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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）
題目： 酸奶桶的反求造型研究
系 別 航空與機(jī)械工程系
專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化
班 級 學(xué) 號 078105304
學(xué) 生 姓 名 陳烈
指 導(dǎo) 教 師 于斐
二 〇 一 一 年 5 月
酸奶桶的反求造型研究
學(xué)生姓名：陳烈 班級：0781053
指導(dǎo)老師：于斐
摘 要：本文提出如何利用UG和surfacer軟件進(jìn)行模具逆向設(shè)計(jì)的問題，這一問題的提出基于以下原因:
1.在三坐標(biāo)測量機(jī)上能夠快速精確的測量到大量的已有產(chǎn)品的表面坐標(biāo)值。
2.在專用的點(diǎn)處理軟件surfacer上能夠較精確的將測的的點(diǎn)擬合成曲線和曲面。
3.在UG軟件上能夠復(fù)原產(chǎn)品實(shí)體，以及進(jìn)一步反求模具的逆向設(shè)計(jì)和制造一體化。
點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲線曲面重構(gòu)是逆向工程模具設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)，雖然UG軟件具有強(qiáng)大的曲線曲面造型功能，但是點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理的功能相當(dāng)薄弱。為此本文以surfacer作為中間軟件，完成點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，提高了在UG軟件上進(jìn)行逆向工程的效率和精度。
本文主要研究的工作如下:
1.探討三坐標(biāo)測量的多種方法和目前國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀。
2.點(diǎn)云排序方法的研究，初步建立點(diǎn)云之間的拓?fù)潢P(guān)系，使點(diǎn)云具有一定的完整性，并去除噪聲點(diǎn)。
3.利用surfacer開發(fā)工具完成點(diǎn)云排序與精簡和點(diǎn)云曲線曲面擬合，并實(shí)現(xiàn)了擬合曲面在UG界面上的顯示。
4.以UG的曲面處理和實(shí)體建模作為工具軟件復(fù)原實(shí)體和反求模具。
關(guān)鍵詞:逆向工程, 點(diǎn)云處理, surfacer
指導(dǎo)老師簽名：
Reverse yougurt shape of a barrel
Student name：Chen lie Class：0781053
Supervisor：Yu Fei
ABSTRACT： This paper presents how to use UG and surfacer software on the reversing design of the mold problem, the issue raised for the following reasons:
1. In the CMM we can be able to quickly and accurately measuring a large number of products already on the surface coordinates.
2. Points in a dedicated software surfacer can be easily handled more accurate will be adjacent to the point of curves and surfaces.
3. UG software products to be able to recover entities, and to further reverse the reverse die design and manufacturing integration.
Point cloud data and pretreatment of surface reconstruction is the reverse engineering of key technologies, while UG software has powerful features of surface modeling, but the point cloud data pre-processing functions quite weak. Surfacer to this paper as an intermediary software, the completion point cloud data preprocessing, the increase in the UG reverse engineering software on the efficiency and accuracy.
This paper on the work are as follows:
???? 1.The CMM on a variety of methods and the development of the status at home and abroad.
???? 2.Point cloud sort of way, the initial establishment of point cloud relations between the topology, to a certain point cloud the integrity and remove noise points.
???? 3.Surfacer use development tools to sort and the completion point-to streamline and point-fitting curves and surfaces, and to achieve a fitting surface interface displayed on the UG.
???? 4.UG to the surface processing and modeling software as a tool for physical rehabilitation and reverse model.
KEY WORDS: Reverse engineering, Point cloud processing, Surface Signature of Supervisor：
III
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
目 錄
摘 要 （I）
ABSTRACT （II）
目 錄 （1）
前 言 （1）
1 緒論 （3）
1.1 逆向工程概述 （3）
1.2 逆向工程及模具設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀 （6）
1.3 本文研究的內(nèi)容和意義 （8）
1.3.1 研究內(nèi)容 （8）
1.3.2 研究意義 （8）
2 產(chǎn)品表面坐標(biāo)的測量 （9）
2.1 測量方法分析 （9）
2.1.1 接觸式測量 （10）
2.1.2 非接觸式測量 （10）
2.2 測量設(shè)備的發(fā)展 （10）
2.2.1 坐標(biāo)測量機(jī)的最新發(fā)展 （11）
2.3 ATOS掃描儀數(shù)據(jù)點(diǎn)測量原理 （11）
2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取 （11）
3 點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理 （12）
3.1 surfacer軟件介紹 （12）
3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理[1] （13）
3.2.1 數(shù)據(jù)平滑 （13）
3.2.2 數(shù)據(jù)過濾 （13）
3.2.3 數(shù)據(jù)分塊和數(shù)據(jù)融合 （13）
3.2.4 數(shù)據(jù)優(yōu)化 （14）
3.2.5 點(diǎn)云拼合 （14）
3.3 曲線重構(gòu)的原理 （14）
3.4 曲面重構(gòu)的原理 （15）
4 Surfacer軟件重構(gòu)曲面[2] （17）
4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 （17）
4.1.1 數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入 （17）
4.1.2 噪聲點(diǎn)處理 （18）
4.2 曲線創(chuàng)建 （18）
4.3 曲面創(chuàng)建 （20）
5 UG反求實(shí)體及模具 （21）
5.1 UG軟件簡介 （21）
5.2 UG復(fù)原實(shí)體設(shè)計(jì)過程 （21）
