小平面特征逆向造型设计.docx

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小平面特征逆向造型设计

目录

摘要

Abstract

第一章绪论……………………………………………………………………………………1

1.1引言…………………………………………………………………………………………1

1.2逆向工程的特点及意义……………………………………………………………………1

1.3逆向工程的一般流程………………………………………………………………………2

1.4逆向工程的发展和未来前景………………………………………………………………3

1.4.1快速成型技术的发展…………………………………………………………………3

1.4.2逆向工程技术的发展……………………………………………………………………………3

1.4.3逆向工程未来发展前景…………………………………………………………………………4

1.5软件介绍……………………………………………………………………………………5

1.5.1Pro/E软件简介…………………………………………………………………………5

1.5.2逆向工程软件简介………………………………………………………………………6

1.6小平面特征介绍……………………………………………………………………………6

第二章小平面特征逆向工程的一般步骤……………………………………………………8

2.1实体三维坐标数据的获取……………………………………………………………………8

2.2点云处理……………………………………………………………………………………9

2.3曲面重构……………………………………………………………………………………11

2.4实体建模……………………………………………………………………………………12

第三章米老鼠头像模型重构…………………………………………………………………13

3.1米老鼠头像重构简要说明…………………………………………………………………13

3.2数据采集及预处理…………………………………………………………………………13

3.2.1激光扫描仪采集数据…………………………………………………………………13

3.2.2数据预处理……………………………………………………………………………13

3.3小平面处理…………………………………………………………………………………14

3.3.1点云数据处理…………………………………………………………………………14

3.3.2包络处理………………………………………………………………………………14

3.3.3小平面调整……………………………………………………………………………15

3.4重新造型及实体化…………………………………………………………………………16

3.4.1米老鼠头像重新造型…………………………………………………………………16

3.4.2实体化…………………………………………………………………………………17

总结………………………………………………………………………………………18

参考文献………………………………………………………………………………………19

致谢………………………………………………………………………………………20

插图清单

图1-1逆向工程和顺向工程对比………………………………………………………………2

图1-2逆向建模一般流程………………………………………………………………………2

图1-3快速成型主要工艺方法及其分类………………………………………………………3

图2-1serein三维激光扫描仪…………………………………………………………………8

图2-2三维扫描技术分类………………………………………………………………………9

图3-1米老鼠头像点云…………………………………………………………………………13

图3-2小平面输入选项…………………………………………………………………………14

图3-3创建三角面………………………………………………………………………………14

图3-4米老鼠头像包络后的三角面……………………………………………………………15

图3-5“破洞”修补……………………………………………………………………………15

图3-6反向边造型………………………………………………………………………………16

图3-7重新造型界面……………………………………………………………………………16

图3-8重新造型修改后局部视图………………………………………………………………17

表格清单

表1-1逆向工程技术的广泛应用………………………………………………………………4

表1-2逆向工程未来发展的主要方面…………………………………………………………5

表1-3Pro/E的功能………………………………………………………………………………5

表1-4常见逆向工程软件………………………………………………………………………6

表2-1曲面重构处理点云方法对比……………………………………………………………11

平面特征逆向造型设计

摘要

本次课程设计主要研究了逆向工程技术和小平面特征在曲面模型重建中的应用这两个方面。

逆向工程技术包括数据获取、数据处理和曲面建模。

首先扫描获取已有样品数据并进行数据处理，再根据样品的特点，采用逆向工程的方法辅以特征曲面完成曲线和曲面模型重建。

小平面建模是Pro/E逆向工程建模的一部分，其基本原理是用模型样件的点云数据中的每一点与其相邻的两点构成一个三角形平面，用大量的三角形平面表示曲面的大致情况。

本次设计采用三坐标测量机或激光扫描仪完成复杂曲面的数据获取工作，能够高效率完成数据样品获取。

设计运用imageware和Pro/E两种软件进行建模和数据处理，用Pro/E软件中小平面特征进行模型曲面重建，不断利用软件功能完成曲面模型的重建工作。

研究表明，逆向工程技术得到的曲面重建模型，有效率高、精度高、质量好的优点，所以逆向工程具有较高的应用价值和重要的实际意义。

关键词:

