有图纸 据档案，工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为困难。用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时我们就需要采用各种测量手段及三维几何 建模方法，将原有实物转 化为计算机上的三维数字模型。这就是所谓逆向工程( 逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度数控加工等多个环节。其中作为快速反求的发展则是由传统的接触式测量向快速非接触式测量逐步发展，特别是承受着“光机电一体化”技术的发展，结合了计算机、图像处理，激光技术以及精密机械的三维激光扫描机逐渐成为了反求工程的主流。而三维激光扫描从形式上又是从点扫描测量向线扫描测量、场测量发展的，其中线扫描测量与点扫描同样基于“三角法测量原理”，同时借助于高精度，高分辨率的面阵像采集系统，从而使其具有了与点扫描形式类似的高测量精度以及可与场测量方式媲美的高效率。另外，采用步进电机带动旋转平台，可以获取被测物体的全轮廓数据信息，能真正做到了采用三维扫描方式获取物体三维形状信息 5 。 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、零部件和组件。 (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 6 。 逆向工程的专业软件有 ，这些软件非常适合处理大量扫描的点云数据。例如，对一个小车的外型进行激光扫描，大约可以得到 30 万个测量点，通过专业的 件建构而得到数字模型，达到了预期的效果 7 。 X 文版（简称 其功能覆盖了整个产品的开发过程，即覆盖了从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的全过程，在航空、汽车、机械、电器电子等各工业领域中应用非常广泛。 件起源于美国麦道飞机公司，自 20 世纪 60 年代起成为商业化软件以来，一直被全球众多知名公司所采用， 件在客户需求驱动下，汽车多个大型工程项目的实际考验，被公认为世界一流的企业级 体化软件之一。 为 X 中提供的逆向工程造型软件。具有强大的测量数据 处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的 )具有良好的品质和曲面连续性。 观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差 8。 以上介绍的是国外逆向工程软件，国内在逆向工程软件方面的研究主要集中在高等学校 (如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学 )，也有软件产品出现，但是由于系统稳定性、可操作性等原因， 这些研究性软件还没具备与国外商业化软件竞争的条件。由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件 较好的一个：该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好，并有良好的可操作性。由于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验因此系统的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这是国外软件所无法具备的。具有价格优势， 价格在同类软件中具有极强的竞争力；采用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持 9。 逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下： (1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖 3D 实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用 件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。 (2)当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建 立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的最终借助逆向工程，转换为产品的三维 型及其模具。 (3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。 (4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。 (5)借助于工业 术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状而且可以快速发现、定位物体的内部缺 陷 10 。 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)数据的顶处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，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 11。 三、研究内容及实验方案 ： 研究内容： 1） 酸奶桶的反求造型。 2） 基于 件将测量的的点拟合成曲线和曲面 3） 基于 建酸奶桶实体 4） 完成酸奶桶的 塑模设计 四、目标、主要特色及工作进度 目标： 对酸奶桶的点云模型数据处理利用 件将测量的的点拟合成曲线和曲面 、 建酸奶桶 实体 主要特色 ： 结合酸奶桶的设计制造的特点，采用逆向工程技术对酸奶桶进行设计研究 是一项开拓性、实用性和综合性很强的工作。用 逆向工程软件 酸奶桶点云数据进行反求处理 其重点难点是曲线的创建和诊断修改。采用逆向工程技术，不仅能够得到原实物的精确的复制品，而且可以进一步修改并生成完整的数学模型和产品图纸，为产品的更改以及后续的数控加工带来了很大的便利，大大地缩短设计开发周期，提高了产品设计的工作效率。 工作进度 ： 1. 开题报告、查阅资料、外文翻译（ 6000 字符 ) 3 周 2. 研究反求造型的基本方法 3周 3. 基于 4周 4. 基于 4周 5. 完成酸奶桶的 3周 6. 撰写毕业论文、毕业设计审查、毕业 答辩 1 周 五、 参考文献 1 金涛 , 童水光 . 逆向工程技术 . 北京 机械工业出版社 , 2003. 2 苏文慧 ,于学兵 . 逆向工程 汽车车身设计中的新型开发方式 J机械研究与应用 , 2005,(01). 3 朱东华 ,陈国富 ,王建峰 . 虚拟造型反求与快速成型 J机械设计 , 2006,(03). 4 姜斌 ,魏琳 . 基于逆向工程的工业设计研究 J轻工机械 , 2005,(02). 5 谢金 ,王文 ,等 组合机床及自动化加 工技术 ,2002(1) 10 姜元庆 , 刘佩军编译 . 向工程培训教程 . 清华大学出版社， 2003. 6 陆佳平 ,薛克敏 ,汪昌盛 . 逆向工程在汽车覆盖件设计中的应用 J合肥工业大学学报 (自然科学版 ), 2006,(03). 7 杜建红 ,张红兵 . 复杂曲面实物反求设计 J机械设计与制造 , 2005,(12). 8 李书生 ,徐万红 ,王韶春 . 汽车车身逆向设计法的研究 J沈阳工业大学学报 , 2004,(06). 9 马文胜 ,郎宝珠 ,刘卫 . 现代汽车车身外形设计方法 J河北工业科技 , 2006,(04). 10 柯映林等 模理论、方法和系统 机械工业出版社 ,2005 11 of 79 , , 808 - 1814, 2005 12 , 662 - 671 (2006) 13 P, H. 1992, 26(2) :167 175 . 14 , . of 1996, 30(8) :325论文 I 毕业设计（论文） 题目： 酸奶桶的反求造型研究 系 别 航空与机械工程系 专 业 名 称 机械设计制造及其自动化 班 级 学 号 学 生 姓 名 指 导 教 师 二 年 5 月 酸奶桶的反求造型研究 论文 要： 本文提出如何利用 件进行模具逆向设计的问题，这一问题的提出基于以下原因 : 能够较精确的将测的的点拟合成曲线和曲面。 G 软件上能够复原产品实体，以及进一步反求模具的逆向设计和制造一体化。 点云数据预处理和曲线曲面重构是逆向工程模具设计中的关键技术，虽然 是点云数据预处理的功能相当薄弱。为此本文以 为中间软件，完成点 云数据的预处理，提高了在 件上进行逆向工程的效率和精度。 本文主要研究的工作如下 : 步建立点云之间的拓扑关系，使点云具有一定的完整性，并去除噪声点。 发工具完成点云排序与精简和点云曲线曲面拟合，并实现了拟合曲面在 面上的显示。 G 的曲面处理和实体建模作为工具软件复原实体和反求模具。 