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1、. . . . 目 录1 引言12 概述32.1 逆向工程原理32.2 逆向工程特点42.3 逆向建模的一般流程42.4 逆向工程的应用领域52.5 逆向工程软件对比63 逆向工程一般步骤63.1 实体三维数据的获得扫描63.2 点云处理83.3 曲面重构83.3.1 曲线、曲面分类93.3.2 建立曲面的方法113.4 实体建模124 逆向工程软硬件设备134.1 扫描设备134.2 点云曲面处理软件134.2.1 点云处理功能144.2.2 曲线创建功能144.2.3 曲面创建功能144.3 实体建模软件155 建立模具曲面具体步骤165.1 模具曲面的建立流程165.2 轮廓线提取165
2、.3 点云数据分析165.4连接边界点175.5建立第一基本曲面175.5.1 建立控制曲线185.5.2 曲率梳分析195.5.3 光顺曲线195.5.4 扫描曲面205.6 建立第二基本曲面215.7建立第三基本曲面235.8 剪裁第三曲面235.9 缝合曲面245.10 曲面连续性分析245.11 提取截面线255.12曲面二维视图255.13曲面加工256 结论37参考文献38致411 引言在产品的开发与制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但是，由于种种原因，仍有许多产品并非由CAD模型描述，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径，将这些实物转
3、化为CAD模型，使之能利用CAD、CAM等先进技术进行处理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展成为CAD、CAM中的一个相对独立的畴，称为“反求工程（Reverse Engineering）1。通过反求工程复现实物的CAD模型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中，充分利用CAD、CAM等先进技术。由于反求工程的实施能在很短的时间准确、可靠地复制实物样件，因此反求工程成为当前企业先进制造技术的热门话题之一2。世界各国在其经济技术发展工程中，都非常重视应用反求工程对国外的先进技术进行引进和研究工作，并都取得较显著的效果3。目前国外不同种类的RE测量设
4、备已进入我国市场，如英国3D-Scanner公司的激光扫描测量仪、美国“Laser Design Surveyor1200立体激光扫描系统、德国GOM公司的ATOS测量仪等。这些测量设备功能较完善，但价格相当昂贵4。随着我国经济的稳步发展，社会主义市场经济体制的逐渐完善，以与WTO的加入，企业将面临空前激烈的国、国际市场竞争。在机械、汽车、家用电器、轻工等行业中产品寿命周期越来越短，更新换代越来越快，因此要求整个设计开发和生产制造系统都要缩短周期。我国制造业在国际市场上的竞争能力仍然较差，其主要原因之一就是对市场快速反应能力差，交货期长5。因此，RE技术的研究与应用引起我国政府、企业、高校的高
5、度重视。如大学、华中科技大学、航空航天大学、交通大学、理工大学等开展了反求工程的研究与开发，并取得了一定的成果，如大学推出了RE-SOFT反求软件系统6。目前，国外已有商品化的反求工程软件可供用户进行反求模型的重构，如：美国SDRC公司的IMAGEWARE SURFACER、英国RENISHAW公司的TRACE。此外，一些主流CAD/CAM软件系统中也开始集成反求工程模块，如：UG/Quick shape、PRO/E中的PRO/ICEM SURF、PRO/DESIGNER 、PRO/SCANTOOLS、CIMATRON中的REVERS ENGINEERING等7。利用一些非专业的逆向设计软件（
6、如：UG、Pro/ENGINEER、CATIA等）和一些专业的逆向设计软件（如：Surfacer、CopyCAD、Trace等）进行逆向造型是现阶段反求工程在企业应用的典型例子8。2 概述21 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10。随着计算机技术的飞速发展，三维
7、的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品与工业模具的设计、方案评审、自动化加工制造与管理维护各个方面。通过各种测量手段与三维几何建模方法，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11。25 逆向工程软件对比专业反求软件在点、线与面的处理方面功能较强大，且曲面重建速度较快17。但在功能覆盖域、自动化程度、稳定性、与其他CAD 系统的兼容性等方面还不够成熟，特别是实际造型结果并不十分理想，也无法做到类似于CAD 软件的特征建模和参数化，实现模型的任意修改非常困难。这些问题制约了专业反求软件的推广使用。与专业软件相比，UG 等通用CAD 软件在进
8、行线、面重建时的步骤和工作量稍多一些，但由于这些软件的CAD 功能模块很强大，可方便地利用反求得来的曲面进行零件设计和模具设计，还可以利用其自身的CAM 功能对零件直接进行加工，因此这些软件也在反求工程中得到了广泛的应用。另外，通用CAD 软件所需的测量数据点较少，可利用三坐标测量机作为测量设备，这也大大扩展了其应用的方便性18。因此，目前工程实际中，国大部分企业和科研院所将三坐标测量机的测量数据输出为igs 或dxf 格式，直接导入到通用CAD 软件如UG 中进行线面重构和模型重建19。应用UG 软件进行反求建模一般遵循点线面体的原则。构建良好的整体模型取决于曲线、曲面整合发展环境的优劣20
9、。所以，对于曲线的建立与编辑，使其能与曲面构建功能相整合，是重建原始模型的关键之一。UG 软件可参数控制的由点构线方法主要有“过点法”（Through Points）和“拟合法”(Fit)。对于本次设计主要采用“过点法”，然后对曲线再进行编辑与光顺。这样既保证了曲线与原先数据点的误差，又可以保证曲面的连续性21。3 逆向工程一般步骤31 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，也是最理想的方法22。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
10、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23。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24。高速三维扫描与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等技术应用日益普与的今天很受欢迎。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，
11、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25。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26。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27。三维扫描技术从产生以来，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3.1）：4 逆向工程软硬件设备41 扫描设备三维激
12、光扫描技术，它能够完整与高精密度的重建实物或实景、三维实体模型与原始测绘数据。最大特点就是：精度高、速度快、逼近原形。法国KREON 系列三维激光超高精密度扫描仪，（KREONKZ 50）具有很多优质：扫描精度极高，这利于将重建容更逼近原形。扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等。具有一对CCD同时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个CCD，双CCD技术还利于实时检测监测工作,KREON可以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接,KREON扫描头可以与现有的很多设备互换使用,KREON激光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术，KREON保证了所有扫描云点的实测性、实时性与真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云。本次选用的KREON 系列