逆向工程；小平面特征；模型重建；imageware；Pro/E。

Facetfeatureofreversemodelingdesign

Abstract

Thiscoursedesignmainlystudiesthetechniqueofreverseengineeringandfacetfeatureintheapplicationofsurfacemodelreconstructionofthesetwoaspects.Reverseengineeringtechnologyincludingdataacquisition,dataprocessing,andsurfacemodeling.Byscanningtoobtainsampledataandthedataprocessing,andthenaccordingtothecharacteristicsofthesample,adoptthemethodofreverseengineeringfeaturesurfacecurveandsurfacemodelreconstruction.FacetfeaturemodelingispartofthePro/Ereverseengineeringmodeling,itsbasicprincipleistousemodelsamplesofeachpointinthepointclouddataoftheadjacenttwopointsformatriangleplane,ageneralideaofthesurfacewithplentyoftriangleplanesaid.Thisdesignadoptsthreecoordinatemeasuringmachineorlaserscannerdataacquisitionofthecomplexsurface,cancompletedatasamplestoobtainhighefficiency.DesignusingImagewareandPro/Esoftwaremodelinganddataprocessing,usingPro/Esoftwareforfacetfeatureofmodelsurfacereconstruction,continuoususeofthesoftwarefunctioncompletesurfacemodelreconstruction.

Studiesshowthatsurfacereconstructionmodelbyreverseengineeringtechnology,highefficient,highprecision,goodquality,sothereverseengineeringwithhighapplicationvalueandimportantpracticalsignificance.

Keywords:

ReverseEngineering,FacetFeature,Restyle,imageware,Pro/E

第一章绪论

毕业设计对于高等院校工科毕业生来说是极其重要的，它通过深入实践，能培养学生组织管理，分析问题，解决问题的能力，对我们以后走上工作岗位非常有帮助。

对我们机械设计制造及其自动化专业学生来说，在以后的工作过程中经常要用三维软件做实体曲面创建，并且了解逆向工程的步骤及作用对于以后实践具有重要的意义。

做毕业设计也可以综合过去所学的知识，因此，认真完成毕业设计非常重要。

1.1引言

逆向工程又称作反求工程，它是从实物模型到概念模型或者电子模型的一个反向分析、创新、优化的过程。

这可以让我们可以在国内外已有的先进产品基础上进行推理、设计模型反求、再进行优化制造。

这样一来可以打破西方国家对我国的技术封锁，能更好地消化和吸收国外先进技术，从而在学习的基础上研制出更先进的产品，以提高我国的综合国力。

小平面特征是Pro/E逆向建模一个重要部分，而Pro/E逆向设计主要着重于航空航天，机械制造业和汽车工业，在现实生活中有广泛应用。

1.2逆向工程的特点及意义

在当今瞬息万变的产品市场中，企业能够有效利用市场占据竞争优势的关键在于快速吸取经验并生产出合乎市场要求的产品。

根据统计，各国百分之七十以上的技术来源于国外，而现在由于各种原因我们往往都会为难于外来先进产品只有一个实物样品或者手工模型，没有任何数据档案，有时甚至连一张可供参考的CAD图纸也不存在，无法得到样品准确数据就给我们后续工作带来了很大障碍，无法采用先进的设计手段和先进制造技术进行生产。

