逆向工程之毕业设计论文.docx
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逆向工程之毕业设计论文
西南科技大学
毕业设计（论文）
题目名称：
风扇叶片的非接触测量和三维建模研究
年级：
2004级■本科□专科
学生学号：
20045659
学生姓名：
都方军指导教师：
乐莉
学生单位：
制造科学与工程学院技术职称：
副教授
学生专业：
机械0408教师单位：
制造学院
西南科技大学教务处制
风扇叶片的非接触测量和三维建模研究
摘要：
随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在工业
上已经得到了广泛的应用。
为了解决风扇叶片难以精确测量的问题，本文研究了风扇叶
片外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程概念、方法进行系统的阐述。
通过光学扫描
仪的非接触测量获取风扇叶片表面的云状数据,并利用Imageware和geomagic软件对测
量数据进行处理,且基于NURBS曲面重构理论进行叶片造型表面重构,最终实现了风扇的
曲面重构，产生风扇的三维模型及二维图。
与传统的正向设计方法相比,该方法提高了
工作效率,缩短了新产品的开发周期。
关键词：
逆向工程；非接触测量；点云；建模
FanBladenon-contactmeasurementand3DModeling
Abstract：
Withtherapiddevelopmentofcomputertechnology, Three-dimensional
computermodelingtechnology,especiallythereverseengineeringtechnologyintheindustry,
hasbeenwidelyused. FanBladedifficulttosolvetheissueofaccuratemeasurement, This
paperstudiestheshapeofthefanbladereverseengineeringmodelingmethod, Andreverse
engineeringconcepts,methodsandsystematicelaboration. Byopticalscannersaccesstothe
non-contactmeasurementofthefanbladesurfacecloudofdata,withImagewareand
geomagic,themeasurementdataisprocessedandNURBSsurfacereconstructionbasedon
thetheorybladeshapesurfacereconstruction,Theultimaterealizationofafansurface
reconstruction, Beingdesignedwiththetraditionalmethod, Themethodimprovesthe
workingefficiency, Shortenthedevelopmentcycleofnewproducts.
Keywords:
ReverseEngineering; Non-contactmeasurement; PointCloud;Modeling
第1章绪论.............................................................1
1.1引言............................................................1
1.2课题提出的背景及意义............................................1
1.21逆向工程在国内外研究状况....................................1
1.22逆向工程的原理及特点........................................2
1.23逆向工程的流程及应用领域....................................3
1.24课题的目的及意义............................................5
1.3研究内容........................................................5
第2章逆向工程软硬件设备及过程.........................................5
2.1扫描设备........................................................5
2.2点云处理软件....................................................8
2.3曲面处理软件....................................................8
2.4实体建模软件...................................................10
2.5实体三维数据的扫描.............................................12
2.6点云处理.......................................................13
2.7曲面重构.......................................................14
2.8实体建模.......................................................19
2.9后续加工处理...................................................20
第3章建立风扇叶片数模的具体步骤......................................22
3.1风扇叶片逆向开发的流程.........................................22
3.2模型分析.......................................................22
3.3扫描...........................................................22
3.4点云数据处理...................................................34
3.4.1清除噪点....................................................34
3.4.2手动注册...................................................35
3.4.3全局注册...................................................36
3.4.4合并.......................................................36
3.4.5补洞.......................................................37
3.4.6边界优化...................................................37
3.4.7简化数据及保存.............................................37
3.5曲面造型.......................................................38
3.5.1对齐点云...................................................39
3.5.2建立圆柱面.................................................40
3.5.3建立球面...................................................40
3.5.4建立球底面.................................................40
3.5.5偏移球面及上下底面.........................................41
3.5.6剪切中间凹槽及洞...........................................41
3.5.7建立小圆柱及洞.............................................42
3.5.8提取一个叶片及建立曲面.....................................42
3.5.9偏移扇叶曲面并倒角.........................................43
3.5.10建立另外2个叶片面........................................43
3.5.11数据转化导出通用格式......................................44
3.6实体造型.......................................................44
3.6.1数据导入...................................................45
3.6.2曲面缝合及模型实体化.......................................46
3.6.3产生风扇叶片的二维图.......................................46
结论....................................................................48
参考文献................................................................53
致谢....................................................................54
