【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(gòu)造 C 連續(xù)三角 BernsteinBezier 曲面的方法。在 20 世紀(jì) 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(yīng)用。 在國外，逆向工程越來越受到學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的重視，目前逆向工程已經(jīng)發(fā)展成 CAD/CAM 系統(tǒng)中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支。在數(shù)字化測(cè)量技術(shù)方面，測(cè)量方法各種各樣，測(cè)量設(shè)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(gòu)造及其形狀調(diào)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 4 頁 共 39 頁 等。 在我國，復(fù)雜曲面反求技術(shù)是 20 世紀(jì) 90 年代后期才迅速發(fā)展和 推廣的。浙江大學(xué)研制開發(fā)了基于三角曲面初始表達(dá)的復(fù)雜曲面反求工程軟件 RESOFT。 課題意義 逆向工程在我國對(duì)逆向工程技術(shù)的研究起步較晚，主要局限于一些大學(xué)和科研院所，其中浙江大學(xué)李永青教授、清華大學(xué)姜元庚，劉佩軍等的研究是領(lǐng)先全國的，但是也有理論重滯后生產(chǎn)實(shí)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(shè)計(jì)思路，發(fā)現(xiàn)其優(yōu)點(diǎn)和不足，增加反求設(shè)計(jì)產(chǎn)品及工程的可靠性；通過反求工程技術(shù)，可以完成基于數(shù)字化模型的產(chǎn)品優(yōu)化設(shè)計(jì)，以達(dá)到進(jìn)一步改進(jìn)原型設(shè)計(jì)的目的；采用反求工程技術(shù)可以避免自主研發(fā)中的不少彎路，從而大幅度縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期，適應(yīng)市場(chǎng)的要求，為企業(yè)快速占領(lǐng)市場(chǎng) 創(chuàng)造了條件。快速成型根據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)造的三維模型 , 能在很短時(shí)間內(nèi)直接制造出產(chǎn)品樣品 , 是制造業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品開發(fā)服務(wù)的一項(xiàng)重要技術(shù)。其中應(yīng)用了 Pro/E 中的小平面特征、重新造型、和造型模塊，解決了復(fù)雜曲面的逆向中部分難點(diǎn)，對(duì)于企業(yè)有著廣泛應(yīng)用。且向設(shè)計(jì)以已有實(shí)物為參照物，比較直觀。而且在已有成熟產(chǎn)品上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，風(fēng)險(xiǎn)將會(huì)降到最低，設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品也會(huì)更加穩(wěn)定可靠。在本次設(shè)計(jì)中，這個(gè)因素影響不大，故不作太多討論。在本次設(shè)計(jì)中采用小平面特征、重新造型、曲面構(gòu)造等方法。 、早期發(fā)展和特點(diǎn)功能 快速成型原理 快速成型（也稱快速原型）制造技術(shù) (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(jié) 層層的粉末材料，噴涂 層層的熱熔材料或粘結(jié)劑等 )， 形成各個(gè)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(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使樹脂薄層產(chǎn)生光聚合 (固化 )反應(yīng)，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(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行 熔體沉積。 FDM 的優(yōu)點(diǎn)是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，工藝簡(jiǎn)潔。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測(cè)試，中等復(fù)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(chǎn)品來滿足用戶的不同需求，這樣的設(shè)計(jì)完全圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工模具設(shè)計(jì)和檢測(cè)、樣機(jī)，以至生產(chǎn)加工這一產(chǎn)品全生命周期，目的在于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短上市時(shí)間。有時(shí)候由于零件形狀復(fù)雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會(huì)得到很多單獨(dú)的點(diǎn)云。 c) 通過可視化點(diǎn)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(diǎn)的網(wǎng)格和點(diǎn)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(gè)點(diǎn)的分段。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來調(diào)整曲線。 Imageware12 軟件提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。 b) 創(chuàng)建曲面。比較曲面與點(diǎn)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(shí)可以進(jìn)行修改，例如可以讓曲面與點(diǎn)云對(duì)齊，可以調(diào)整曲面的控制點(diǎn)讓曲面更光順，或?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 39 頁 等處理。 設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)等功能于一體，特別是其全參數(shù)化和全相關(guān)功能強(qiáng)大的實(shí)體造型技術(shù)，精悍、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和能支 持所有 UN 平臺(tái) Windows，Windows/NT，使它成為快速成型技術(shù)行業(yè)中市場(chǎng)占有率最高的 CAD 軟件。