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1、学士学位论文0目 录第一章 绪论1.1 逆向工程简介31.1.1 逆向工程的概念31.1.2 逆向工程的现状及应用41.1.3 逆向工程的一般步骤41.2 测量工具 ATOS介绍51.3 软件 Pro/E 介绍61.4CATIA 软件介绍71.5 本课题的意义和内容9第二章 逆向工程中的测量技术2.1 测量方式112.2 零件扫描过程122.3 本章小结15第三章 逆向工程的后处理及三维建模3.1 逆向工程的后处理153.1.1 逆向工程后处理的要求153.1.2 曲线与曲面的连续性153.1.3 曲线的拟合153.1.4 曲线的构建163.1.5 点数据处理173.1.6 曲线的构建和分析1
2、83.1.7 曲面构建与分析193.2 基于 CATIA 软件下逆向后处理213.2.1 CATIA 曲面重构工具介绍213.2.2 平面特征223.3 曲面重构具体过程456223.4 曲率分析303.5 本章小结32第四章 基于 Pro/E 的玩具汽车结构设计及虚拟装配4.1 各个零部件的设计32学士学位论文14.1.1 规则实体重构方法324.1.2 零件设计的一般步骤334.2 虚拟装配384.3 本章小结41第五章 结论参考文献43致 谢44论文2第一章 绪论1.1 逆向工程简介1.1.1 逆向工程的概念逆向工程(反求工程) 是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型，然后利用
3、CAD/CAE/CAM 等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作，而后进行加工。逆向工程现己发展为 CAD/CAM 中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生 CAD 模型，可以使产品设计充分利用 CAD 技术的优势，并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性，使其既可以作为 CAD/CAM 系统所需要的三维输入装置，又可以作为CAD/CAM 系统处理后的误差检测评估装置，从而提高工业产品的设计，制造自动化程度，缩短产品的试制开发周期，降低生产成本。将逆向工程技术定义为没有工程图纸的情况下，对物体的物理模型进行测量，通过对测量信息的分
4、析和处理来反求其 CAD 模型的过程。在这一意义下，逆向工程可以定义为:是将实物转变为 CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程是综合性很强的术语，它是以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有新产品进行解剖、深化和再创造，是对己有设计的设计，特别强调再创造是反求的灵魂。从工程应用的目的出发，将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求，是广义上的反求。应该看到:逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提
5、高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上，逆向工程作用十分巨大。现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求，使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想，加快自身产品更新换代的能力，是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟，持续发展的关键。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，包括创新、改进和仿制，都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出，反求思维在工程中的应用己源远流长，然而提出这种术语并作为一门学问去研究，则出现于 60 年代，逆向工程是各国技术进步、发展，尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平、制造水平，赶超世界先进水平的迅捷之路。
6、战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究，日本提出“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”的口号，用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明 1。论文31.1.2 逆向工程的现状及应用逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国
7、民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：（1）在产品仿制中的应用有时，拟合制作的产品没有原始的设计图档，而是由委托单位交付样品或实物模型，请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以 1: 1 的比例制作模具，再生产产品。这种方法属于模拟型复制，其缺点是无法建立工件尺寸图档，因而也无法用现有的 CAD 软件对其进行修改，故已渐为新型的数字化逆向工程系统所取代。在这种情况下，在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或 CAD 模型，并以此为依据生成数控加工的 NC 代码，加工复制出一个相同的零件。（2）在新产品设计中的
8、应用随着工业技术的发展以及经济的发展，消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争，不仅要求产品的功能先进，而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计，已不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用 CAD 技术构想创新的美观外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等，然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。（3）在旧产品改进中的应用在对旧产品改进时，有
9、时并没有零件的 CAD 模型，因此需要利用逆向工程技术建立产品的几何模型，然后再利用传统的 CAD 软件对原设计进行改进。当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的论文4自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。（4）在 RPM (Rapid Prototyping Manufacturing，快速原型制造) 中的应用快速原型制造(又称 RP 技术)是 80 年代后期兴起的一种基于材料累
10、加法的高新制造技术，被认为是近 20 年来制造领域的一次重大突破。RPM 综合了机械、CAD,数控、激光以及材料科学等各种技术，可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件，用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短了产品的研制周期。而以 RP 系统为基础的快速工装模具制造(Quick Tooling/Molding)和快速精铸技术(Quick Casting)等则可实现零件的快速制造(Quick Manufacturing)。为应用该项技术，首先应该有产品的三维几何模型。尽管己经出现了许多成功的三维 CAD 软件，但运用这些软件建立一个复杂的零件模型
11、，仍相当费时。有时工程界提供的是实物，需要由实物制造模具或作设计上的改进，因此在 RPM 中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。此外，在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域，也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计.这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。因此，逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。1.1.3 逆向工程的一般步骤逆向工程一般可分为四个阶段:1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描
12、等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。2.从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。3.零件原形 CAD 模型的重建将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的 CAD 模型。 4.重建 CAD 模型的检验与修正采用根据获得的 CAD 模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的 CAD 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。1.2 测量工具 ATOS介绍德国 GOM 公司独家研制的 A
13、TOS 流动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的论文5非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高分辨率 CCD 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术，使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达 12m，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。ATOS 系统作为第三代逆向工程用数字化系统中最杰出的代表，他的工作原理在硬件结构及软件功能方面极具有领先性。ATOS 系统采用结构光测量的方式，利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面，利用左右两个高分辨率数码相机进行同步的测量，利用立体相机测量的原理，可以在极短的时间内获得物体表面大量的三维数据。 ATOS 每次所得到数据是一幅类似照片状的三维点云数据，对于扫描一个整体零件来讲，ATOS 系统利用首创的参考点技术将每幅点云拼接起来，以得到一个完整的点云数据模型。为防止利用参考点技术拼接点云数据造成累计误差，超出技术要求，故 GOM 公司最先发明了数码相机定位技术 ,即 TRITOP 系统，利用特有的数码点和
