【正文】 求工程 CAD 問題的研究。在本課題中使用了 Imageware 軟件，和 Pro/E 中的逆向模塊。 1986 年， Frain 則提出了構造 C 連續(xù)三角 BernsteinBezier 曲面的方法。在 20 世紀 70 年代，Riesenfeld 等人研究了非均勻 B 樣條、 Versprille 完成了有理 B 樣條曲線曲面的具體應用。 在國外，逆向工程越來越受到學術界和工業(yè)界的重視，目前逆向工程已經發(fā)展成 CAD/CAM 系統(tǒng)中的一個相對獨立的研究分支。在數字化測量技術方面，測量方法各種各樣，測量設備和精度日益提高。隨后， Piegl 等人系統(tǒng)地探索了 B 樣條曲線曲面的構造及其形狀調整問題，并敘述了 NURBS 方法。在商用軟件方面，主要有美國Imageware 公司的 、 Imageware、英國 DelCam 公司的 CopyCAD陜西理工學院畢業(yè)設計 第 4 頁 共 39 頁 等。 在我國，復雜曲面反求技術是 20 世紀 90 年代后期才迅速發(fā)展和 推廣的。浙江大學研制開發(fā)了基于三角曲面初始表達的復雜曲面反求工程軟件 RESOFT。 課題意義 逆向工程在我國對逆向工程技術的研究起步較晚，主要局限于一些大學和科研院所，其中浙江大學李永青教授、清華大學姜元庚，劉佩軍等的研究是領先全國的，但是也有理論重滯后生產實際，與國外如火如荼的研究熱相比明顯的差距。通過反求工程的分析可以全面理解原型的設計思路，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點和不足，增加反求設計產品及工程的可靠性；通過反求工程技術，可以完成基于數字化模型的產品優(yōu)化設計，以達到進一步改進原型設計的目的；采用反求工程技術可以避免自主研發(fā)中的不少彎路，從而大幅度縮短新產品的開發(fā)周期，適應市場的要求，為企業(yè)快速占領市場 創(chuàng)造了條件?？焖俪尚透鶕嬎銠C上構造的三維模型 , 能在很短時間內直接制造出產品樣品 , 是制造業(yè)企業(yè)新產品開發(fā)服務的一項重要技術。其中應用了 Pro/E 中的小平面特征、重新造型、和造型模塊，解決了復雜曲面的逆向中部分難點，對于企業(yè)有著廣泛應用。且向設計以已有實物為參照物，比較直觀。而且在已有成熟產品上進行改進設計，風險將會降到最低，設計出的產品也會更加穩(wěn)定可靠。在本次設計中，這個因素影響不大，故不作太多討論。在本次設計中采用小平面特征、重新造型、曲面構造等方法。 、早期發(fā)展和特點功能 快速成型原理 快速成型（也稱快速原型）制造技術 (Rapid Prototyping amp。 按照這些輪廓，成形裝置選擇性地固化 層層的液態(tài)樹脂 (或切割 層層的紙，燒結 層層的粉末材料，噴涂 層層的熱熔材料或粘結劑等 )， 形成各個截面輪廓 (圖 1. 2 (c))并逐步順序疊加成三維工件 (圖 1. 2 (d))。 快速成型工藝方法 目前快速成型主要工藝方法及其分類見 圖 1. 3 所示 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 10 頁 共 39 頁 圖 1. 3 快速成型主要工藝方法及其分類 1) 立體光固化成型法（ SL, StereoLithography） 光固化法 (SL)是以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態(tài)樹脂逐點掃描，使樹脂薄層產生光聚合 (固化 )反應，從而形成薄層截面。 3) 熔融沉積成型法 (FDM, Fused Deposition Modeling) 這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行 熔體沉積。 FDM 的優(yōu)點是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，工藝簡潔。該工藝適合于產品的概念建模及形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。擁有廣大的用戶群，如 BMW、 Boeing、GM、 Chrysler、 Ford、 Toyota。 Imageware提供了模塊化的產品來滿足用戶的不同需求，這樣的設計完全圍繞產品從概念設計、工模具設計和檢測、樣機，以至生產加工這一產品全生命周期，目的在于提高產品質量，縮短上市時間。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點云。 