【正文】 大學本科學生畢業(yè)設計汽車方向盤逆向工程的數(shù)字化設計Design of Steering wheel based on reverse engineering摘 要隨著工業(yè)技術的進步和經(jīng)濟的發(fā)展，產品的功能已不再是贏得市場的唯一條件。要吸引消費者，產品不僅要具有強大的功能，還要有流暢，造型豐富和個性的外觀。高品質的產品外觀必然要由復雜的曲面組成。但是，傳統(tǒng)的設計開發(fā)模式中，設計師在CAD/CAM系統(tǒng)設計中很難用嚴密統(tǒng)一的數(shù)學語言來描述這些自由曲面。從而使得逆向設計和快速成型方法在產品設計中的地位凸現(xiàn)出來。逆向工程在CAD/CAM系統(tǒng)中的使用大大降低了產品設計速度，縮短了設計周期，使得從已有產品到新產品的改型變得容易操作。逆向工程的方法必將成為現(xiàn)代工業(yè)造型設計的首選。本文在對逆向工程和數(shù)控加工技術研究的基礎上，完成了汽車方向盤的逆向設計及數(shù)控加工。首先使用ATOS掃描系統(tǒng)對實物模型方向盤進行掃描，生成數(shù)據(jù)點云，通過我們對點云的降噪、去雜點、光順等預處理，得到我們所需要的準確的數(shù)據(jù)點云。然后再使用點云處理軟件在點云的基礎上重新建模，在對模型分析評價的基礎上進行模具設計，針對模具的生產進行了數(shù)控加工編程，使用數(shù)控加工中心加工模具，最后對前期建立的模型進行數(shù)控加工。文中內容圍繞著產品快速成型技術的幾個環(huán)節(jié)：三維數(shù)據(jù)采集，點云預處理，CAD模型重構，模具設計及數(shù)控加工，通過汽車方向盤的逆向設計加工具體介紹了應用逆向工程的數(shù)字化設計方法，總結了基于逆向工程的產品造型設計基本過程，提出了改善了產品設計環(huán)節(jié)的新思路。關鍵詞：逆向設計；模具設計，數(shù)控加工；點云處理；atos掃描系統(tǒng)，CAD模型重構ABSTRACTWith industrial and technological progress and economic development, the product features are no longer the only condition to win the market. To attract consumers, the product not only has strong capabilities, but also a smooth, rich styling and personalized look. The appearance of highquality products is bound to the surface by the plex position. However, traditional design and development model, designers in CAD / CAM system design difficult to use rigorous unified mathematical language to describe the free surface. So that the reverse design and rapid prototyping methods in product design stand out in the position. Reverse engineering in CAD / CAM system, greatly reduced the use of design speed, shorten the design cycle, making new products from existing products to the modification bees easy to operate. Reverse engineering of modern industrial design will bee the first choice. In this paper, reverse engineering and CNC machining technology based on the pletion of the reverse steering wheel design and CNC machining. ATOS scanning system the first to use the steering wheel on the physical model to scan data point cloud generated by our point cloud noise reduction, to noise, such as presmoothing, to get what we need accurate data point cloud. And then use the point cloud point cloud processing software based on the remodeling, analysis and evaluation model based on mold design, mold production were for NC programming, CNC machining center with mold, the last of the preestablished model for NC machining. The contents of the text surrounding the product of several aspects of rapid prototyping technology: threedimensional data acquisition, point cloud pretreatment, CAD model reconstruction, mold design and CNC machining, reverse through the steering wheel are introduced in detail the design process using reverse engineering of digital design summarized based on reverse engineering the basic process of product design, product design is proposed to improve the links of new ideas. Keywords: reverse design。 die design, CNC machining。 point cloud processing。 atos scanning system, CAD model reconstruction目錄摘 要 IIAbstract II第一章 緒論 2 2 2 2 2 2第二章 逆向工程測量系統(tǒng) 2 2 2 2 2 ATOS三維掃描儀簡介 2 ATOS系統(tǒng)組成 2 ATOS系統(tǒng)工作原理 2 汽車方向盤實例掃描過程 2 本章小結 2第三章 數(shù)據(jù)預處理 2 2 點云的數(shù)據(jù)精簡 2 誤差點的處理 2 點云的對齊 2 2第四章 三維模型重構 2 2 2 2第五章 模具設計及數(shù)控加工過程 2 2 2 2第六章 結論與展望 2 2 2參考文獻 2致謝 2第一章 緒論逆向設計是一種相對于正向設計的產品設計方法。