【正文】 畢業(yè)設計 題 目 逆向工程中曲線及曲面 的參數(shù)化設計 學 院 機械工程學院 專 業(yè) 機械工程及其自動化 班 級 機自 0702 學 生 劉雙源 學 號 20200403112 指導教師 王玉增 二〇一 一 年 五 月三十日 濟南大學畢業(yè)設計 1 前言 課題背景 我國制造業(yè)在國民生產(chǎn)中占據(jù)著舉足輕重的重要作用。但是制造業(yè) 總體 水平與發(fā)達國家還有 很大 差距。隨著科學技術 迅猛 發(fā)展，產(chǎn)品更新 迭代 速度 加 快， 為了占領市場 優(yōu)勢維持生存 發(fā)展 ，企業(yè)必然要 具備 一定 的新產(chǎn)品 研發(fā) 能力。 為此， 加速產(chǎn)品開發(fā)進程 ，具有重要的 經(jīng)濟價值 和 現(xiàn)實意義 。 逆向工程技術 在 新 產(chǎn)品的快速設計方面 優(yōu)勢顯著 ,其 開發(fā)速度快，設計周期短，在 實現(xiàn)產(chǎn)品的再設計 上表現(xiàn)優(yōu)異 [13]。逆向工程技術廣泛涉及 計算機圖像處理、 計算機圖形學、 計算 幾何、 微分幾何、數(shù)據(jù)結構、 概率統(tǒng)計、 軟件工程等 交叉專業(yè) 和 學科 ，是 CAD 領域最活躍分支之一 ， 尤其是 伴隨 計算機、測量和數(shù)控技術的飛速發(fā)展，逆向工程技術 逐漸 成為 船舶、 飛機、汽車領域 最主要 的數(shù)字化設計 方法 之一 [4]。 在企業(yè)實際生產(chǎn)中 ，對車輪 的 逆向設計，需要對車輪零件 的 尺寸參數(shù) 進行詳盡的測量， 最終并以此 進行 的 模具設計。 整個過程 不僅需要專門技術人員進行測量，而且由 此 繪制 出的 工程圖紙也存在著 精度不高和 信息缺失。本課題為 了 解決生產(chǎn)中的 以上問題，基于測量 點云 數(shù)據(jù) 來 提取產(chǎn)品 設計參數(shù)， 進行特征重構運算， 最終實現(xiàn) 產(chǎn)品 三維 模型重 建。 國內外研究現(xiàn)狀 逆向工程 （ RE）也被稱為 反求工程，其主要任務是 針對 現(xiàn)有 產(chǎn)品， 在 其 基礎上發(fā)掘 深化 結構特征 信息， 并以此設計 出同類或更 為高級 的產(chǎn)品 [4]。逆向工程 正如其名，與傳統(tǒng)設計制造過程相反，是先有實物后有設計參數(shù)。而傳統(tǒng) 設計制造過程是先 有 設計圖紙 然后 生產(chǎn)出實物。 20 世紀 80 年代，歐美國家首先對逆向工程研究，并 取得了一定的成果 ， 90 年代后， 各國開始 對逆向工程研究 投入 大量精力 。逆向工程最早 的用途 是仿制加工設備，隨著 精確測量技術的發(fā)展 ， 使 設備 仿造精度 極大 提 升 ， 因此，逆向工程 研究 的 內容 變得越來越 廣泛， 涵蓋了 幾何形狀與結構反求 、制造工藝反求 、管理反求 、材料反求等等 方面 [57]。 逆向工程的關鍵技術主要 包括：測量、數(shù)據(jù)處理、圖形處理和加工等 技術 [810]。逆向工程技術 提供了一種新 的 產(chǎn)品設計方法， 大大 縮短 了 產(chǎn)品 的 設計 周期 ，加速 了新產(chǎn)品的開發(fā)進度 。 數(shù)據(jù)采集是由測量設備和 一定的 測量方法獲取產(chǎn)品 表面 上 離散點 幾何坐標，由 所得 點云數(shù)據(jù) 進行曲面建模 。因此精準可靠的測量技術 ，是逆向工程的基礎 。 因此， 逆向工程技術的一項關鍵技術是 數(shù)據(jù)采集 技術 [1112]。曲面重建技術是逆向工程的又一關鍵技術 [13]。 恰當準確的曲面重建技 術可以 得到精度 很高 的曲面模型，目濟南大學畢業(yè)設計 2 前應用 廣泛 的 曲面重建技術 有 以下幾種： 基于神經(jīng)網(wǎng)絡技術曲面重建、基于斷層數(shù)據(jù)表面重建方法 、基于測量點曲面重建方法和 基于邊曲面重建方法 。 逆向工程技術 經(jīng)過多年發(fā)展，出現(xiàn)了許多逆向軟件。 美國 Raindrop 公司的Geomagic 軟件， EDS 公司的 Imageware 軟件，英國 DELCAM 公司的 CopyCAD 軟件，韓國 INUS 公司的 Rapid Form 軟件等，這些 專業(yè) 軟件能夠 輕易 由點云數(shù)據(jù)生成光滑連續(xù) NURBS 曲線曲面。 研究目的及意義 未來 企業(yè)生產(chǎn)規(guī)模 會 持續(xù) 增大 ， 需要 生產(chǎn)的 產(chǎn) 品品種也會持續(xù)增多 ， 與此 同時 對車輪 設計每次都 要對不同產(chǎn)品進行測量 獲取數(shù)據(jù) ， 隨后 在 CAD 軟件 里繪制圖紙 。 這樣 不僅耗時 費 力，而且 某些 尺寸 會因不便測量而丟失 。在機械產(chǎn)品設計制造方面， 逆向工程主要任務是針對現(xiàn)有產(chǎn)品，在其基礎上發(fā)掘深化結構特征信息，并以此設計出同類或更為高級的產(chǎn)品 。另外一方面，隨著網(wǎng)絡通訊的 發(fā)展，世界 各國 制造企業(yè) 會需要根據(jù) 客戶提供的 樣品進行產(chǎn)品再設計。 