6 UG注塑模具設(shè)計(jì) （29）
結(jié) 論 （36）
參考文獻(xiàn) （37）
致 謝 （38）
2
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
前 言
逆向工程(Reverse Engineering，RE)，也稱為反求工程、反向工程、三坐標(biāo)點(diǎn)測繪、抄數(shù)等。是指在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的模型(產(chǎn)品原型或油泥模型)，利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造CAD模型而克隆或創(chuàng)造實(shí)物產(chǎn)品的過程。作為一種新產(chǎn)品開發(fā)和消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段，逆向工程技術(shù)結(jié)合UG軟件的強(qiáng)大功能改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)模式，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期，提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率，尤其對那些形狀復(fù)雜的產(chǎn)品更為有效。逆向工程為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了技術(shù)支持，使得企業(yè)在市場上的競爭力大大提高。本文通過瓶的注塑模具的設(shè)計(jì)，說明應(yīng)用逆向工程技術(shù)和三維設(shè)計(jì)軟件在逆向產(chǎn)品的研發(fā)中的流程。
本次設(shè)計(jì)根據(jù)逆向工程的技術(shù)流程，應(yīng)用AT0S三維掃描儀對工件瓶體進(jìn)行掃描獲取樣件表面“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)；使用逆向工程專業(yè)軟件Surfacer處理測量獲得的散亂“點(diǎn)云”數(shù)據(jù)，并擬合曲線及曲面，進(jìn)行相應(yīng)的編輯修改等，使之達(dá)到精度要求；并在UG軟件中進(jìn)行產(chǎn)品完整曲面模型的生成以及實(shí)體化，最后生成不規(guī)則外形曲面的全部特征并得到完整產(chǎn)品零件模型后再生成注塑模具。結(jié)果表明，利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品快速逆向設(shè)計(jì)是有效的、可行的。而且此方法可以大大提高模具設(shè)計(jì)效率，降低產(chǎn)品開發(fā)成本。
本文根據(jù)逆向模具設(shè)計(jì)的流程，分四個模塊重點(diǎn)介紹逆向模具設(shè)計(jì)的過程，并結(jié)合工件實(shí)例介紹逆向模具設(shè)計(jì)的方法、操作、技巧以及應(yīng)用，本說明書共分6章，具體內(nèi)容安排如下。
第1章作為緒論，介紹逆向工程的概述，目前發(fā)展?fàn)顩r，以及本文的研究內(nèi)容和意義。通過本章的學(xué)習(xí)可以對逆向工程做一個大體的了解。
第2章介紹產(chǎn)品表面坐標(biāo)的測量，逆向工程的基礎(chǔ)就是完整的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，通過本章可以了解點(diǎn)云數(shù)據(jù)的測量方法以及所用測量設(shè)備的發(fā)展。以及重點(diǎn)介紹本次所用測量設(shè)備ATOS掃描儀的結(jié)構(gòu)及工作原理。
第3章介紹點(diǎn)云的處理方法，包括點(diǎn)云的對齊定位，噪聲點(diǎn)的去除，數(shù)據(jù)的平順和優(yōu)化。介紹曲線重構(gòu)和曲面重構(gòu)的原理。
第4章介紹surfacer軟件常用功能命令，結(jié)合實(shí)例介紹點(diǎn)數(shù)據(jù)處理，曲線擬合，曲面重建的具體操作方法。
第5章對UG軟件做簡單介紹并利用UG實(shí)體建模模塊結(jié)合實(shí)例介紹曲面抽夠?qū)嶓w的具體方法。
第6章介紹UG軟件的Moldwizard 4.0注塑模具向?qū)K，并詳細(xì)介紹生成工件注塑模具的具體方法。
本次設(shè)計(jì)說明書結(jié)合Surfacer和UG的優(yōu)勢重構(gòu)過渡面，Sufracer在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲線構(gòu)建和曲面構(gòu)建有較強(qiáng)的優(yōu)勢，但在UG中生成過渡面的效果明顯要好一些，本文結(jié)合Surfacer和UG三維造形和設(shè)計(jì)處理軟件，根據(jù)優(yōu)勢互補(bǔ)原則實(shí)現(xiàn)曲面重構(gòu)，在控制精度的前題下，使最后輸出的曲面模型很好的滿足了設(shè)計(jì)要求．構(gòu)建出比較光滑的過渡面。填補(bǔ)在UG和Sufracer中均可構(gòu)建，但通常都會出現(xiàn)明顯接痕或過渡不自然等現(xiàn)象，此設(shè)計(jì)方法必將推動模具事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。本設(shè)計(jì)說明書在各位來時的指導(dǎo)些獨(dú)立完成，在此對提供幫助的所有人表示感謝。
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南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
1 緒論
1.1 逆向工程概述
21世紀(jì)的設(shè)計(jì)和制造不但要面向集成化智能化標(biāo)準(zhǔn)化柔性化而且要實(shí)現(xiàn)并行化、分布化、網(wǎng)絡(luò)化、虛擬化，而這一切的基礎(chǔ)是信息的數(shù)字化。完成設(shè)計(jì)信息數(shù)字化建模的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)作為一項(xiàng)重要的單元技術(shù)發(fā)揮著基礎(chǔ)與核心的作用?？梢哉f，隨著參數(shù)化特征造型技術(shù)的發(fā)展，目前一般的用于正向設(shè)計(jì)的機(jī)械CADC/AM得到了很好的解決。但在許多特殊領(lǐng)域，利用普通的造型手段往往難以很好的解決問題，因而迫切需要造型方法、設(shè)計(jì)手段的豐富和發(fā)展。例如，在汽車工業(yè)，新車型的外形設(shè)計(jì)仍然經(jīng)常要制作全尺寸的木質(zhì)或薪土模型，因?yàn)橐诙S的尺寸大大縮小了的計(jì)算機(jī)屏幕上完成這樣高要求的三維復(fù)雜外形設(shè)計(jì)是非常困難的。當(dāng)實(shí)物模型制作好以后，就需要根據(jù)實(shí)物建立其數(shù)字化模型。模具快速制造、三維服裝設(shè)計(jì)、玩具設(shè)計(jì)、電影特技動畫制作、藝術(shù)制作、動植物模擬、醫(yī)療診斷、人體器官復(fù)制、地理地形測量與數(shù)字化再現(xiàn)等也都給設(shè)計(jì)和造型手段提出了新的課題和挑戰(zhàn)，但同時也為幾何造型技術(shù)提供了更廣闊的發(fā)展空間。
逆向工程是數(shù)字化與快速響應(yīng)制造大趨勢下的一項(xiàng)重要技術(shù)，是CAD領(lǐng)域中的一個相對獨(dú)立的范疇。目前有關(guān)逆向工程的研究和應(yīng)用大多數(shù)針對實(shí)物模型的幾何形狀的反求，在這個意義下，逆向工程是根據(jù)已有實(shí)物模型的坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，重新建立實(shí)物的數(shù)字化模型，而后進(jìn)行分析、修改、快速原型制造和數(shù)控加工等。這里的實(shí)物模型可以是機(jī)械產(chǎn)品、人體、動植物、藝術(shù)品、地形地貌等等。通過實(shí)物模型產(chǎn)生其數(shù)字化模型，可以充分利用數(shù)字化的優(yōu)勢，提高設(shè)計(jì)、制造、分析的質(zhì)量和效率，并適應(yīng)智能化、集成化、并行化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的信息存儲與交換。逆向工程將現(xiàn)代坐標(biāo)測量設(shè)備作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前置輸入裝置和原型或產(chǎn)品制造后的檢測手段，與快速原型制造、CAD/CAM相結(jié)合并形成產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的閉環(huán)系統(tǒng)，將有效提高產(chǎn)品的快速響應(yīng)能力，豐富幾何造型方法和產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段，其關(guān)鍵技術(shù)可用于其他許多領(lǐng)域，從而拓寬計(jì)算機(jī)輔助建模的應(yīng)用領(lǐng)域。逆向工程的應(yīng)用可以歸納為以下幾個方面: 【10】
