酸奶瓶逆向造型研究.docx
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酸奶瓶逆向造型研究
酸奶桶的反求造型研究
摘要：
本文提出如何利用UG和surfacer软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:
1.在三坐标测量机上能够快速精确的测量到大量的已有产品的表面坐标值。
2.在专用的点处理软件surfacer上能够较精确的将测的的点拟合成曲线和曲面。
3.在UG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UG软件具有强大的曲线曲面造型功能，但是点云数据预处理的功能相当薄弱。
为此本文以surfacer作为中间软件，完成点云数据的预处理，提高了在UG软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:
1.探讨三坐标测量的多种方法和目前国内外的发展现状。
2.点云排序方法的研究，初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。
3.利用surfacer开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UG界面上的显示。
4.以UG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,surfacer
指导老师签名：
Reverseyougurtshapeofabarrel
ABSTRACT：
ThispaperpresentshowtouseUGandsurfacersoftwareonthereversingdesignofthemoldproblem,theissueraisedforthefollowingreasons:
1.IntheCMMwecanbeabletoquicklyandaccuratelymeasuringalargenumberofproductsalreadyonthesurfacecoordinates.
2.Pointsinadedicatedsoftwaresurfacercanbeeasilyhandledmoreaccuratewillbeadjacenttothepointofcurvesandsurfaces.
3.UGsoftwareproductstobeabletorecoverentities,andtofurtherreversethereversediedesignandmanufacturingintegration.
Pointclouddataandpretreatmentofsurfacereconstructionisthereverseengineeringofkeytechnologies,whileUGsoftwarehaspowerfulfeaturesofsurfacemodeling,butthepointclouddatapre-processingfunctionsquiteweak.Surfacertothispaperasanintermediarysoftware,thecompletionpointclouddatapreprocessing,theincreaseintheUGreverseengineeringsoftwareontheefficiencyandaccuracy.
Thispaperontheworkareasfollows:
1.TheCMMonavarietyofmethodsandthedevelopmentofthestatusathomeandabroad.
2.Pointcloudsortofway,theinitialestablishmentofpointcloudrelationsbetweenthetopology,toacertainpointcloudtheintegrityandremovenoisepoints.
3.Surfacerusedevelopmenttoolstosortandthecompletionpoint-tostreamlineandpoint-fittingcurvesandsurfaces,andtoachieveafittingsurfaceinterfacedisplayedontheUG.
4.UGtothesurfaceprocessingandmodelingsoftwareasatoolforphysicalrehabilitationandreversemodel.
KEYWORDS:
Reverseengineering,Pointcloudprocessing,SurfaceSignatureofSupervisor：
目录
摘要（I）
ABSTRACT（II）
目录
（1）
前言
（1）
1绪论（3）
1.1逆向工程概述（3）
1.2逆向工程及模具设计的发展现状（6）
1.3本文研究的内容和意义（8）
1.3.1研究内容（8）
1.3.2研究意义（8）
2产品表面坐标的测量（9）
2.1测量方法分析（9）
2.1.1接触式测量（10）
2.1.2非接触式测量（10）
2.2测量设备的发展（10）
2.2.1坐标测量机的最新发展（11）
2.3ATOS扫描仪数据点测量原理（11）
2.4点云数据的获取（11）
3点数据的预处理（12）
3.1surfacer软件介绍（12）
3.2点云数据预处理[1]（13）
3.2.1数据平滑（13）
3.2.2数据过滤（13）
3.2.3数据分块和数据融合（13）
3.2.4数据优化（14）
3.2.5点云拼合（14）
3.3曲线重构的原理（14）
3.4曲面重构的原理（15）
4Surfacer软件重构曲面[2]（17）
4.1点云数据处理（17）
4.1.1数据点的导入（17）
4.1.2噪声点处理（18）
4.2曲线创建（18）
4.3曲面创建（20）
5UG反求实体及模具（21）
5.1UG软件简介（21）
5.2UG复原实体设计过程（21）
6UG注塑模具设计（29）
结论（36）
参考文献（37）
致谢（38）
前言
逆向工程（ReverseEngineering，RE），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CAD模型的情况下，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CAD技术重新构造CAD模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UG软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AT0S三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Surfacer处理测量获得的散乱“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UG软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ATOS扫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surfacer软件常用功能命令，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。
第5章对UG软件做简单介绍并利用UG实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UG软件的Moldwizard4.0注塑模具向导模块，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Surfacer和UG的优势重构过渡面，Sufracer在点云数据处理、曲线构建和曲面构建有较强的优势，但在UG中生成过渡面的效果明显要好一些，本文结合Surfacer和UG三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UG和Sufracer中均可构建，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。
1绪论
1.1逆向工程概述
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（CAD）作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CADC/AM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CAD领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、CAD/CAM相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CAD模型从而提高设计制造的自动化程度。
（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CAD软件，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（ComputeriZedTomography，CT）及核磁共振（MagnetiCReSOnnaCemIgaing，MR工）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（RPM）相结合，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】
1.2逆向工程及模具设计的发展现状
逆向工程RE（RevereEngineering）也称为反求工程，是基于NURBS的曲线、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CAD模型，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CAD模型的快速转换，能够得到高质量的工程CAD资料，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（CAE）技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，CAE技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Moldflow公司是专业从事注塑成型CAE软体和谘询公司，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CAE软体市场。
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CAE技术可以在模具加工前，在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CAD技术，而且还要采用CAE技术。
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CAE技术，可以完全代替试模，CAE技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，CAE技术在注塑成型领域中的重要性日益增大，采用CAE技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。
1.3本文研究的内容和意义
1.3.1研究内容
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CAD模型的过程。
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模型，使得能够进一步利用CAD/CAE/CAM等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。
1.3.2研究意义
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.逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它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、CAD／CAM系统处理和融入产品数据管理系统的过程。
其中在RE产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CAD／CAM系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UG进行实体整合，制造出实体玩具模型，通过实体模型反求玩具的制造模具。
2产品表面坐标的测量
2.1测量方法分析
2.1.1接触式测量【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。
2.1.2非接触式测量
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。
2.2测量设备的发展
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、智能化的发展趋势。
三坐标测量机（CMM）是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。
2.2.1坐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CAM提出更多新的要求，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。
1.1误差自补偿技术
德国CarlZeiss公司最近开发的CNC小型坐标测量机采用热不灵敏陶瓷技术（Thermallyinsensitiveceramictechnology），使坐标测量机的测量精度在17.8～25.6℃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PMIS包括多项系统误差补偿、系统参数识别和优化技术。
1.2丰富的软件技术
CarlZeiss公司开发的坐标测量机软件STRATA-UX，其测量数据可以从CMM直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X-BAR&R及X_BAR&S图表、频率直方图、运行图、目标图等。
美国Brown&Sharp公司的ChameleonCMM测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Mitutoyo公司研制开发了一种图形显示及绘图程序，用于
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