主减速器低速级齿轮RE设计及RP处理

1、西南科技大学城市学院项目实践说明书西南科技大学城市学院毕业设计说明书系 部： 机电工程系 专业班级： 机械设计制造及其自动化 姓 名： 学 号： 201040230 课题名称：主减速器低速级齿轮RE设计及RP处理/仿真 指导教师： 2013 年 11 月 24西南科技大学城市学院项目实践目 录摘 要1第1章 集成逆向工程与快速成型关系概述21.1 逆向工程数据处理的主要内容31.1.1数据处理流程31.1.2逆向工程与快速成型的数据交换31.2 逆向工程与快速成型一体化41.2.1 一体化流程41.2.2 关键技术与解决方法41.3 快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：51.4

2、熔融沉淀制造（FDM）：61.5 设计任务6第2章 主减速器低速级齿轮点云数据阶段处理62.1扫描设备72.2 实体三维数据的扫描以及步骤82.3 点云处理软件102.4 点云数据处理102.4.1 数据处理介绍102.4.2 点云拼接112.5 点云封装处理12第3章 曲面重构143.1 对齐点云153.2 建立圆柱面153.3建立小圆柱及洞163.4提取齿轮面及建立曲面163.5 偏移齿面并倒角163.6 建立另外四十个齿面点云及建面163.7 数据转化导出通用格式16第4章 主减速器低速级齿轮UG阶段处理174.1实体造型174.2 数据导入174.3 曲面缝合及模型实体化184.4 产

3、生主减速器低速级齿轮的二维图194.5 主减速器低速级齿轮的STL生成20第5章 主减速器低速级齿轮的RP设计215.1 项目实践的几大部分215.2 快速成型FDM技术225.3 RP处理过程235.3.1 STL数据格式的处理235.3.2 导入文件和参数设置235.3.3 成型方向的合理选择245.3.4 分层处理255.3.5 打印后的处理255.3.6 影响FDM成型件的质量的因素26第6章 运动仿真276.1啮合装配276.2啮合运动仿真276.2.1仿真工作界面介绍276.2.2运动仿真过程276.2.3运动仿真结果276.2.4运动仿真文件输出27参考文献28摘 要随着基于信息

4、和知识的产品的高速发展，激烈的全球市场竞争要求制造业快速响应市场的需求，则要求产品设计、制造周期进一步缩短。以计算机技术和信息技术为代表的高新技术正在逐步改善和取代传统的制造模式，形成了全新概念的现代先进制造技术。逆向工程、并行工程、智能制造、敏捷制造、精细制造、虚拟制造等新思想、新概念，新方法层出不穷，快速制造技术就是其中给制造业带来革命性变化的关键技术，随着快速原型、快速制模、快速制造技术的不断成熟，其在制造业中的应用将日益广泛。其中，逆向工程与快速成型技术结合日益紧密，在机械制造业的发展日趋重要。针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得，并进行三维CAD曲面重

5、构，编辑修改后，传至一般的CADCAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CN加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机(RP)将样品制作出来，这一过程称为逆向工程(reverse engineering)。逆向工程与快速成型技术一体化是指在产品的反求和制造时，采用先进的设备与方法以实现产品的快速设计与快速制造，目前，在家电、轻工行业、汽车制造业、医学仿真人体器官模型、艺术雕塑品的仿真等等方面有着广泛的应用。a）逆向工程与CAD技术的关系逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟及数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现，改变了原来CAD系统中从图样到实物的设计模式，为产

6、品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。但是，逆向工程是在原有CAD技术上发展起来的，逆向工程的最终结果是由CAD技术完成和实现的，因此，CAD技术贯穿于逆向工程的大部分过程。b) 逆向工程与快速成型技术的关系快速成型技术是制造业发展的关键技术之一，在快速成型中由于逆向工程的应用，使产品的开发周期大大缩短，产品的一次设计加工成功率大大提高，从这个意义上说，逆向工程在快速成型中的应用，大大降低了产品的开发成本，降低了时间和材料消耗，提高了产品品质。逆向工程与快速成型技术相结合，可构成一个闭环的快速产品开发系统，这种快速闭环设计系统在设计评价、装配检验、快速模具制造及直接将原型用于功能试

