逆向工程毕业设计.docx
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逆向工程毕业设计
毕业设计说明书
课落款称
系（部）数控工程系
专业数控技术
摘要
本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于复杂曲面的模型重建。
逆向工程的关键技术包括：
数据获取、数据处置和模型重建。
通过对数据处置方式进行研究，取得数据处置的一样流程。
依照复杂曲面的特点，采纳逆向工程方式完成模型重建工作。
采纳北京三维天下激光扫描仪高效率、高精度地完成复杂曲面的数据获取工作。
应用GeomagicStudio12软件完成曲面的数据处置工作，取得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。
运用UG软件中小平面特点和从头造型的方式，重复利用软件优势，完成曲面模型的重构工作。
研究说明，采纳逆向工程的方式完成曲面模型，能够取得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方式，具有重要的实际意义和较高的应用价值。
关键词：
三维扫描；电云处置；逆向建模；
第一章绪论
反求工程ReverseEngineering是依照现有的实物模型的测量数据演绎出的设计概念和CAD模型，其目的确实是消化吸收改良国内外先进技术，快速赶上或超过市级先进生产技术水平、博得市场竞争。
作为最近几年来迅速进展的快速设计制造的重要分支，可大大缩短产品制造周期，因此在制造领域取得了普遍的应用。
1．2．1逆向工程在国内外研究状况
美国在其国内成立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程中心，在德国、英国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地域已有商品化的逆向工程设备和系统软件接踵投入利用，有效地提高了企业的竞争力，增进了生产的进展，反求工程在国外已取得了长足的进步。
中国是制造大国，制造业活着界上排第四，但咱们的制造水平还比较掉队，大多数产品都还用提供的技术。
随着我国工业的不断进步中，吸收国外先进产品技术并进行改良是重要的产品设计手腕。
逆向工程技术为产品的引进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，能够使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在猛烈的市场竞争中处于有力的地位。
在国内反求工程还处于一个低级时期。
在我国东西部的逆向工程的水平不一样，在东部沿海大多数设计开始利用逆向设计而西部大体还处于原始的正向设计时期，因其中国的反求水平仍是一个掉队的时期，逆向设计还有专门大的进展空间。
逆向工程的原理是一个“从有到无”的进程，依照已经存在的产品模型，通过各类测量手腕及三维几何建模方式，将原有实物转化为运算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据进程。
逆向工程是由高速三维激光扫描仪对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，的到其三维数据轮廓数据，配合逆向软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评判构造成效，最终生成IGES或STL数据，据此就能够进行快速成型或CNC数控加工。
在瞬息万变的产品市场中，可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。
由于各类缘故咱们都会碰到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，无法取得准确的尺寸，这就为咱们在后续的工作中采纳先进的设计手腕和先进的制造技术带来了专门大的障碍，制造模具也就更为繁杂。
可是逆向工程技术专门好的解决了这一问题。
传统的复制方式时刻长而成效不佳，已渐渐为新型的数字化的逆向工程系统所取代。
逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造线路。
并给出了一体化的解决方案：
从样品→数据→产品。
从样品直接反求出CAD数据，然后用快速成型或CNC数控直接加工出产品，因此逆向工程具有快速，高效等特点。
逆向工程的流程有以下几步组成，
逆向工程已成为联系新产品开发进程中各类先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。
实现新产品快速开发的重要技术手腕。
其要紧应用领域如下：
一、对产品外形美学有专门要求的领域，由于设计师适应于依托3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是第一制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。
2、当设计需要实验才能定型的工件模型时，通常采纳逆向工程的方式。
例如航天航空、汽车等领域，为了知足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验成立符合要求的产品模型。
此类产品一般是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。
