玩具汽车的逆向造型研究.docx

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玩具汽车的逆向造型研究

目录

第一章绪论

1.1逆向工程简介………………………………………………………………………3

1.1.1逆向工程的概念…………………………………………………………………3

1.1.2逆向工程的现状及应用…………………………………………………………4

1.1.3逆向工程的一般步骤……………………………………………………………4

1.2测量工具ATOSⅠ介绍………………………………………………………………5

1.3软件Pro/E介绍……………………………………………………………………6

1.4CATIA软件介绍……………………………………………………………………7

1.5本课题的意义和内容………………………………………………………………9

第二章逆向工程中的测量技术

2.1测量方式…………………………………………………………………………11

2.2零件扫描过程……………………………………………………………………12

2.3本章小结…………………………………………………………………………15

第三章逆向工程的后处理及三维建模

3.1逆向工程的后处理………………………………………………………………15

3.1.1逆向工程后处理的要求………………………………………………………15

3.1.2曲线与曲面的连续性…………………………………………………………15

3.1.3曲线的拟合……………………………………………………………………15

3.1.4曲线的构建……………………………………………………………………16

3.1.5点数据处理……………………………………………………………………17

3.1.6曲线的构建和分析……………………………………………………………18

3.1.7曲面构建与分析………………………………………………………………19

3.2基于CATIA软件下逆向后处理…………………………………………………21

3.2.1CATIA曲面重构工具介绍……………………………………………………21

3.2.2平面特征………………………………………………………………………22

3.3曲面重构具体过程[4][5][6]…………………………………………………22

3.4曲率分析…………………………………………………………………………30

3.5本章小结…………………………………………………………………………32

第四章基于Pro/E的玩具汽车结构设计及虚拟装配

4.1各个零部件的设计……………………………………………………………32

4.1.1规则实体重构方法…………………………………………………………32

4.1.2零件设计的一般步骤………………………………………………………33

4.2虚拟装配………………………………………………………………………38

4.3本章小结………………………………………………………………………41

第五章结论

参考文献…………………………………………………………………………43

致谢………………………………………………………………………………44

第一章绪论

1.1逆向工程简介

1.1.1逆向工程的概念

逆向工程（反求工程）是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用CAD/CAE/CAM等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。

逆向工程现己发展为CAD/CAM中一个相对独立的范畴。

通过实物模型产生CAD模型，可以使产品设计充分利用CAD技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。

实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为CAD/CAM系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。

将逆向工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来反求其CAD模型的过程。

在这一意义下，逆向工程可以定义为:

是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。

逆向工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。

从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求，是广义上的反求。

应该看到:

逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。

现行产品中的各种复杂高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。

所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，逆向工程作用十分巨大。

现代人们通称的设计一般均指正向设计。

它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。

如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。

实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。

可以看出，反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究，则出现于60年代，逆向工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平，赶超世界先进水平的迅捷之路。

战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明[1]。

1.1.2逆向工程的现状及应用

逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。

世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。

据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。

因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。

逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：

（1）在产品仿制中的应用

有时，拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或实物模型，请制作单位复制。

传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以1:

1的比例制作模具，再生产产品。

这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的CAD软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化逆向工程系统所取代。

在这种情况下，在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。

（2）在新产品设计中的应用

随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。

为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。

而在造型中针对产品外形的美学设计，已不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。

一些具有美工背景的设计师们可利用CAD技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。

在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。

（3）在旧产品改进中的应用

在对旧产品改进时，有时并没有零件的CAD模型，因此需要利用逆向工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的CAD软件对原设计进行改进。

当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。

比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。

（4）在RPM（RapidPrototypingManufacturing，快速原型制造）中的应用

快速原型制造（又称RP技术）是80年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术，被认为是近20年来制造领域的一次重大突破。

RPM综合了机械、CAD,数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。

而以RP系统为基础的快速工装模具制造（QuickTooling/Molding）和快速精铸技术（QuickCasting）等则可实现零件的快速制造（QuickManufacturing）。

为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。

尽管己经出现了许多成功的三维CAD软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型，仍相当费时。

有时工程界提供的是实物，需要由实物制造模具或作设计上的改进，因此在RPM中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。