但是逆向工程技术很好地解决了这一问题。

所谓逆向工程，是相对顺向工程而言的，就是再现或者反求一个产品，即首先采用各种测量手段然后再进行三维几何建模，将原有的样品实物转化为计算机上的三维数字模型。

计算机技术的快速发展，也使得这些高尖技术在现代制造业有很好应用并发展。

在制造业中，传统顺向的从设计到制造，产品从无到有、从概念到实体的生产工程已经不再是必由之路。

传统的制造方法属于用模具类比式（Analogtype）复制，可以进行小批量生产，但是无法获取工件尺寸数据并建立图档，并且模型较死，无法做任何外形修改。

这些问题无疑会影响后续的方案的进展。

传统的这些制造方法耗时长且效率低，现代制造方法必将取代传统方法。

现代制造方法中，数字化的逆向工程系统就为制造业提供了一个一体化的三维制造路线，它是从样品到获取样品数据再到最终形成产品的过程。

逆向工程不仅可以有效掌握国内外先进技术，让先进技术为我所用，而且可缩短产品研发周期，提高生产效率。

逆向工程技术可以方便快捷地在已有产品基础上参与新产品的开发与设计，研究已有产品的优点和不足，加快新产品的更新换代。

企业和设计人员可以充分利用逆向工程技术快速吸收原产品的优点，在继承优点基础上进行各种创新设计，设计出更适合现代市场的产品，从而增强了企业的核心竞争力。

在当今世界经济一体化和经济全球化的大环境面前，国家、企业面临的竞争越来越激烈，要想生产力发展和社会进步，抓紧高科技成果异常关键。

如何更快且更好地发展科技和经济，已成为世界各国发展自己提高国家综合国力首要考虑的问题。

充分利用别国已经取得的科技成并加以消化吸收与创新已成为世界各国普遍使用的方法，在学习过程中本国的实力也逐步提升。

对我国来说，逆向工程技术的应用对我国打破别国对我国的技术封锁并缩短与发达国家的差距具有特别重要的意义。

逆向工程主要设备是三维高速激光扫描机或者三坐标测量机，扫描机器对已有的样品模型进行准确、高速扫描，计算机上会得到它的三维轮廓数据，得到数据后再利用逆向工程软件进行曲线、曲面重构，并对重构的曲面进行精度分析、公式计算、修改去噪，最后重构以后再进行数控加工。

可通过CAD/CAM软件处理传输来的标准数据（由于经过数据处理的数据品质已经非常高了，故称为标准数据）来完成最终造型。

图1-1是顺向工程和逆向工程的步骤对比。

图1-1逆向工程和顺向工程对比

逆向工程应用领域也相当广泛，涉及模具制造业、汽车、军工业、电子产品、计算机零件、电子游戏、玩具、生活用品、医学等各个方面。

1.3逆向工程的一般流程

图1-2逆向建模一般流程

如图1-2为逆向工程一般流程图。

从图1-2中可看出，现代逆向工程的一般流程为:

（1）模型曲面分析

（2）确定扫描方案（3）进行实体点云扫描（4）进行点云数据处理（5）建立需要的曲线（6）建立曲面（7）实体建模。

数据测量、数据处理和曲面建模是逆向工程的主要三大模块，逆向工程的整个过程也由它们三大模块构成。

数据测量有两大类别，接触式测量和非接触式测量。

其中接触式测量主要采用三坐标测量机，它又分为触发式和连续式；非接触式测量分为光学式测量和非光学式测量，主要有光学测量、电磁测量和超声波测量几种。

数据处理的过程就是为了达到后续工作的要求而处理样品扫描后的三维数据，它的工作主要为数据预处理、数据调整、数据分块、数据

密度修改、数据光顺、噪音去除和数据优化几个方面。

曲面建模目前比较常用的方法有曲

线拟合造型方法，点数据网络化实体模型造型方法和曲面片直接拟合造型方法，这是逆向

工程中最复杂的一个环节。

1.4逆向工程的发展和未来前景

1.4.1快速成型技术的发展

快速成型技术发展于20世纪末，是在计算机基础上由CAD/CAM、CNC、激光、精密仪器等集成技术发展起来的一项先进制造技术。

现代快速成型方法如图1-3所示。

图1-3快速成型主要工艺方法及其分类

1.4.2逆向工程技术的发展

逆向工程技术始于20世纪80年代初期，目前正处于高速发展阶段，各国工业和学术界都高度重视关于逆向工程的研究，如美国UVP等一些公司和日本一些知名工业研究所已经开始对逆向工程技术和设备大力开发研究。

逆向工程与快速成型制造技术相结合也逐步推翻传统的开发设计和制造模式，让以前传统制造方法无法解决的一些问题得到有效处理,例如复杂形体的三维建模和曲面难以加工等，实现了产品的快速生产。