7、验等方面得到广泛应用。第1章 集成逆向工程与快速成型关系概述逆向工程也称反求工程、反向工程，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。快速成型技术可以快速、自动地将设计思想物化为具有结构和功能的原型或直接制造零部件，从而可以对设计的产品进行快速评价、修改，大大的缩短了新产品开发周期，降低了开发成本，避免了产品研发失败的风险，提高了企业的竞争力。逆向工程与快速成型技术是先进制造技术中的重要组成部分，作为消化吸收先进技术和缩短产品在设计与制造周期的重要支撑技术，已成为制造业关注的热点。1.1 逆向工程数据处理的主要内容 1.1.1数据处理流程逆向工程中，在构造CAD几何模型前，需要对

8、数据进行处理，其流程为：对密集采样数据进行滤波；数据点的优化和数据点的聚合；几何模型构造数据拟合和实体建模。   1.1.2逆向工程与快速成型的数据交换    逆向工程与快速成型的数据交换，主要包括以下方面： 1)用逆向技术直接生成STL文件，供RP系统的数据处理软件直接使用，产生NC代码； 2)利用逆向技术生成层片文件(common layer interface，CLI)文件，这种输出比较适用于对各种CT图像的逆向，并且由于RP本身就是分层制造法，用断层图像或矢量化的层片轮廓信息直接驱动RP设备逐层叠加而成三维

9、实体； 3)利用逆向技术来重构出实体模型，借助于CAD系统来转化成STL文件。逆向工程与快速成型的数据交换过程如图1-1所示。图1-1 逆向工程与快速成型的数据交换过程图对于快速成型技术来说，逆向工程目的之一在于获得产品的几何造型与结构数据，通过各种三维数字化仪得到零件造型和结构数据后，可以借助三维莺构技术在CAD软件中重新编辑(修改和缩放)再转换成GCode或STL文件为快速原型制造设备使用，从而可直接加工制作出相应的模具、模型或零件。1.2 逆向工程与快速成型一体化1.2.1 一体化流程如今，逆向工程成为快速成型制造的重要应用领域，即利用逆向工程得到的实物几何模型，驱动快速原形机

10、制造出与实物原形相同的零件，逆向工程与快速成型技术结合并进行一体化生产已经成为目前快速成型技术研究和应用的重点，其一体化流程见图1-2所示。图1-2 逆向工程与快速成型一体化流程图1.2.2 关键技术与解决方法a) 三维数据采集技术测量物体表面的数据点并再现物体形状，将其应用于制造等领域一直是人们所追求的。逆向工程技术大大地缩短了产品的设计周期，提高了生产效率。目前先进的快速成型技术进行的前提就是有成型对象的三维模型数据。所以物体三维表面测量及重建技术是以上技术实现的第一个步骤，有着重要的理论意义和实际意义。三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与非接触式测量方法：1) 接触式测量方法

11、：接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点触发式和连续式数据采集方法。2) 非接触式测量方法：非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式，这种方法的一个应用是三维扫描技术，它是一种立体测量技术。与传统的技术相比，能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能进行高精度的快速无接触测量。已在国防、工业、医学、游戏娱乐等许多领域发挥着极其重要的作用。b) 三维模型重构技术逆向工程是基于已有实物模型或零件的测量数据的情况下，进行物

12、体CAD模型重建的过程。在重建过程中存在许多干扰和不确定性因素，如表格误差、测量精度和方式、数据处理方式、表面重构方式等。通常，需要进行人工干预来调整重构模型的表面参数。因此，整个逆向工程过程是一个推理和判断的过程。从曲面的三维采样点集恢复出曲面的几何模型称之为曲面重建。曲面重建是许多研究领域如逆向工程、医学图像可视化中的重要问题，也是研究中的热点。目前，在逆向工程中，主要有3种曲面构造方案：1)以BSpine或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；2)以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；3)以多面体方式来描述曲面物体。曲面重构的关键技术，包括数据采集、数据筛选、曲线拟合、曲面拟合等。在

13、曲面重构过程中，既要保证曲面品质，又要保证设计精度。1.3 快速成型技术未来的发展趋势主要体现在以下几个方面：1. 材料成型和材料制备：随着科学技术的发展，材料和零件要求具有很高的性能，要实现材料和零件设计的定量化和数字化，实现材料和零件制备的一体化和集成化。快速成型技术基于离散堆积原理，采用多种直写技术控制单元材料状态，将传统上相互独立的材料制备和材料成型过程合一，建立了从零件成型信息及材料功能信息数字化到物理实现数字化之间的直接映射，实现了从材料和零件的设计思想到物理实现的一体化。2. 生物制造和生长成型：21世纪是生物科学的世纪，和工程科学相结合特别是与制造科学相结合，基于对不同层次生命

