汽车方向盘逆向工程的数字化设计论文Word文档格式.docx
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June，20
摘要
随着工业技术的进步和经济的发展，产品的功能已不再是赢得市场的唯一条件。
要吸引消费者，产品不仅要具有强大的功能，还要有流畅，造型丰富和个性的外观。
高品质的产品外观必然要由复杂的曲面组成。
但是，传统的设计开发模式中，设计师在CAD/CAM系统设计中很难用严密统一的数学语言来描述这些自由曲面。
从而使得逆向设计和快速成型方法在产品设计中的地位凸现出来。
逆向工程在CAD/CAM系统中的使用大大降低了产品设计速度，缩短了设计周期，使得从已有产品到新产品的改型变得容易操作。
逆向工程的方法必将成为现代工业造型设计的首选。
本文在对逆向工程和数控加工技术研究的基础上，完成了汽车方向盘的逆向设计及数控加工。
首先使用ATOS扫描系统对实物模型方向盘进行扫描，生成数据点云，通过我们对点云的降噪、去杂点、光顺等预处理，得到我们所需要的准确的数据点云。
然后再使用点云处理软件在点云的基础上重新建模，在对模型分析评价的基础上进行模具设计，针对模具的生产进行了数控加工编程，使用数控加工中心加工模具，最后对前期建立的模型进行数控加工。
文中内容围绕着产品快速成型技术的几个环节：
三维数据采集，点云预处理，CAD模型重构，模具设计及数控加工，通过汽车方向盘的逆向设计加工具体介绍了应用逆向工程的数字化设计方法，总结了基于逆向工程的产品造型设计基本过程，提出了改善了产品设计环节的新思路。
关键词：
逆向设计；
模具设计，数控加工；
点云处理；
atos扫描系统，CAD模型重构
ABSTRACT
Withindustrialandtechnologicalprogressandeconomicdevelopment,theproductfeaturesarenolongertheonlyconditiontowinthemarket.Toattractconsumers,theproductnotonlyhasstrongcapabilities,butalsoasmooth,richstylingandpersonalizedlook.Theappearanceofhigh-qualityproductsisboundtothesurfacebythecomplexcomposition.However,traditionaldesignanddevelopmentmodel,designersinCAD/CAMsystemdesigndifficulttouserigorousunifiedmathematicallanguagetodescribethefreesurface.Sothatthereversedesignandrapidprototypingmethodsinproductdesignstandoutintheposition.ReverseengineeringinCAD/CAMsystem,greatlyreducedtheuseofdesignspeed,shortenthedesigncycle,makingnewproductsfromexistingproductstothemodificationbecomeseasytooperate.Reverseengineeringofmodernindustrialdesignwillbecomethefirstchoice.
Inthispaper,reverseengineeringandCNCmachiningtechnologybasedonthecompletionofthereversesteeringwheeldesignandCNCmachining.ATOSscanningsystemthefirsttousethesteeringwheelonthephysicalmodeltoscandatapointcloudgeneratedbyourpointcloudnoisereduction,tonoise,suchaspre-smoothing,togetwhatweneedaccuratedatapointcloud.Andthenusethepointcloudpointcloudprocessingsoftwarebasedonthere-modeling,analysisandevaluationmodelbasedonmolddesign,moldproductionwereforNCprogramming,CNCmachiningcenterwithmold,thelastofthepre-establishedmodelforNCmachining.
Thecontentsofthetextsurroundingtheproductofseveralaspectsofrapidprototypingtechnology:
three-dimensionaldataacquisition,pointcloudpretreatment,CADmodelreconstruction,molddesignandCNCmachining,reversethroughthesteeringwheelareintroducedindetailthedesignprocessusingreverseengineeringofdigitaldesignsummarizedbasedonreverseengineeringthebasicprocessofproductdesign,productdesignisproposedtoimprovethelinksofnewideas.