(1)由于種種原因，有時在只有樣件，沒有樣件圖形文檔的情況下需要對樣件進(jìn)行有限元分析、備件加工、模具制造或者需對樣件進(jìn)行修改，考察修改后的樣件與其他零件之間的裝配協(xié)調(diào)性等等，這都需要利用逆向工程的手段將實(shí)物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型從而提高設(shè)計(jì)制造的自動化程度。
(2)在汽車外形設(shè)計(jì)、玩具設(shè)計(jì)、藝術(shù)品造型等復(fù)雜而且對外形美學(xué)要求較高的產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，用目前普通的CAD軟件，還很難滿足形狀設(shè)計(jì)的要求，一般要首先制作實(shí)物模型，然后通過測量設(shè)備輸入到計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)中，以便進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和后續(xù)的各種操作。
(3)逆向工程在單件產(chǎn)品快速定制生產(chǎn)中也可以發(fā)揮其獨(dú)到的作用。
(4)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，利用層析x射線(ComputeriZedTomography，CT)及核磁共振(MagnetiCReSOnnaCemIgaing，MR工)等設(shè)備采集病變部位的外形數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行三維數(shù)字化模型重建，可以為疾病的確定與診斷提供重要依據(jù)。另外，通過對患者骨骼、關(guān)節(jié)、牙床等的測量，建立相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模型，可以使假肢制造、牙齒鑲復(fù)更加具有針對性，更符合具體患者的需求。
(5)在地理信息領(lǐng)域，利用現(xiàn)代的衛(wèi)星遙感測量技術(shù)，對大地遙測數(shù)據(jù)進(jìn)行特征識別核建模，可以建立三維數(shù)字化真實(shí)感地形圖，快速生成導(dǎo)彈目標(biāo)的自適應(yīng)跟蹤軌跡等。利用聲納測量設(shè)備，可以獲得海底及港口的地下形貌數(shù)據(jù)，利用幾何模型重建技術(shù)，將十分有利于資源利用、海底作業(yè)、海上交通、港口建設(shè)等。
(6)將逆向工程與快速原型制造(RPM)相結(jié)合，組成產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測、修改的閉環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)快速的測量、設(shè)計(jì)、制造、再測量修改的反復(fù)迭代，高效率完成產(chǎn)品的初始設(shè)計(jì)。將逆向工程與快速原型制造相結(jié)合，還可以將三維物體方便可靠地“讀入”，“傳輸”，并在異地重新生成，即實(shí)現(xiàn)所謂的“三維傳真”。
(7)逆向工程的另一重要應(yīng)用領(lǐng)域是計(jì)算機(jī)輔助檢測。成品的精度檢測是企業(yè)進(jìn)行質(zhì)量控制的重要手段，然而復(fù)雜形狀產(chǎn)品的檢驗(yàn)往往非常困難，需要大量的時間和人力。利用自動測量設(shè)備，可以快速采集到零件的大量數(shù)字化點(diǎn)，將這些坐標(biāo)點(diǎn)讀入計(jì)算機(jī)，就可以通過軟件自動分析測量到的數(shù)據(jù)點(diǎn)與理論模擬的誤差。分析結(jié)果可用報(bào)告形式輸出，也可以在理論模型上繪制誤差彩色云圖(即用不同的顏色標(biāo)識不同的誤差值)，使零件各個部位的制造精度一目了然。其中逆向工程應(yīng)用流程圖如下：【4】
產(chǎn)品樣件
數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)
RE產(chǎn)品建模系統(tǒng)
CAD/CAM系統(tǒng)
最終產(chǎn)品
RP設(shè)備
樣品
評價修改
P
D
M
1.2 逆向工程及模具設(shè)計(jì)的發(fā)展現(xiàn)狀
逆向工程RE(Revere Engineering) 也稱為反求工程，是基于NURBS的曲線、曲面重構(gòu)進(jìn)行研究，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各類專業(yè)人員工程設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)，是應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)和仿真制造的一種并行設(shè)計(jì)開發(fā)系統(tǒng)。
逆向工程是機(jī)械設(shè)計(jì)與制造應(yīng)用領(lǐng)域的一個重要分支，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)中利用逆向工程可以大地縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期和開發(fā)費(fèi)用。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。
逆向工程是從實(shí)物樣件測得的數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理、曲線／曲面擬合、實(shí)體模型重構(gòu)等，關(guān)鍵技術(shù)，得到實(shí)物樣件的三維CAD模型，繼而將這些模型用于產(chǎn)品的分析和制造。根據(jù)逆向工程的技術(shù)流程，利用現(xiàn)有的軟硬件設(shè)施，完成了零件及數(shù)據(jù)點(diǎn)的測量、數(shù)據(jù)處理、曲線／曲面重構(gòu)和實(shí)體建模，探討了利用逆向工程技術(shù)進(jìn)行產(chǎn)品快速逆向設(shè)計(jì)的可行性。實(shí)現(xiàn)了由實(shí)體模型到數(shù)字化CAD模型的快速轉(zhuǎn)換，能夠得到高質(zhì)量的工程CAD資料，便于設(shè)計(jì)、加工模具。逆向工程在模具行業(yè)應(yīng)用的研究，必將推動模具制造業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展模具是生產(chǎn)各種工業(yè)產(chǎn)品的重要工藝裝備，隨著塑膠工業(yè)的迅速發(fā)展以及塑膠制品在航空、航天、電子、機(jī)械、船舶和汽車等工業(yè)部門的推廣應(yīng)用，產(chǎn)品對模具的要求越來越高，傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)方法已無法適應(yīng)產(chǎn)品更新?lián)Q代和提高質(zhì)量的要求。電腦輔助工程（CAE）技術(shù)已成為塑膠產(chǎn)品開發(fā)、模具設(shè)計(jì)及產(chǎn)品加工中這些薄弱環(huán)節(jié)的最有效的途經(jīng)。同傳統(tǒng)的模具設(shè)計(jì)相比，CAE技術(shù)無論在提高生產(chǎn)率、保證產(chǎn)品質(zhì)量，還是在降低成本、減輕勞動強(qiáng)度等方面，都具有很大優(yōu)越性。
美國上市公司 Moldflow 公司是專業(yè)從事注塑成型CAE 軟體和諮詢公司，自1976年發(fā)行了世界上第一套流動分析軟體以來，一直主導(dǎo)塑膠成型CAE軟體市場。近幾年，在汽車、家電、電子通訊、化工和日用品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。利用 CAE技術(shù)可以在模具加工前，在電腦上對整個注塑成型過程進(jìn)行類比分析，準(zhǔn)確預(yù)測熔體的填充、保壓、冷卻情況以及制品中的應(yīng)力分布、分子和纖維取向分布、制品的收縮和翹曲變形等情況，以便設(shè)計(jì)者能盡早發(fā)現(xiàn)問題，及時修改制件和模具設(shè)計(jì)，而不是等到試模以后再返修模具。這不僅是對傳統(tǒng)模具設(shè)計(jì)方法的一次突破，而且對減少甚至避免模具返修報(bào)廢、提高制品質(zhì)量和降低成本等，都有著重大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)意義。?