14、活动的理解，生物技术和生物医学工程学能够为人类创造财富和解决人类的健康保健问题。3. 计算机外设和网络制造：快速成型技术是全数字化德制造技术，快速成型设备的三维成型功能和普通打印机具有共同的特性。随着信息技术的发展，网络将进入千家万户，基于网络的信息交流将更加畅通。企业提供在线个性化设计的平台，能够和用户交互的进行产品的外包装，装饰等定制。4. 快速成型与微纳米制造：目前，常用的微加工技术从加工原理上属于去除材料而“由大到小”的去除成型工艺，难于加工三维异形微结构，并且深度比的进一步增大受到了限制。而快速成型根据离散堆积的降维制造原理，能制造任意复杂形状的结构。5. 直写技术和信息处理：1）直

15、写技术：直写技术对材料单元具有精确控制的能力，是快速成型技术的核心。2）信息来源于软件：随着快速成型技术想快速制造技术转变，制造出的最终零件对精度的要求越来越高。对快速成型工艺进行建模、计算机仿真和优化，可以提高快速成型技术的精度，实现真正的净成形，常用的工具包括有限差分和有限元等。快速成型技术是当今世界上发展迅速的先进制造技术之一。当今时代为网络时代，快速成型技术已经与其他技术结合，形成一个完整而又庞大的技术体糸。该体糸具有系统化、需求多样化、技术多样化和复杂化以及技术更新速度不断加快等特点。1.4 熔融沉淀制造（FDM）：熔融沉淀制造（FDM）也称熔融挤出成型，是继光固化快速成型和分层实体

16、制造后的另一种应用比较广泛的快速成型方法。其原理如下：快速成型机的加热喷头受计算机控制，根据水平分层数据作x - y 平面运动。丝材由送丝机构送至喷头，经过加热、熔化，从喷头挤出粘结到工作台面，然后快速冷却并凝固。每一层截面完成后，工作台下降一层的高度，再继续进行下一层的造型。如此重复，直至完成整个实体的造型。每层的厚度根据喷头挤丝的直径大小确定。FDM 工艺关键是保持熔融的成型材料刚好在凝固点之上，通常控制在比凝固点高1左右2 。目前，最常用的熔丝线材主要是ABS、人造橡胶、铸蜡和聚酯热塑性塑料等。1.5 设计任务本次设计是针对汽车后桥上主减速器低速级齿轮的RE/RP及仿真设计，通过本次设计

17、有利于对RE/RP集成技术的掌握，对CAD、UG、杰魔软件的掌握，加深对所学知识的掌握，为以后做准备。第2章 主减速器低速级齿轮点云数据阶段处理逆向工程的原理就是一个“从有到无”的过程，根据已经存在的产品模型，通过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，反向推出产品的设计数据的过程。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IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。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

18、产品就成为企业成败的关键。由于各种原因我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，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。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。从样品（实物，图片等）直接反求出cad数据，然后用快速成型或CNC数控直接加工出产品（模具），因此逆向工程具有快速，高效等特点。2.1扫描设备在进行逆向工程时，三

19、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。扫描设备根据其测量方式可分两类：(1) 接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。(2) 非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI 测量法、超声波法和层析法等。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

20、逆向工程中应用最为广泛。这次的风扇叶片测量也是用非接触式测量的三维光学测量仪。如图2-1所示。 图2-1 三维光学扫描仪2.2 实体三维数据的扫描以及步骤在进行逆向工程时，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

21、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CAD、CAM、CIMS等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CAD/CAM软件接口，在CAD系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

22、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。三维光学扫描速度快、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。扫描前调试扫描仪的主要步骤如下：1. 设备的调整：先打开三坐标测量仪的开关，并将数据线连接到电脑的端口上。2. 设置NVIDIA控制面板：在电脑的显示桌面的状态下，单击“鼠标右键”，选择“NVIDIA控制面板”，打开后，选择“显示菜单”，在其菜单下选择“设置多个显示器”，再选择“复制模式”，最后依次点击“应用”和“保存”。3. 设置屏幕分辨率：在电脑的显示桌面的状态下，单