当下竞争日趋激烈,快速成型和逆向工程的结合极大缩短了企业产品的市场开发周期,提高了核心竞争力。

各国不仅加速开展逆向工程的研究工作，而且一些重要的全国性甚至国际间的学术会议都将逆向工程及其相关技术作为一个重要的会议专题来讨论。

从记载的会议记录及后续文献发表的情况来看，很多国家都已形成了一批长期从事逆向工程研究和文献发表的单位和个人，成果逐年递增。

各国对逆向工程的重视还不仅仅表现在普遍进行的会议和研究上，成立逆向工程技术研究中心，政府注入大量资金发展和支持逆向工程相应的专业软件公司，同时世界上众多国家建成了制造逆向工程技术使用过程中所需设备的公司，再加上众多从事这些项目的个体、教育科研机构和基金会，都可以体现逆向工程在当今世界制造业发展中的地位。

这么多投入者就形成一个强大的集体，为逆向工程技术的发展和应用做出巨大贡献并创造了很好的发展空间。

随着计算机、数控和测量技术以及制造业的快速发展，世界各国为了提升国家综合软实力并提高生产率，都在吸收各个行业世界先进技术和经验。

逆向工程技术在各领域的应用十分广泛，如表1-1所示。

表1-1逆向工程技术的广泛应用

序号

应用领域

具体表现

1

飞机、汽车、家电等产品的开发

这些产品的设计师一般习惯于根据实物模型来判断，加上这些产品对空气动力性能和美学设计要求较高，所以产品几何外形通常采用模具，而不是应用CAD软件直接进行设计的，因此，一般都是制造完比例模型再利用逆向工程技术进行重建

2

对已有的构件做局部修改

如果原始设计没有三维CAD模型，若通过数据测量后逆向重构，将CAD模型进行修改后加工成与实际符合的CAD模型，生产效率将显著提高

3

无数据设计

生活中总有些时候缺乏二维设计图样或者原始设计参数，则需要充分利用现有的CAD/CAM等先进技术进行产品的创新设计，逆向处理转化为理论模型

4

损坏零件的替代

现实生产制造中，如航空发动机等一些大型设备经常因为某一零部件的损坏而停止运行，如果通过逆向工程手段，可以迅速找到问题根源来替代零件，从而提高设备的使用寿命

5

特殊领域制造

在一些特殊领域，逆向工程也能发挥重大作用，如艺术品、考古文物的复制，特别是医学中人的骨骼、关节等的复制，需要首先建立几何模型再进行制造

6

工业产品无损检测

借助工业CT技术，逆向工程可以无损检测，首先快速定位工业产品的内部缺陷再拟合出物体的外部形状

与国外如火如荼的逆向工程研究热相比，逆向工程技术在我国国内的研究起步较晚，我国直到20世纪90年代中期才得到一些发展与推广。

而且我国研究资金投入少，缺乏创新性，主要局限于一些大学和科研院所，并且严重滞后于生产实际，这与发达国家相比显得相形见绌，面临的挑战也颇多。

美国作为逆向工程研究发展的龙头，目前已在国内建立了一体化的逆向工程中心，它是包括测量、设计、快速成型、数控加工的一体系统。

商品化的逆向工程设备和系统软件也已在英、德、法、日、韩、台湾等许多发达国家和地区建立并投入使用，这些国家也早已将三坐标测量机和三维扫描仪这些高端测量设备广泛应用于实际生产中。

1.4.3逆向工程未来发展前景

逆向工程的研究日渐引起重视并且已经取得了很大的成绩，特别表现在数据处理、接口设计、曲面片拟合、改善文档、几何特征识别、软件升级和坐标测量机的研究开发上，它的前景也普遍被人们看好。

但是在实际应用当中，分析了国内外在逆向工程方面的研究现状会发现，过程中还是存在一些明显的问题，例如逆向工程整个过程仍需配合大量人机交互工作，设备操纵者的技能、经验和综合素质也有待提高，还没有系统全面的有关“点云”数据造型问题的理论研究，逆向工程操作中很难保证自动重建曲面的光顺性，这些问题都直接影响着产品的质量。