3、在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。
这将实物通过数据测量与处置产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。
因此，逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。
4、逆向工程也普遍用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供给的损坏零件等。
五、借助于工业CT技术，逆向工程不仅能够产生物体的外部形状，而且能够快速发现、定位物体的内部缺点。
1.2.4课题的目的及意义
采纳三维光学测量系统对叶片进行反求，成立风扇叶片的三维模型，并转化为二维生产图，以解决风扇叶片难以精准测量的问题，此方式有效地解决了风扇叶片难以精准测量的问题。
通过毕业设计熟悉逆向工程，在以后的设计中考虑逆向工程，因为它缩短了开发周期，降低了产品开发本钱。
若是将逆向工程与已有的运算机辅助设计（cad），运算机辅助制造（cam）等技术有机的结合在一路，将有效地提高产品设计与制造的水平。
对设计人员来讲，将传统的设计方式与逆向工程相结合，提高设计人员的整体水平；对国家而言，具有缩小进展中国家与发达国家之间的差距具有重要意义。
研究内容
熟悉风扇的结构，了解三维测量仪器的操作，拼接技术的研究，总结扫描技术。
了解风扇（一类的）点云的处置方式，通过风扇叶片的扫描明白反求工程的可能扫描过程。
学习IMAGEWARE和geomagic软件。
通过原物的扫描后，取得其形状，依照需要改变其形状参数，逆向设计后再进行正向设计。
介绍完题目的背景和意义，和逆向的大体原理和流程，下面介绍逆向工程的软硬件设备。
第二章逆向工程软硬件设备
在这章重点介绍这次毕业设计所需要的软硬件设备，主若是扫描设备，点云处置软件，曲面处置软件，实体建模软件，后续加工的设备。
扫描设备
在进行逆向工程时，三维扫描是最大体的一步。
它是取得原始点云数据的最直接的方式，也是最理想的方式。
原始点云数据是后面进行逆向处置的全然依据，因此三维扫描取得点云数据的好坏直接阻碍到逆向建模的成功与否。
扫描设备依照其测量方式可分两类：
1接触式测量：
依照测头的不同。
可分为触发式和持续式。
应用最为普遍的三坐标测量机是20世纪60年代进展起来的新型高效周密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。
2非接触式测量：
依照原理的不同，可分为三角形法、结构光法、运算机视觉法、激光干与法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。
从三维数据的搜集方式上来看，非接触式的方式由于同时拥有速度和精度的特点，因此在逆向工程中应用最为普遍。
这次的风扇叶片测量也是用非接触式测量的三维光学测量仪。
如图2-1
图2-1三维光学扫描仪
点云数据处置软件
Geomagic和Imageware都能够处置点云。
Geomagic能更好地进行点云进行拼接，点云数据的精简，若是用Imageware处置点云，那么会耗内存过量，显示延迟，不存在拼接模块等缺点，因此利用Geomagic进行点云的处置。
Geomagic（美国RainDrop公司的）逆向工程软件，具有丰硕的数据处置手腕，可以依照测量数据快速构造出多张持续的曲面模型。
GeomagicStudio可依照任何实物零部件自动生成准确的数字模型。
作为全世界首选的自动化逆向工程软件，GeomagicStudio还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大量量生产、即定即造的生产模式和原始零部件的自动重造。
只有GeomagicStudio具有下述所有特点：
确保十全十美的多边形和NURBS模型处置复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD软件提高十倍自动化特点和简化的工作流程可缩短培训时刻，并利用户能够免于执行单调乏味、劳动强度大的任务可与所有要紧的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或作为对CAD软件的补充。
曲面处置软件
Geomagic和Imageware都能够处置曲面。
Imageware能更好进行曲面拟合，误差的分析，若是Geomagic处置曲面，那么会显示出曲面的精度不高和处置时刻太长等缺点。
Imageware作为UGNX中提供的逆向工程造型软件。
具有壮大的测量数据处置、曲面造型、误差检测功能。
能够处置几万至几百万的点云数据。
依照这些点云数据构造的A级曲面（CLASSA）具有良好的品质和曲面持续性。
Imageware的模型检测功能能够方便、直观地显示所构造曲面模型与实际测量数据之间的误差和平面度、真圆度等几何公差。
自由形状产品设计、快速曲面、高质量曲面、逆向工程、运算机辅助校验、多边形建模、快速原型等，使客户能够在很短的时刻内精准地设计成立和全面查验高质量的自由形状产品。
大体模块ImagewareSurfacing是一个功能壮大的、直观的曲面创建工具,能够直接创建由测量点、曲线、曲面形成的自由曲面。
柔性设计环境支持Bezier和NURBS曲面。
动态曲面修改工具能够交互检测和变更设计，实时表现设计的含义和美感。
成立工具提供从快速到高质量曲面的任意形状的功能，包括汽车ClassA需要的高精准和滑腻的曲面。
有效的持续和约束治理工具使曲面到曲面连接的曲率持续。