第1章绪论
1.1 引言
反求工程（ReverseEngineering）是根据现有实物模型的测量数据演绎出零件的设计概念和CAD模型，其目的就是消化吸收并改进国内外先进技术，快速赶上或超过世界先进生产技术水平、赢得市场竞争．作为近年来迅速发展的快速设计制造技术的重要分支，可大大缩短产品制造周期，因而在制造领域得到了广泛的应用。
1.2 课题提出的背景及意义
1.2.1 逆向工程在国内外研究状况（批注：
阐述的文字没有数据和事实作为证明支撑和依据。
）
美国在其国内已经建立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程中心，在英国、德国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区已有商品化的逆向工程设备和系统软件相继投入使用，有效地提高了企业的竞争力，促进了生产力的发展，反求工程在国外已取得了长足的进步。
中国是制造大国，制造业在世界上排第四，但我们的制造水平还比较落后，大多数产品都还用外国提供的技术。
随着我国工业的不断进步中,吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的产品设计手段。
逆向工程技术为产品的改进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利的地位。
在国内反求工程还处于一个初级阶段。
在我国东西部的逆向工程的水平不一样，在东部沿海大多数设计开始使用逆向设计而在西部基本还处于原始的正向设计阶段，因此中国的反求水平还是一个落后的阶段，逆向设计还有很大的发展空间。
通过对风扇叶片的反求，认识反求的方法和过程，了解逆向工程的用途。
1.2.2逆向工程的原理及特点
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。
1.2.3逆向工程的流程及应用领域
逆向工程的流程由以下几步组成，模型曲面分析→确定扫描方案→进行实体点云扫描→进行点云数据处理→建立需要的曲线→建立曲面→进行实体建模。
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CAD软件直接设计的，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）当设计需要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CAD模型及其模具。
（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CT技术，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。
1.2.4课题的目的及意义
采用三维光学测量系统对叶片进行反求，建立风扇叶片的三维模型，并转化为二维生产图，以解决风扇叶片难以精确测量的问题，此方法有效地解决了风扇叶片难以精确测量的问题。
通过毕业设计认识逆向工程，在以后的设计中考虑逆向工程，因为它缩短了开发周期，降低了产品开发成本。
如果将逆向工程与已有的计算机辅助设计（cad），计算机辅助制造（cam）等技术有机的结合在一起，将有效地提高产品设计与制造的水平。
对设计人员来讲，将传统的设计方法与逆向工程相结合，提高设计人员的整体水平；对国家而言，具有缩小发展中国家与发达国家之间的差距具有重要意义。
1.3 研究内容
熟悉风扇的结构，了解三维测量仪器的操作，拼接技术的研究，总结扫描技巧。
了解风扇（一类的）点云的处理方法，通过风扇叶片的扫描知道反求工程的大概扫描过程。
学习IMAGEWARE和geomagic软件。
通过原物的扫描后，得到其形状，根据需要改变其形状参数，逆向设计后再进行正向设计。
介绍完题目的背景和意义，以及逆向的基本原理和流程，下面介绍逆向工程的软硬件设备。
第2章 逆向工程软硬件设备
在这章重点介绍这次毕业设计所需要的软硬件设备，主要是扫描设备，点云处理软件，曲面处理软件，实体建模软件，后续加工的设备。
2.1 扫描设备
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。
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。
图2-1三维光学扫描仪
2.2 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。
GeomagicStudio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，GeomagicStudio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GeomagicStudio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CAD软件的补充。
2.3 曲面处理软件
Geomagic和Imageware都可以处理曲面。
Imageware能更好进行曲面拟合，误差的分析，如果Geomagic处理曲面，则会显示出曲面的精度不高以及处理时间过长等缺点。
Imageware作为UGNX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A级曲面（CLASSA）具有良好的品质和曲面连续性。
Imageware的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造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。
自由形状产品设计、快速曲面、高质量曲面、逆向工程、计算机辅助校验、多边形建模、快速原型等，使客户能够在很短的时间内精确地设计建立和全面检验高质量的自由形状产品。
基本模块ImagewareSurfacing是一个功能强大的、直观的曲面创建工具,可以直接创建由测量点、曲线、曲面形成的自由曲面。
柔性设计环境支持Bezier和NURBS曲面。
动态曲面修改工具能够交互检测和变更设计，实时表现设计的含义和美感。
建立工具提供从快速到高质量曲面的任意形状的功能，包括汽车ClassA需要的高精确和平滑的曲面。
有效的连续和约束管理工具使曲面到曲面连接的曲率连续。
实时诊断提供全面的质量分析工具，这些工具是鉴别表面曲率的仪器，加亮显示检测到的曲面瑕疵、偏离和不完整。
Imageware数字检验工具包括加工性检查、分离线和曲面间隙，能够在数据提供给后续过程之前鉴别出设计缺陷。
第2个基本模块ImagewareInspection是一个通用和容易使用的3D测量系统，用于比较物理零件和相应的理想CAD模型。
偏离检查用图形和文字报告方式表现结果，报告可以用PDF格式在企业web网页上共享。
此外，还提供工具处理光学检测点和离散的CMM测量数据。
点处理使用户可以清除、采样、过滤、合并、交叉截面、偏置、投影点集、提取点和计算临界特征及边的尺寸。
这在目前通过光学扫描仪采集的数百万点数据的处理时非常有效。
曲线创建功能：
1．判断和决定生成哪种类型的曲线。
曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。
2．创建曲线。
根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。
控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
3．诊断和修改曲线。
可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。
Imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。
曲面创建功能：
1．决定生成那种曲面。
同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。
根据产品设计需要来决定。
2．创建曲面。
创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（Fitfreeform），可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。
还可以通过其他例如圆角等生成曲面。
3．诊断和修改曲面。
比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。
2.4 实体建模软件
实体建模软件UG和Pro/ENGINEER同样的优秀，这次毕业设计中主要用Pro/ENGINEER进行模型的修改，用UG产生风扇的二维图，用AUTOCAD对二维图进行修改。
UG是美国EDS公司（现已经被西门子公司收购）的集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。
UGCAD：
曲线的建立、曲线的操作与编辑、三维实体建模与编辑、草图的建立及约束管理、表达式、工程图的建立、工程图的编辑与注释、组件装配、组件爆炸视图、组件克隆及明细表、自由形状特征的建立与编辑等。
UG的计算机辅助制造（CAM）模块包括数控铣加工编程、车加工编程、电火花线切割编程，UG—CAE主要是对模型的分析。
UG是目前市场上功能最极致的产品设计工具。
它不但拥有现今CAD/CAM软件中功能最强大的Parasolid实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。
UG提供工业标准之人机接口，不但易学易用，更有无限次数的undo功能、方便好用的弹出窗口指令、快速图像操作说明、自定操作功能指令及中文化操作接口等特色，并且拥有一个强固的档案转换工具，能转换各种不同CAD应用软件的图文件，以重复使用原有资料。
Unigraphics（UG）是一套复杂产品设计制造的最佳系统，从概念设计到生产产品，UG广泛的军用在汽汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器材产业等等，近年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域—工业设计。
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