23、击“鼠标右键”，选择“属性”，再选择“分辨率”，在此状态下，不要更改“显示1”的设置，默认即可，要更改的是“显示2”，单击图标“显示2”，在其下面选择“将windows桌面扩展到另一个显示器上”，并点击“识别”，若三坐标测量仪显示为“2”，则设置正确。4. 调定距离：打开铁牛软件，在软件上勾选“十字光标”，确定三坐标测量仪上显示的“坐标”与电脑上的“十字光标”接近重合。当两坐标接近重合后，要注意三坐标测量仪的左右成像与电脑上显示的方向要一致，否则要更改连接的数据线的接口。当确定以上无误后，点击“标定”即可。5. 标定的操作：按照软件的“标定提示”，完成对标定七步内容的操作，最后在“计算”后，点

24、击“退出标定”即可。6. 查看标定图像的完整性：开启“十字光标”，确定三坐标测量仪显示的“坐标”与软件上的“坐标”是否接近重合，若不是，需要调整坐标位置，直至接近重合。调定好后，选择“菜单”，再选择“测量属性”，并选择“单幅”最后点击“开始测量”，查看先前的标定位置“图像”是否缺少很多，若很多，则需重新标定。7. 标定完后开始进行工件扫描：当上述步骤正确操作完成后，需要重启软件，在打开软件后，选择“菜单”，再选择“测量属性”，并选择“合并”，先打开“十字光标”，再将三坐标测量仪显示的“十字坐标”打到零件表面上，并测量三坐标测量仪目镜与零件的距离并记录。点击“测量”，将三坐标测量仪按照软件的提示

25、和操作将其分别摆放在67个位置，进行扫描，每一次扫描与零件的距离尽量不变，并将其记录下来。8. 对所处理的数据进行分析和处理。9. 对所得的扫描数据进行点云处理。10. 总结实验测量数据，并小结小组实验过程2.3 点云处理软件Geomagic和Imageware都可以处理点云。 Geomagic能更好地进行点云进行拼接，点云数据的精简，如果用Imageware处理点云，则会耗内存过多，显示延迟，不存在拼接模块等缺点，所以使用Geomagic进行点云的处理。 Geomagic(美国RainDrop 公司的）逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。Geo

26、magic Studio 可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，Geomagic Studio 还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。只有 Geomagic Studio 具有下述所有特点：确保完美无缺的多边形和 NURBS 模型处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD 软件提高十倍 自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务 可与所有主要的三维扫描设备和 CAD/CAM 软件进行集成 能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对 CA

27、D 软件的补充。2.4 点云数据处理2.4.1 数据处理介绍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。测量数据处理在反求工程CAD建模过程中占有重要地位是关键技术之一；由三坐标测量机或激光扫描仪所测得的数据点之间，通常没有相应的显示拓扑关系。只是一大群空间散乱点。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，在进行CAD模型重建之前需要对其进行预处理。数据预处理包

28、括：多视拼合、噪声处理、精减数据点云、数据点云分割与重组、特征抽取、对点云数据的排序矢量化。(1) 多视拼合：用于将多次测量获得数据融合到统一坐标系中，即进行坐标归一化处理。(2) 消除噪声：由于实际测量中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，有必要对测量的点云进行平滑滤波，通常采用高斯、平均或中值滤波，提高点云的光顺程度。(3) 精减点云：测量中的高密度点云，由于存在大量的冗余数据，会影响后期建模的光滑度，并影响加工质量。不同类型的点云可用不同的精减方式：对散乱点云可用随机采样法；对扫描线点云和多边形点云可用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；对网格化点云可用等分布密

29、度和最小区域法。(4) 点云的排序：将原始测量点云按一定规则排序，使之在存储方向上具有方向性；多边形的点云经过排序后，可按排序方向判断轮廓的内外关系。本文中，同样要对各个“新云”进行排序操作，这样建立出来的曲面才有可能光顺。(5) 点云的分割：点云数据分割是对测量数据按照一定原则划分为特征单一、互不重叠的区域，使每一块点云都能用一个数学函数来描述，是反求工程CAD建模的关键。通常可用数学捕述的曲面类型有：解析曲面f平面、圆锥面、圆柱面、球面等)和自由曲面两种。对自由曲面分块的原则要求是：区域内的点云曲率没有突变，或是曲率虽有变化，但是沿某一方向上的变化情况一致。点云数据分割的关键是找到块的边界

