基于PROE复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文副本.docx
《基于PROE复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文副本.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于PROE复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文副本.docx（37页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
基于PROE复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文副本
1.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（coordinatemeasuringmachine,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，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（RapidPrototyping&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、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）选择性激光烧结法（SLS,SelectiveLaserSintering）
选择性激光烧结法（SLS）是在工作台上均匀铺上一层很薄（100μ-200μ）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,FusedDepositionModeling）
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0.25~0.50mm。
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,ThreeDimensionalPrinting）
三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。
3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。
1.4软件介绍
1.4.1Imageware软件简介
Imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。
拥有广大的用户群，如BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Toyota。
Imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。
空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。
最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。
Imageware提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短上市时间。
用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。
Imageware12主要用来做逆向工程，它处理点云数据的流程遵循，点—曲线—曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作容易，对系统性能要求也不高。
1）点云处理功能
a）读入点云数据,将分离的点云对齐在一起（如果有需要）。
有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。
Imageware12软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。
b）对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。
由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Imageware12软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。
c）通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。
一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。
提前规划可以避免以后走弯路。
d）根据需要创建点的网格或点的分段。
Imageware12软件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。
2）曲线创建功能
a）判断和决定生成哪种类型的曲线。
曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。
b）创建曲线。
根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。
控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
c）诊断和修改曲线。
可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。
Imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。
3）曲面创建功能
a）决定生成那种曲面。
同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。
根据产品设计需要来决定。
b）创建曲面。
创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（Fitfreeform），可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。
还可以通过其他例如圆角等生成曲面。
c）诊断和修改曲面。
比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。
Imageware12是著名的逆向工程软件，其广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。
而且拥有以上专业的点云到曲面的造型功能，在进行逆向工程时是一个不错的工具。
1.4.2Pro/Engineer软件逆向工程模块简介
Pro/ENGINEER软件由美国参数技术公司开发而成，是机械CAD/CAM软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工艺过程。
设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有UN平台Windows，Windows/NT，使它成为快速成型技术行业中市场占有率最高的CAD软件。
PTC公司开发的产品中，具有逆向功能的有：
ICEMSurf、Pro/DESIGNER（CDRS）、Pro/SCANTOOLS、FacetFeature和Restyle。
1）ICEMSurf模块
ICEMSurf是一个可以构造A级自由曲面的工具，它可以直接构造曲面（无须先构造曲线）并可对曲面质量进行动态评价，在汽车、摩托车外覆盖件，内饰件等自由曲面的构建过程中具有优势，但在重构自由曲面时对测量数据的完整性要求比较严格。
ICEMSurf也可用于曲面的设计，但此曲面并非传统意义上的曲面模型。
只是把点云数据转换成三角面片，通过三角面片来求解截面线、边界线和特征线，也可用来做RP或NC加工编程。
2）Pro/Designer模块
Pro/Designer是一个工业设计的造型模块，主要应用于概念设计，它可以方便地调整各条型线，从而得到设计师想要得到的结果。
用于逆向工程时，可以用于少量测量数据点、仅有主要型线和边界线的情况，从这个意义上来说它不是一个完整的逆向，操作者反求的主要是产品的造型思想。
3）Pro/SCANTOOLS模块
Pro/SCANTOOLS是一个完全集成于Pro/ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，且可以用来构造非A级的自由曲面，一般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。
Pro/SCANTOOLS是一个非参数化环境工具，设计人员可以专注设计模型的特定区域，使用不同的工具来获得期望的形状及曲面属性。
在Pro/SCANTOOLS模块下，可以输入多种格式的扫描数据，并可对高密度的数据进行智能滤波。
同时可根据选取的扫面数据创建型值曲线，并可在曲面上创建型值曲线。
在Pro/SCANTOOLS模块下，也可以输入几何特征，如曲线、曲面或多面数据等。
4）FacetFeature模块
FacetFeature（小平面特征）是Pro/ENGINEER新增的建模工具，可以输入实物模型扫描点云数据或用三坐标测量机所测得的数据，可以纠正设备误差引起的点云数据错误，也可以对点云进行点云去噪、点云精简、平滑滤波、点云数据点修补、三角网格划分和三角平面处理等。
5）Restyle模块
Restyle（重新造型）是一个逆向工程环境，用来在多面（小三角形平面）数据的顶部重建或构造曲面CAD模型。
2.逆向工程一般步骤
2.1实体三维数据的获得——扫描
数据测量是逆向工程中后续处理的基础,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。
目前,模型数字化的方法主要分为非接触式测量和接触式测量两大类。
其中,接触式测量是量头与实物表面有接触,常用的设备有:
三坐标测量机、专用数字化仪等。
这种方式成熟,但测量速度和精度比较低,而且不适合柔软实物的测量。
的非接触式测量技术得到快速发展,如激光三角形测量与光栅法等具有精度高，适用范围广等特点。
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，见图2.1：
图2.1三维扫描技术分类
2.2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（PointCloud）。
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。
2.3曲面重构
在整个逆向工程中，产品的三维几何模型CAD重建是最关键、最复杂的环节。
因为只有获得了产品的CAD模型我们才能进行后续的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和产品的再设计等。
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，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，快速制造或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。
由于CAD/CAM的发展，各种自由曲面与自由曲面的理论应运而生，如Bezier曲面、B-Spline曲面、NURBS曲面、Loft曲面（LoftSurface）、构造基准曲面（ConstructSurface）、旋转曲面（RevolvedSurface）、网格曲面（NetSurface）等。
由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：
一种是以近似的方式、另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面，以下分别就这两种方法做一简单介绍：
1）近似法（approximation）
以近似法来重建曲面，首先必须先指定一个容许误差值（tolerance），并在U、V方向建立控制点的起始数目，以最小平方法来拟合出（fit）一个曲面后将量测之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。
以近似法来拟合曲面的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于量测时的噪声将有抑除的作用。
所述，使用近似法时通常是点云数据点多且含噪声较大的情况下。
2.插补法（interpolation）
以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。
以插补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过量测之数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。
所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。
因此对于扫描点数据而言，由于点数据量大以近似法来重建曲面将会较插补法节省控制点的储存空间，而且对于扫描时所渗入的误差有抑除的效果，然而，以近似法来建立曲面，却会耗费大量的计算机内存及较多时间在曲面的计算上，因此我们在建立曲面的过程中应配合所测量得的数据点数目及精度来决定曲面重建所使用的方法。
2.4实体建模
近年来，运用AutoCAD软件进行二维图形的测绘已经得到很大的普及。
但是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。
越来越多的三维设计软件如MDT,SolidWorks、Pro/E、UG等，都得到了广泛的应用。
建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。
2.5本次设计逆向方案的确定
目前逆向工程的解决方案主要有以下三大类：
沿袭正向建模思路，从点到线再从线到面。
这种方案一般处理过程如下：
首先从数据点中提取原始物体的截面线、特征线或边界线，然后采用扫成、蒙皮、裁剪等一系列常规曲面构造方法，得到主要以NURBS取信表示的CAD模型。
这是一种直观的准逆向工程的思路，适合于简单易于构建的模型的创建。
完全逆向工程的做法：
即由点云数据直接反求CAD模型。
目前主要在复杂曲面方面得到较多应用。
通常有两种表达方式：
一种是用三角Bezier曲面片来逼近模型，首先对点云数据三角化，然后根据三角形网格进行C2连续的三
升级会员 