基于逆向工程的曲面产品建模与五轴数控实现设计书.docx
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基于逆向工程的曲面产品建模与五轴数控实现设计书
基于逆向工程的曲面产品建模及五轴数控实现设计书
1.1.国外现状
1.1.1.逆向工程技术的研究现状
逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。
1.逆向工程分类
从广义讲，逆向工程可分以下三类：
（1）实物逆向：
它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。
实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。
（2）软件逆向：
产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规和标准、治理规和质量保证手册等均称为技术软件。
软件逆向有三类：
既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。
（3）影像逆向：
设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料往构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。
目前，国外有关逆向工程的研究主要集中在几何外形的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。
逆向工程示意图如下：
图1-1逆向工程示意图
2.工艺过程
逆向工程系统主要由三部分组成:
产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。
逆向工程中的关键技术是据采集、数据处理和模型的重建。
（1）数据采集：
数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据,影响到重构的CAD实体模型的质量,并最终影响产品的质量。
（2）数据处理：
对于获取的一系列点数据在进行CAD模型重建前,必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。
（3）模型重建：
将处理过的测量数据导入CAD系统,依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD模型。
逆向工程技术过程图解：
样品
数据采集
接触式数据采集方法（触发式数据采集、连续式扫描数据采集等）
数据处理（数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等）
模型重建
曲线拟合造型
曲面片直接拟
点数据网格化
非接触式数据采集（激光三角形法、激光测距法等）
图1-2逆向工程技术过程图
3.国外现状
在国外，20世纪80年代日本名古屋工业研究所和美国UVP公司、美国3M公司提出了逆向工程技术（RE）并开始研制开发。
一些重要的国际和国学术会议都将逆向工程及相关技术作为一个重要学术议题。
逆向工程技术是新产品开发和消化吸收先进技术的重要手段之一。
采用逆向工程有利于设计人员快速消化、吸收原产品的优点，在原产品的基础上进行各种创新设计，同时相应的设备制造公司在各国建成，政府还发展和支持大规模的材料供应商和相应的专业软件公司，再加上从事这些项目众多的教育、科研机构和提供赞助的基金会以及大量快速成型设备的制造者。
这就形成一个强大的集体。
这对逆向工程技术发展、应用创造了很好的发展空间。
测量设备方面：
日本、英国、德国等国家的三坐标测量机和三维扫描仪应用广泛。
数据处理软件方面：
逆向工程软件主要作用是接收测量设备的数据。
通过一系列操作得到品质优秀的曲线、曲面，并通过标准数据格式将曲线、曲面数据传输给CAD/CAM软件，再完成最终的造型。
另外，在CAD/CAM软件开发上，开始集成逆向工程模块。
如：
UGNX5中的PointCloud。
Pro-E软件中的Pro/SCAN功能。
在国，我国对逆向工程的研究和国外比起来起步较晚，经费投入也较少，创新性的研究也较少。
直到20世纪90年代中期，逆向工程才在我国得到了迅速的发展与推广。
数据处理软件方面数据的处理研究主要集中在高等学校如：
清华大学、大学、航空航天大学。
现在没有开发出稳定的商业化软件。
现在由国逆向工程领域人士参与开发的逆向工程软件有QuickFrom。
1.1.2.曲面建模的发展现状
曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种建模方法。
如果说线框模型是用“铁丝”构造物体的话，则曲面建模就是拿一的表皮对这些“铁丝”进行蒙皮。
建模时，先将复杂的外表面分解成若干个基本曲面元素。
通过这些基本曲面元素的拼接，构成所要的曲面。
图1-3所示为曲面的拼接过程。
图1-3曲面的拼接过程
曲线、曲面的设计可以追溯到较远的年代，在第二次世界大战期间迫于航空产品设计和生产方面的压力，画法几何中的作图法在产品设计中得到实际应用。
第二次世界大战后随着计算机的发明和应用，人们以解析曲线特别是圆锥曲线为基础，采用计算机来代替以前大量的手工绘图。