30、，分块时应注意块的数量要尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。(6) 特征抽取：对分块后的点云数据，构造出能表现曲面形状的空间曲线根据曲率变化，寻找点云中的边界、尖角、棱边、孔等突变特征再投影到点云，求出给定空间范围内的数据点，选取一定方式f插值或者拟合)建立边界线、特征线、截面线，根据这些已建立的大量曲线建立曲面的特征网格模型，形成模型框架。2.4.2 点云拼接由于该零件不能一次完全扫全，则以另一更有利的方向获取实体不同位置的表面数据。重新定位一次称为个视图。两次以上的定位测量所得结果即为多视图。从不同的视图对待测件进行几次测量后，所得数据的局部坐标系是不同的，将这些不同的数据集转化为统一的

31、数据形式并构成整个待测表面的完整信息，这个过程称为多视拼合。多视图的拼合一般包含两个步骤：1. 多视点云对齐。在几何模型构建时将这些不同坐标系下的多视数据变换到同一个坐标系下的数据处理过程称为多视数据的对齐或重定位。2. 数据融合。数据对齐后，剩下的任务就是将两数据块重叠区域数据融合形成一体，从而完整地反映被测件的几维儿何模型。数据的直接对齐就是直接对数据点集进行操作，实现点数据的对齐，以获得完整的数据信息和一致的数据结构，重构出原型。基于点拼合的最大优点是能对物体所求得的各个面有总体上的了解和把握，能获得拓扑上一致的数据结构。这种方法适用于高密度点云的对齐，如Geomagic Studio软

32、件即采用这种方法。拼接后的效果图如下2-2所示。图2-2 数据拼接图2.5 点云封装处理选择菜单【点】【封装】，弹出“计算封装”对话框，所有参数为默认值。单击【确定】按钮。即封装点云数据，使之成为壳体文件，之后运用一系列命令处理图形。封装后的数据如下图2-3所示。图2-3 封装效果图1）填充孔由于我封装后。有很多的孔，所以我用了填充孔命令。操作如：选择菜单【多边形】【全部填充】，弹出“全部填充”对话框，把“最大周长”设置为30.73mm，然后再单击【确定】按钮。2）打磨和去除特征处理模型的表面由于有一些特征与模型实体明显不符，因此需要去掉，因此需要用到去除特征命令。当点云封装完之后不是一平如川

33、，因此在发现不平整面时要用打磨命令初步令平面平整。操作步骤如下：单击菜单【多边形】【砂纸】和【多边形】【去除特征】，对封装后的工件进行处理，最后得到如图2-4所示的工件。图2-4 打磨和去除特征后的效果图3）边界优化放大风扇的边界，可以看到并不光滑，因此需要对其边界进行优化。菜单栏：边界编辑，选择“部分边界“选择边界线上的2点，再单击这条线，控制点应在7-8，张力应为0-1之间。可以调节数字使其边界顺滑些。4）简化数据及保存 数据保存：因为点云处理完后要被imageware编辑和处理，所以要保存为stl格式，这种格式也可直接被快速成型机识别。第3章 曲面重构根据生成的特征线网格化模型按照一定的

34、曲面拟合算法，进行曲面重构，连接成完整的光顺复杂曲面。其中技术难点主要体现在：根据点云数据进行曲面拟合的算法和曲面重构方法两个方面。在实际的产品中，曲面对象边界和形状有时极其复杂产品型面往往是由多张曲面混合而成。为了保证曲面模型的整体性能，必须有合理的曲面重构方法。从工程角度出发评价曲面重构的重要指标是模型的精确性、光顺性、几何不变性、对大规模散乱数据的重构能力。由于对实物进行表面数字化处理，采用的测量方法不同，得到的测量数据的组织方式也不同。常用的数据组织方式有四种：散乱数据；扫描线数据；网格化数据；多边形数据。不同的数据组织方式，可以选择不同的曲面重构方法，常用的有两种：(1)三角Bezi