塑膠模具的設(shè)計(jì)不但要采用 CAD 技術(shù)，而且還要采用 CAE 技術(shù)。這是發(fā)展的必然趨勢。注塑成型分兩個階段，即開發(fā)/設(shè)計(jì)階段（包括產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和模具制造）和生產(chǎn)階段（包括購買材料、試模和成型）。傳統(tǒng)的注塑方法是在正式生產(chǎn)前，由于設(shè)計(jì)人員憑經(jīng)驗(yàn)與直覺設(shè)計(jì)模具，模具裝配完畢後，通常需要幾次試模，發(fā)現(xiàn)問題后，不僅需要重新設(shè)置工藝參數(shù)，甚至還需要修改塑膠制品和模具設(shè)計(jì)，這勢必增加生產(chǎn)成本，延長產(chǎn)品開發(fā)周期。采用CAE 技術(shù)，可以完全代替試模，CAE技術(shù)提供了從制品設(shè)計(jì)到生產(chǎn)的完整解決方案，在模具制造之前，預(yù)測塑膠熔體在型腔中的整個成型過程，幫助研判潛在的問題，有效地防止問題發(fā)生，大大縮短了開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。近年來， CAE 技術(shù)在注塑成型領(lǐng)域中的重要性日益增大，采用 CAE 技術(shù)可以全面解決注塑成型過程中出現(xiàn)的問題。而逆向工程更是集成了模具設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，采用逆向的設(shè)計(jì)思路，根據(jù)現(xiàn)有的產(chǎn)品快速創(chuàng)建模具，大大節(jié)省了模具設(shè)計(jì)的時間，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，提高了產(chǎn)品制造的效率。
1.3 本文研究的內(nèi)容和意義
1.3.1 研究內(nèi)容
所謂逆向工程技術(shù)，是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程。逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)存在很大差別。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進(jìn)而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進(jìn)一步利用CAD/CAE/CAM等先進(jìn)技術(shù)對其進(jìn)行處理。不同之處在于設(shè)計(jì)的起點(diǎn)不同，相應(yīng)的設(shè)計(jì)自由度和設(shè)計(jì)要求也不相同。一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，逆向工程在機(jī)械設(shè)計(jì)方面常用在新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計(jì)。已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖。損壞或磨損零件的還原。數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比較。其設(shè)計(jì)流程如下【6】：
工件模型
非接觸式掃描
接觸式測量
點(diǎn)群資料
坐標(biāo)點(diǎn)群
CAD資料與點(diǎn)群資料誤差比對
建構(gòu)工程
CAD資料
點(diǎn)資料
后處理
后續(xù)模具
加工應(yīng)用
本次畢業(yè)設(shè)計(jì)是瓶為例，通過三坐標(biāo)測量機(jī)測量的近6萬個外形數(shù)據(jù)點(diǎn)，根據(jù)逆向工程的設(shè)計(jì)思路，制作吹塑模具，并生成模具的工程圖。
1.3.2 研究意義
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，制造出實(shí)體玩具模型，通過實(shí)體模型反求玩具的制造模具。
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
2 產(chǎn)品表面坐標(biāo)的測量
2.1 測量方法分析
2.1.1 接觸式測量【5】
接觸式測量精度較高，發(fā)展時間較久，機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，訊號讀取較非接觸式測量設(shè)備穩(wěn)定，外界干擾較小通?？尚Ｕ侥骋蛔鴺?biāo)系，不需經(jīng)軟件再次定位一次，適合量測簡單幾何形狀物體，量測速度比較快，如單一片面，對于復(fù)雜片面則相反，北側(cè)物體外形及顏色影響不大，同時可測量死角區(qū)域，另外不必考慮被測物體表面反光，因此應(yīng)用非常廣泛，但是接觸式測量也存在很多缺點(diǎn)，其測量速度較慢，逐點(diǎn)方式測量，耗時較久，測量時需要設(shè)定量測基準(zhǔn)點(diǎn)，需使用特殊夾制工具，例如針對不同測量物體，因側(cè)提高測量成本，在測量時，測頭需接觸工件而造成測頭磨損，但為了維持一定得測量精度，必須經(jīng)常校正測頭，有時不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p壞某些部位的表面精度以及探頭本身，一些內(nèi)部元件如內(nèi)圓之檢驗(yàn)有先天的限制存在，也就是要用接觸式探頭檢查元件的尺寸，接觸式探頭的直徑必定要小于被測元件的大小，測頭移動時并非得到接觸點(diǎn)位置坐標(biāo)而是測頭球心的位置，所以需要以軟件對測量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算補(bǔ)正，在側(cè)頭移動時無法克服物理慣性，無法即時停止，造成測量誤差，尤其是針對接觸式測量設(shè)備。
2.1.2 非接觸式測量
非接觸式測量精度較差，大部分由三角測距的方式計(jì)算點(diǎn)資料坐標(biāo)，誤差值較接觸式大，非接觸式的量側(cè)設(shè)備是以光學(xué)測頭讀取鐳射光，光柵，若物件外觀會反光，則造成兩側(cè)干擾，易受工件表面的反射性影響，如顏色材質(zhì)等，通常將會反光的量側(cè)物體噴涂白色涂料減少光線散射?；蛘叨鄶?shù)在不受光源影響的環(huán)境下量測。非接觸式測量較難針對幾何形狀做完美的測量，對于不連續(xù)及起伏變化較大的形狀較難處理，測量時，測頭量測角度要盡量垂直于被量測物體表面，易提高量測的質(zhì)量，但是非接觸式測量可以做到接觸式測量無法應(yīng)用的范圍，例如人體外形的掃描，開發(fā)更多的符合人體工程學(xué)的產(chǎn)品，因此結(jié)合兩種測量的有點(diǎn)，逆向工程人員一般搭配兩種測量使用。
2.2 測量設(shè)備的發(fā)展
現(xiàn)代精密測量技術(shù)是一門集光學(xué)、電子、傳感器、圖像、制造及計(jì)算機(jī)技術(shù)為一體的綜合性交叉學(xué)科，涉及廣泛的學(xué)科領(lǐng)域，它的發(fā)展需要眾多相關(guān)學(xué)科的支持。在現(xiàn)代工業(yè)制造技術(shù)和科學(xué)研究中，測量儀器具有精密化、集成化、智能化的發(fā)展趨勢。三坐標(biāo)測量機(jī)（CMM）是適應(yīng)上述發(fā)展趨勢的典型代表，它幾乎可以對生產(chǎn)中的所有三維復(fù)雜零件尺寸、形狀和相互位置進(jìn)行高準(zhǔn)確度測量。發(fā)展高速坐標(biāo)測量機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的要求。同時，作為下世紀(jì)的重點(diǎn)發(fā)展目標(biāo)，坐標(biāo)測量機(jī)以及圖像識別測量技術(shù)必將的到廣泛的研究和發(fā)展。
2.2.1 坐標(biāo)測量機(jī)的最新發(fā)展
三坐標(biāo)測量機(jī)作為幾何尺寸數(shù)字化檢測設(shè)備在機(jī)械制造領(lǐng)域得到推廣使用，而科學(xué)研究和機(jī)械制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步又對CAM提出更多新的要求，作為測量機(jī)的制造者就需要不斷將新技術(shù)應(yīng)用于自己的產(chǎn)品以滿足生產(chǎn)實(shí)際的需要。其主要的技術(shù)要求如下三個方面。