实时诊断提供全面的质量分析工具，这些工具是辨别表面曲率的仪器，加亮显示检测到的曲面瑕疵、偏离和不完整。
Imageware数字查验工具包括加工性检查、分离线和曲面间隙，能够在数据提供给后续进程之前辨别出设计缺点。
第2个大体模块ImagewareInspection是一个通用和容易利用的3D测量系统，用于比较物理零件和相应的理想CAD模型。
偏离检查用图形和文字报告方式表现结果，报告能够用PDF格式在企业web网页上共享。
另外，还提供工具处置光学检测点和离散的CMM测量数据。
点处置利用户能够清除、采样、过滤、归并、交叉截面、偏置、投影点集、提取点和计算临界特点及边的尺寸。
这在目前通过光学扫描仪搜集的数百万点数据的处置时超级有效。
曲线创建功能：
1．判定和决定生成哪一种类型的曲线。
曲线能够是精准通过点云的、也能够是很光顺的（捕捉点云代表的曲线要紧形状）、或介于二者之间。
2．创建曲线。
依照需要创建曲线，能够改变操纵点的数量来调整曲线。
操纵点增多那么形状吻合度好，操纵点减少那么曲线较为光顺。
3．诊断和修改曲线。
能够通过曲线的曲率来判定曲线的光顺性，能够检查曲线与点云的吻合性，还能够改变曲线与其他曲线的持续性（连接、相切、曲率持续）。
Imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。
曲面创建功能：
1．决定生成那种曲面。
同曲线一样，能够考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或二者兼顾。
依照产品设计需要来决定。
2．创建曲面。
创建曲面的方式很多，能够用点云直接生成曲面（Fitfreeform），能够用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界限等方式生成曲面，也能够结合点云和曲线的信息来创建曲面。
还能够通过其他例如圆角等生成曲面。
3．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持续性，同时能够进行修改，例如能够让曲面与点云对齐，能够调整曲面的操纵点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处置。
实体建模软件
实体建模软件UG和Pro/ENGINEER一样的优秀，这次毕业设计中要紧用UG进行模型的修改和产生风扇的二维图，用AUTOCAD对二维图进行修改。
UG是美国EDS公司（现已经被西门子公司收购）的集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。
UGCAD：
曲线的成立、曲线的操作与编辑、三维实体建模与编辑、草图的成立及约束治理、表达式、工程图的成立、工程图的编辑与注释、组件装配、组件爆炸视图、组件克隆及明细表、自由形状特点的成立与编辑等。
UG的运算机辅助制造（CAM）模块包括数控铣加工编程、车加工编程、电火花线切割编程，UG—CAE主若是对模型的分析。
UG是目前市场上功能最极致的产品设计工具。
它不但拥有现今CAD/CAM软件中功能最壮大的Parasolid实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。
UG提供工业标准之人机接口，不但易学易用，更有无穷次数的undo功能、方便好用的弹出窗口指令、快速图像操作说明、自定操作功能指令及中文化操作接口等特色，而且拥有一个强固的档案转换工具，能转换各类不同CAD应用软件的图文件，以重复利用原有资料。
Unigraphics（UG）是一套复杂产品设计制造的最正确系统，从概念设计到生产产品，UG普遍的军用在汽汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器材产业等等，最近几年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域—工业设计。
运用其功能壮大的复合式建模工具，设计者可依工作的需求选择最适合的建模方式；关联性的单一数据库，使大量零件的处置加倍稳固。
除此之外，组建功能、2D出图功能、模具加工功能及与PDM之间的紧密结合，使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高阶CAD/CAM系统。
Pro-e:
1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。
1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。
通过10余年的进展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。
目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。
PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的治理、功能仿真、制造、产品数据治理等等。
Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。
下面就Pro/ENGINEER的特点及要紧模块进行简单的介绍。
全相关性：
Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。
这就意味着在产品开发进程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，和制造数据。