关键词 :逆向工程 , 点云处理 , 导老师签名： 论文 of a to G on of 1. In MM we be to a of on 2. in a be be to of 3. UG to be to to of is of G of to as an in G on on as MM on a of of at of of to a to to a on G. to as a 论文 1 目 录 摘 要 . （ I） . （ 目 录 . （ 1） 前 言 . （ 1） 1 绪论 . （ 3） 向工程概述 . （ 3） 向工程及模具设计的发展现状 . （ 5） 文研究的内容和意义 . （ 6） 究内容 . （ 6） 究意义 . （ 8） 2 产品表面坐标的测量 . （ 9） 量方法分析 . （ 9） 触式测量 . （ 8） 接触式测量 . （ 8） 量设备的发展 . （ 10） 标测量机的最新发展 . （ 11） 描仪数据点测量原理 . （ 11） 云数据的获取 . （ 11） 3 点数据的预处理 . （ 12） 3.1 件介绍 . （ 12） 云数据预处理 1 . （ 13） 据平滑 . （ 13） 据过滤 . （ 12） 据分块和数据融合 . （ 12） 据优化 . （ 12） 论文 2 云拼合 . （ 13） 线重构的原理 . （ 14） 面重构的原理 . （ 15） 4 件重构曲面 2 . （ 17） 云数据处理 . （ 17） 据点的导入 . （ 17） 声点处理 . （ 18） 线创建 . （ 18） 面创建 . （ 20） 5 求实体及模具 . （ 21） G 软件简介 . （ 21） G 复原实体设计过程 . （ 21） 6 塑模具设计 . （ 29） 结 论 . （ 36） 参考文献 . （ 37） 致 谢 . （ 38） 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 前 言 逆向工程 (也称为反求工程、反向工程、三坐标点测绘、抄数等。是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有 型的情况下，按照现有零件的模型 (产品 原型或油泥模型 )，利用各种数字化技术及 术重新构造 型而克隆或创造实物产品的过程。作为一种新产品开发和消化、吸收先进技术的重要手段，逆向工程技术结合 件的强大功能改变了传统产品设计开发模式，大大缩短了产品开发的时间周期，提高产品研发的成功率，尤其对那些形状复杂的产品更为有效。逆向工程为新产品的开发提供了技术支持，使得企业在市场上的竞争力大大提高。本文通过瓶的注塑模具的设计，说明应用逆向工程技术和三维设计软件在逆向产品的研发中的流程。 本次设计根据逆向工程的技术流程，应用 维扫描仪对工 件瓶体进行扫描获取样件表面“点云”数据；使用逆向工程专业软件 理测量获得的散乱“点云”数据，并拟合曲线及曲面，进行相应的编辑修改等，使之达到精度要求；并在 件中进行产品完整曲面模型的生成以及实体化，最后生成不规则外形曲面的全部特征并得到完整产品零件模型后再生成注塑模具。结果表明，利用逆向工程技术进行产品快速逆向设计是有效的、可行的。而且此方法可以大大提高模具设计效率，降低产品开发成本。 本文根据逆向模具设计的流程，分四个模块重点介绍逆向模具设计的过程，并结合工件实例介绍逆向模具设计的方法 、操作、技巧以及应用，本说明书共分 6 章，具体内容安排如下。 第 1 章作为绪论，介绍逆向工程的概述，目前发展状况，以及本文的研究内容和意义。通过本章的学习可以对逆向工程做一个大体的了解。 第 2 章介绍产品表面坐标的测量，逆向工程的基础就是完整的点云数据，通过本章可以了解点云数据的测量方法以及所用测量设备的发展。以及重点介绍本次所用测量设备 描仪的结构及工作原理。 第 3 章介绍点云的处理方法，包括点云的对齐定位，噪声点的去除，数据的平顺和优化。介绍曲线重构和曲面重构的原理。 第 4 章介绍 件常用 功能命令，结合实例介绍点数据处理，曲线拟合，曲面重建的具体操作方法。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 第 5 章对 件做简单介绍并利用 体建模模块结合实例介绍曲面抽够实体的具体方法。 第 6 章介绍 件的 塑模具向导模块，并详细介绍生成工件注塑模具的具体方法。 本次设计说明书结合 优势重构过渡面， 点云数据处理、曲线构建和曲面构建有较强的优势，但在 生成过渡面的效果明显要好一些，本文结合 维造形和设计处理软件，根据优势互补原则实现曲面重构，在控 制精度的前题下，使最后输出的曲面模型很好的满足了设计要求构建出比较光滑的过渡面。填补在 均可构建，但通常都会出现明显接痕或过渡不自然等现象，此设计方法必将推动模具事业的进一步发展。本设计说明书在各位来时的指导些独立完成，在此对提供帮助的所有人表示感谢。 论文 3 1 绪论 向工程概述 21 世纪的设计和制造不但要面向集成化智能化标准化柔性化而且要实现并行化、分布化、网络化、虚拟化，而这一切的基础是信息的数字化。