1.1 誤差自補(bǔ)償技術(shù)
德國Carl Zeiss公司最近開發(fā)的CNC小型坐標(biāo)測量機(jī)采用熱不靈敏陶瓷技術(shù)（Thermally insensitive ceramic technology），使坐標(biāo)測量機(jī)的測量精度在17.8～25.6℃范圍不受溫度變化的影響。國內(nèi)自行開發(fā)的數(shù)控測量機(jī)軟件系統(tǒng)PMIS包括多項(xiàng)系統(tǒng)誤差補(bǔ)償、系統(tǒng)參數(shù)識別和優(yōu)化技術(shù)。
1.2 豐富的軟件技術(shù)
Carl Zeiss公司開發(fā)的坐標(biāo)測量機(jī)軟件STRATA-UX，其測量數(shù)據(jù)可以從CMM直接傳送到隨機(jī)配備的統(tǒng)計(jì)軟件中去，對測量系統(tǒng)給出的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時分析與管理，根據(jù)要求對其進(jìn)行評估。依據(jù)此數(shù)據(jù)庫，可自動生成各種統(tǒng)計(jì)報(bào)表，包括X-BAR&R及X_BAR&S圖表、頻率直方圖、運(yùn)行圖、目標(biāo)圖等。美國Brown & Sharp公司的Chameleon CMM測量系統(tǒng)所配支持軟件可提供包括齒輪、板材、凸輪及凸輪軸共計(jì)50多個測量模塊。日本Mitutoyo公司研制開發(fā)了一種圖形顯示及繪圖程序，用于輔助操作者進(jìn)行實(shí)際值與要求測量值之間的比較，具有多種輸出方式。
1.3 系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)
各坐標(biāo)測量機(jī)制造商獨(dú)立開發(fā)的不同軟件系統(tǒng)往往互不相容，也因知識產(chǎn)權(quán)的問題，這些工程軟件是封閉的。系統(tǒng)集成技術(shù)主要解決不同軟件包之間的通信協(xié)議和軟件翻譯接口問題。利用系統(tǒng)集成技術(shù)可以把CAD、CAM及CAT以在線工作方式集成在一起，形成數(shù)學(xué)實(shí)物仿形制造系統(tǒng)，大大縮短了模具制造及產(chǎn)品仿制生產(chǎn)周期。
2.2.2 圖像識別測量技術(shù)
隨著近代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，幾何尺寸與形位測量已從簡單的一維、二維坐標(biāo)或形體發(fā)展到復(fù)雜的三維物體測量，從宏觀物體發(fā)展到微觀領(lǐng)域。被測物體圖像中即包含有豐富的信息，為此，正確地進(jìn)行圖像識別測量已經(jīng)成為測量技術(shù)中的重要課題。圖像識別測量過程包括：（1）圖像信息的獲??；（2）圖像信息的加工處理，特征提??；（3）判斷分類。計(jì)算機(jī)及相關(guān)計(jì)算技術(shù)完成信息的加工處理及判斷分類，這些涉及到各種不同的識別模型及數(shù)理統(tǒng)計(jì)知識。
2.3 ATOS掃描儀數(shù)據(jù)點(diǎn)測量原理
德國GOM公司生產(chǎn)的ATOS光學(xué)三坐標(biāo)測量系統(tǒng)(AdvancedTopometricSensor高級外形測量傳感器)，由傳感器(兩個CCD相機(jī)、一個光源(鹵素?zé)?)、系統(tǒng)計(jì)算機(jī)、三角架組成，見圖1。傳感器頭安裝在一個可以繞著被測物體自由運(yùn)動的三角架上，在測量時傳感器頭可以繞著被測物體任意運(yùn)動。ATOS測量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取方法為：首先由光源(鹵素?zé)?產(chǎn)生編碼光柵，這些光柵投影到被測樣件表面產(chǎn)生一系列圖象，這些圖象被CCD相機(jī)攝取到，然后通過圖象處理方法分析這些圖象，計(jì)算被測樣件表面點(diǎn)的空間位置。由于它能夠采集大量樣件表面的數(shù)據(jù)點(diǎn)，點(diǎn)密度高達(dá)每張照片40多萬點(diǎn)；也能夠達(dá)到較高的精度(0．002—0．02arm)；而且掃描速度高，每幅照片只需數(shù)秒。因此，ATOS被廣泛地應(yīng)用于制造業(yè)的逆向工程中?！?】
2.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲取
點(diǎn)云的采集可分為接觸式的和非接觸式的。接觸式量測的優(yōu)點(diǎn)是：精度高；快速量測基本幾何體，不受量測環(huán)境、實(shí)體的材質(zhì)、顏色的影響；可量測光學(xué)儀器無法量測的死角如深溝、小凹槽、倒勾等區(qū)域。其缺點(diǎn)是：速度較慢；必須使用特殊的夾具，提高了測量成本；需要經(jīng)常校正測頭等。非接觸式量測的優(yōu)點(diǎn)是：量測速度快；可以量測物件上大部分的特征；需測頭補(bǔ)正；可量測接觸式無法測量的物體，例如軟質(zhì)物件、塑料薄件等。其缺點(diǎn)是：量測精度較差；量測點(diǎn)云質(zhì)量受外部因素的影響；較難對幾何形狀做完美的測量，如薄彀厚肉、凹孔等。在實(shí)際三坐標(biāo)測量時，應(yīng)該根據(jù)測量對象的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應(yīng)的掃描設(shè)備。為了獲得高質(zhì)量的點(diǎn)云，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)工件為油桶，外形硬質(zhì)且較簡單，故采用三坐標(biāo)測量設(shè)備的接觸測量方法，測得外形的三坐標(biāo)數(shù)據(jù)。
3 點(diǎn)數(shù)據(jù)的預(yù)處理
3.1 surfacer軟件介紹
Surfacer是采用由點(diǎn)到線、線到面流程的專業(yè)逆向工程軟件，它采用獨(dú)一的OEP (One EntityProcessing)運(yùn)算，將一筆包含數(shù)以萬計(jì)的點(diǎn)云視為一個單一元素，因此能夠同時讀人多筆大量的點(diǎn)云資料|3 ；它強(qiáng)大的點(diǎn)云編輯工具對于較大數(shù)據(jù)點(diǎn)云的處理非常方便，能夠?qū)c(diǎn)云進(jìn)行排序、取樣、光順、三角網(wǎng)格化等多種操作，同時使用者可以根據(jù)點(diǎn)云的曲率、剖面、顏色、邊界快速方便地獲取特征點(diǎn)云，便于建構(gòu)CAD模型。相對于其他點(diǎn)云處理軟件，Surfacer具有多種點(diǎn)云對齊工具，利用此工具能夠?qū)⒍啻螠y量的點(diǎn)云拼合在一起，誤差量將達(dá)到最小。同時它提供了多種曲線生成、編輯和檢測工具，根據(jù)檢測出來的點(diǎn)云與曲線的誤差以及曲線曲率的連續(xù)性，動態(tài)編輯、調(diào)整曲線來保證曲線品質(zhì)。它的曲面工具與曲線工具類似。Surfacer能夠讀取多種格式的文件，通過IGES格式文件與CAD／CAM軟件交換文檔。此軟件的功能很強(qiáng)大，用戶可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，將其作為開發(fā)平臺，快速建構(gòu)高品質(zhì)的CAD模型。
Surfacer軟件主要用來做逆向工程，它處理數(shù)據(jù)的流程遵循點(diǎn)一曲線一曲面的原則。目前，在逆向工程中，主要有3種曲面構(gòu)造的方案：(1)以B。Sphne或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；(2)以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；(3)是以多面體方式來描述曲面物體，在Surfacer中，采用B樣條曲線來構(gòu)造曲面。對模具實(shí)體進(jìn)行測量后形成的是一系列空間離散點(diǎn)，對這些離散點(diǎn)進(jìn)行判斷和預(yù)處理后，應(yīng)用計(jì)算機(jī)輔助幾何設(shè)計(jì)的有關(guān)技術(shù)，根據(jù)每個曲面的特性，構(gòu)造出原型的CAD模型。在點(diǎn)的處理、曲線的處理和曲面處理的整個過程中，可以用Surfacer軟件提供的各種診斷方法來保證精度。
Surfacer支持一般通用格式如IGES,ASCILL,VDA,DXF,STL等并支持許多種量測設(shè)備輸出的標(biāo)準(zhǔn)格式。