对于曲面设计人们原先所采用的是一种称为“放样”的方法，即通过构造许多纵向曲线来联系一组事先定义好的横断面的方法来进行。
现代CAD/CAM系统一般将曲面看成是由许多曲面片组合而成，其中每一个曲面片都可以用数学形式来精确表示。
最早的一种曲面分片系统是由美国波音（Boeing）公司的菲格森（Ferguson）于1963年提出的，它与传统方法的区别在于定义曲线和曲面时用了参数化的方法，而不是笛卡尔坐标法。
由于参数法能够用简单的数学形式表达空间曲线，而不再需要用空间曲线在两个相互垂直的坐标平面上的投影来确定，而且采用参数法可以方便地进行坐标变换，使得曲线、曲面的表达简单化。
因此采用参数法表达曲线和曲面是一种非常自然的形式，目前已成为一种标准化的方法。
1.1.3.五轴数控机床的发展现状
数控机床是制造装备业的工作母机，是实现先进制造技术和装备现代化的基石，是保证高技术产业发展和国防军工现代化的战略装备。
随着工业化的发展，五轴联动数控机床被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等行业加工关键部件的最重要加工工具。
国外五轴联动数控机床研究现状：
当前国外五轴联动数控机床以欧美、日本为代表，这些国家的五轴联动数控机床代表了当今五轴联动数控机床发展的最高水平。
目前国外著名机床厂五轴联动数控机床技术发展重点可归结为：
高速、高精度、环保、智能、复合化。
力矩电机在国外作为回转坐标驱动装置的广泛使用，使得国外机床进给机构实现了高速、低损耗、高精度、高效率的目标。
DMG公司的DMCl65在配上了旋转工作台后，可以进行五轴联动的数控加工。
该机床的最高转速可达到30000r／min，由于采用高性能直线电机驱动，其最快移动可达到90m／min，加速度2g。
而作为复合机床的代表，德国DMG公司的GMX2501inear五轴车铣复合中心和DMU80P／H五轴车铣复合中心、国Doosan公司PUMAMX2500ST九轴控制五轴车铣复合中心、瑞士威力铭一马科黛尔公司的W一508MT八轴控制五轴联动铣车复合中心、瑞士宝美技术公司展出的S192bl’和S191FrL—R五轴车铣复合中心等，在CIMT2007上也得到了广泛的关注。
新的机床技术在五轴联动机床上的使用，使得五轴联动机床在结构上越来越简单，在性能、功能上却越来越优秀。
最近为了避免叉式主轴头在主轴发生微小偏摆时，C轴必须转动很大角度的情况，德国Zimmermann公司设计出了一种M3ABC性主轴头，这种主轴头增加了一个弧形导轨，因而多了一个曰坐标。
所以，它是一种具有A、B、C三个回转坐标头，除有约正负40°的偏摆角限制外，还有其它位置限制。
这种铣头将迄今为止各种结构方案的所有优点都结合在一起了。
具体优点如下：
刚性非常好、结构紧凑；有A、B、C三个坐标；偏转围大；C轴转动不受限制。
这种设计使得五轴联动数控机床在加工时精度更高。
国五轴联动数控机床研究现状：
由于我国工业基础薄弱，国外同类产品的技术封锁，国五轴联动数控机床相对于国外整体水平还较低，具体体现在关键功能还不能自主研发或者与国外
同类产品比，稳定性、精度等相差较大。
但是在国家相关政策的支持及相关企业、学校等部门的努力下，我国五轴数控机床技术也得到了飞快的发展，逐渐形成了较为成熟的产品。
从CIMT2007展会上所展机床情况来看，我国五轴联动数控机床已经形成了品种多样、技术成熟、拥有自主技术知识产权的特点。
机床展出了适合于航空工业钛合金和铝合金机框加工的主轴A、B轴摆动的VMC25100u五轴立式加工中心和GMCl230u五轴龙门高速加工中心，这类产品长期以来一直依靠国外进口，是国外限制出口的高科技产品，这是我国五轴联动数控机床产业的一重大突破。
二机床展出的XHSV2525X6000型五轴龙门移动式高速镗铣加工中心，工作台尺寸为6000mm×2500mm，X／y／Z轴行程为6000mm／2500mm／1250mm，进给速度0～20000mm／min，快速进给40m／min，摆动回转铣主轴0～24000r／min，功率40kW，刀库容量20。
这个产品是本届展会中规格最大的五轴联动加工中心，表明我国在高档大型、重型数控机床的研发上也取得了最新进展。
1.2.研究方向
逆向工程的主要目的是为了改善技术水平、提高生产率。
世界各国在机械行业中，应用逆向工程吸收先进技术和经验，给了人们很多有益的启示。
据统计，世界各国70%以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握新技术的一种手段，通过对多种方案的筛选和评估,有可能使其设计方案优于现有方案,并且缩短方案的设计时间,提高设计方案的可靠性。
可使产品研制和制造周期缩短40%-90%。
西方发达国家的发展历程及新兴工业化国家经济起飞的事实证明，引进、模仿、创新、传播、再引进、再模仿、再创新、再传播，是发展中国家技术进步的基本规律，是缩小差距，实现现代化的必由之路。
因此，逆向工程是迅速改变技术落后状况，提高综合设计、决策水平，制造水平的迅捷之路。
逆向工程的应用领域极为广泛，主要包括:
1、机械设计制造领域，可用于航空、航天、汽车、摩托车、模具等行业的产品CAD设计与制造。