Keywords:
reversedesign;
diedesign,CNCmachining;
pointcloudprocessing;
atosscanningsystem,CADmodelreconstruction
第一章绪论
1.1逆向工程简介
逆向设计是一种相对于正向设计的产品设计方法。
在传统的设计过程中，产品设计是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过设
计计算与绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终使用这个模型进行制作加工，完成产品的整个设计制造过程。
这样的产品设计过程我们称为“正向设计”的过程。
产品造型设计的正向设计流程如图1.1所示。
【1】
图1.1正向设计流程图
如前所述，在现代工业中，由于很多零部件在外观设计上要求的提高，使得通过正向设计过程获得理想曲面难度较大。
而逆向工程的产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程。
简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程，它起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。
具体而言就是针对已有的产品或零件原型，通过3D数字化测量仪准确、快速地测量出工件轮廓的三维坐标，把获取的工件坐标数据点存入计算机形成“点云”文件，再利用逆向设计软件通过对点云的处理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。
逆向设计的过程是对已有设计的再设计，实质上是一个“认识----再现----超越”的过程。
因此，逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称。
随着计算机技术、数控加工技术和测量技术的飞跃发展，逆向工程在现代工业中得到了广泛的应用。
逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。
逆向设计的流程如图1．2所示。
【2】
图1.2逆向设计流程图
1.2逆向工程研究背景
作为产品设计制造的一种手段，在20世纪末，逆向工程技术开始受到各国工业界和学术界的高度重视，从那时起，有关逆向工程技术的研究和应用就一直受到政府、企业和科研机构的关注。
特别是随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品的逆向工程，已经成为CAD/CAM领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。
【3】
逆向工程技术并不是一项孤立的技术，它与现有的CAD/CAM系统以及三维测量技术都有着广泛的联系。
从理论角度分析，逆向工程需要按照产品的三维测量数据重新构建出和现有CAD/CAM系统完全兼容的三维模型，这是逆向工程应用的终极目标。
但是目前人们所掌握的技术，都仍然没有办法满足这样的需求。
特别是针对大规模“点云”数据的模型重构，更是远未达到可以直接在CAD/CAM系统中应用的效果。
目前逆向工程技术和现有CAD/CAM系统是一种相辅相成的关系。
现有CAD/CAM系统经过长期积累，在理论和实践上都已经相当成熟，所以现有CAD/CAM系统不会为了满足逆向工程建模的要求而改变系统底层。
另一方面，现有CAD/CAM的大量建模方法也可以在逆向工程系统中使用，而不需要重新搭建平台。
基于以上几点，三维模型重构技术在整个制造体系链中处于从属、辅助建模的地位，它可以利用现有CAD/CAM系统，帮助实现自身无法完成的工作。
【4】
目前，在国际市场上已出现了一些专门用于产品逆向设计的软件，如美国UGS公司的imageware软件，英国Renishaw公司的TRACE，英国MDTV公司的STRIMandSurfaceReconstruction等，英国DelCAM公司产品CopyCAD；
此外，一些CAD/CAM系统如美国PTC公司的Pro、Engineer2000和美国IBM公司的CATIA等在其系统中也集成了可实现逆向三维造型设计的模块，但他们仍与专业的逆向工程软件在功能上有较大差距。
逆向工程是在逆向工程软件的支撑下得以实施的。
