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畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
題目 酸奶桶的反求造型研究
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化
班 級 學(xué) 號 078105304
學(xué) 生 姓 名 陳 烈
指 導(dǎo) 教 師 于 斐
填 表 日 期 2011 年 3 月 5 日
說 明
開題報(bào)告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度、參考文獻(xiàn)等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容各專業(yè)可根據(jù)具體情況適當(dāng)修改。但每個(gè)專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。
一、選題的依據(jù)及意義：
逆向工程是一項(xiàng)開拓性、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)，逆向工程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中，它不僅消化和吸收實(shí)物原型，并且能修改再設(shè)計(jì)以制造出新的產(chǎn)品.逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。逆向工程的整個(gè)實(shí)施過程包括了測量數(shù)據(jù)的采集／處理、CAD／CAM系統(tǒng)處理和融入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的過程。其中在RE產(chǎn)品建模系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲線／曲面擬合等。
從理論角度分析，逆向工程技術(shù)能按照產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)建立與現(xiàn)有CAD／CAM系統(tǒng)完全兼容的數(shù)字模型，這是逆向工程技術(shù)的最終目標(biāo)。實(shí)現(xiàn)逆向過程后，通過UG進(jìn)行實(shí)體整合，制造出酸奶桶模型，通過實(shí)體模型反求酸奶桶的制造模具。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻(xiàn)綜述）：
傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)一般都是“從無到有”的過程，設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能以及大致的技術(shù)參數(shù)等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期，這樣的過程可稱為“正向設(shè)計(jì)”。而逆向工程則是一個(gè)“從有到無”的過程，就是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，包括設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字模型[1]。
逆向工程(Reverse Engineering)作為一項(xiàng)新的先進(jìn)制造技術(shù)被提出是在上世紀(jì)八十年代末至九十年代初。當(dāng)時(shí)首先由美國汽車龍頭—福特汽車公司倡導(dǎo)的汽車“2毫米工程”對傳統(tǒng)的制造業(yè)提出了前所未有的挑戰(zhàn)[2] 。它要求將質(zhì)量控制從最終產(chǎn)品的檢驗(yàn)和檢測，提前到產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)階段。減小開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)，降低開發(fā)成本，加快產(chǎn)品成功開發(fā)的周期。九十年代初在世界范圍內(nèi)掀起了所謂“先進(jìn)制造技術(shù)及設(shè)備”的研究、開發(fā)熱潮[3]。
在計(jì)算機(jī)高度發(fā)展的今天，三維立體的幾何造型技術(shù)已被制造業(yè)廣泛應(yīng)用于工模具的設(shè)計(jì)、方案評審，自動(dòng)化加工制造及管理維護(hù)等各方面[4]。而往往我們都會遇到這樣的難題，就是客戶給你的只有一個(gè)實(shí)物樣品或手扳模型，沒有圖紙CAD數(shù)據(jù)檔案，工程人員沒法得到準(zhǔn)確的尺寸，制造模具就更為困難。用傳統(tǒng)的雕刻方法，時(shí)間長而效果不佳，這時(shí)我們就需要采用各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型。這就是所謂逆向工程(Reverse Engineering)。
逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度數(shù)控加工等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中作為快速反求的發(fā)展則是由傳統(tǒng)的接觸式測量向快速非接觸式測量逐步發(fā)展，特別是承受著“光機(jī)電一體化”技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合了計(jì)算機(jī)、圖像處理，激光技術(shù)以及精密機(jī)械的三維激光掃描機(jī)逐漸成為了反求工程的主流。而三維激光掃描從形式上又是從點(diǎn)掃描測量向線掃描測量、場測量發(fā)展的，其中線掃描測量與點(diǎn)掃描同樣基于“三角法測量原理”，同時(shí)借助于高精度，高分辨率的面陣CCD圖像采集系統(tǒng)，從而使其具有了與點(diǎn)掃描形式類似的高測量精度以及可與場測量方式媲美的高效率。另外，采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)平臺，可以獲取被測物體的全輪廓數(shù)據(jù)信息，能真正做到了采用三維掃描方式獲取物體三維形狀信息 [5] 。
從廣義講，逆向工程可分以下三類：
(1)實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實(shí)物逆向的對象可以是整機(jī)、零部件和組件。
(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；只有實(shí)物而無技術(shù)軟件；沒有實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。
(3)影像逆向：設(shè)計(jì)者既無產(chǎn)品實(shí)物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計(jì)者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計(jì)產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向 [6] 。
逆向工程的專業(yè)軟件有Surfacer、UG、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。例如，對一個(gè)小車的外型進(jìn)行激光掃描，大約可以得到30萬個(gè)測量點(diǎn)，通過專業(yè)的UG軟件建構(gòu)而得到數(shù)字模型，達(dá)到了預(yù)期的效果 [7] 。
Unigraphics NX 5.0中文版（簡稱UG／NX5.0），其功能覆蓋了整個(gè)產(chǎn)品的開發(fā)過程，即覆蓋了從概念設(shè)計(jì)、功能工程、工程分析、加工制造到產(chǎn)品發(fā)布的全過程，在航空、汽車、機(jī)械、電器電子等各工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛。
UG軟件起源于美國麥道飛機(jī)公司，自20世紀(jì)60年代起成為商業(yè)化軟件以來，一直被全球眾多知名公司所采用，UG軟件在客戶需求驅(qū)動(dòng)下，汽車多個(gè)大型工程項(xiàng)目的實(shí)際考驗(yàn)，被公認(rèn)為世界一流的企業(yè)級CAD/CAM/CAE一體化軟件之一。
Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件。具有強(qiáng)大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差[8]。
以上介紹的是國外逆向工程軟件，國內(nèi)在逆向工程軟件方面的研究．主要集中在高等學(xué)校(如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué))，也有軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等原因，這些研究性軟件還沒具備與國外商業(yè)化軟件競爭的條件。由國內(nèi)逆向工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人士參與開發(fā)的逆向工程軟件QuickForm是較好的一個(gè)：該系統(tǒng)采用先進(jìn)的幾何引擎，運(yùn)行穩(wěn)定性好，并有良好的可操作性。由于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實(shí)施經(jīng)驗(yàn)．因此系統(tǒng)的功能設(shè)置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習(xí)慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm還具有價(jià)格優(yōu)勢，QuickForm的價(jià)格在同類軟件中具有極強(qiáng)的競爭力；采用國產(chǎn)軟件也是對國內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持[9]。
逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為消化、吸收先進(jìn)技術(shù)。實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：
(1)對產(chǎn)品外形美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，由于設(shè)計(jì)師習(xí)慣于依賴3D實(shí)物模型對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD軟件直接設(shè)計(jì)的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型。
(2)當(dāng)設(shè)計(jì)需經(jīng)實(shí)驗(yàn)才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽車等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，需進(jìn)行風(fēng)洞等實(shí)驗(yàn)建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的．最終借助逆向工程，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。
(3)在模具行業(yè)，常需通過反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面。這將實(shí)物通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實(shí)際相符的產(chǎn)品數(shù)字化模型，對模型修改后再進(jìn)行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此．逆向工程在改型設(shè)計(jì)方面可發(fā)揮正向設(shè)計(jì)不可替代的作用。
(4)逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品、或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。
(5)借助于工業(yè)CT技術(shù)，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形狀．而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷 [10] 。
逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)測量機(jī)的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程仍需要大量的人機(jī)交互工作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，下面一些關(guān)鍵技術(shù)將是逆向工程主要發(fā)展方面:
(1)數(shù)據(jù)測量方面：發(fā)展面向逆向工程的專用測量設(shè)備，能夠高速、高精度的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進(jìn)行自動(dòng)測量和規(guī)劃路徑；
(2)數(shù)據(jù)的頂處理方面：針對不同種類的測量數(shù)據(jù)，開發(fā)研究一種通用的數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進(jìn)目前的數(shù)據(jù)處理算法；
(3)曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進(jìn)行光滑拼接；
(4)集成技術(shù)：發(fā)展包括測量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)等的逆向工程技術(shù)[11]。
三、研究內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)方案：
研究內(nèi)容：
1） 酸奶桶的反求造型。
2） 基于surfacer軟件將測量的的點(diǎn)擬合成曲線和曲面
3） 基于UG創(chuàng)建酸奶桶實(shí)體
4） 完成酸奶桶的UG注塑模設(shè)計(jì)
四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度
目標(biāo)：
對酸奶桶的點(diǎn)云模型數(shù)據(jù)處理利用surfacer軟件將測量的的點(diǎn)擬合成曲線和曲面、UG創(chuàng)建酸奶桶實(shí)體
主要特色：
結(jié)合酸奶桶的設(shè)計(jì)制造的特點(diǎn)，采用逆向工程技術(shù)對酸奶桶進(jìn)行設(shè)計(jì)研究是一項(xiàng)開拓性、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)的工作。用surfacer及逆向工程軟件UG對酸奶桶點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行反求處理其重點(diǎn)難點(diǎn)是曲線的創(chuàng)建和診斷修改。采用逆向工程技術(shù)，不僅能夠得到原實(shí)物的精確的復(fù)制品，而且可以進(jìn)一步修改并生成完整的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品圖紙，為產(chǎn)品的更改以及后續(xù)的數(shù)控加工帶來了很大的便利，大大地縮短設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工作效率。
工作進(jìn)度：
1. 開題報(bào)告、查閱資料、外文翻譯（6000字符) 2.21－3.11 3周
2. 研究反求造型的基本方法 3.14－4.1 3周
3. 基于surfacer軟件重構(gòu)曲面 4.4－4.29 4周
4. 基于UG創(chuàng)建酸奶桶實(shí)體 5.2－5.27 4周
5. 完成酸奶桶的UG注塑模設(shè)計(jì) 5.30－6.17 3周
6. 撰寫畢業(yè)論文、畢業(yè)設(shè)計(jì)審查、畢業(yè)答辯 6.20－6.25 1周
五、參考文獻(xiàn)
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