本次毕业设计的课题与目的.docx

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本次毕业设计的课题与目的

第一章绪论

1.1本次毕业设计的课题与目的

本次课题是《逆向工程零件设计及其数控仿真加工》。

目的是进一步了解逆向工程零件设计的流程与掌握数控加工编程；掌握Geomagic、Pro/E、MasterCAM、宇龙仿真等CAD/CAM/CAE软件的应用。

1.1.1传统制造的不足与快速模具制造的需求

当前，机械产品市场是多品种小批量生产起主导作用，传统的工艺设计方法：

由工艺师手工查手册、计算数据和编写报表、逐件设计，工艺文件的内容、质量以及编制时间主要取决于工艺师的经验和熟练程度。

这种状况的结果——导致工艺文件的多样性、设计时间长和质量不易保证。

这种工艺设计远不能适应当前机械制造行业发展的要求，其主要表现为：

（1）传统的工艺设计是人工编制的，劳动强度大，效率低，是一项繁

琐的重复性工作。

（2）设计周期长，不能适应市场瞬息多变的需求。

（3）工艺设计是经验性很强的工作，它是随产品技术要求、生产环境、

资源条件、工人技术水平、企业及社会的技术经济要求而多变，甚至完全相同的零件，在不同的企业，其工艺也可能不一样，即使在同一企业，也因工艺设计人员的不同而异。

工艺设计质量依赖于工艺设计人员的水平。

（4）工艺设计最优化、标准化较差，工艺设计经验的继承性也较困难。

1.1.2逆向工程发展的必然性与重要性

随着社会需要和科学技术的发展，产品的竞争愈来愈激烈，更新的周期越来越短，因而要求设计者不但能根据市场的要求很快地设计出新产品，而且能在尽可能短的时间内制造出产品的样品，进行必要的性能测试，征求用户的意见，并进行修改，最后形成能投放市场的定型产品。

用传统方法制作样品时，需采用多种机械加工机床，以及工具和模具，还要有高水平的技术工人，既费时，成本又高，周期往往长达几星期、甚至几个月，不能适应日新月异的变化。

为解决上述问题，近几年来出现了快速成型技术和相应的快速成型机。

快速成型技术是一门将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集于一体的高新技术。

而逆向工程属于快速成型技术的范畴。

逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。

往往拟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。

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，已渐渐为新型数位化的逆向工程系统所取代[1]。

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像。

通过数字化测量设备（如三坐标测量仪、三维激光扫描仪等设备）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。

因此，逆向工程技术可以认为是与将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称。

逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。

逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统，最终与产品数据管理系统（PDM系统）融合的过程。

因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，逆向工程的实施需要人员和技术的高度协同和融合。

1.1.3逆向工程的含义与工作流程

逆向设计相当于正向设计反流程，正向设计是设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能、大致的技术参数等，然后通过图纸或CAD技术的帮助建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中去，完成产品的整个设计制造周期。

这样的设计过程就称为“正向设计”。

逆向工程设计可以认为是一个“从样品到产品”的过程。

简单地说，就是反其道而行，先有产品或样品，再用测量系统测出数据资料，然后进入专业处理软件或CAD／CAM作后处理，再进入快速成型系统或直接进入数控机床作生产加工。

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，配合反求软件进行曲向重构，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、PRO-E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，直接由激光快速成型方式将实体制作出来。

这样的设计过程就称为“逆向设计”。

如图1-1所示。

1.1.4逆向工程的应用领域及发展现状、趋势

逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业。

近年来随着生物、材料技术的发展，逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域。

但是其最主要的应用领域还是在模具行业。

由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面。

若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型，在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序，可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。

逆向工程技术在我国，特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景。

这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。

在这些企业，测量设备和CAD/CAM系统是必不可少的，但是由于逆向工程技术应用不够完善，严重影响了产品的精度以及生产周期。

因此，逆向工程技术与CAD/CAM系统的结合对这些企业的应用有重要意义。

这一点我们在多年的技术服务过程中深有体会。

一方面各个模具企业非常欢迎在企业推广逆向工程技术，但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合适的软件产品。