为了逆向工程在未来获得更广阔的发展前景和发展空间，也为了更好地利用逆向工程技术为现代制造业造福，未来的逆向工程发展必须要在以下关键技术方面有所突破。

见表1-2

表1-2逆向工程未来发展的主要方面

序号

主要方面

具体突破

1

数据测量方面

发展逆向工程专用测量设备，设备最好实现能自动测量和规划路径，并进一步提高速度与精度

2

数据的预处理方面

开发出一种通用的数据处理软件，应对不同数据格式，省去格式转化一环

3

曲面拟合方面

能够有效控制曲面的光顺性，并且能够进行无阻碍光滑拼接

4

数据处理软件方面

逆向工程软件在接受测量设备的数据时可通过一系列操作得到品质优秀的曲线、曲面，能直接得到标准数据格式并将曲线、曲面数据传输给CAD/CAM软件，完成最终造型

5

点云处理方法的修改

针对“点云”数据处理和曲面造型中有的商业CAD系统不接受一些功能不全面的“点云”以及难以顺利解决复杂曲面重构等问题，需要改进或提高“点云”的可操作性

1.5软件介绍

1.5.1Pro/E软件简介

Pro/E即Pro/Engineer，是美国参数技术软件公司发明的一种一体化三维软件，它以参数化著称，最早应用了参数化技术，是当今CAD/CAE/CAM主流软件之一，得到了业内公司广泛认可，在国内外设计制造加工中有着重要地位。

Pro/E可以选择自己的模块，可采用单一数据库解决相关特征性问题，进行草图绘制，零件设计，曲面建模，加工装配、钣金设计等。

Pro/E有着不同的专用功能，像抽壳，片体，筋，槽，倒角等，可以满足设计者不同的要求，可以绘制不同复杂造型，让绘图样品的造型变得更加圆滑自然。

Pro/E的具体功能如表1-3。

表1-3Pro/E的功能

序号

功能

具体例子

1

特征驱动

平键、凸台、槽、倒角等

2

参数化

样品尺寸、精整度、载荷、边界条件等

3

通过零件的特征值之间、载荷和特征参数之间、边界条件与特征参数之间关系进行设计

表面积

4

支持大型、复杂组合件的设计

规则排列、交替排列等程序化方法

5

完全相关性

任何地方变动会引起相关变动

在三维设计软件中，一些绘图设计软件修改参数只会满足某一部分的修改，而Pro/E能赋予零件符号式尺寸，它的一个参数改变会引起其他部件也有相应修正和改动，比较方便操作，这样会让造型的优化更加趋于完美，而且它的造型不仅可以在软件屏幕上显示，还可以传到彩色打印机上操作。

Pro/E有许多模块可以满足逆向工程工作，比如小平面模块、独立几何模块、重新造型模块等。

Pro/E的逆向设计主要着重于航空航天、模具设计、汽车、玩具、机械制造等行业。

Pro/E逆向工程一般第一步需要进行物体数据化，即采集物体表面的空间坐标值，一般采用三坐标测量机或激光扫描仪。

第二步需要分析物体的几何特征，依据数据来进行分割，再来分析物体的设计及表面加工特征。

第三步就是用Pro/E构建物体的三维模型，处理前面分割后的三维数据，拟合表面模型，得出实物处理后的三维模型。

第四步即检验修正拟合的三维模型。

随着科技发展日益加速，Pro/E在逆向工程中的应用将更加广泛，对于制造业的发展将具有更加重要的意义。

1.5.2逆向工程软件简介

逆向工程软件通常都用于扫描样品三维坐标获取点云，然后处理生成的结果点云，通过点云处理生成最终造型。

逆向工程的一项最重要的技术环节是数据处理，它直接决定了后续工作的效果。

点云数据处理包括去噪、数据精简、数据平滑、提取特征、点云分割等诸多方面，其中一个关键性环节是去噪，一般测取的三维几何坐标都是一些离散点，其中或多或少存在着一些噪声点，所以需要去噪处理数据。

常见的逆向工程软件有Geomagic、Imageware、RapidForm、CopyCAD四种，具体应用见表1-4。

表1-4常见逆向工程软件

序号

软件名称

开发来源

具体功能

1

Geomagic

美国雨点公司

具有丰富的数据处理手段，能高效处理复杂形状，可以快速构造出多张连续的曲面模型，还可为技术后续应用提供理想的选择

2

Imageware

UGNX

具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能，可处理大量点云数据，且点云品质良好，曲面连续