從 企業(yè) 方面 來說， 逆向工程技術 是一種很好的 科研 技術，既能 縮短 科研 周期，又 能 開發(fā)出適應市場的產(chǎn)品。 同樣 也 加快 技術更新速度 。 逆向工程技術 成功 實現(xiàn)產(chǎn)品 的 快速 設計， 其 關鍵是設計參數(shù)。 但 目前的逆向工程的曲面重建技術 ，只 能提供位置 數(shù)據(jù) 的描述， 卻 不能 捕捉 到 高層次對象結構， 因此 更新 產(chǎn)品 設計困難， 求解輪廓線尺寸參數(shù)比較困難。 為 提高 建模 質量，使參數(shù)化 車輪模型 有利后續(xù)修改設計 ，本文采用基于圖元 Agent 方法對車輪輪廓線實行參數(shù)化 。 論文 完成的任務 本課題 的 車輪快速設計系統(tǒng) 分為兩個子系統(tǒng)：數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和 模型重建系統(tǒng)。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) DataExplor 實現(xiàn) 了 對三坐標測量儀 采集 的 點云 數(shù)據(jù) 的 處理 ，生成 了 輪輞和輪輻的 點云和 圖形數(shù)據(jù)庫。造型軟件 DataMining 根據(jù) 上一步 數(shù)據(jù)處理的結果， 在SolidWorks 中插入 點云和圖形數(shù)據(jù)， 實現(xiàn) 車輪的三維 建模 。課題利用面向對象程序設計 完成 軟件 開發(fā) 。 本課題完成的任務是 ： 1) 對 車輪快速設計系統(tǒng)的技術難題 進行系統(tǒng)的分析總結 。 2) 點云測量 方案 設計，針對 數(shù)據(jù)處理 要求 對 測量方案設計。 3) 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) 設計， 對點云數(shù)據(jù)文件讀取 ， 實現(xiàn)回轉零件 求解 。 4) 輪廓線識別 算法，使用 基于圖元 Agent 實現(xiàn)輪廓線 參數(shù)化 設計 。 5) 利用 SolidWorks 2020 API 二次開發(fā)技術，完成車輪零件三維建模 。 濟南大學畢業(yè)設計 3 2 車輪快速 設計系統(tǒng)的 技術難題 鋼制車輪 加工流程 鋼制車輪 主要分為 輪輞和輪輻， 因為材料成形性能限制 ，兩部分 應 分開制造。車輪的整體 結構 如下 ： 圖 車輪結構 示意圖 （ 1）輪輞的加工工藝流程： 開平 剪板下料 圈圓 壓平 閃光對焊 刨渣 液壓焊縫 擴口 一序輥壓 二序輥壓 三序輥壓 擴張 圖 輪輞的加工工藝流程 濟南大學畢業(yè)設計 4 （ 2）輪輻的加工工藝流程： 由 上述 工藝流程可知， 車輪是由 板材鋼經(jīng)過 各種壓制 加工 再焊接到一起 而成， 具體的 加工尺寸 是從其 設計尺寸 獲得 。 為完成 車輪快速設計 任務 ，需解決 下述 難題。 （ 1）點云 數(shù)據(jù) 測量 點云 數(shù)據(jù)眾多 ， 應設計合適 的測量方法步驟保證 來 點云數(shù)據(jù)準確性。 （ 2）數(shù)據(jù)處理 讀取點云 測量 數(shù)據(jù) 文件 ， 經(jīng) 處理 生成 輪廓線的點列 數(shù)據(jù)庫 。 （ 3） 輪廓線識別 將 經(jīng)數(shù)據(jù)處理的 點列識別為參數(shù)化的各個圖元 輪廓線 。 （ 4） 模型重建 利用 CAD 軟件 的 二次開發(fā)，重建 車輪三維 模型。 車輪快速設計系統(tǒng)流程 車輪的快速設計 系統(tǒng) 分為 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和車輪造型系統(tǒng) 兩大部分 ， 快速設計 工作流程設計如下： 兩大系統(tǒng)功能如下： 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng) DataExplor 主要功能是 數(shù)據(jù)預處理， 得到 輪輞和輪輻 點云和圖形數(shù)據(jù)庫。 車輪造型系統(tǒng) DataMining 采用 SolidWorks 在 VC++基礎上 進行二次開發(fā)， 根據(jù) 上一步數(shù)據(jù)處理結果 ，建立車輪的三維模型。 零件實體 點云測量 數(shù)據(jù)處理 輪廓線識別 圖 系統(tǒng)逆向設計 的流程 輪廓線識別模型重建 設計圖紙 落料 沖中心孔 旋壓 沖螺栓孔 沖風孔 锪孔 車中心孔、外徑、端面 圖 輪輻的加工工藝流程 濟南大學畢業(yè)設計 5 開發(fā)環(huán)境 及語言 ++面向對象程序設計 為了能更好的 完成 設計 任務 ，車輪快速設計系統(tǒng) 使用 面向對象的程序設計方法開發(fā)。以 C++為程序設計語言，完成軟件的開發(fā)。 C++語言是在 C 語言基礎上開發(fā)的，對 C 語言 進行了 系統(tǒng)的改革和擴充 ， C++保持與 C 的兼容，不僅保留了 C 的優(yōu)點，而且增