这种情况严重制约了逆向工程技术在模具行业的推广。

与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间。

时间虽短，但逆向工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程技术人员所关注，这对提高我国模具制造行业的整体技术含量，进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用。

1.2数控加工技术的发展历程与趋势

1.2.1数控技术的诞生历史与发展

数控技术的诞生应该从数控机床的诞生说起，1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控数控机床，是数控技术诞生标志。

自从第1台数控铣床问世至今，数控的发展已经历了50个年头。

目前数控设备包括：

车、铣、加工中心、镗、磨、冲压、电加工以及各类专机，形成庞大的数控制造设备家族，数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：

分立式晶体管式－－小规模集成电路式－－大规模集成电路式－－小型计算机式－－超大规模集成电路－－微机式的数控系统。

到80年代，总体发展趋势是：

数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；增强通信功能；数控系统可靠性不断提高。

1.2.2数控机床的发展趋势

　　为了满足市场和科学技术发展的需要，为了达到现代制造技术对数控技术提出的更高的要求，当前，世界数控技术及其装备发展趋势主要体现在以下几个方面：

　　1、高速、高效、高精度、高可靠性

　　要提高加工效率，首先必须提高切削和进给速度，同时，还要缩短加工时间；要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而可靠性则是上述目标的基本保证。

为此，必须要有高性能的数控装置作保证。

　　●高速、高效

　　机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。

超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本生产有广泛的适用性。

　　90年代以来，欧、美、日各国争相开发应用新一代高速数控机床，加快机床高速化发展步伐。

高速主轴单元（电主轴，转速15000－100000r/min）、高速且高加/减速度的进给运动部件（快移速度60~120m/min，切削进给速度高达60m/min）、高性能数控和伺服系统以及数控工具系统都出现了新的突破，达到了新的技术水平。

　　●高精度

　　当前，机械加工高精度的要求如下：

普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。

　　精密化是为了适应高新技术发展的需要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性，减少其装配时的工作量从而提高装配效率的需要。

随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。

为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密级加工中心的加工精度则从±3~5μm，提高到±1~1.5μm。

　　●高可靠性

　　是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性在一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为是商品，受性能价格比的约束。

对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P（t）＝99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间MTBF就必须大于3000小时。

MTBF大于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，我们只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10：

1的话（数控的可靠比主机高一个数量级）。

此时数控系统的MTBF就要大于33333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。

　　当前国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30000小时以上。

　　2、模块化、智能化、柔性化和集成化

　　●模块化、专门化与个性化

　　机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。

为了适应数控机床多品种、小批量的特点，机床结构模块化，数控功能专门化，机床性能价格比显著提高并加快优化。

个性化是近几年来特别明显的发展趋势。

　　●智能化

　　为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等；智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。

　　●柔性化和集成化

　　数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：

从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造岛、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展，另一方面向注重应用性和经济性方向发展。

柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。

其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS联结，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。

　　3、开放性

　　为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统，例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。

　　4、出现新一代数控加工工艺与装备

　　为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和联网等功能，广泛地应用机器人、物流系统；FMC，FMSWeb-based制造及无图纸制造技术；围绕数控技术、制造过程技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面和高速电主轴、直线电机、软件补偿精度等单元技术方面先后有所突破。

并联杆系结构的新型数控机床实用化。

这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域；以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的制造信息支持技术和智能化决策系统。

