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手机逆向造型毕业设计论文
松下手机的逆向造型研究
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。
为了解决手机外形设计周期长的困难，本文研究了手机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，同时又以松下G60手机为例详细介绍了对手机外形进行逆向工程的步骤。
关键词：
逆向工程，点云，快速制造，STL
Abstract:
Withtherapiddevelopmentofcomputertechnique,thetechnologyof3Dcomputer-aidedprototyping,especiallytheReverseEngineering,hasbeenmorewidelyusedinindustry.Inordertosolvetheproblemoflongtimeonthemobilephone’sshape-design,amethodbasedontheintegratedreverseengineeringisdiscussedinthepaper.Furthermore,theconceptandmethodoftheReverseEngineeringisalsoillustrated,andthestepoftheintegratedreverseengineeringofmobilephone’sshape-designprocessispresentedindetailwiththeexampleofPanasonicG60.
Keywords:
ReverseEngineering,PointCloud,RapidManufacturing,STL
1．概述
1．1逆向工程原理
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。
由于各种原因往往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，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，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。
随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。
通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在CAD领域，这就是所谓的逆向工程。
1．2逆向工程特点
传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产。
这种方法属称类比式（Analogtype）复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。
这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。
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。
逆向工程通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。
往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复制（Copy）出来。
因为长期专门从事逆行工作，所以工作效率很高，三维模型也很专业。
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。
IGES数据可传给一般的CAD系统（如：
UG、MDT等），进行进一步修改和再设计。
另外，也可传给一些CAM系统（如：
UG、MASTERCAM、SMART-CAM等），做刀具路径设定，产生数控代码，由CNC机床将实体加工出来。
STL数据经曲面断层处理后，可以直接由激光快速成型方式将实体制作出来。
1．3逆向建模的一般流程图
图1.1逆向建模一般流程
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（如图1.1）
1．4逆向工程的应用领域
逆向工程应用领域相当广泛，有军工，模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。
2．逆向工程一般步骤
2．1实体三维数据的获得——扫描
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。
三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。
它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。
高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着巨大作用。
三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。
而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。
在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。
用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。
三维扫描设备是以三次元测量系统为主。
基本上以接触式〈探针式〉和非接触式（激光、照相、X光等方式）两大类。
在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度。
激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建。
三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见下图（图2.1）：
图2.1三维扫描技术分类
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。
2．2点云处理
通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云（PointCloud）。
扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤：
1．去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整；
2．数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面逆向造型和基于点的曲面拟合技术。
3．数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。
4．数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性，边界上的某些特征点（边界折拐点）必须予以保留，而不能被视为“坏点”。
5．点云的重定位整合，在重新装夹后多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的CAD软件还都没有此项功能，需要手工“缝合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在CAD系统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。
2．3曲面重构