2、医学领域，可以利用逆向工程对人体中的骨头、关节、牙齿的复制以及假肢的制造。
3、可以利用逆向工程对破损的艺术品进行修复、对考古文物等进行复制。
除此之外，逆向工程在自然景物的数字化、计算机辅助检测等领域也有广泛的应用。
逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。
逆向工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间。
尽管国外已有大量成功的经验，但目前很少有这方面的系统的专著，大多散见于各个行业的案例或设计资料中，可以说，现在的逆向工程技术还未达到成熟,它还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术的层出不穷，逆向工程亦会不断发展。
1.3.进展情况
目前，国外有关逆向工程的研究主要集中在重建产品原型的数字化模型方面。
由此出发，逆向工程可狭义地定义为将产品原型转化为数字化模型的有关计算机辅助技术、数字化测量技术和几何模型重建技术的总称。
使用逆向工程软件对获取测量数据进行处理、三维数字化模型的构建、模具的检测和修改均起到了很好的成效，此应用使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。
国逆向工程领域专业人士已经研发了逆向工程软件QuickForm。
逆向工程结合CAD／CAM技术和NC机床对模具设计制造起到很大的促进作用，缩短了产品开发周期，并且实现了产品原型设计生产与模具设计制造的系统集成，使其在今后的模具开发中发挥更大的作用。
如交通大学国家模具工程中心在数字化制造、系统集成、反向工程、快速原型／模具以及计算机辅助应用技术等方面已形成了全方位解决方案的能力，能够提供模具开发与工程服务的业务，全面地提高模具企业的水平和产品质量。
1.4.存在的问题
逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标丈量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。
但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操纵者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：
（1）数据丈量方面：
发展面向逆向工程的专用丈量设备，能够高速、高精度的实现产品几何外形的三维数字化，并能进行自动丈量和规划路径；
（2）数据的顶处理方面：
针对不同种类的丈量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
（3）曲面拟合：
能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；
集成技术：
发展包括丈量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。
（4）数据优化处理：
测量所得的数据文件通常非常庞大,往往被形象地称为数据云,需要对测量数据进行优化处理,主要问题有:
如何在尽量保有各种特征信息的基础上合理简化数据等。
1.5.主要参考文献
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2.开题报告（包括选题的背景与意义、研究的基本容与拟解决的主要问题、研究的方法与技术路线、研究的总体安排与进度、主要参考文献）
2.1.课题研究的背景
二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。
特别是战败国，在二战结束后，急于恢复和振兴经济。
日本在60年代初提出科技立国方针：
“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。
为要国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。
这就是逆向工程。
发展到现在，己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策，逆向工程的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。
实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应用借鉴。
因而逆向思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则是60年代初出现的。
市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。
从共性特征可概括为4个方面对策：
（1）大力提倡创造性。
包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新材料、新工艺、新仪器等等。
对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。
（2）研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，使能既快又好地设计出新型产品。