3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理[1]
通常把三維空間中的點(diǎn)集稱為“點(diǎn)云”或“點(diǎn)群”。最小的“點(diǎn)云”只包含一個點(diǎn),高密度“點(diǎn)云”可達(dá)數(shù)百萬個數(shù)據(jù)點(diǎn)。由于曲線曲面建構(gòu)方法多種多樣,對測量數(shù)據(jù)質(zhì)量、數(shù)量、密度及組織形式方面的要求不盡相同,故需要對原始測量數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。
3.2.1 數(shù)據(jù)平滑
數(shù)據(jù)測量得到的往往是以散亂點(diǎn)形式無序排列的大量點(diǎn)云。由于實(shí)際測量過程中受到種種人為或隨機(jī)因素的影響,使得測量結(jié)果不可避免地引入了“噪聲”。為了降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響,有必要對測量得到的“點(diǎn)云”進(jìn)行噪聲消除與平滑濾波。數(shù)據(jù)平滑通常采用標(biāo)準(zhǔn)高斯、平均或中值濾波算法。高斯濾波器在指定域內(nèi)權(quán)重為高斯分布,其平均效果較小,故在濾波的同時能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌;平均濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)平均值;而中值濾波器采樣點(diǎn)的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)中值,這種濾波器消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好。實(shí)際使用時,可根據(jù)“點(diǎn)云”質(zhì)量和后續(xù)建模要求靈活選擇濾波算法。
3.2.2 數(shù)據(jù)過濾
測量獲得的數(shù)據(jù)十分巨大,如果不進(jìn)行必要過濾以濾除冗余點(diǎn)云,處理起來仍然十分復(fù)雜。因此,數(shù)據(jù)過濾是數(shù)據(jù)處理中的一個必要環(huán)節(jié)。進(jìn)行濾除點(diǎn)云的工作在基于褓結(jié)構(gòu)允許的誤差范圍內(nèi)進(jìn)行。通常的濾除方法有空間濾除法、自適應(yīng)濾除法等。通過數(shù)據(jù)過濾,可以使數(shù)據(jù)大量減少。
3.2.3 數(shù)據(jù)分塊和數(shù)據(jù)融合
即使經(jīng)過點(diǎn)云的過濾,但對于特別復(fù)雜、曲率變化過大的實(shí)體,過濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)量還是比較大,一般的CAD/CAM 軟件,處理起來還是比較困難,不但不能保證精度,花費(fèi)的時間也相當(dāng)可觀。這就失去了逆向工程快速響應(yīng)市場變化的特點(diǎn)。故有時應(yīng)考慮對整體點(diǎn)云進(jìn)行分塊,將其分割成一塊塊小的點(diǎn)云數(shù)據(jù)后進(jìn)行處理,最后再進(jìn)行整體匹配恢復(fù)原始實(shí)體形狀。
進(jìn)行點(diǎn)云分塊時,應(yīng)基于方便最后整體匹配的原則,使分割線界于曲率平滑處,在曲率變化大的地方避免分割線的介入,否則匹配時容易引起整體中局部細(xì)節(jié)的變形。分區(qū)域構(gòu)造曲面片并將這些曲面片按一定的邊界條件連接起來是利用測量數(shù)據(jù)建模的基本技術(shù),因此,分塊和融合是對“點(diǎn)云”進(jìn)行的基本操作之一,可通過自動或人工干預(yù)的可視化交互方式進(jìn)行。人工干預(yù)方式下,數(shù)據(jù)分塊或融合取決于操作者對后續(xù)建模方法的理解和實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)。
3.2.4 數(shù)據(jù)優(yōu)化
這種操作的主要目的是為了獲得不同形態(tài)及密度的新“點(diǎn)云”。如按比例縮放“點(diǎn)云”,按要求的偏置量產(chǎn)生新的等距“點(diǎn)云”,將“點(diǎn)云”向某指定面投影產(chǎn)生二維投影“點(diǎn)云”,或進(jìn)行網(wǎng)格化處理,將其他形式的原始“點(diǎn)云”轉(zhuǎn)化為網(wǎng)格化“點(diǎn)云”等等。有時,實(shí)體表面曲率變化較大的地方,點(diǎn)云數(shù)據(jù)量相對比較少,不足以表達(dá)實(shí)體的細(xì)節(jié)信息,為充分獲得實(shí)體各部分特征,應(yīng)在數(shù)據(jù)濾波以及數(shù)據(jù)分割基礎(chǔ)上做適當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)加密處理,使最后構(gòu)造的實(shí)體能夠達(dá)到最小允許的誤差。另外,實(shí)物經(jīng)過多次測量后得到的點(diǎn)云一般是雜亂無章的。為了保證后面生成曲線與曲面的質(zhì)量,還需要對點(diǎn)云進(jìn)行排序優(yōu)化。
3.2.5 點(diǎn)云拼合
無論是采用接觸式還是非接觸式的數(shù)字測量方法,希望通過一次測量完成對整個待測件的數(shù)字化工作是很困難的。通常的做法是將待測件重新定位,以另一有利的角度或者方向獲取試件不同方位的表面信息,這稱為視。從不同的視對待測件進(jìn)行幾次測量后,所得數(shù)據(jù)的局部坐標(biāo)系和組織是不同的,將這些不同的數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的數(shù)據(jù)形式并構(gòu)成整個待測件表面的完整信息,這個過程稱為拼合。對同一物體的多視點(diǎn)云的拼合,一直有兩種處理方法:一是對點(diǎn)進(jìn)行處理,即直接對點(diǎn)云進(jìn)行拼合,再理構(gòu)出原型;二是對各視圖進(jìn)行局部構(gòu)造幾何形體,最后拼合這些幾何形體。顯然,若單個視圖能局部地構(gòu)造幾何形體,并具有明顯的幾何特征,利用這些特征進(jìn)行拼合,其速度和準(zhǔn)確性都是顯而易見的。但其缺點(diǎn)是,不同視圖中的特征往往不一致,甚至同一個特征在其他視圖中被分割成許多特征或者消失。同時該方法帶來的幾何圖形之間的布爾運(yùn)算將涉及到許多CAD 中目前尚未解決或解決不甚圓滿的難題,如曲面的拼接、求交、延拓和過濾?；邳c(diǎn)的拼合的最大優(yōu)點(diǎn)是能對物體所求得的各個面有總體上的了解和把握,能獲得拓?fù)渖弦恢碌臄?shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。盡管該數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可能是龐大的,但這種一致性是基于面的拼合難以達(dá)到的。
3.3 曲線重構(gòu)的原理
自由曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)切割之后，應(yīng)根據(jù)需要判斷和決定生成哪種類型的曲線。也就是特征曲線的生成，在反求工程中，最終目標(biāo)是希望生成準(zhǔn)確度高而且光順性好的曲線、曲面，而準(zhǔn)確度和光順性永遠(yuǎn)是矛盾的。由于實(shí)體原形中各特征面交界處圓角的存在，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集不夠全面，因此擬合的各個曲面之間往往存在間隙沒有相交，這時候需要對曲面進(jìn)行延伸操作來構(gòu)建實(shí)體。由于各個構(gòu)建曲線在端點(diǎn)處具有不同的曲率，所以曲面的延伸往往有很明顯的變形，給最終的實(shí)體構(gòu)造提出了難題。為了使自由曲面延展后具有較好的準(zhǔn)確性和光順性，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中采用直線擬合曲線的兩端的方法來構(gòu)造曲線。