对机械加工中海量信息进行存储和实时处理。

应用数字化网络技术，使机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。

由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，机械加工向虚拟制造的方向发展。

1.3数控仿真与实际加工　

宇龙或超软等仿真软件在电脑上一种虚拟的加工，这样可以减少实际加工时的出错率，检验程序是否合理。

和供一些初学者使用，降低学习成本和提高学习效率。

目前市面上用的较多的数控机床有数控铣床、加工中心、数控车床、数控线切割机床、数控电火花机床、数控激光雕刻机床等。

1.4本毕业设计的主要内容

1.4.1基于逆向工程软件的三维造型。

1.4.2数控加工刀路编制。

1.4.3数控仿真与实际加工。

第二章　基于逆向工程软件的三维造型

2.1引言

目前世界逆向工程软件主要有：

Imageware12，RapidForm，CopyCAD，GeomagicStudio，其次UG，PRO/E也是逆向工程设计上常用到的软件。

Imagewarev12最新版，2005.3月份出品，逆向工程软件，通过将加工好的实际零件（物理样机）与电子化的数学模型（数字样机）紧密结合，使得在产品开发过程中全面贯彻既要保持设计和工程意图又要同时进行检验的思想。

ImagewareSurfacer提供了在逆向工程、Class1曲面设计和曲面评估方面最好的功能；ImagewareVerdict则提供了把I-DEAS设计的零件与实测的物理零件进行数据比较的计算机辅助检验功能。

Imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。

空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。

最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。

RapidForm是韩国INUS公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3DScan后处理之最佳化的接口。

RapidForm也将使您的工作效率提升，使3D扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。

高级光学3D扫描仪会产生大量的数据（可达100,000～200,000点），由于数据非常庞大，因此需要昂贵的电脑硬件才可以运算，现在RapidForm提供记忆管理技术（使用更少的系统资源）可缩短您处理数据的时间。

CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。

该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。

CopyCAD能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。

CopyCAD简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握其功能，既使对于初次使用者也能做到这点。

使用CopyCAD的用户将能够快速编辑数字化数据，产生具有高质量的复杂曲面。

该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面，同时，CopyCAD还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。

GeomagicStudio是由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件。

GeomagicStudio主要包括Qualify、Shape、Wrap、Decimate、Capture五个模块。

主要功能包括：

自动将点云数据转换为多边形（Polygons）快速减少多边形数目（Decimate）把多边形转换为NURBS曲面曲面分析（公差分析等）输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式（IGS、STL、DXF等）

1.从CAD数模得到的产品模型

2.将CAD模型读入GeomagicStudio

3.CAD设计模型与从实际模型扫描所得的点云数据（不同坐标系）

4.扫描数据与CAD模型的自动对合

5.扫描数据与CAD模型的自动对齐

6.误差以彩色图形直观显示　　

7.用户可标出任意点误差

8.Qualify的结果可以输出为HTML格式.软件优势

GeomagicStudio软件简化了初学者及经验工程师的工作流程。

自动化的特征和简化的工作流程减少了用户的培训时间，避免了单调乏味、劳动强度大的任务，提高了生产率。

GeomagicStudio是一款可提高生产率的实用软件。

与传统计算机辅助设计（CAD）软件相比，在处理复杂的或自由曲面的形状时生产效率可提高十倍。

实现了即时定制生产订制同样的生产模型，利用传统的方法（CAD）可能要花费几天的时间，但Geomagic软件可以在几分钟内完成，并且该软件还具有高精度和兼容性的特点。

GeomagicStudio是唯一可以实现简单操作、提高生产率及允许提供用户化定制生产的一套软件。

兼容性强可与所有的主流三维扫描仪、计算机辅助设计软件（CAD）、常规制图软件及快速设备制造系统配合使用。

Geomagic是完全兼容其它技术的软件，可有效的减少投资。

曲面封闭GeomagicStudio软件允许用户在物理目标及数字模型之间进行工作，封闭目标和软件模型之间的曲面。

你可以导入一个由CAD软件专家制作的表面层作为模板，并且将它应用到对艺术家创建的泥塑模型扫描所捕获的点。

结果在物理目标和数字模型之间没有任何偏差。

整个改变设计过程只需花费极少的时间。

支持多种数据格式GeomagicStudio提供多种建模格式，包括目前主流的3D格式数据：

点，多边形及非均匀有理B样条曲面（NURBS）模型。

数据的完整性与精确性确保可以生成高质量的模型。

GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。

该软件也是除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。

唯一可将实物零部件转化为生产数字模型的完全解决方案!