c) 通過可視化點云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。 Imageware12 軟件能提供很多種生成點的網格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。根據需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線。 Imageware12 軟件提供很多工具來調整和修改曲線。 b) 創(chuàng)建曲面。比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續(xù)性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構陜西理工學院畢業(yè)設計 第 13 頁 共 39 頁 等處理。 設計及模具設計等功能于一體，特別是其全參數化和全相關功能強大的實體造型技術，精悍、統(tǒng)一的數據庫和能支 持所有 UN 平臺 Windows，Windows/NT，使它成為快速成型技術行業(yè)中市場占有率最高的 CAD 軟件。只是把點云數據轉換成三角面片，通過三角面片來求解截面線、邊界線和特征線，也可用來做 RP 或 NC 加工編程。 Pro/SCANTOOLS 是一個非參數化環(huán)境工具，設計人員可以專注設計模型的特定區(qū)域，使用不同的工具來獲得期望的形狀及曲面屬性。 4)Facet Feature 模塊 Facet Feature（小平面特征）是 Pro/ENGINEER 新增的建模工具，可以輸入實物模型掃描點云數據或用三坐標測量機所測得的數據，可以糾正設備誤差引起的點云數據錯誤，也可以對點云進行點云去噪、點云精簡、平滑濾波、點云數據點修補、三角網格劃分和三角平面處理等。其中 ,接觸式測量是量頭與實物表面有接觸 ,常用的設備有 :三坐標測量機、專用數字化儀等。掃描得到的產品外形數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可 能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟： 1) 去掉噪音點，常用的檢查方法是將點云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動的光順方法對點云數據進行檢查調整； 2) 數據插補，對于一些掃描不到的區(qū)域，其數據只能通過數據插補的方法來補齊，這里要考慮兩種曲面造型技術，基于點的樣條曲面逆向造型和基于點的曲面擬合技術。 在整個逆向工程中，產品的三維幾何模型 CAD 重建是最關鍵、最復雜的環(huán)節(jié)。目前在 點 云生成曲面的 過 程中，主要有三種曲面構造的方案：其一是以 BSpline 或 NURBS曲面為基礎 的曲面構造方案；其二是以三角 Bezier 曲面為基礎 的曲面構造方案；其三是以多面體方式 來 描述曲面物體。所述，使用近似法時通常是點云數據點多且含噪聲較大的情況下。 因此對于掃描點數據而言，由于點數據量大以近似法來重建曲面將會較插補法節(jié)省控制點的儲存空間，而且對于掃描時所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會耗費大量的計算機內存及較多時間在曲面的計算上，因此我們在建立曲面的過程中應配合所測量得的數據點陜西理工學院畢業(yè)設計 第 18 頁 共 39 頁 數目及精度來決定曲面重建所使用的方法。建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對于快速制造很必要。 ○2 完全逆向工程的做法：即由點云數據直接反求 CAD模型。這種方法計算耗費大，對數據的噪聲以及參數分割的好壞要求嚴格，主要使用于復雜曲面的重構方面。 綜上所述：本次設計中，主要存在以下幾部分：點云的預處理、點云處理、曲面重構、實體建模。實體建模部分主要完成對上一步修整調節(jié)后的曲面進行實體化過程。在選擇處理方法時應 該注意根據所逆向的模型選擇合理的處理手段，以達到事半功倍的效果。在逆向工程軟件 Imageware13中打開。過濾如 圖 3. 1 所示。為了后期的三維模型可以在其他的三維軟件中打開，在 Imageware 中把精簡數據后的文件另存為擴展名為 IGS 的文件。 圖 3. 2 設置新文件選項 輸入點云數據 單擊菜單欄中“插入” /“小平面特征”命令，在彈出的“打開”對話框中選擇并打開要輸入的點云數據，如 圖 3. 3 所示。 圖 3. 5 靈敏度設置 圖 3. 6 去除噪音 單擊工具欄中的“去除噪聲”按鈕 ，在彈出的 圖 3. 5 所示的對話框 中選擇降噪模式，此命令將剔除點云中的粗大噪聲點。 