（3）把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程（预测、决策、管理、设计制造、试验、销售服务等）中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。
（4）研究和应用逆向工程，使能在高的起点去创造新产品。
2.2.课题研究的意义
近年来，在三维CAD软件的带动下，CAD／CAM技术在工业设计和加工领域中越来越受到应有的重视。
产品外形的造型在工业产品尤其是民用工业产品的设计中占据了相当重要的地位，产品外形中除使用原来常用的如平面、球面、柱面等基本几何形状外，三维自由曲面的应用也越来越多。
这样就造成了采用顺向工艺流程不能很方便地解决设计的问题，“逆向工程”随之应运而生。
所谓“逆向工程’’就是设计人员先用手工方式塑造出模型，如蜡模、木模、石膏模、粘土模、工程塑胶模等，然后再以三维自由曲面测量的方式建造CAD图档；或者是拟制作的产品没有原始设计图，而是由委托单位提供一件样品或模型，加工者先是通过对样品进行三维测量，生成产品的CAD图档后，通过编辑修改传输到CAD／CAM系统，再由CAM所产生的刀具NC加工程序送至CNC制作模具，进而完成对产品的加工。
由于不少产品外形复杂，如汽车、飞机覆盖件、人造假肢、瓷产品、塑料制品、玻璃器皿、艺术雕刻品和各种复杂零件等，其曲面设计表达或数学模型的建立都十分困难，现有的CAD系统尚难进行严格的几何描述。
因此，随着计算机技术的飞速发展，逆向工程技术的应用必将越来越广泛。
在逆向工程中，模型的测量与重建是实现产品逆向工程的关键，传统的三坐标测量机多采用接触式测量，其优点是噪声低、精度高、重复性好、对物体表面的颜色和光照没有要求等优点。
本课题正是在上述背景下提出的。
主要利用给定的点云数据和GeomagicStudio逆向工程软件，结合工程实际中的典型复杂曲面，进行自由曲面的点云数据处理、曲面重构方面的应用研究。
本课题的完成将促进先进设备在生产中的有效利用、促进逆向工程技术的发展及应用，会产生积极影响。
2.3.课题研究的主要容
本课题利用现有的硬件软件设施，如逆向建模软件GeomagicStudio、数控加工设备五轴数控车床、数控加工自动编程软件UGNX7.5/CAM、数控加工仿真软件VERICUT6.0等，以一些产品造型的逆向设计过程为主线，结合逆向工程和工业设计的特点，对逆向工程在工业设计中的应用进行探讨和研究。
（1）基于GeomagicStudio软件，分析曲面数据处理和模型重构的解决方法以及构造高精度NURBS曲线曲面的流程和方法。
（2）深入学习UG数控编程功能，运用UG软件对产品进行数控编程，生成刀具路径，通过后置处理生成高精度、高准确性的NC程序，并将其以G代码的格式输出。
（3）学习与研究数控加工仿真软件Vericut，采用UG软件与Vericut软件相结合的方法构建与真实机床相近的虚拟机床。
（4）利用构建的虚拟机床对UG软件生成的NC程序进行仿真加工，观察加工过程中刀具与机床间有无干涉、碰撞等错误发生，对程序进行相应的修改与调试以保证其正确性。
同时进行刀具路径的优化和进给速度的补偿，以缩短加工时间、提高加工质量和效率。
（5）仿真后由五轴数控车床进行样件加工。
多轴加工保证高精度、高效率的同时可以满足形状复杂、工序繁多的产品的加工，可以提高空间自由曲面的加工精度、质量和效率。
本课题的特殊性在于将Geomagic、UG、Vericut有机结合以实现零件的逆向加工，实现完全意义上的实践制造。
2.4.课题研究的主要方法
1.对已获得的点云数据进行分析。
2.应用逆向工程软件GeomagicStudio对点云数据进行处理，包括数据预处理及数据精简。
3.根据编辑好的多边形数据应用GeomagicStudio自动拟合成NURBS曲面以完成曲面重建。
4.将处理好的曲面导成IGES数据格式文件输出。
5.将IGES数据格式文件导入UGNX中，并完成产品三维建模。
6.重建的CAD曲面模型与原始数据之间进行误差检测，保证重建模型的质量。
7.运用UG将建好的模型生成NCcode文件。
7.运用Cimcoedit6.0对获得的NCcode进行校验。
8.利用Vericut进行仿真，制作加工视频。
9.制作工艺文件，进行数控加工得到。
2.5.课题研究的总体安排及进度
2013年3月1日~2013年3月7日，确定毕业设计任务，明确工作容，查阅和收集与课题相关的国外文献，完成外文翻译。
2013年3月8日~2013年3月15日，根据文献及资料，完成开题报告，制作开题答辩PPT，答辩。
2013年3月16日~2013年3月31日，学习逆向工程软件GeomagicStudio，并对点云数据进行处理。
2013年4月1日~2013年4月21日，用UG进行曲面建模，编制工艺文件，生成NC代码，并进行加工仿真。
2013年4月22日~2013年4月30日，在五轴数控车床上加工产品。
2013年5月1日~2013年5月21日，整理资料，撰写毕业设计论文，制作答辩PPT，做好答辩准备工作。
2013年5月22日~2013年5月26日
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