35、er曲面重构法：采用分段三次Bezier三角代数曲面来逼近大规模的散乱点，使各三角曲面片之间达到边界连续三角曲面构造法对复杂边界形状曲面的拟合具有很大的灵活性。其中特征线的提取、三角网格的简化和多视问题的处理是三角曲面应用研究的重点。但是，这种方法生成的三角化网格数目通常很大，需用专门的算法对网格进行简化处。(2)NURBS的曲面造型法：实际产品中，产品的型面多数是由多张曲面混合而成。实际工作中，要将产品型面数据分块处理，首要问题是单矩形域内曲面的散乱数据点的曲面拟合问题。采用NURBS构造曲面的方法中，首先用函数方法构造曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用矩形数

36、据网格构造出曲面。NURBS曲面具有优良的局部形状控制能力和几何不变性，在复杂曲面建模技术领域得到越来越广泛的应用。选择合理的曲面造型技术，进行拟合，生成若干个封闭、光滑的曲面，再将各分块曲面通过拼接、过渡、延伸、裁剪、光顺等技术处理，最终获得实体表面形状、尺寸精度范围内的曲面模型。曲面模型必须同时保证单张曲面的性能和各个连接曲面之间光滑、平顺、封闭和连续，才能保证曲面模型的整体性能。曲面造型主要是使用imageware软件进行numb曲面的重构，其中有许多的处理技巧，用imageware打开前面保存的点云。3.1 对齐点云过滤：原始点云还有很多原始点。这个数据量还是比较庞大，而且分布不均匀，

37、为了使点的分布比较合理，使用命令Modify Date Reduction Space Sampling 进行点云数据过滤。 对齐：选取风扇叶片的上表面：Modify ExtractCircle Select Points命令圈选上表面（把视图调到适当位置），提取出一个小片。使用CreatePlaneCenter / Normal命令建立一个xy平面plane。ModifyAlign Best fit 选取小个平面，再选取xy平面，这样就把小平面对齐到了xy平面。显示全部点云（ctrl+s），用ModifyAlign Reapply命令选取原始点云，这样就把全部点云对齐到xy平面了，Ctrl+

38、x 删除不要的点云。旋转：使用Create Construction line Infinite line 分别建2个垂直线。Modify Orient Translate 移动点云使点云的中心到垂直线的交点上。3.2 建立圆柱面首先建立中间的几个曲面，按下F5，选择Constructcross sectioncloud interactive，选取点云后，点击圆柱的两边并产生小点云，Modify ExtractCircle Select Points选取有用的点云，在拟合为圆：Constructcurve from cloudfit circle，在对话框中看其半径为78.2620mm，在C

39、reate surface primitivecylinder以坐标原点为上表面圆心建立一个半径为76mm的圆柱面（这个参数用户已经提供要求中间的圆柱的半径为76mm）。3.3建立小圆柱及洞根据上面的两个封闭曲线在拉伸出面Constructswept surfaceextrude in direction，最后在底面用封闭曲线建面Constructsurfaceplane trimmed w/curve。3.4提取齿轮面及建立曲面使用Modify ExtractCircle Select Points命令选取风扇的一个叶片点云，删除一些不要的点云（边缘部分）。 Constructcross s

40、ectioncloud interactive，建立两条点云，Ctrl+F 将2点云拟合为2条线。Create 3D Curve3D B-Spline沿着叶片的边缘划线，控制点调为3，把扇叶的2边勾勒。剪切两条线使其相交，Modify SnipSnip curve，Modify continuitymatch 2 curve。 提取叶片中间的点云：Modify extractpoints within curves，选取中间的4条线。建面：Constructsurfacefit w/cloud and curves，选取点云和线（逆时针选），使面贴近于点云公差在0.1内：Modify shap

41、e controlwrap surface to cloud w/tolerance，延长生成的曲面，并剪切曲面（在点云上用3D曲线画形状再剪切），调整曲面的误差，使其平滑，如图3-22。3.5 偏移齿面并倒角偏置曲面Construct offsetSurface，偏置2mm再进行倒角：Construct filletSurface。 齿面与圆柱面倒角：Construct filletSurface，分别选取两个面，进行渐变倒角3.6 建立另外四十个齿面点云及建面用上面的方法去建立其他40个齿轮,也可以通过旋转建立（注意旋转中心的选择）。3.7 数据转化导出通用格式简单的误差分析：在进行完曲面