全相关性鼓舞在开发周期的任一点进行修改，却没有何损失，并使并行工程成为可能，因此能够使开发后期的一些功能提早发挥其作用。
基于特点的参数化造型：
Pro/ENGINEER利用用户熟悉的特点作为产品几何模型的构造要素。
这些特点是一些一般的机械对象，而且能够按预先设置很容易的进行修改。
例如：
设计特点有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来讲是很熟悉的，因此易于使用。
装配、加工、制造和其它学科都利用这些领域独特的特点。
通过给这些特点设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。
数据治理：
加速投放市场，需要在较短的时刻内开发更多的产品。
为了实现这种效率，必需许诺多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。
数据治理模块的开发研制，正是专门用于治理并行工程中同时进行的各项工作，由于利用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因此使之成为可能。
装配治理：
Pro/ENGINEER的大体结构能够使你利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时维持设计用意。
高级的功能支持大型复杂装配体的构造和治理，这些装配体中零件的数量不受限制。
易于利用：
菜单以直观的方式联级显现，提供了逻辑选项和预先选取的最一般选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮忙，这种形式使得容易学习和利用。
依照全面的分析决定利用3个软件，geomagic要紧用于点云的处置，UG要紧用于三维实体的修改，CAXA要紧用于二维图的生成。
选完软硬件设备后，介绍逆向工程的一样进程。
实体三维数据的扫描
在进行逆向工程时，三维扫描是最大体的一步。
它是取得原始点云数据的最直接的方式，也是最理想的方式。
原始点云数据是后面进行逆向处置的全然依据，因此三维扫描取得点云数据的好坏直接阻碍到逆向建模的成功与否。
三维扫描是集光、机、电和运算机技术于一体的高新技术，要紧用于对物体空间外形和结构进行扫描，以取得物体表面的空间坐标。
它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为运算性能直接处置的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手腕。
高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着庞大作用。
三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优势。
而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日趋普及的今天很受欢迎。
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，利用方便等优势而取得愈来愈多的应用。
用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，能够得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中能够对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，能够极大的缩短产品制造周期。
三维扫描设备是以三次元测量系统为主。
大体上以接触式〈探针式〉和非接触式（激光、照相、X光等方式）两大类。
在初期是以探针式为主，尽管价钱较廉价，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点而且使软件物体容易变形，阻碍扫描精度。
三维光学扫描速度快、精准度适当，而且能够扫描立体的物品取得大量点云数据，以利曲面重建。
2.6点云处置
通常扫描后取得的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，依照扫描仪的性质、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
测量数据处置在反求工程CAD建模进程中占有重腹地位．是关键技术之一；由三坐标测量机或激光扫描仪所测得的数据点之间，通常没有相应的显示拓扑关系。
只是一大群空间散乱点。
扫描取得的产品外形数据会不可幸免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界周围的测量数据，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，因此要对原始点云数据应进行预处置，在进行CAD模型重建之前．需要对其进行预处置。
数据预处置包括：
多视拼合、噪声处置、精减数据点云、数据点云分割与重组、特点抽取、对点云数据的排序矢量化。
一、多视拼合：
用于将多次测量取得数据融合到统一坐标系中，即进行坐标归一化处置。
二、排除噪声：
由于实际测量中受到各类人为和随机因素的阻碍，使得测量结果包含噪声，有必要对测量的点云进行滑腻滤波，通常采纳高斯、平均或中值滤波，提高点云的光顺程度。
3、精减点云：
测量中的高密度点云，由于存在大量的冗余数据，会阻碍后期建模的滑腻度，并阻碍加工质量。
不同类型的点云可用不同的精减方式：
