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1、陕西理工学院毕业设计目 录1. 绪 论21.1. 课题研究的提出与意义21.1.1课题背景21.1.2课题意义31.2逆向工程特点和过程41.2.1逆向工程的特点41.3快速成型的技术原理、早期发展和特点功能61.3.1快速成型原理61.3.2快速成型工艺方法71.4软件介绍91.4.1 Imageware软件简介91.4.2 Pro/Engineer软件逆向工程模块简介102.逆向工程一般步骤122.1实体三维数据的获得扫描122.2点云处理122.3曲面重构132.4实体建模142.5 本次设计逆向方案的确定152.6 本章小结163.建立乌龟曲面具体步骤173.1乌龟曲面逆向开发的流程1
2、73.1.1数据获取和处理173.1.2点云数据清理173.1.3数据转化导出通用格式183.2小平面特征183.2.1造型前准备193.2.2输入点云数据193.2.3点云数据处理203.2.4包络处理223.2.5小平面处理223.3重新造型283.3.1修改数学属性293.3.2修改曲面313.3.3曲面重新构造313.4实体化过程333.5快速成型制造343.6质量评估检测353.7本章小结364.总结36致 谢38参考文献391. 绪 论1.1. 课题研究的提出与意义1.1.1课题背景逆向工程技术是20世纪80年代初分别由3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发
3、成功的。在国外，逆向工程越来越受到学术界和工业界的重视，目前逆向工程已经发展成CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究分支。在数字化测量技术方面，测量方法各种各样，测量设备和精度日益提高。由英国Ferranti公司于20世纪50年代开始研制的三坐标测量机（coordinate measuring machine,CMM）,以及德国Zeiss公司于1973年推出的UMM500测量机已成为传统机械接触式测量方法的代表。在曲面重构技术方面，也不断取得突破性进步。在20世纪70年代，Riesenfeld等人研究了非均匀B样条、Versprille完成了有理B样条曲线曲面的具体应用。随后，Piegl等人
4、系统地探索了B样条曲线曲面的构造及其形状调整问题，并叙述了NURBS方法。20世纪初期开始对散乱数据插值进行研究，并在根据给定散乱数据点构造光滑曲面的理论和方法上取得了显著成就。1968年，Shepard研究了非规则分布数据的二维差值函数，给出了最小二乘法距离加权插值算法。1986年，Frain则提出了构造C连续三角Bernstein-Bezier曲面的方法。在商用软件方面，主要有美国Imageware公司的Surfacer10.5、Imageware、英国DelCam公司的CopyCAD等。而且在Pro/E、UG中也都发展出逆向模块。这些都对复杂曲面的反求工程提供合适的环境。在本课题中使用了
5、Imageware软件，和Pro/E中的逆向模块。在我国，复杂曲面反求技术是 20 世纪 90 年代后期才迅速发展和推广的。目前，已有一些高等学校和企业正致力于这方面的研究。华中科技大学开发了三维彩色扫描系统3DLCS95，于1995年获得了国家专利。在浙江大学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学等也先后开展了复杂曲面反求工程 CAD 问题的研究。浙江大学研制开发了基于三角曲面初始表达的复杂曲面反求工程软件 RE-SOFT。此外，复杂曲面反求技术在我国企业也有一定的应用，如珠海模具中心、东风汽车公司、天津大学内燃机研究所、浙江大学和湖南大学等运用反求技术进行新
6、产品的开发与研制。但在我国复杂曲面的逆向工程还处在初级阶段，所以不断进行研究具有重要意义。本课题就逆向工程的过程及其关键技术进行了研究。1.1.2课题意义 逆向工程在我国对逆向工程技术的研究起步较晚，主要局限于一些大学和科研院所，其中浙江大学李永青教授、清华大学姜元庚，刘佩军等的研究是领先全国的，但是也有理论重滞后生产实际，与国外如火如荼的研究热相比明显的差距。传统的产品外形开发多是重新建模，使得设计周期长，而采用逆向工程进行外形的再设计可以缩短设计和改进的周期。所以逆向工程的意义不仅仅在于探索并掌握支持产品全生命周期设计、制造的关键技术，更体现在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，
7、进而实现理论和思想上的创新，这对于我国科技进步和制造业的发展具有十分重要的意义。“引进、消化、吸收、创新”是被证明了的新产品快速开发的有效途径。通过反求工程的分析可以全面理解原型的设计思路，发现其优点和不足，增加反求设计产品及工程的可靠性；通过反求工程技术，可以完成基于数字化模型的产品优化设计，以达到进一步改进原型设计的目的；采用反求工程技术可以避免自主研发中的不少弯路，从而大幅度缩短新产品的开发周期，适应市场的要求，为企业快速占领市场创造了条件。充分利用别国的科技成就加以消化吸收与创新，进而发展自己的技术，已成为世界各国普遍运用的方法和手段。逆向工程技术的应用对我国企业缩短与发达国家的差距具
8、有特别重要的意义。逆向工程包含对产品的研究与发展,生产制造过程,管理和市场组成的完整系统的分析和研究.主要包括以下几个方面:探索原产品设计的指导思想、研究产品的结构设计、确定产品的造型、确定产品的维护与管理，而快速成型技术( 简称RP) 是20 世纪末发展起来的一项先进制造技术, 是在现代CAD/ CAM、激光、CNC、精密伺服驱动以及新材料等技术的基础上集成发展起来的。快速成型根据计算机上构造的三维模型, 能在很短时间内直接制造出产品样品, 是制造业企业新产品开发服务的一项重要技术。逆向工程与快速成型制造技术相结合将从根本上改变传统产品的开发设计和制造模式。解决了一些复杂形体的三维建模和难以