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

GeomagicStudio8.0是2005年7月中下旬正式发布，8.0版将处理复杂工作流程节约约80%的工作时间，最优化处理产品原型和数控机械加工创造准确的表面模型。

因为GeomagicStudio8.0功能强大，且操作方便，所以本次毕业设计采用GeomagicStudio8.0。

再配合3DSS（Three　Dimensional　SensingSystem）――结构光三维扫描仪，扫描零件以获取点云数据。

在中国南方，三维扫描俗称抄数，因此3DSS是一种高性能的抄数机。

图2.1是结构光三维扫描仪。

2.2逆向工程软件的选用及数据获取

把抄数获取点云数据保存为IGES格式，然后再导入GeomagicStudio8.0，如图2.2就是本次毕业设计产品导入去的结果图。

1、对每一帧图像的点云数据进行预处理，删除与Object无关的多余点云数据，保留有用的点云数控。

2、用Tools/Registration/ManualRegistration命令，将扫描出来的各帧图像拼接成一幅完整的Object图像，在MoldManager中选择一个Object将其固定锁定，进一步执行Tools/Registration/ManualRegistration命令进行全局优化，以提高整体Object图像的拼接精度。

3、用Edit/Phase/PolygonPhase命令，把Object图像直接转化为PolygonPhase阶段。

这时对Polygon　Object　进行表面光顺处理、补洞、边界调整等。

4、用Edit/Phase/ShapePhase命令，把Object图像转为ShapePhase。

5、用Boundraries/UnconstrainAll命令，将Paths转换为Features.

6、用Nurbs/FitSurface命令，把Object图像拟合成NURBS曲面，结果如图2.3所示。

并以IGES格式输出保存文件。

2.3用PROE进行分模详细步骤

1、用File/SetWorkingDirectory　设置工作目录。

并把GeomagicStudio8处理好后的IGS文件拷备到该文件夹内）用File/Open命令打开文件，用Analysis命令，对图形文件进行曲面分析、拔模分析。

如图2.4、图2.5所示。

用File/Save命令把图形文件保存为.prt文件。

（为下面分模做准备）

　　　图2.4　　　　　　　　　　　　　图2.5

2、用File/New命令新建一个分模文件。

3、用MoldModel/Assemble/RefModel命令装配零件。

4、用Shrinkage/ByDimension/Confirm/在ratio文本框中输入收缩率：

0.005/单击OK/Done/Return。

（注：

由于参考零件为以IGSE文件建立的零件，没有包括任何尺寸数据，因此要在提示信息栏中单击Confirm，以确认提示。

）

5、用Create/Workpiece/Manual命令创建工件，在如图2.6中输入socket-mold＿wrk，然后单击OK。

在图2.7中选择LocateDefaultDatums/AlignCsysToCsys再单击OK　选取坐标系SOCKET，以使工件坐标系对齐至模具坐标系。

6、单击草绘工具图标

，选取基准平面FROMT作为草绘平面，绘制坯料拉伸线框。

接着用Protrusion/Extrude/Solid/Done命令在特征深度值上修改为120，创建如图2.8所示工件坯料。

　　　　　　　　　　　图2.8

7、用PartingSurf/Create（输入Pt-surf）/Add/Copy/命令创建分型面，选取零件上方所有表面如图2.9所示效果。

（注意选取多个表面上要接住键盘Ctrl键，并配合鼠标中键旋转零件以方便选择。

）全部选好后单击鼠标中键再单击OK.

　　　　　　　　　　　　　　　　　　图2.9

8、用Add/Flat/Done/Plan/（选择如图2.10所示平面）再接鼠标中键进入草绘界面，用

抓取如图