曲面重建可以说是逆向工程的另一个核心及主要的目的，是依据扫描得到的点云数据恢复曲面形状建立CAD数学模型的过程。
在得到产品的数据后，以逆向工程软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CAD数据、制造或NC加工。
目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：
其一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。
在逆向工程的技术发展中重要的是建立产品的CAD模型，并由此可再进一步的到CAM处理和快速成型制造，而仿制出产品的外形。
一般而言，CAD模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几何形状都有其特性。
因此若要将产品应用逆向工程的技术，反求出此产品的原CAD模型，并非单纯的使用一种方法即可完成，而须视此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可得出良好的几何形状，以满足产品外形的几何特性。
由此可知，在曲面重建的过程中了解其曲面的特性及其曲面的数学模式，在对于我们重新建构曲面时可以帮助我们节省很多的时间以及提高将效率。
由于CAD/CAM系统的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论因应而生，如Bezier曲线、B-Spline曲面、NURBS曲线、扫描曲面（SweepSurface）、Loft曲面（LoftSurface）、标准曲面（ConstructSurface）、旋转曲面（RevolvedSurface）、网格曲面（NetSurface）等。
一般CAD/CAM系统较常用到的曲线、曲面作以下特点介绍：
1.Bezier曲线
1962年时法国雷诺（Renault）汽车公司的工程师P.Bezier发展的一种完全用控制点坐标来定义的曲线（如图2.2）。
图2.2不同控制点建构的Bezier曲线
Bezier曲线有以下的特点：
（1）控制点多角形（controlpointpolygon）
（2）凸面被覆（convexhullproperty）
曲线被包含在自由控制点所构成的多角形内，此性质对于处理曲线相交时相当有用。
（3）控制点末点与曲线末点重合（endpointsmeetpolygonendpoints）
Bezier曲线有以下的缺点：
A.Bezier曲线无法做区域性的控制（nolocalcontrol）。
B.其曲线的次数和控制点的数目直接相关，定义比较复杂的曲线形状时，曲线的次数也跟着提高。
2.NURBS曲线
相较于Bezier曲线而言，NURBS曲线除了保有Bezier曲线的优点外，由于节点向量与加权数的加入，对曲线有更好的控制性，对于区域性的控制也能藉由改变节点向量与加权数而有更好的结果。
对于NURBS曲线（non-uniformrationalB-splinecurve）方程式我们描述如下：
其中Pi：
控制点
N（u）：
（P-1）阶B-Spline基函数
w：
加权数
u：
参数值
Ri,p（u）为有理基函数（rationalbasisfunction）。
由于加权值的加入，使得控制点对曲线/曲面的控制产生不同比例的影响力，当加权值修改时会使得曲线远离或接近控制多角形（controlpolygon），使得曲面的控制有更大的空间。
在逆向工程中的大部分时间会用到它。
3.B-spline曲面
B-spline曲面乃由U、V参数方向二维的基底函数（basisfunction）及控制点所组成，基底函数是由多阶参数曲线组合而成，而控制点则在曲面的U、V参数方向上。
在拟合B-spline曲面时，方法是获得曲面U、V参数方向的控制点坐标值，以建立B-spline曲面。
对B-spline曲面以数学模式方程式表示如下：
4.Loft曲面（LoftSurface）
Loft曲面的拟合方式则不同于B-spline曲面，首先将其中一个参数方向的测量点数据拟合出最佳化的B-spline曲线，此时每条曲线的控制点数目必须相同。
接着在另一个参数方向上用先前所得的曲线控制点，拟合出该参数方向最佳化的B-spline曲线，并得到另一组新的控制点。
由此两组先后得到的U、V参数方向点，即可建立Loft曲面。
因此Loft曲面的拟合方式是由两组一维的B-spline曲线拟合所组成。
基本上基底函数的阶数、节点向量（knotvector）、控制点的数目或控制点坐标值等的改变，都会影响曲面的形状。
因此在拟合曲面时，为了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法时，或提高基底函数的阶数，或增加控制点的数目，以调整U、V参数方向的控制点坐标值，最后使得曲面偏差量在容许曲面偏差量的范围内。
此种曲面拟合法对于自由曲面造型或有突点等曲率变化比较大的曲面，都可以拟合出很好的结果。
然而对于平滑或有规则性，对称性的曲面，这种曲面拟合法会对产品在加工制造及量测上的误差明显的显现出来，以至于无法拟合出具有上述特性的曲面。
由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：
一种是以近似的方式、另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面，以下分别就这两种方法做一简单介绍：
1.近似法（approximation）
以近似法来重建曲面，首先必须先指定一个容许误差值（tolerance），并在U、V方向建立控制点的起始数目，以最小平方法来拟合出（fit）一个曲面后将量测之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。
以近似法来拟合曲面的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于量测时的噪声将有抑除的作用。
所述，使用近似法时通常是点云数据点多且含噪声较大的情况下。
2.插补法（interpolation）
以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。
以插补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过量测之数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。
所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。
由以上的分析我们可以知道对于少量的点而言，我们可以使用插补法来得到一较近似的曲面，然而对于激光扫描所得到的大量数据点若以插补法来重建曲面，则有在扫描时所夹带的噪声点与误差将随着曲面的建立而被包含在曲面之中的缺点。
因此对于扫描点数据而言，由于点数据量大以近似法来重建曲面将会较插补法节省控制点的储存空间，而且对于扫描时所渗入的误差有抑除的效果，然而，以近似法来建立曲面，却会耗费大量的计算机内存及较多时间在曲面的计算上，因此我们在建立曲面的过程中应配合所测量得的数据点数目及精度来决定曲面重建所使用的方法。
2．4实体建模
近年来，运用AutoCAD软件进行二维图形的设绘已经得到很大的普及。
但是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。
越来越多的三维设计软件如MDT,SolidWorks、ProE、UG等，都得到了广泛的应用。
建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。
2．5快速制造
快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术，它无需准备任何模具、刀具和工装卡具，快速成型设备可直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。