逆向工程软件主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的操作，重新构建出品质优良的曲线和曲面模型，并通过在CAD/CAM系统中使用的标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有的CAD/CAM系统中，在这些软件中最终完成的产品造型。
由于无法完全实现产品造型，因此逆向工程的CAD软件很难与现有的主流CAD/CAM软件系统，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER等相抗衡。
很多逆向工程软件被收购而成为这些CAD/CAM系统的第三方软件。
如UG软件使用ImageWare作为UG系列产品中完成逆向工程造型的软件。
此外还有一些独立的逆向工程软件，如GeoMagic等，这些软件一般具有多元化的功能和更专业层面的应用。
例如，GeoMagie除了处理几何曲面造型以外，还被用来处理CT的断层界面数据造型，从而使软件在医疗成像领域中具有相当大的竞争力。
另外，一些逆向工程软件作为整体系列软件产品中的一部分，无论数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致，从而使逆向工程软件产生的模型可以直接进入CAD或CAM模块中，实现了数据的无缝集成。
【5】
20世纪90年代后期，由于国内制造业的迅速发展，涌现出一大批高科技公司，推动了逆向工程技术在我国迅速发展。
西安爱德华测量设备有限公司，其在数控系统、测量软件及光学图像信息处理技术等核心技术上拥有自主知识产权；
在三坐标数学处理模型的建立、PC总线CNC控制和计算机图像处理与坐标测量技术研究领域已达到了国际先进水平。
宁波德立星科公司推出的柔性三维激光扫描及检测系统FlexMe，由于其柔性好、操作简单、精度高，已经广泛应用于逆向工程系统。
【6】
逆向工程在数据处理、曲面片拟合、规则特征识别、专用商业软件和三维扫描仪的开发等方面已取得非常显著的进步，但在实际应用中，整个过程仍需大量的人工交互，产品的质量很大程度上取决于操作者的经验和素质，自动重建曲面的光顺性难以得到保证，因此逆向工程技术依然是目前CAD/CAM领域中一个十分活跃的研究方向。
以下方面技术的发展值得期待：
（1）发展面向逆向工程的专用测量系统，使之能高速、高精度地实现实物数字化，并能根据样件几何形状和后续应用选择测量方式及路径，能进行路径规划和自动测量。
（2）研究适应不同的测量方法和后续用途的离散数据预处理技术。
（3）拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接。
（4）有效的特征识别和考虑约束的模型重建以及复杂组合曲面的识别和重建方法。
（5）发展集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术，基于网络的协同设计和数字化制造技术等。
在逆向工程中使用到的技术主要有：
逆向工程数据测量技术、逆向工程数据处理技术和逆向模型重建技术等几个方面。
关于逆向工程方面的内容本文将在第二至四章进行重点介绍。
计算机辅助制造的主要技术有模具设计和产品数控加工。
将在本节中对各项技术现状和发展做简单的分析，并简单介绍在本次研究中所使用的具体方法和工具。
1.3逆向工程制造过程简介
在逆向设计生成的模型，可以在计算机辅助设计制造系统中使用以支持其模具设计、数控编程、计算机仿真等后续操作。
通过计算机辅助制造系统可以快速的生成产品制造生产过程中所需要的模具。
模具设计和数控加工是产品由三维数字模型到具体产品的过程。
使用计算机辅助制造系统能够显著提高模具设计和数控编程的速度。
模具工业在国际上被称为“工业之母【7】，是衡量一个国家工业化水平的重要标志。
对国民经济发展起着非常重要的作用。
模具工业是机械工业的重要组成部分，模具是工业生产的基础工艺装备。
目前，世界各国都相当重视模具工业，它发展的速度制约或推进着工业。
模具工业是国民经济发展的重要基础之一。
因为利用模具来生产产品具有很多先天优势，所以它被广泛应用于家电、电子、电器、汽车、仪表、航空航天、电子等工业产品的生产之中。
利用模具来生产产品的优点主要有以下几点：
首先，它可以有效提高生产效率，能够节约大量的原材料；
其次，模具的使用能够有效地改善材料内部的结构和缺陷，提高制件各个方面的性能；