完成设计信息数字化建模的计算机辅助设计 (为一项重要的单 元技术发挥着基础与核心的作用。可以说，随着参数化特征造型技术的发展，目前一般的用于正向设计的机械M 得到了很好的解决。但在许多特殊领域，利用普通的造型手段往往难以很好的解决问题，因而迫切需要造型方法、设计手段的丰富和发展。例如，在汽车工业，新车型的外形设计仍然经常要制作全尺寸的木质或薪土模型，因为要在二维的尺寸大大缩小了的计算机屏幕上完成这样高要求的三维复杂外形设计是非常困难的。当实物模型制作好以后，就需要根据实物建立其数字化模型。模具快速制造、三维服装设计、玩具设计、电影特技动画制作、艺术制作、 动植物模拟、医疗诊断、人体器官复制、地理地形测量与数字化再现等也都给设计和造型手段提出了新的课题和挑战，但同时也为几何造型技术提供了更广阔的发展空间。 逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是 域中的一个相对独立的范畴。目前有关逆向工程的研究和应用大多数针对实物模型的几何形状的反求，在这个意义下，逆向工程是根据已有实物模型的坐标测量数据，重新建立实物的数字化模型，而后进行分析、修改、快速原型制造和数控加工等。这里的实物模型可以是机械产品、人体、动植物、艺术品、地形地貌等等。通过实物模型 产生其数字化模型，可以充分利用数字化的优势，提高设计、制造、分析的质量和效率，并适应智能化、集成化、并行化、网络化的产品设计制造过程中的信息存储与交换。逆向工程将现代坐标测量设备作为产品设计的前置输入装置和原型或产品制造后的检测手段，与快速原型制造、 结合并形成产品设计制造的闭环系统，将有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段，其关键技术可用于其他许多领域，从而拓宽计算机辅助建模的应用领域。逆向工程的应用可以归纳为以下几个方面 : 【 10】 (1)由于种种原因，有时在只有样件， 没有样件图形文档的情况下需要对样件进行有限元分析、备件加工、模具制造或者需对样件进行修改，考察修改后的样件与其他零件之间的装配协调性等等，这都需要利用逆向工程的手段将实物模型转化为 型从而提高设计制造的自动化程度。 论文 4 (2)在汽车外形设计、玩具设计、艺术品造型等复杂而且对外形美学要求较高的产品设计中，用目前普通的 件，还很难满足形状设计的要求，一般要首先制作实物模型，然后通过测量设备输入到计算机辅助系统中，以便进一步进行设计修改和后续的各种操作。 (3)逆向工程在单件产品快速定制生产中也可以发挥其 独到的作用。 (4)在医学领域，利用层析 x 射线 (核磁共振( )等设备采集病变部位的外形数据，然后进行三维数字化模型重建，可以为疾病的确定与诊断提供重要依据。另外，通过对患者骨骼、关节、牙床等的测量，建立相应的计算机模型，可以使假肢制造、牙齿镶复更加具有针对性，更符合具体患者的需求。 (5)在地理信息领域，利用现代的卫星遥感测量技术，对大地遥测数据进行特征识别核建模，可以建立三维数字化真实感地形图，快速 生成导弹目标的自适应跟踪轨迹等。利用声纳测量设备，可以获得海底及港口的地下形貌数据，利用几何模型重建技术，将十分有利于资源利用、海底作业、海上交通、港口建设等。 (6)将逆向工程与快速原型制造 (结合，组成产品设计、制造、检测、修改的闭环系统，实现快速的测量、设计、制造、再测量修改的反复迭代，高效率完成产品的初始设计。将逆向工程与快速原型制造相结合，还可以将三维物体方便可靠地“读入”，“传输”，并在异地重新生成，即实现所谓的“三维传真”。 (7)逆向工程的另一重要应用领域是计算机辅助检测。成品的精度 检测是企业进行质量控制的重要手段，然而复杂形状产品的检验往往非常困难，需要大量的时间和人力。利用自动测量设备，可以快速采集到零件的大量数字化点，将这些坐标点读入计算机，就可以通过软件自动分析测量到的数据点与理论模拟的误差。分析结果可用报告形式输出，也可以在理论模型上绘制误差彩色云图 (即用不同的颜色标识不同的误差值 )，使零件各个部位的制造精度一目了然。其中逆向工程应用流程图如下： 【 4】 论文 5 向工程及模具设计的发展现状 逆向工程 也称为反求工程，是基于 曲线、曲面重构进行研究，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各类专业人员工程设计的经验、知识和创新思维，对已有新产品进行解剖、深化和再创造，是已有设计的再设计，是应用于产品开发和仿真制造的一种并行设计开发系统。 逆向工程是机械设计与制造应用领域的一个重要分支，在产品设计和开发中利用逆向工程可以大地缩短产品的开发周期和开发费用。