此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。

另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计.这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。

因此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。

1.1.3逆向工程的一般步骤

逆向工程一般可分为四个阶段:

1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

2.从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。

3.零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。

4.重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。

1.2测量工具ATOSⅠ介绍

德国GOM公司独家研制的ATOS流动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的非接触式三坐标扫描设备。

该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。

其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12m，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。

其高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。

ATOS系统作为第三代逆向工程用数字化系统中最杰出的代表，他的工作原理在硬件结构及软件功能方面极具有领先性。

ATOS系统采用结构光测量的方式，利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面，利用左右两个高分辨率数码相机进行同步的测量，利用立体相机测量的原理，可以在极短的时间内获得物体表面大量的三维数据。

ATOS每次所得到数据是一幅类似照片状的三维点云数据，对于扫描一个整体零件来讲，ATOS系统利用首创的参考点技术将每幅点云拼接起来，以得到一个完整的点云数据模型。

为防止利用参考点技术拼接点云数据造成累计误差，超出技术要求，故GOM公司最先发明了数码相机定位技术,即TRITOP系统，利用特有的数码点和参考点来构建一个完整的座标定位系统，而扫描头所扫描的数据则会自动根据参考点的位置而自动粘贴上去，利用这样的方法，从而使扫描大到10米的汽车及汽车内外饰件而成为可能，且精度也可以达到0.1mm/m。

ATOS扫描仪的技术优势：

（1）高质量的扫描点云

ATOS采用高分辨率CCD数码相机采集数据，可在短时间内获得任何复杂表面的密集点云（点距0.03～0.5mm），并可根据表面的曲率变化生成完美的网格面，便于后期的曲面重建和直接加工。

可清晰获得细小特征，并可方便提取工件表面特征（圆孔、方孔、边界线、黑胶带线等）。

测量的综合精度<0.1mm/m。

（2）结构简单，便于携带

整个测量系统由扫描头、三角架、控制器及电脑组成，可放置在两个手提箱内随处携带，设备安装、标定工作可在10min完成，无需预热即可扫描，可在任何环境下进行测量。

（3）测量效率高

单幅扫描时间只需1或8秒，6小时即可完成1:

1整车的外表面扫描。

（4）测量范围大

扫描头的单幅测量范围可以通过调整镜头,实现多种测量范围，单幅测量范围从50×40mm到2000×2000mm；扫描点云的密度为0.03mm~1mm，适合测量不同尺寸零件：

10mm~12m。

（5）具有自我监测功能

采用双CCD测量方式，可以实现系统的自我监测，实现系统测量精度的实时监测，同时可以监测扫描过程中由于振动和环境光线变化对测量精度的影响，保证扫描精度。

（6）方便使用、性能稳定

系统软件和硬件均采用模块化设计，性能稳定。

设备操作简单，经过两天的培训即可熟练的操作，软件提供完善的在线帮助和批处理功能，可适用于生产线检测。

（7）首创的参考点拼合技术

不同视角的测量数据依靠粘贴在工件表面公共的三个参考点，可自动拼合在统一坐标系内，从而获得完整的扫描数据。

可根据工件尺寸选择不同直径的参考点（1mm～8mm），对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空洞，软件可根据周围点云的曲率变化进行插补。

（8）先进的数码相机定位技术

对于复杂的大型工件，采用数码相机拍照和整和定位计算，可迅速测量出全部参考点的空间三坐标值，从而建立统一的参考点的坐标框架，再利用ATOS扫描头进行测量，获得完整的扫描点云。

通过这种方式，消除了积累误差，提高大型工件的扫描精度。

1.3软件Pro/E介绍

Pro/ENGINEER软件由美国参数技术公司开发而成，是机械CAD/CAM软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、饭金设计、加工和装配工艺过程。

设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有UN工X平台Windows，Windows/NT平台，使它成为快速成形技术行业中市场占有率最高的CAD软件的核心技术特点：

1、基于特征Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。

这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。

例如：

设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用，并以这些简单特征为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。