再次，经过模具生产出来的产品，后续加工工序少，提高材料利用率，缩短了生产周期；
最后，使用模具，特别适合大批大量生产。
使用模具生产的制件所达到的高精度、高复杂程度、高一致性、高生产率和低耗能、低耗材是其他加工方法所无法比拟的。
其产品价值往往是模具本身价值的几十倍乃至上百倍。
从而使得模具工业在制造业中的地位越来越重要。
【8】
作为产品从设计到实物的最后一个环节，数控加工技术是将设计模型转化成产品的最终方案。
数控机床的发展是衡量一个国家制造业水平的标杆。
而高速、精密和多轴联动数控机床的控制系统则代表制造业的最高水平，从某种意义上说它反映了一个国家的工业水平的整体状况。
目前中国的高档数控机床大多是采用德国西门子FG1H型数控系统，而且其中很多重要功能被有意的关闭和限制，如果想要打开则需要另外进行逐项谈判，以高的代价来购买。
高档数控系统的高度依赖国外的现状已经严重制约我国高档数控机床的发展。
国内的数控系统产量很大，但大多属于经济型数控机床。
经济型数控机床的一个特征是价格便宜；
另一个特征是开环控制，即仅仅通过脉冲方式与电动机的驱动器进行通讯，电动机编码器的反馈信号没有参与运动控制的运算。
这样的控制系统在控制规格小、精密度低或轴数少的机床是可以的，但对于大型、精密、多轴的复合式数控机床是远远不能够满足的。
【9】【10】
虽然我国数控机床方面的发展还与发达国家存在着一定的差距，但是我们相信，随着社会的发展，中国的数控加工技术必将取得长足的进步。
在本设计中我们使用ug软件系统中的MoLDFLow软件模块对汽车方向盘模具进行设计。
通过实例展示了注塑模设计的全过程。
我们使用美国哈斯公司生产的数控加工中心对汽车方向盘模具中的个别零件进行了数控加工。
这一部分内容，我们将在第四章和第五章进行重点介绍。
1.4本文研究的内容。
文中在对产品的逆向工程技术进行系统研究的基础上，以汽车方向盘的逆向设计和加工为例总结出了产品逆向设计的具体过程和方法。
主要包括以下方面研究内容：
（1）逆向工程方法的研究。
逆向工程具体概念以及实施过程分析。
（2）三维扫面技术研究，采集物理模型三维点云数据，总结物理模型到CAD模型数据的传递方法。
（3）使用三维设计软件完成产品的逆向建模，探讨使用空间点云数据快速重建CAD模型的方法。
（4）使用ug完成产品模具设计和数控编程，总结CAD/CAM系统数控模具设计和数控编程方法。
（5）使用数控加工设备加工产品模型，总结数控机床使用方法。
随着我国汽车工业的飞速发展，创新高品质的车型不断推出，促进汽车研发周期不断缩短。
传统的设计方法已经很难跟上步伐。
如何提高新产品的开发水平和缩短产品开发周期，已成为我国汽车行业亟待解决的问题。
本文以汽车方向盘作为研究对象，通过对其逆向设计和后期加工制造的过程，总结了逆向工程的一般方法。
通过本文中新技术的使用和提出，可以明显缩短开发周期，提高效率。
逆向工程的方法同样可以用在其他新产品的开发和改型中，所以针对逆向工程做出以上各项的研究就具有了很强的实际意义。
1.5本章小结
本章结合有关文献资料，介绍了正向工程与逆向工程的概念，以及逆向工程中使用的主要方法和技术，并对其发展现状和前景做了分析。
同时，本章简明的提出了后面几章论文的内容，在整篇论文中具有提纲挈领的作用。
后面各章将依照本章提到的顺序结合实例对逆向工程中各个环节做详细分析。
第二章逆向工程测量系统
2.1扫描系统简介
在逆向工程过程中面对实物样件需要一种有效的三维测量技术，通过对实物进行激光扫描或结构光测量来获得实物的数据，并将结果输入到计算机中进行处理。
根据测量的数据来建立三维CAD模型，进而开发出同类的产品以实现逆向工程。
因此数据测量技术是整个逆向工程的基础环节。
只有在有效准确的测量基础上逆向工程才得以实现。
国外三维扫描设备目前己有较多的产品广泛应用于机械加工，数字城市建模等领域，根据扫描仪使用方式和应用领域分为手持式、台式、地面以及机载扫描仪等。
欧美精度最高的台式扫描仪扫描精度可以达到十几个微米，得到的点云密度甚至超过人眼的分辨率，工作时同时使用三色激光扫描得到真彩色点云数据。
这种点云模型已经不需要进行网格化，但是模型数据量庞大，比较适用于小件并且珍贵的文物建模。
【11】
2.2三维扫描方法分类
获得准确的点云数据时进行逆向工程的基础。
因此，逆向工程中首先要做的就是对现有实体模型进行扫描，得到一组扫描数据。
目前我们获得点云数据一般都是通过三维扫描仪，然而不同的扫描仪其工作原理、结构、工作方式各不相同。