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象 。 逆向工程是从实物样件测得的数据，经过数据预处理、曲线曲面拟合、实体模型重构等，关键技术，得到实物样件的三维 型，继而将这些模型用于产品的分析和制造。根据逆向工程的技术流程，利用现有的软硬件设施，完成了零件及数据点的测量、数据处理、曲线曲面重构和实体建模，探讨了利用逆向工程技术进行产品快速逆向设计的可行性。实现了由实体模型到数字化 够得到高质量的工程 料，便于设计、加工模具。逆向工程在模具行业应用的研究，必将推动模具制造业的进一步发展 模具是生产各种工业产品的重要工艺装备，随着塑胶工业的迅速发展以及塑胶制品在航空、航 天 、电子、机械、船舶和汽产品样 件 数据采集系统 品建模系统 统 最终产品 备 样品 评价修改 P D M 论文 6 车等工业部门的推广应用，产品对模具的要求越来越高，传统的模具设计方法已无法适应产品更新换代和提高质量的要求。电脑辅助工程（ 术已成为塑胶产品开发、模具设计及产品加工中这些薄弱环节的最有效的途经。同传统的模具设计相比， 术无论在提高生产率、保证产品质量，还是在降低成本、减轻劳动强度等方面，都具有很大优越性。 美国上市公司 司是专业从事注塑成型 体和谘询公司，自1976 年发行了世界上第一套流动分析软 体以来，一直主导塑胶成型 体市场。近几年，在汽车、家电、电子通讯、化工和日用品等领域得到了广泛应用 。 利用 电脑上对整个注塑成型过程进行类比分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况以及制品中的应力分布、分子和纤维取向分布、制品的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改制件和模具设计，而不是等到试模以 后 再返修模具。这不仅是对传统模具设计方法的一次突破，而且对减少甚至避免模具返修报废、提高制品质量和降低成本等，都有着重大的技术经济意义。 塑胶模具的设计不但要 采用 术，而且还要采用 术。这是发展的必然趋势。注塑成型分两个阶段，即开发 /设计阶段（包括产品设计、模具设计和模具制造）和生产阶段（包括购买材料、试模和成型）。传统的注塑方法是在正式生产前，由于设计人员凭经验与直觉设计模具，模具装配完毕後，通常需要几次试模，发现问题 后 ，不仅需要重新设置工艺参数，甚至还需要修改塑胶制品和模具设计，这势必增加生产成本，延长产品开发周期。采用 术，可以完全代替试模，术提供了从制品设计到生产的完整解决方案，在模具制造之前，预测塑胶熔体在型腔中的整 个成型过程，帮助研判潜在的问题，有效地防止问题发生，大大缩短了开发周期，降低生产成本 。 近年来， 术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用 术可以全面解决注塑成型过程中出现的问题。 而逆向工程更是集成了模具设计的基础，采用逆向的设计思路，根据现有的产品快速创建模具，大大节省了模具设计的时间，节约了设计成本，提高了产品制造的效率。 文研究的内容和意义 究内容 所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的 型 的过程。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。而逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字 论文 7 模型，使得能够进一步利用 先进技术对其进行处理。不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。 一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，逆向工程在机械设计方面常用在 新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。已有零件的复制，再现原产品的设计意图 。 损坏或磨损零件的还原。数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等 ，以及进行模型的比较。 其设计流程如下 【 6】 ： 本次毕业设计是瓶为例，通过三坐标测量机测量的近 6 万个外形数据点，根据逆向工程的设计思路，制作吹塑模具，并生成模具的工程图。 究意义 逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品 已经成为制造业信息传递 的 重要而简洁途径之一。 逆向工程的整个实施过程包括了测量数据的采集 处理、 统处理和融入产品数据管理系统的过程。