在傳統(tǒng)的設計過程中，產品設計是一個從無到有的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數(shù)等，然后通過設計計算與繪制圖紙建立產品的三維數(shù)字化模型，最終使用這個模型進行制作加工，完成產品的整個設計制造過程。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計”的過程。【1】CAD造型設計模型塑造3D外形測量模具設計產品加工如前所述，在現(xiàn)代工業(yè)中，由于很多零部件在外觀設計上要求的提高，使得通過正向設計過程獲得理想曲面難度較大。而逆向工程的產品設計可以認為是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產品模型，反向推出產品設計數(shù)據(jù)(包括設計圖紙或數(shù)字模型)的過程，它起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路。具體而言就是針對已有的產品或零件原型，通過3D數(shù)字化測量儀準確、快速地測量出工件輪廓的三維坐標，把獲取的工件坐標數(shù)據(jù)點存入計算機形成“點云”文件，再利用逆向設計軟件通過對點云的處理構造產品或零件的工程設計模型，并在此基礎上對已有的產品進行剖析、理解和改進。逆向設計的過程是對已有設計的再設計，實質上是一個“認識再現(xiàn)超越”的過程。因此，逆向工程技術可以認為是將產品樣件轉化為三維模型的相關數(shù)字化技術和幾何建模技術的總稱。隨著計算機技術、數(shù)控加工技術和測量技術的飛躍發(fā)展，逆向工程在現(xiàn)代工業(yè)中得到了廣泛的應用。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協(xié)同過程。逆向設計的流程如圖1．2所示?！?】實物模型數(shù)據(jù)獲取數(shù)據(jù)處理曲面重構CAD建模新產品NC代碼CAD/CAM系統(tǒng)格式轉換接口產品原型快速成型機數(shù)據(jù)檢驗及修正作為產品設計制造的一種手段，在20世紀末，逆向工程技術開始受到各國工業(yè)界和學術界的高度重視，從那時起，有關逆向工程技術的研究和應用就一直受到政府、企業(yè)和科研機構的關注。特別是隨著現(xiàn)代計算機技術及測量技術的發(fā)展，利用CAD/CAM技術、先進制造技術來實現(xiàn)產品的逆向工程，已經(jīng)成為CAD/CAM領域的一個研究熱點，并成為逆向工程技術應用的主要內容。【3】逆向工程技術并不是一項孤立的技術，它與現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)以及三維測量技術都有著廣泛的聯(lián)系。從理論角度分析，逆向工程需要按照產品的三維測量數(shù)據(jù)重新構建出和現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的三維模型，這是逆向工程應用的終極目標。但是目前人們所掌握的技術，都仍然沒有辦法滿足這樣的需求。特別是針對大規(guī)?！包c云”數(shù)據(jù)的模型重構，更是遠未達到可以直接在CAD/CAM系統(tǒng)中應用的效果。目前逆向工程技術和現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)是一種相輔相成的關系。現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)經(jīng)過長期積累，在理論和實踐上都已經(jīng)相當成熟，所以現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)不會為了滿足逆向工程建模的要求而改變系統(tǒng)底層。另一方面，現(xiàn)有CAD/CAM的大量建模方法也可以在逆向工程系統(tǒng)中使用，而不需要重新搭建平臺?；谝陨蠋c，三維模型重構技術在整個制造體系鏈中處于從屬、輔助建模的地位，它可以利用現(xiàn)有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助實現(xiàn)自身無法完成的工作?！?】目前，在國際市場上已出現(xiàn)了一些專門用于產品逆向設計的軟件，如美國UGS公司的imageware軟件，英國Renishaw公司的TRACE，英國MDTV公司的STRIM and Surface Reconstruction等，英國DelCAM公司產品CopyCAD；此外，一些CAD/CAM系統(tǒng)如美國PTC公司的Pro、Engineer 2000和美國IBM公司的CATIA等在其系統(tǒng)中也集成了可實現(xiàn)逆向三維造型設計的模塊，但他們仍與專業(yè)的逆向工程軟件在功能上有較大差距。逆向工程是在逆向工程軟件的支撐下得以實施的。逆向工程軟件主要作用是接收來自測量設備的產品數(shù)據(jù)，通過一系列的操作，重新構建出品質優(yōu)良的曲線和曲面模型，并通過在CAD/CAM系統(tǒng)中使用的標準數(shù)據(jù)格式將這些曲線曲面數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)有的CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些軟件中最終完成的產品造型。由于無法完全實現(xiàn)產品造型，因此逆向工程的CAD軟件很難與現(xiàn)有的主流CAD/CAM軟件系統(tǒng)，如CATIA、UG、Pro/ENGINEER等相抗衡。很多逆向工程軟件被收購而成為這些CAD/CAM系統(tǒng)的第三方軟件。如UG軟件使用ImageWare作為UG系列產品中完成逆向工程造型的軟件。此外還有一些獨立的逆向工程軟件，如GeoMagic等，這些軟件一般具有多元化的功能和更專業(yè)層面的應用。例如，GeoMagie除了處理幾何曲面造型以外，還被用來處理CT的斷層界面數(shù)據(jù)造型，從而使軟件在醫(yī)療成像領域中具有相當大的競爭力。另外，一些逆向工程軟件作為整體系列軟件產品中的一部分，無論數(shù)據(jù)模型還是幾何引擎均與系列產品中的其他組件保持一致，從而使逆向工程軟件產生的模型可以直接進入CAD或CAM模塊中，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無縫集成?！?】20世紀90年代后期，由于國內制造業(yè)的迅速發(fā)展，涌現(xiàn)出一大批高科技公司，推動了逆向工程技術在我國迅速發(fā)展。西安愛德華測量設備有限公司，其在數(shù)控系統(tǒng)、測量軟件及光學圖像信息處理技術等核心技術上擁有自主知識產權；在三坐標數(shù)學處理模型的建立、PC總線CN