9、加工出实物模型等问题,实现了产品的快速复制。本文着重研究了逆向工程的实现方法和其关键技术，对于企业及个人学习和提高逆向工程方面的知识有着重要意义。其中应用了Pro/E中的小平面特征、重新造型、和造型模块，解决了复杂曲面的逆向中部分难点，对于企业有着广泛应用。1.2逆向工程特点和过程1.2.1逆向工程的特点 逆向工程是在已有实物的基础上进行的再设计，所以相对于传统的正向设计，具有以下特点。 1 .产品设计周期短 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：样品数据产品。且向设计以已有实物为参照物，比较直观。在此基础上进行复制和改进设计，可以节省很多产
10、品构思时间。2.产品设计更加成熟可靠 逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。因为有长期专门从事逆行工作的专业技术人员，所以工作效率很高。而且在已有成熟产品上进行改进设计，风险将会降到最低，设计出的产品也会更加稳定可靠。 3.产品设计成本更低逆向设计的产品是在原有产品的基础上进行改进的，较正向设计在测试的时间和频率可以适当减少，降低的成本可观。4. 产品的传承性更好参照已有的产品进行逆向设计，可以更好地继承原有产品的优点，改进其缺点，使设计的产品不断获得改进与提高。1.2.2逆向工程的过程逆向工程的实现过程中，主要包括以下几个关键步骤：1. 实物样件模型 确定被测对象是逆向工程的前提，表面
11、良好的样件是实现逆向工程的第一步，样件的质量将直接影响后续反求的精度。在本次设计中，这个因素影响不大，故不作太多讨论。2实体点云的扫描点云数据的获得即通过特定的测量设备和测量方法获取产品的表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数据化。3数据预处理数据处理的工作主要包括：数据格式转化、点云的拼合、噪声过滤、特征提取、数据简化以及点云分块等。4模型重构这个环节是逆向工程中最关键、最复杂的环节。在本次设计中采用小平面特征、重新造型、曲面构造等方法。5产品加工快速成型是制造技术的一次飞跃，其包括光固化成型（SL）、粉末烧结成型（SLS）、层叠法成型（LOM）、熔积成型（FDM）等多达十余种具体的工
12、艺方法。这个过程还包括对新建模型进行误差分析，其过程应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所存在测量误差、和后续的加工误差和设计中曲线拟合的误差等。逆向工程建模的一般流程图：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实体建模(如图1. 1所示)。1.3快速成型的技术原理、早期发展和特点功能1.3.1快速成型原理快速成型（也称快速原型）制造技术(Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M)起始90年代，将计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机数字控制(CNC)、激光
13、、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成一体。依据计算机上构成的工件三维设计模型(图1. 2 (a)，对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓(图1. 2 (b)。按照这些轮廓，成形装置选择性地固化-层层的液态树脂(或切割-层层的纸，烧结-层层的粉末材料，喷涂-层层的热熔材料或粘结剂等)， 形成各个截面轮廓(图1. 2 (c)并逐步顺序叠加成三维工件(图1. 2 (d)。图1. 2 快速成型制作过程快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法-部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。而采用全新的“增长”加工法，用层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。因此，它不必
14、采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10-30的工时和20-35的成本，就能直接制造出产品样品或模具。1.3.2快速成型工艺方法目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1. 3所示图1. 3 快速成型主要工艺方法及其分类1) 立体光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）光固化法(SL)是以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使树脂薄层产生光聚合(固化)反应，从而形成薄层截面。完成一个固化层后，工作台下降一个层厚，再描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。2) 选择性激光烧
15、结法(SLS, Selective Laser Sintering)选择性激光烧结法(SLS)是在工作台上均匀铺上一层很薄(100-200)的非金属(或金属)粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。完成一个层面后工作台下降一个层厚，反复进行此过程便获得需要的零件。3) 熔融沉积成型法(FDM, Fused Deposition Modeling)这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上(比熔点高1左右)。其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.250.50mm。FDM的优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，工艺简洁。缺点是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。4) 三维印刷法(3DP,Three Dimensional