其中在 品建模系统中实现了数据预处理、曲线曲面拟合等。 从理论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数据建立与现有 是逆向工程技术的最终目标。实现逆向过程后，通过行实体整合，制造出实体玩具模型，通过实体模型反求玩具的制造模具。 工件模型 非接触式扫描 接触式测量 点群资料 坐标点群 料与点群资料误差比对 建构工程 料 点资料 后处理 后续模具 加工应用 论文 8 2 产品表面坐标的测量 量方法分析 触式测量 【 5】 接触式测量精度较高，发展时间较久，机械结构稳定，讯号读取较非接触式测量设备稳定，外界干扰较小通常 可校正到某一坐标系，不需经软件再次定位一次，适合量测简单几何形状物体，量测速度比较快，如单一片面，对于复杂片面则相反，北侧物体外形及颜色影响不大，同时可测量死角区域，另外不必考虑被测物体表面反光，因此应用非常广泛，但是接触式测量也存在很多缺点，其测量速度较慢，逐点方式测量，耗时较久，测量时需要设定量测基准点，需使用特殊夹制工具，例如针对不同测量物体，因侧提高测量成本，在测量时，测头需接触工件而造成测头磨损，但为了维持一定得测量精度，必须经常校正测头，有时不当的操作容易损坏某些部位的表面精度以及探头本身，一些 内部元件如内圆之检验有先天的限制存在，也就是要用接触式探头检查元件的尺寸，接触式探头的直径必定要小于被测元件的大小，测头移动时并非得到接触点位置坐标而是测头球心的位置，所以需要以软件对测量数据点进行计算补正，在侧头移动时无法克服物理惯性，无法即时停止，造成测量误差，尤其是针对接触式测量设备。 接触式测量 非接触式测量精度较差，大部分由三角测距的方式计算点资料坐标，误差值较接触式大，非接触式的量侧设备是以光学测头读取镭射光，光栅，若物件外观会反光，则造成两侧干扰，易受工件表面的反射性影响，如颜色 材质等，通常将会反光的量侧物体喷涂白色涂料减少光线散射。或者多数在不受光源影响的环境下量测。非接触式测量较难针对几何形状做完美的测量，对于不连续及起伏变化较大的形状较难处理，测量时，测头量测角度要尽量垂直于被量测物体表面，易提高量测的质量，但是非接触式测量可以做到接触式测量无法应用的范围，例如人体外形的扫描，开发更多的符合人体工程学的产品，因此结合两种测量的有点，逆向工程人员一般搭配两种测量使用。 量设备的发展 现代精密测量技术是一门集光学、电子、传感器、图像、制造及计算机技术为一体的综合性交叉学 科，涉及广泛的学科领域，它的发展需要众多相关学科的支持。在现代工业制造技术和科学研究中，测量仪器具有精密化、集成化、智能化的发展 论文 9 趋势。三坐标测量机（ 适应上述发展趋势的典型代表，它几乎可以对生产中的所有三维复杂零件尺寸、形状和相互位置进行高准确度测量。发展高速坐标测量机是现代工业生产的要求。同时，作为下世纪的重点发展目标，坐标测量机 以及图像识别测量技术 必将的到广泛的研究和发展。 标测量机的最新发展 三坐标测量机作为几何尺寸数字化检测设备在机械制造领域得到推广使用，而科学研究 和机械制造行业的技术进步又对 出更多新的要求，作为测量机的制造者就需要不断将新技术应用于自己的产品以满足生产实际的需要。 其主要的技术要求如下三个方面。 差自补偿技术 德国 司最近开发的 型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术（ 范围不受温度变化的影响。国内自行开发的数控测量机软件系统 统参数识别和优化技 术。 富的软件技术 司开发的坐标测量机软件 测量数据可以从 接传送到随机配备的统计软件中去，对测量系统给出的检验数据进行实时分析与管理，根据要求对其进行评估。依据此数据库，可自动生成各种统计报表，包括 及 图表、频率直方图、运行图、目标图等。美国 司的量系统所配支持软件可提供包括齿轮、板材、凸轮及凸轮轴共计50 多个测量模块。日本 司研制开 发了一种图形显示及绘图程序，用于辅助操作者进行实际值与要求测量值之间的比较，具有多种输出方式。 统集成应用技术 各坐标测量机制造商独立开发的不同软件系统往往互不相容，也因知识产权的问题，这些工程软件是封闭的。系统集成技术主要解决不同软件包之间的通信协议和软件翻译接口问题。利用系统集成技术可以把 在线工作方式集成在一起，形成数学实物仿形制造系统，大大缩短了 模具 制造及产品仿制生产周期。 像识别测量技术 随着近代科学技术的发展，几何尺寸与形位测量已从简单的一维、二维坐标或 论文 10 形体发展到复杂的三维物体测量，从宏观物体发展到微观领域。被测物体图像中即包含有丰富的信息，为 此，正确地进行图像识别测量已经成为测量技术中的重要课题。