為了能夠獲得較高質(zhì)量的曲線, 必須根據(jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)的特點(diǎn)(有序的、無序的、平滑的、雜亂的) 來決定要生成的曲線類型。一般而言, B2Spline 曲線比較適合處理平坦的數(shù)據(jù)點(diǎn), 對于不平坦的數(shù)據(jù)點(diǎn),NURBS【6】 曲線處理結(jié)果較好。B2Spline 曲線具有局部控制能力, 在其基函數(shù)中的定義增加了節(jié)點(diǎn)向量,將一條曲線分成幾段曲線, 在控制點(diǎn)改變時, 只會影響部分曲線的形狀, 使其有較好的局部控制性。而且可以改變曲線的控制點(diǎn)位置和曲線的階次來改變曲線的形狀, 階數(shù)越大, 曲線就愈遠(yuǎn)離其控制點(diǎn); 重置控制點(diǎn)將增加該控制點(diǎn)附近的曲率,控制點(diǎn)重置越多, 使得曲線愈接近該控制點(diǎn)。在獲得一個高質(zhì)量的點(diǎn)云后, 根據(jù)工件的結(jié)構(gòu)和形狀, 規(guī)劃點(diǎn)云, 用于生成特征線特征面。本例中的渦輪可以被分解為幾個基礎(chǔ)的特征, 這將有助于減少工作量, 降低其創(chuàng)建曲面的復(fù)雜性。根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來調(diào)整曲線?？刂泣c(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線較為光順。將曲線進(jìn)行簡單的光順處理，曲線光順可分3步進(jìn)行：① 尋找壞點(diǎn)，并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值；② 粗光順，使曲線上各段的曲率符號一致，保證曲線單凸性或單凹性；③精光順，使曲線上各段的曲率變化均勻，滿足光順的要求。完成后即可開始面的創(chuàng)建及造型。
3.4 曲面重構(gòu)的原理
根據(jù)現(xiàn)有的點(diǎn)云，先進(jìn)行噪聲處理(去除一些不合理的點(diǎn))，然后對點(diǎn)云進(jìn)行分析，根據(jù)不同區(qū)域的特征進(jìn)行數(shù)據(jù)分割，對局部點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合和重建?；蛘吒鶕?jù)點(diǎn)云擬合的曲線重建曲面，在曲面擬合時，原則上要求物體盡可能的創(chuàng)建四邊的曲線拓?fù)渚W(wǎng)格，但整個物體不可能完全由四邊面構(gòu)成，因此需用三邊面來填補(bǔ)“洞”。在SURFACER中，要盡可能保證三邊面存在于曲面變化較小的區(qū)域，這樣可以利“sweep—with-two-paths”的功能實(shí)現(xiàn)三邊面。然而，并不鼓勵使用“fitting一、vith～three—cun，es—and—data”功能。因?yàn)楹芏嘤脩羲鶆?chuàng)建的都是non—rigid網(wǎng)格，用此功能可能因三邊面角部參數(shù)的奇異，產(chǎn)生曲面的扭曲等意外的結(jié)果。由于此樣件較為復(fù)雜，因此要對樣件進(jìn)行分塊劃分，盡量保持模型的簡單。取樣局部點(diǎn)云劃分局部區(qū)域，經(jīng)分析此局部區(qū)域點(diǎn)云由平面、自由曲面(Loft面、Sweep面、Blend面)和過渡圓角等幾何特征曲面所構(gòu)成。分別對各特征曲面進(jìn)行擬合，在擬合各子特征曲面時，要注意各子特征曲面的擬合要求，如用Loft面作面時要取1／4公差擬合曲線、確認(rèn)曲線控制點(diǎn)在4O個之內(nèi)等要求。根據(jù)不同的特征曲面進(jìn)行擬合可得到相應(yīng)的各特征子曲面，然后把擬合得到的各特征子曲面進(jìn)行拼接。把局部區(qū)域的各特征子曲面，根據(jù)其拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行曲面拼接，在特征體問使用布爾運(yùn)算進(jìn)行面體的合并及修整，兩特征子曲面相交得到交線，對交線進(jìn)行倒圓處理，則可生長成其中的一部分過渡曲面；“聯(lián)接選項(xiàng)”(Building with Continuity options)是SURFACER提供的創(chuàng)建有著內(nèi)在連續(xù)性的面模型一個功能，這個功能使創(chuàng)建class—A面更容易，不過有好的曲線、曲線網(wǎng)格、面片是先決條件。最后得到的曲面要光順(曲面光順從直觀上理解為曲面光滑、圓順，理論上則指具有二階幾何連續(xù)，不存在奇點(diǎn)和多余拐點(diǎn))，用SURFACER軟件中的tube light reflectance選項(xiàng)或curvature analysis功能查看，多面片的模型應(yīng)該完全看不到接縫。同時要與原始點(diǎn)云相比較，其誤差要控制在0．1nun以內(nèi)，若不滿足，則重新擬合曲面，直到滿足要求為止。經(jīng)過反復(fù)的檢測比較，得到局部點(diǎn)云擬合完成的A等級曲面集。完成的局部曲面集，某一區(qū)域的曲面生成后，同理再分別對其它局部區(qū)域進(jìn)行擬合，最后把各個區(qū)域的曲面拼接起來得到覆蓋件的曲面。
南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文
4 Surfacer軟件重構(gòu)曲面[2]
對點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合時，由于實(shí)例ping1外形復(fù)雜，必須對整個曲面點(diǎn)云先進(jìn)行區(qū)域劃分，使形狀比較相似，過度比較小的以部分劃分出來，便于處理以及提高處理的速度，然后對單個點(diǎn)云區(qū)域進(jìn)行邊界起曲線擬合，以點(diǎn)云的邊界擬合曲面，之后在對多個區(qū)域曲面進(jìn)行合并，的到完整曲面并保存為ping1,IMW文件，便云后續(xù)設(shè)計(jì)的操作。
4.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理
4.1.1 數(shù)據(jù)點(diǎn)的導(dǎo)入
通過三坐標(biāo)測量機(jī)測得實(shí)例（酸奶瓶）的坐標(biāo)數(shù)據(jù)為ASC File，由于CMM本身的物理局限性，在對實(shí)例進(jìn)行坐標(biāo)測量時不可能一次全方位的完成，本次測量中分別對實(shí)例進(jìn)行四個面及局部凹陷處進(jìn)行五部分劃分，分別測得坐標(biāo)數(shù)據(jù)并分別保存為ping1.asc, ping2.asc, ping3.asc, ping4.asc, ping5.asc.設(shè)計(jì)之前首先啟動surfacer軟件，依次點(diǎn)擊File---New viewport定位到ping1.asc單擊確定，將數(shù)據(jù)點(diǎn)文件導(dǎo)入surfacer軟件，如圖4.1.1
圖4.1.1
導(dǎo)入surfacer后的點(diǎn)云如圖4.1.2所示
此時的數(shù)據(jù)文件完全是由CMM的到的點(diǎn)所構(gòu)成，由圖可以看出點(diǎn)云密集的排列構(gòu)成ping1的基本外形。
4.1.2 噪聲點(diǎn)處理
從導(dǎo)入的數(shù)據(jù)文件可以看出，在ping的下部有明顯多余的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)是最明顯的噪聲點(diǎn)，在進(jìn)行曲面建構(gòu)前必須處理掉這些點(diǎn)，方法如下：依次單擊point---Extract points---Cirele-Select Points選取這部分點(diǎn)進(jìn)行刪除。
4.2 曲線創(chuàng)建
首先依次單擊point---Extract points---Cirele-Select Points如下圖4.2.1彈出對話框圖4.2.2
圖4.2.1 圖4.2.2
點(diǎn)擊start依次選取多個點(diǎn)連接封閉，創(chuàng)建第一個點(diǎn)云區(qū)域如圖4.2.3
圖4.2.3
（1）點(diǎn)擊point---construct points彈出的對話框在interaction選項(xiàng)里選point in cloud，依次選取上圖點(diǎn)云區(qū)域的四個邊界的點(diǎn)創(chuàng)建邊界的點(diǎn)云，在點(diǎn)選之后，單擊Apply系統(tǒng)自動保存點(diǎn)云數(shù)據(jù)并默認(rèn)名為Cld1,Cld2,Cld3,Cld4.