装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征。

通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。

2、全尺寸约束

在Pro/ENGINEER的设计过程中，将零件的尺寸和形状结合起来考虑，通过尺寸约束实现对几何形状的控制。

几何造型必须以完整的尺寸参数为出发点（全约束），不能漏标尺寸（欠约束），也不能多标尺寸（过约束）。

3、尺寸驱动设计修改

Pro/ENGINEER设计过程中是通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。

Pro/ENGINEER提供了独特的Pro/GRAMME，让设计者可以通过简单的编程，来实现设计模型尺寸修改的程序化，从而实现程序化修改产品的几何形状，并可以利用此功能实现产品设计的系列化，建立产品的标准零件等。

4、全数据相关

为加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。

为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师对同一产品进行开发。

数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。

Pro/ENGINEER是建立在统一的数据库上的，不像一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。

所谓单一数据库，就是工程中的资料全部来自一个数据库，使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作，不管他是哪一个部门的。

换言之，在整个设计过程的任何一处发生改动，亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合，使得一件产品的设计开发全过程统一起来。

这一优点，使得设计更优化，产品质量更高，产品能更好地推向市场。

Pro/ENGINEER的全相关性保证在开发周期的任一点进行修改，却没有任何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。

5、装配管理

Pro/ENGINEER的基本结构能够使设计者使用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。

高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。

作为世界一流的三维CAD/CAM软件，Pro/ENGINEER不仅提供了复杂的功能而且还为用户提供了开发接口，同时Pro/ENGINEER还自带一个PROGRAM模块。

6、制造加工

现今加工制造业所面临的加工目标要求多，如工件复杂性、精度要求及生产效率等的门槛越来越高，同行业的竞争也越来越激烈。

在众多强劲对手中，需要更进一步提高加工技术的水平，才能在同行业竞争中脱颖而出。

在PRO/E的CAD/CAM系列模块中，除了提供用于建立计算机几何模型的辅助工具（CAD）,还提供了在设计产品加工制造工艺时所需要的辅助工具（CAM），使用户在产品的设计上更得心应手，加工制造技术更快速，生产程序更具有效率，上市时间更加领先，质量更加可靠。

让用户的产品设计、制造、生产流程连贯化，因此更具有竞争力。

在产品加工制造的环节上，PRO/E在设计NC加工制造程序上提供了功能强大的辅助工具一PRO/NC加工制造模块。

使用户可以利用PRO/NC将产品的计算机几何模型与计算机辅助制造进行整合，配合NC加工制造技术上所需要的各项加工参数：

加工所需要的模型、加工坯料、夹具、加工刀具、加工机床及各种加工参数等等，来设计产品的各种加工工艺。

PRO/NC多样化的加工辅助制造程序设计工具，可以分别针对各类型加工机床（两轴半至五轴各型加工中心、两轴及四轴车床、两轴及四轴电火花线切割机等）及各种加工方式（铣、车、钻、电火花加工等等），自动产生适用于加工机床及加工刀具与控制器所需要的加工控制数据。

利用输出的加工控制数据可进行实际加工，制造出所设计的产品及零件模型。

工程师利用PRO/NC设计好加工程序后，产生的加工刀具相对于加工坐标的路径数据称为CLDATA（CUTTERLOCATIONDATA）。

所得到的CLDATA可以利用PRO/NC-CHECK在计算机中模拟所设计的加工程序切削材料时的状况，由此观察废料的产生及避免加工失败。

还可以协助制造工程师达到制造流程最佳化的目的，并检验产品在进行切削时的状况。

设计加工制造程序所产生的CLDATA，可经由PRO/NCPOST进行数据的转换，得到适用于实际加工所需要的机械控制码（NCCODE）。

所产生的NCCODE配合适当的工具及加工机床，可以实际应用PRO/NC所设计的产品加工制造工艺。

1.4CATIA软件介绍

1、CATIA简介

CATIA应该说是最高档的CAD/CAM软件，由法国Dassault公司开发，后Dassault被美国的IBM公司收购。

该软件原运行于IBM的工作站上，驱动系统为VM/CMS，现已成移植至个人PC，这又使这一功能强大的软件的使用者更加广泛。

与UG、EUCLID、PRO/E等相比，该软件在曲面造型方面具有独特的优势，应该说是任何一个CAD三维软件所不能比的，因而广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等行业的复杂曲面造型设计中（据信现在国内几乎所有的飞机设计研究院所都用CATIA）。