图像识别测量过程包括：（ 1）图像信息的获取；（ 2）图像信息的加工处理，特征提取；（ 3）判断分类。计算机及相关计算技术完成信息的加工处理及判断分类，这些涉及到各种不同的识别模型及数理统计知识。 描仪数据点测量原理 德国 ，由传感器 (两个 机、一个光源 (卤素灯 )、系统计算机、三角架组成，见图 1。传感器头安装在一个可以绕着 被测物体自由运动的三角架上，在测量时传感器头可以绕着被测物体任意运动。 量系统的数据获取方法为：首先由光源 (卤素灯 )产生编码光栅，这些光栅投影到被测样件表面产生一系列图象，这些图象被 机摄取到，然后通过图象处理方法分析这些图象，计算被测样件表面点的空间位置。由于它能够采集大量样件表面的数据点，点密度高达每张照片 40 多万点；也能够达到较高的精度 (0 002 0 02而且扫描速度高，每幅照片只需数秒。因此， 广泛地应用于制造业的逆向工程中。 【 3】 云数据的获取 点云 的采集可分为接触式的和非接触式的。接触式量测的优点是：精度高；快速量测基本几何体，不受量测环境、实体的材质、颜色的影响；可量测光学仪器无法量测的死角如深沟、小凹槽、倒勾等区域。其缺点是：速度较慢；必须使用特殊的夹具，提高了测量成本；需要经常校正测头等。非接触式量测的优点是：量测速度快；可以量测物件上大部分的特征；需测头补正；可量测接触式无法测量的物体，例如软质物件、塑料薄件等。其缺点是：量测精度较差；量测点云质量受外部因素的影响；较难对几何形状做完美的测量，如薄彀厚肉、凹孔等。在实际三坐标测量 论文 11 时，应该根据测 量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。为了获得高质量的点云，本次毕业设计工件为油桶，外形硬质且较简单，故采用三坐标测量设备的接触测量方法，测得外形的三坐标数据。 3 点数据的预处理 3.1 件介绍 采用由点到线、线到面流程的专业逆向工程软件，它采用独一的算，将一笔包含数以万计的点云视为一个单一元素，因此能够同时读人多笔大量的点云资料 |3 ；它强大的点云编辑工具对于较大数据点云的处理非常方 便，能够对点云进行排序、取样、光顺、三角网格化等多种操作，同时使用者可以根据点云的曲率、剖面、颜色、边界快速方便地获取特征点云，便于建构 型。相对于其他点云处理软件， 有多种点云对齐工具，利用此工具能够将多次测量的点云拼合在一起，误差量将达到最小。同时它提供了多种曲线生成、编辑和检测工具，根据检测出来的点云与曲线的误差以及曲线曲率的连续性，动态编辑、调整曲线来保证曲线品质。它的曲面工具与曲线工具类似。过 。此软件的功能很强大，用户可以根据经验，将其作为开发平台，快速建构高品质的型。 件主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点一曲线一曲面的原则。目前，在逆向工程中，主要有 3 种曲面构造的方案： (1)以 B。 (2)以三角 面为基础的曲面构造方案； (3)是以多面体方式来描述曲面物体，在 ，采用 B 样条曲线来构造曲面。对模具实体进行测量后形成的是一系列空间离散点，对这些离散点进行判断和预处理后，应用计算机辅助几何设计 的有关技术，根据每个曲面的特性，构造出原型的型。在点的处理、曲线的处理和曲面处理的整个过程中，可以用 件提供的各种诊断方法来保证精度。 云数据预处理 1 通常把三维空间中的点集称为“点云”或“点群”。最小的“点云”只包含一个点 ,高密度“点云”可达数百万个数据点。由于曲线曲面建构方法多种多样 ,对测量数 论文 12 据质量、数量、密度及组织形式方面的要求不尽相同 ,故需要对 原始测量数据进行预处理。 据平滑 数 据测量得到的往往是以散乱点形式无序排列的大量点云。由于实际测量过程中受到种种人为或随机因素的影响 ,使得测量结果不可避免地引入了“噪声”。为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响 ,有必要对测量得到的“点云”进行噪声消除与平滑滤波。数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法。高斯滤波器在指定域内权重为高斯分布 ,其平均效果较小 ,故在滤波的同时能较好地保持原数据的形貌 ;平均滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值 ;而中值滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的 统计中值 ,这种滤波器消除数据毛刺的效
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