传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。
在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。
近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。
快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。
快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。
20世纪80年代末、90年代初发展起来的快速成形（RapidPrototyping&Manufacturing：
RP）技术，突破了传统的加工模式，是近20年制造技术领域的一次重大突破。
它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。
快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。
它的核心是基于数字化的新型成形技术。
RP系统可分为两大类：
基于激光或其它光源的成形技术，如：
立体光造型（Stereolithography：
SL）、迭层实体制造（LaminatedObjectManufacturing：
LOM）、选择性激光烧结（SelectedLaserSintering：
SLS）、形状沉积制造（ShapeDepositionManufacturing：
SDM）等等。
快速成形术已经广泛应用于家电、汽车、航空航天、船舶、工业设计、医疗等领域。
艺术、建筑等领域也已开始使用RP设备。
随着RP技术本身的发展和完善，其应用领域在不断拓展。
快速制造技术的优越性和特点：
1、制造原型所用的材料不限，各种金属和非金属材料均可使用；
2、产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关，在加工复杂曲面时更显优越，这是传统方法无法比拟的；
3、加工周期短，成本低，成本与产品复杂程度无关，一般制造费用降低50%，加工周期节约70%以上；
4、产品的单价几乎与批量无关，特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产；
5、整个生产过程数字化，与CAD模型具有直接的关联，零件可大可小，所见即所得，可随时修改，随时制造；
6、与传统方法结合，可实现快速铸造，快速模具制造、小批量零件生产等功能，为传统制造方法注入新的活力。
快速制造技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。
目前，大多数的快速成形制造系统中，3D的CAD模型首先要转化为标准STL格式模型，即采用所谓面型化（Tessellation）处理方法对实体曲面进行近似处理，用平面三角面片近似模型的表面。
这样处理的优点就是大大地简化了CAD模型的数据格式，以便于后续的分层处理，为制造过程准备数据。
STL文件格式是由美国3DSystem公司于1987年提出的，由于它在数据处理上较简单，而且与CAD系统无关，所以很快发展为快速成形制造领域中CAD系统与快速成形机之间数据交换的准标准格式。
表达一个三维实体模型的STL文件是用大量的空间小三角形面片来表示实体模型的表面，如图2.3所示，对每一空间小三角形面片用三角形的3个顶点坐标及三角形面片的法向量来描述，法向量由实体的内部指向外部，3个顶点的次序与法向量满足右手规则，如图2.3所示。
此外，STL文件中两个相邻的三角形只能有一个公共边。
图2.3
3．逆向工程软硬件设备
3．1扫描设备
三维激光扫描技术，它能够完整及高精密度的重建实物或实景、三维实体模型及原始测绘数据。
最大特点就是：
精度高、速度快、逼近原形。
法国KREON系列三维激光超高精密度扫描仪，（KREONKZ50）具有很多优质：
扫描精度极高，这利于将重建内容更逼近原形。
扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等。
具有一对CCD同时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个CCD，双CCD技术还利于实时检测监测工作,KREON可以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接,KREON扫描头可以与现有的很多设备互换使用,KREON激光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术，KREON保证了所有扫描云点的实测性、实时性及真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云。
本次选用的KREON系列中的KZ50是近距三维激光扫描系统。
分辨率可达5μm，速度：
30000点/每秒，（可借助机械臂或数控机械平台扫描任何大小的物体）。
实体如下图：
图3.1三维激光扫描仪
3．2点云曲面处理软件
目前市面上常用的逆向工程软件系统采用的基本都是NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，其共同特点是先构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区域，先生成曲面片，然后通过拼接构成完整的曲面模型。
其优点是NURBS曲面的应用在CAD/CAM领域内相当广泛，因而，这些系统与其它CAD/CAM系统的通信、交流就十分方便。
特征曲线的构造在其中起着重要的作用。
然而，通过交互定义特征线费事费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。
Imageware12主要用来做逆向工程，它处理点云数据的流程遵循，点——曲线——曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作容易，对系统性能要求也不高。
（一）点云处理功能
1．读入点云数据,将分离的点云对齐在一起（如果有需要）。
有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。
Imageware12软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。
2．对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。
由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Imageware12软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。
3．通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。
一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。
提前作出规划可以避免以后走弯路。
4．根据需要创建点的网格或点的分段。
Imageware12软件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。
（二）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。
（三）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
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