圖 3. 7 “示例”對話框 數據保存：單擊工具欄中的“保存 ” 按鈕，在彈出的的對話框中輸 入文件名，選定保存格式，對處理過的點云數據進行保存處理，以方便后續(xù)調用。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 26 頁 共 39 頁 包絡處理 單擊工具欄的“包絡”按鈕，系統(tǒng)將對處理過的數據點進行三角平面處理。 2) 小平面精整：粗調后，單擊工具欄中的“精調”按鈕 ，使小平面進入精整階段。 單擊工具欄中的“填充”按鈕 ，在彈出的如 圖 3. 9 所示的對話框中進行設置，選中模型中的破洞，填充后效果如 圖 3. 10 所示。 圖 3. 13 創(chuàng)建三角面 單擊工具欄中的“整理”按鈕 ，在彈出的如 圖 3. 14 所示的對話框陜西理工學院畢業(yè)設計 第 29 頁 共 39 頁 中進行設置，系統(tǒng)將根據所選模式對小平面進行整理，處理效果如 圖 3. 15所示。 圖 3. 17 設置松弛參數 圖 3. 18 松弛平滑后 單擊工具欄中的“精整”按鈕 ，在彈出的對話框中進行設置，則系統(tǒng)會按照設置成倍 增加并細化小平面，如 圖 3. 19 所示，小平面數量大約變?yōu)樵瓉淼?3 倍。讓軟件知道你這個小平面表示的點云是一體的集管處理的結果會清理掉初始點云里的雜點 (也叫燥聲 ),游歷于整體之外的小塊分體點云使點云清潔 ,干凈 ,一體化 ,那樣就能進到重新造型模塊里進行后續(xù)操作了。此處選擇面片數為 300，是因為數目太少不能滿足該曲面的復雜程度，會導致部分曲面特征無法體現(xiàn)；數目太多則造成所分割的曲面塊過于瑣碎。如下圖所示： 圖 重新造型處理中的模型 單擊工具欄中的“完成”按鈕 ，完成重新造型。用相同的方法對其他需要調整的曲面進行微調。（樣條曲面的形狀由控制點和節(jié)點不同，節(jié)點是骨架曲線的組成點，曲面必經過節(jié)點，而控制點控制曲線的形狀，曲面不一定經過控制點。選中要刪除的問題曲面，單擊右鍵在彈 出的菜單欄選擇“刪除”選項即可。為了使新創(chuàng)建的曲面與相鄰曲面光滑過渡，需對其約束進行設置。單擊菜單欄中的“視圖” /“顯示設置” /“模型顯示”命令，彈出的對話框如下圖所示：在“著色”選項組中，取消選中“帶基準曲線選項”前面的勾選項。選取過模型中間的平面 DTM1 為參照面。 RP 技術可以依據計算機上構成的產品三維 CAD 設計模型，對其進行分層切片，處理成一系列薄截面的輪廓。 利用 Pro/E 軟件將烏龜模型三維 CAD 模型曲面生成后實體化，轉換為陜西理工學院畢業(yè)設計 第 38 頁 共 39 頁 快速成型機的標準文件 STL 格式，然后導入快速成型機后即可。另外，也可傳給一些 CAM 系統(tǒng)（如： UG、 MASTERCAM、 SMARTCAM等），做刀具路徑設定，產生數控代碼，由 CNC 機床將實體加工出來。這種體現(xiàn)在制造實物原型的設計圖紙上的參數稱為原始設計參數，其是制造實物原型的原始參數。這種 CAD模型自然是具有各種幾何參數。 綜上所述，逆向工程誤差 A可表示為： A逆 ＝ f(AI制 ， AI損 ， AI計 ， AI測 ， AO造 )。 通常逆向工程不去直接測量實物原型參數。 在某些情況下，單從復制原型這一角度出發(fā)，為滿足逆向工程還原產品的工作性能要求，需用原始設計參數進行還原制造。 由 于此次條件的限制，對本次逆向工程誤差的分析只能做到 AI 測 ， AI計 ， AO 造 ，的分析。進行曲面重構時使用的是放樣的方法，雖然可以獲得很好的曲面質量，但是增大了曲面和點云之間的誤差。在點云處理階段應該耐心的做好降噪、去除界外值等工作，小平面特征階段應該努力將產品的表面處理的盡量光滑平順，在重新造型階段應該注意面與面的銜接處理，否則將會給后續(xù)的實體化過程帶來不必要的工作。系統(tǒng)的闡述了如何進行逆向設計。由于初次接觸，經驗不足，而且本次設計不是以精度還原為目標，因此設計得到的模型和原來模型有比較大的誤差。由于平時的學習教學安排與課外學習，我已經進行過一些設計工作。平時課堂上所學習的知識大多比較理論化，作為工科的學生，由于專業(yè)特點自己更要積極查閱前輩的經驗資料與數據。 陜西理工學院畢業(yè)設計 第 42 頁 共 39 頁 致 謝 在論文完成之際，我衷心地感謝我的導師王燕燕對我的指導，畢業(yè)設計中的許多思想和方法得益于指導老師的指導和啟發(fā)，從設計選題到論文寫作都傾注了指導老師的巨大心血。 QA9wkxFyeQ^! djsXuyUP2kNXpRWXm Aamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。