CATIA软件的曲面造型技术为这些行业的产品设计提供了先进、方便、快捷的手段，使设计更趋完美，周期越来越短，极大地提高了开发效率。

通过其丰富的产品线提供一个集成的产品开发环境。

为了保证其最大的灵活性，CATIA在提供了面对复杂设计与仿真的CATIA P2、P3平台软件的同时，还配备了面对相对简单建模需求的CATIA P1平台[2] 。

CATIA是CAD/CAM业界的领导者，其作为全球CAD/CAM市场的领袖，有20年以上丰富的经验，拥有大大小小9000多家客户，IBM的CATIA解决方案极大的提高了企业的竞争能力。

从概念设计到最终的产品，CATIA广泛的集成解决方案加快了产品开发的全过程。

CATIA涵盖的范围是一个跨行业的解决方案，包括汽车、航空航天、消费品、制造与装配、工厂设计、火车及重型机械等，比其它任何CAD/CAM的产品都广泛，它提供了一套全面的解决方案，可以建设一个完善而无缝的产品开发环境；

（1）CATIA的解决方案是一个可信赖的、经过实践检验的、先进的解决方案，具有象IBM等这样几十家工业巨头将CATIA作为核心设计和制造系统，更重要的是CATIA可以根据不同规模、不同应用的企业定制完全适合本企业的最佳解决方案；

（2）CATIA特有的并行工程能力，可使所有的设计者、制造厂及供应商等都能共享相同的数据库，大幅度降低生产改变时及修改零部件所需的费用。

（3）CATIA已成为世界工业的事实标准，主流软件。

近年来，应用于CATIA解决方案在商业应用方面硕果累累，丰富的应用软件支持整个产品周期，从构想、设计直到制造维护。

并且CATIA已成为工业界的事实标准，是欧洲、北美和亚洲顶尖制造商所用的核心系统。

 （4）CATIA在造型风格、设计等方面具有独特长处，为各种产品的设计和制造提供了端对端（end-to-end）的解决方案。

CATIA涉及生产、加工和人员三个关键领域。

   （5）CATIA的可伸缩性和并行工程的能力可显著缩短产品上市时间。

CATIA软件已成为世界各地设计师和工程师的设计最佳工具。

2、应用CATIA软件从事设计的技术人员前景：

由于CATIA软件的强大功能，其已为越来越多的行业带来巨大利润，因此从事设计的人员薪水也极为可观（目前特别是外企或私企的汽车行业），对个人而言，其发展前景远远超过软件业（众所周知，除极少数人外，大多从事软件业者很难逃脱其年龄瓶颈），是绝对金领。

这也是众多大专院校学生面对日益激烈的就业竞争，可以增强竞争实力，把握自己未来的发展的一个强大工具。

1.5本课题的意义和内容

本文的选题背景是探讨利用逆向工程这一先进的制造技术手段来解决玩具汽车覆盖件成形技术中的一些难题，缩短覆盖件模具的制造周期，加速玩具汽车工业的发展。

本课题的工作主要有五个部分：

第一章介绍逆向工程的相关概念，及发展现状；

第二章首先介绍逆向工程的测量技术，着重叙述三维激光扫描仪的测量原理；

第三章主要论述了基于CATIA的后处理技术；

第四章主要介绍了基于Pro/E的实设计及虚拟装配；

第五章是总结部分，对全文进行总的论述。

第二章逆向工程中的测量技术

在产品开发中，以逆向方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性，这包括外观的造型以结构上的各种机构的位置。

也就是说，该产品数据不是以直接的绘制的方式就可获得的。

因此，逆向工程的第一任务就是如何获得工程技术人员所要的点数据，以用于后继的模型建构。

2.1测量方式

逆向工程所需要的测量按其特性及应用，一般可分为两大类：

接触式测量