（2）點(diǎn)擊curve---creat 3D w/Clouds---Fit Free Form彈出對話框4.2.4分別選取Cld1,Cld2,Cld3,Cld4
圖4.2.4
其他選項(xiàng)采用默認(rèn)值，依次擬合出邊界曲線FitCrv1, FitCrv2, FitCrv3, FitCrv4,為了了解曲線與點(diǎn)群的誤差，必須線對曲線檢查一下，避免誤差過大，以下拉功能表：Curve---Diagnostics---Curve-Cloud Difference的Curve-Cloud Difference指令A(yù)pply后檢查結(jié)果如下圖4.2.5
圖4.2.5
由于單一區(qū)域需要進(jìn)行多區(qū)域的拼合，所以邊界誤差度這里不做嚴(yán)格要求。
4.3 曲面創(chuàng)建
經(jīng)過以上步驟所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)為具有四邊界線的點(diǎn)云區(qū)域，以此區(qū)域進(jìn)行曲面的創(chuàng)建。
點(diǎn)擊surface---Fit w/Cloud and Curves打開Fit w/Cloud and Curves對話框如圖4.3.1
圖4.3.1
依框提示依次順序選取點(diǎn)云和四條邊界線并設(shè)定Boundary Position Tolerance值為0.001得到曲面。為了了解曲線與點(diǎn)群的誤差，必須線對曲線檢查一下，避免誤差過大，以下拉功能urface---Diagnostics---Surface-Cloud Difference的Surface -Cloud Difference指令A(yù)pply后檢查結(jié)果如下圖
圖4.3.2
由檢測到結(jié)果可看出除邊界部分外，其余曲面均在誤差許可范圍內(nèi)。依照以上步驟對其它曲面區(qū)域進(jìn)行曲線曲面創(chuàng)建。
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5 UG反求實(shí)體及模具
5.1 UG軟件簡介
UGNX是Unigraphics NX的簡稱它起源于英國麥道飛機(jī)公司,是美國EDS公司基于NX體系的CAD/CAM/CAE軟件的最新版本,融合了世界兩個先進(jìn)產(chǎn)品UG和I-deas的強(qiáng)大功能,用戶能夠在集成的數(shù)字化環(huán)境中模擬,驗(yàn)證產(chǎn)品及其生產(chǎn)過程..
Unigraphics軟件是目前國際、國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛的大型CAD/CAE/CAM集成化軟件之一，是一個適于完整的產(chǎn)品工程的己證實(shí)的解決方案，去極好地幫助制造商。使公司能夠在一集成的數(shù)字化環(huán)境中去模擬、驗(yàn)證產(chǎn)品和他們的生產(chǎn)過程。廣泛應(yīng)用于通用機(jī)械,模具,家電,汽車及航天領(lǐng)域.它融合了線框模型,曲面造型和實(shí)體造型技術(shù),是參數(shù)化和特征化的CAD/CAM/CAE系統(tǒng).系統(tǒng)建立在統(tǒng)一的關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上,提供了工程意義上的完全關(guān)聯(lián),使CAD/CAM/CAE各部分?jǐn)?shù)據(jù)能夠?qū)崿F(xiàn)自由切換.Unigraphics NX以基本特征操作作為作為交互操作的基本單位,用戶可以在更高層次上進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),模具設(shè)計(jì),數(shù)控加工編程和工程分析,實(shí)現(xiàn)并行工程CAD/CAPP/CAM的集成與聯(lián)動.適于完整的產(chǎn)品工程的Unigraphics NX通過有效地捕捉、應(yīng)用和共享整個數(shù)字化過程的知識為制造商遞交一戰(zhàn)略優(yōu)勢。其中計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì) CAD包含模塊如： 產(chǎn)品設(shè)計(jì)(Product Design)，實(shí)體建模 (Solid Modeling)，特征建模 (Feature Modeling)，自由形狀建模 (Free Form Modeling)，用戶定義的特征(UG/User-Defined Features)，平面制圖（Drafting），裝配建模(UG/Assembly Modeling)，高級裝配(UG/Advancd Assemblies) ，UG/Photo和幾何公差(UG/Geometric Tolerancing)等。 此外還包括計(jì)算機(jī)輔助工程CAE 。從初始的概念設(shè)計(jì)、到產(chǎn)品設(shè)計(jì)、仿真和制造工程，利用該軟件可以精確描述絕大多數(shù)幾何實(shí)體，高效快捷地完成各種設(shè)計(jì)工作。因此被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域。
5.2 UG復(fù)原實(shí)體設(shè)計(jì)過程【11】
經(jīng)過surfacer軟件處理之后的ping.imw文件導(dǎo)入UG軟件過程如下，首先啟動UG 軟件，依次點(diǎn)擊文件---導(dǎo)入---Imageware彈出導(dǎo)入Imageware對話框如圖5.2.1所示，
圖5.2.1
點(diǎn)選曲面（因?yàn)榻?jīng)surfacer處理后得到的是ping的曲面）定位到ping.imw.單擊OK確定插入，如下圖所示：
由surfacer創(chuàng)建的曲面圖和實(shí)體對比可之，在ping的底部和口部存在空缺且這兩部分為規(guī)則的幾何外形，根據(jù)測量的尺寸以曲面修補(bǔ)底部，具體繪制步驟如下：
（1）單擊【插入】--【成型特征】--【抽取幾何體】選項(xiàng)，彈出對話框圖5.2.1
選取第一項(xiàng)曲線，點(diǎn)選底部四個凹弧邊緣，提取四條凹弧如圖5.2.2所示。
圖5.2.1 圖5.2.2
（2）單擊【插入】--【曲線】--【直線】命令，捕捉弧端點(diǎn)，創(chuàng)建如圖5.2.3所示幾條直線。
圖5.2.3
（3）單擊【插入】--【掃掠】--【已掃掠】依次選取引導(dǎo)線串1，引導(dǎo)線串2，截面線串1，其它選擇默認(rèn)參數(shù)，確定后生成掃掠曲面如圖5.2.4，單擊【插入】--【聯(lián)合體】--【縫合】彈出縫合對話框5.2.5.選擇相鄰兩曲面，設(shè)定縫合公差值為1，此縫合公差值必須大于兩縫合面之間的間隙。
圖5.2.4 圖5.2.5
（4）單擊【格式】---【W(wǎng)CS】---【原點(diǎn)】將原點(diǎn)移動到如圖5.2.6所示位置。點(diǎn)擊【插入】---【草圖】選擇XC—YC為草圖平面，以原點(diǎn)為起點(diǎn)長度為5mm,degree為1200的直線，完成草圖繪制?！?2】
單擊【插入】--【曲線】--【合并】提取底部矩形線進(jìn)行合并。再單擊【插入】--【掃掠】--【已掃掠】分別選取