42、重构，需要对重构的误差进行分析。进行曲面和点云的比对，Imageware中提供了这样的功能。使用MeasureSurface to Cloud Difference命令，比对结果误差为0.2mm 。在曲面模型已经建立起来之后，需要做的就是精简数据。精简数据后的文件很直观，而且对后来在其他3维造型软件中进行处理是很方便的。具体操作，删除在进行曲面造型时所建立的中间过渡几何，比如点云数据等。然后另外存储一个文件。另存是为了以后需要修改的时候方便。使用Filesave as命令，选择igs格式保存。Igs格式是能被UG、PROE等三维软件识别的一种文件格式。在保存时，注意删除原有的点云，这样才能更快

43、地打开igs格式文件，不会在UG中打开时乱码。第4章 主减速器低速级齿轮UG阶段处理4.1实体造型当外表面完成后，接下来就要构建实体模型。在UG中可以采用下列方法造型：(1) 对于结构简单的零件，用体素或扫描特征成型。(2) 用简单或复杂的实体作布尔运算，从而生成复杂的实体。(3) 用前面所求得的曲面去切割已有的实体，从而得到具有所需形状表面的实体。(4) 如果难以一次性地生成复杂曲面体，可以分别生成几个必要的复杂曲面，同时做出必要的起闭合作用的曲面或平面，然后将这些表面缝合起来生成实体。最后再进行产品结构设计，如加强筋、安装孔等，最后通过装配完成三维实体模型。当一张曲面不光顺时， 可求此曲面

44、的分割片，调整这些分割片使其光顺，再利用这些分割片重新构面，效果会好些，这是常用的一种方法。4.2 数据导入 在Geomagic中面建好后，删除主减速器低速级齿轮的点云数据（不然在UG里面打开会乱码），要保存在中文目录下（UG打开不了中文目录下的IGS文件）。打开软件，打开预先保存的IGS文件，进入建模模块。导入UG界面后如图4-1所示。 图 4-1 导入后UG界面4.3 曲面缝合及模型实体化在曲面缝合时注意：面的模型无误；所有的面均边界连续且重合，无空洞。在建模模块下点击工具栏“缝合”命令，选择要缝合两个曲面，然后点击应用，同样的步骤将所有的面缝合在一起，这样风扇就变成了一个实体。缝合时要显

45、示为“着色”才能看清楚那些已经缝合好了，那些还没有。缝合如图4-2所示。图4-2 缝合的对话框当主减速器低速级齿轮缝合好后在对该零件进行实体化，由于效果不是那么好，所以我选择重新在UG里面测量它的数据。然后在UG里面调出这个零件的“格里森”齿轮，然后再根据其他尺寸画出我设计的主减速器低速级齿轮。如图4-3所示。图4-3 主减速器低速级齿轮图4.4 产生主减速器低速级齿轮的二维图为后续工作做准备还需将三维实体模型转化为二维图。即在UG 中，将各叶轮的三维模型按轴面和轴向投影得到各叶轮的二维视图，其尺寸采用自动标注。实体就可以产生它的二维图，点击“起始”下的制图模块。根据风扇的大小选择A0图纸（在

46、cad中变为A2），单位mm,设置完成后点击 “确定”进入绘图区。点击工具栏的“基本视图”命令，画出它的2视图，首先画出它的俯视图，再根据俯视图画出它的主视图，（由于方向相反，则点击使它反向），点击“投影视图”，选择其主视图产生其左视图。这样就产生了风扇的三视图，选中每个视图按右键选择“型式”出现“查看形式”对话框选择“光滑边”栏把“光滑边”的勾去掉，这样就屏蔽了多余的轮廓线。点击“文件”“另存为“，选择 DWG格式（AUTOCAD的格式），这样便于二维图的打印和修改。二维图如图3-4所示。 图4-4 最后的二维图4.5 主减速器低速级齿轮的STL生成STL文件目前己成为快速成型系统上的标准文

47、件，几乎所有的快速原形系统的开发者都采纳这种数据格式，事实上各主要的CAD、Geomagic Studio 及CAM软件系统都有生成STL文件的模块。逆向工程测量得到的点云数据可以直接以STL文件输出或通过Geomagic Studio以STL文件输出，再经一定的修复直接输入到快速 成型设备进行加工，但由于快速成型是一种分层制造技术，所以STL模型切片是实现快速成型制造的关键环节。弹出设置选项对话框，然后设置参数，勾选选项框中三角形显示和自动法向生成，输出类型为二进制，三角公差为0，相邻公差为1，如图3-5所示。导出的“stl”格式图如图3-6所示。 图3-5 导出STL关键参数设置 图3-6