对散乱点云可用随机采样法；对扫描线点云和多边形点云可用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦误差等方式；对网格化点云可用等散布密度和最小区域法。
4、点云的排序：
将原始测量点云按必然规那么排序，使之在存储方向上具有方向性；多边形的点云通过排序后，可按排序方向判定轮廓的内外关系。
本文中，一样要对各个“新云”进行排序操作，如此成立出来的曲面才有可能光顺。
五、点云的分割：
点云数据分割是对测量数据依照必然原那么划分为特点单一、互不重叠的区域，使每一块点云都能用一个数学函数来描述，是反求工程CAD建模的关键。
通常可用数学捕述的曲面类型有：
解析曲面f平面、圆锥面、圆柱面、球面等）和自由曲面两种。
对自由曲面分块的原那么要求是：
区域内的点云曲率没有突变，或是曲率虽有变化，可是沿某一方向上的转变情形一致。
点云数据分割的关键是找到块的边界，分块时应注意块的数量要尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。
五、特点抽取：
对分块后的点云数据，构造出能表现曲面形状的空间曲线．依照曲率转变，寻觅点云中的边界、尖角、棱边、孔等突变特点．再投影到点云，求出给定空间范围内的数据点，选取必然方式f插值或拟合）成立边界限、特点线、截面线，依照这些已成立的大量曲线成立曲面的特点网格模型，形成模型框架。
2.7实体建模
最近几年来，运用AutoCAD软件进行二维图形的设绘已经取得专门大的普及。
可是二维平面图不能完整和准确地表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、和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知足这些要求。
愈来愈多的三维设计软件如MDT,SolidWorks、Pro-E、UG等，都取得了普遍的应用。
进行实体造型，两方面的良好结合才能构造精准的实体模型。
（1）基于曲面的实体造型：
若是曲面重构生成的曲面，其间隙在规定许诺的范围内．可将曲面沿着法线方向产生必然的厚度，从而生成实体。
此方式一样用于复杂自由曲面组成的实体，也是在反求工程中经常使用的实体造型方式。
（2）基于体素特点的实体造型：
通常将实体概念为简单的实体素的组合，采纳布尔运算—交、并、差实现这种组合．此建模方式通经常使用于规那么表面组成的实体。
关于散乱型、网格型、线型等点云，很难用这种方式生成实体模型。
目前，通常采纳反求软件进行点、线处置，取得大体操纵线框。
然后通过IGES文件导人大型通用CAD软件．进行仿形设计、改型设计、产品的工业造型设计或结构设计，取得三维数字化模型；再依照新产品的功能要求进行创新设计．进一步知足利用要求。
2.8后续加工处置
实体建模后的处置包括CAE分析，CAM加工，快速成型。
CAE分析大体概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个适合的（较简单的）近似解，然后推导求解那个域总的知足条件（如结构的平稳条件），从而取得问题的解。
那个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。
由于大多数实际问题难以取得准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各类复杂形状，因此成为行之有效的工程分析手腕。
例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方式而被提出，那么是最近的事。
有限元法最初被称为矩阵近似方式，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、有效性和有效性而引发从事力学研究的科学家的浓厚爱好。
运算机辅助制造（CAM）要紧用来解决产品造型设计和分析、加工问题，可完成模具产品造型、产品可装配性检查、动态流体分析等工作。
常用软件有UG、Pro/Engineer、Mastercam、Cimatron和CAXA等，这些软件都具有模具设计开发功能。
运用知识工程技术（KBE），把模具设计原理、体会、技术和标准等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能够自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。
有的设计软件如（UG）还具有数据读入、零件建模、缩放操纵、自动模型布局、分模等功能，通过利用进程模板和标准件库，把进程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的低级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。
快速原型技术是九十年代进展起来的一项高新技术，它无需预备任何模具、刀具和工装卡具，快速成型设备可直接同意产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对增进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有踊跃推动作用。
传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已进展为市场响应第一。
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