三维扫描仪大体可以分为接触式扫描仪和非接触式扫描仪。
而接触式与非接触式扫描仪又有不同的分类。
2.2.1接触式数据采集方法
接触式数据采集方法主要有基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集两大类。
a．触发式数据采集方法
触发式数据采集使用触发头，当探针接触到样件表面时由于针尖受力变形触发采样开关，其变形大小和方向可以由传感器测出，通过芯片处理，将测出的信号反馈给计算机，通过计算机的运算，显示出所测三维点的坐标。
逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。
在触发式采集过程中，由于探针必须有一个固定的偏移量才能触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向推出以免受力过大而折断，因此数据采集速度低下。
对凹表面的测量不十分有效，内腔难于测量，测量受到仪器尺寸限制。
b．连续式数据采集方法
连续式数据采集使用模拟量开关采样头，因为数据采集过程是连续的，速度比点接触式采样头快许多，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较软材料制作的模型。
由于采样速度快，连续式数据采样可以用来采集大规模的数据。
2.2.2非接触式数据采集方法
非接触式测量是一种基于光学，声学，磁学等原理，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。
使用非接触式方式采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，主要运用光学原理进行六维数据采集。
其方法主要有结构光法（将一定模式的光，如条形光、栅格状光，投射到被测物体表面，并捕获光被曲面反射后的图像，通过对图像的分析获得三维点坐标），激光三角法（利用光源与影像感应装置（如摄像机）间的位置与角度来推算点的空间坐标），激光测距法（将激光束的飞行时间转化为被测点与参考平面间的距离），干涉测量法，图像分析法（利用一点在多个图像中的相对位置，通过视差计算距离，从而得到点的空间坐标。
在本设计中我们使用的是ATOS光学测量系统对现有实物模型进行扫描。
它属于使用激光测量的非接触式光栅投影扫描仪。
ATOS系统是一种在反求工程和工业检测中被广泛使用的光学测量设备，它综合了光学三角测量原理与光栅条纹位移技术原理对实物做非接触高速测量。
下面将对ATOS系统及做重点的介绍。
【12】
2.3ATOS三维扫描仪简介
ATOS三维扫描仪带有两个CCD摄像机和一个中央投影单元。
ATOS的传感器头主要是由主光源、光栅器件组和CCD光学测量传感器组成。
传感器头安装在一个可以绕着被测实物自由运动的支架上，在测量时传感器头可以绕着被测实物任意移动。
在测量时，光源可持续投影11种小同间距的光条于物体上，通过光条间距的变化，再经过数码影像处理器分析，在数秒内便可得到实物表面数据，实现三维扫描高速化。
它的中央投影单元部分配置了一个白色的投射灯泡和一个可规则滑动的复杂光栅。
测量时，投射灯泡将规则变化的光栅投影到被测工件表面产生的摩尔条纹，摩尔条纹的变化被CCD镜头记录下来，并转送到计算机，经过处理以后得到两个CCD镜头分别拍摄到的两张“三维”照片。
由于两个CCD镜头可以感知高达440，000个象素，所以每一单幅照片可以采集到1.3万个有效数据点。
ATOS软件可以在瞬间处理这1.3万个数据并精确的标定出其三维空间坐标值。
扫描后的文件时*.amp文件，经过对齐（Align）后，可以以多种方式进行后续处理。
利用零件上预先定义的参考点，第二批点系列被转变到首次扫描所定义的坐标系当中，再覆盖在零件模型上的参考标记点的基础上，利用参考点将不同的视图拼合到一个坐标系中，将几次扫描相结合，每一块点云都可以通过所施加的参考点位置自动的进行转化。
ATOS系统提供了各种不同的数据输出格式，以适应后续的处理的应用情况，常见的格式有：
ASCII（*.asc），IGES（*.igs），CLI（*.cli），DXF，VDA/PS以及ASCII形式的STL（*.ast）和二进制（Binary）形式的STL（*.stl）。
在测量大型物体时，需要分块扫描。
为了减少扫描照片的拼接误差
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