48、 “stl”格式实体图 第5章 主减速器低速级齿轮的RP设计5.1 项目实践的几大部分本项目的特点体整个逆向工程系统由数据测量、数据预处理、UG建模以及快速成型四大部分。5.2 快速成型FDM技术1. 快速成型原理及常见的方法 其成形原理是将三维CAD实体模型离散成设定厚度的一系列片层数据, 利用激光成形机或其它成形设备读取这些数据, 用材料添加法技术, 依次将每层堆积起来成形。这一技术称为快速自动成形技术(Rapid Prototype)。它也是CAD集成技术的重要组成部分。从材料固化方法可分为激光和非激光烧结法(SLS)、固体表层造型法(SGC)、层片制造法(LOM)、熔化沉积法(FDM)

49、、选区粘结法(DSPC)、激光气相沉积法(SALD)等。2. FDM成形机工作原理及使用方法和操作要点 其工作过程是机床的加热喷头在计算机的控制下，根据加工工件截面轮廓的信息，作xy平面运动和高度z方向的运动。丝状热塑性材料(如ABS及MABS塑料丝、蜡丝、聚烯烃树脂丝、尼龙丝、聚酰胺丝)由供丝机构送至喷头，并在喷头中加热至熔融态，然后被选择性地涂覆在工作台上，快速冷却后形成加工工件截面轮廓。当一层成形完成后，喷头上升一截面层的高度，再进行下一层的涂覆，如此循环，最终形成三维产品。 1、 准备加工基底，2、 安装成形材料，3、 打开电源，4、 打开控制软件，5、 生成支撑，6、 设置参数及生成

50、填充路径，7、 调整成形头到工作位置，8、 开始零件加工，9、 加工结束，取下工件 3.几种常用RP方法优缺点：。FDM工艺图如图4-1所示。图4-1 FDM工艺原理图3. 设计三维CAD 模型要求设计人员根据产品的要求，利用计算机辅助设计软件设计出三维CAD 模型。常用的设计软件有: Pro/ E，Solidworks， AutoCAD，UG等。4. 三维CAD 模型的近似处理产品上有许多不规则的曲面，在加工前必须对模型的这些曲面进行近似处理。目前最普遍的方法是采用美国3D System 公司开发的STL(Sterolithgraphy) 文件格式。用一系列相连的小三角平面来逼近曲面，得到S

51、TL 格式的三维近似模型文件。许多常用的CAD设计软件都具有这项功能，如 Pro/ E，Solidworks，MDT，AutoCAD，UG等。5. 对STL 文件进行分层处理由于快速成型是将模型按照一层层截面加工，累加而成的。所以必须将STL 格式的三维CAD模型转化为快速成型制造系统可接受的层片模型。片层的厚度范围通常在0102501762mm 之间。各种快速成型系统都带有分层处理软件，能自动获取模型的截面信息。5.3 RP处理过程5.3.1 STL数据格式的处理由于我们在设计的是在三维软件里，但三维数据模型不能够直接导入Modelwizard软件，在Modelwizard软件无法打开，所以

52、必须得进行格式的转换，将三维图形格式转化为STL文件如图4-2，这样的话我们就可以在Modelwizard软件打开，从而进行下一步操作。图4-2 三维图转化为STL格式5.3.2 导入文件和参数设置首先将主减速器低速级齿轮STL文件导入Modelwizard软件，选择最佳放置位置，设置最佳切片厚度，快速原型制作工艺切片厚度的取值大小将直接影响到快速原型制作工艺成型中原型制件的精度和成形效率，切片厚度越小，在零件表面倾斜引起台阶效应就越小，则原型制件的精度就越高，但相应的原型制件的成形时间久越长，导致原型制件的制作效率就越低，因此，在保证成形精度和成形效率的前提下，可采用自适应切层方法，即成形制件的高度是由零件的结构特点进行选择，从而决定切层的厚度。快速制造原型技术工艺能加工任意复杂形状的零件，但其层层堆积的特点决定了原形在成型过程中必须有支撑，它是起到固定原型制件的作用，支撑可分为手动支撑和自动设置