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1、目 录0引 言11概 述111逆向工程原理112逆向工程特点213逆向建模的一般流程图314逆向工程的应用领域32逆向工程一般步骤321实体三维数据的获得扫描322点云处理523曲面重构524实体建模825快速制造93逆向工程软硬件设备1031扫描设备1032点云曲面处理软件1133实体建模软件1234快速成型设备144建立手机外形具体步骤1541松下G60手机外形逆向开发的流程1542模型分析1543扫描1544点云数据清理1645曲面造型181建立对称平面182建立上表面193建立下表面204建立侧面215曲面初次裁剪226建立倒角面237建立棱角曲面248曲面再次裁减249建立按键曲线2
2、510整体镜像操作2511曲面连续性处理2612误差分析2713数据精简2814数据转化导出通用格式2846实体造型281数据导入282曲面缝合及模型实体化293建立手机按键305快速成型制造336质量评估检测347结 论358谢 辞35基于逆向工程和快速成型的手机外形快速设计摘 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，STLAbs
3、tract: With the rapid development of computer technique, the technology of 3D computer-aided prototyping, especially the Reverse Engineering, has been more widely used in industry. In order to solve the problem of long time on the mobile phones shape-design, a method based on the integrated reverse
4、engineering is discussed in the paper. Furthermore, the concept and method of the Reverse Engineering is also illustrated, and the step of the integrated reverse engineering of mobile phones shape-design process is presented in detail with the example of Panasonic G60.Keywords: Reverse Engineering ,
5、 Point Cloud , Rapid Manufacturing , STL0引 言2004年新增移动电话用户6487万户，是近年来新增用户最多的一年。截止到今年1月份，我国移动电话用户总数已经达到了3.4亿户。随着移动通信的发展，我国手机市场的规模也不断扩大。2004年合法的手机进网许可证754张，去年有754款新的手机上市。进网标志1.3亿枚。实际市场销售量超过一亿部， 2004年全球的手机出货量为6.6亿部，由于供大于求的整体局势，导致市场竞争激烈，并且从单纯的价格战，逐步向推出新品，用户定制，供应链争夺等纵向全方位的发展。在企业竞争中，手机的外形是非常重要的一环。传统的产品外形开发
6、多是重新建模，设计周期长。但是采用逆向工程技术进行手机外形的再设计方法可以加快设计改进的步伐，快速了解同类产品以及进行必要的改进。1概 述11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、
7、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。12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（Analog type）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
8、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、MAS
9、TERCAM、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。13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)14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21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
10、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
11、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
12、，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）：三维扫描技术非接触式接触式光学式声学式磁学式触发式扫描式三角形法廓投影法成像法图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。22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（Point Cloud）。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
13、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
14、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。23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，
15、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/C