只是把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(gè)非參數(shù)化環(huán)境工具，設(shè)計(jì)人員可以專注設(shè)計(jì)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(shí)物模型掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)或用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以糾正設(shè)備誤差引起的點(diǎn)云數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，也可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)、平滑濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)修補(bǔ)、三角網(wǎng)格劃分和三角平面處理等。其中 ,接觸式測(cè)量是量頭與實(shí)物表面有接觸 ,常用的設(shè)備有 :三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、專用數(shù)字化儀等。掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可 能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，通常要經(jīng)過以下步驟： 1) 去掉噪音點(diǎn)，常用的檢查方法是將點(diǎn)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(dòng)的光順方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)整； 2) 數(shù)據(jù)插補(bǔ)，對(duì)于一些掃描不到的區(qū)域，其數(shù)據(jù)只能通過數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來補(bǔ)齊，這里要考慮兩種曲面造型技術(shù)，基于點(diǎn)的樣條曲面逆向造型和基于點(diǎn)的曲面擬合技術(shù)。 在整個(gè)逆向工程中，產(chǎn)品的三維幾何模型 CAD 重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。目前在 點(diǎn) 云生成曲面的 過 程中，主要有三種曲面構(gòu)造的方案：其一是以 BSpline 或 NURBS曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)造方案；其二是以三角 Bezier 曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)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(shí)通常是點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)多且含噪聲較大的情況下。 因此對(duì)于掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，由于點(diǎn)數(shù)據(jù)量大以近似法來重建曲面將會(huì)較插補(bǔ)法節(jié)省控制點(diǎn)的儲(chǔ)存空間，而且對(duì)于掃描時(shí)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(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及較多時(shí)間在曲面的計(jì)算上，因此我們?cè)诮⑶娴倪^程中應(yīng)配合所測(cè)量得的數(shù)據(jù)點(diǎn)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 39 頁 數(shù)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(duì)于快速制造很必要。 ○2 完全逆向工程的做法：即由點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接反求 CAD模型。這種方法計(jì)算耗費(fèi)大，對(duì)數(shù)據(jù)的噪聲以及參數(shù)分割的好壞要求嚴(yán)格，主要使用于復(fù)雜曲面的重構(gòu)方面。 綜上所述：本次設(shè)計(jì)中，主要存在以下幾部分：點(diǎn)云的預(yù)處理、點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)、實(shí)體建模。實(shí)體建模部分主要完成對(duì)上一步修整調(diào)節(jié)后的曲面進(jìn)行實(shí)體化過程。在選擇處理方法時(shí)應(yīng) 該注意根據(jù)所逆向的模型選擇合理的處理手段，以達(dá)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(jiǎn)數(shù)據(jù)后的文件另存為擴(kuò)展名為 IGS 的文件。 圖 3. 2 設(shè)置新文件選項(xiàng) 輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù) 單擊菜單欄中“插入” /“小平面特征”命令，在彈出的“打開”對(duì)話框中選擇并打開要輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如 圖 3. 3 所示。 圖 3. 5 靈敏度設(shè)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(duì)話框 中選擇降噪模式，此命令將剔除點(diǎn)云中的粗大噪聲點(diǎn)。 圖 3. 7 “示例”對(duì)話框 數(shù)據(jù)保存：?jiǎn)螕艄ぞ邫谥械摹氨４?” 按鈕，在彈出的的對(duì)話框中輸 入文件名，選定保存格式，對(duì)處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，以方便后續(xù)調(diào)用。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 26 頁 共 39 頁 包絡(luò)處理 單擊工具欄的“包絡(luò)”按鈕，系統(tǒng)將對(duì)處理過的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三角平面處理。 2) 小平面精整：粗調(diào)后，單擊工具欄中的“精調(diào)”按鈕 ，使小平面進(jìn)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(duì)話框中進(jìn)行設(shè)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(duì)話框陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 29 頁 共 39 頁 中進(jìn)行設(shè)置，系統(tǒng)將根據(jù)所選模式對(duì)小平面進(jìn)行整理，處理效果如 圖 3. 15所示。 圖 3. 17 設(shè)置松弛參數(shù) 圖 3. 18 松弛平滑后 單擊工具欄中的“精整”按鈕 ，在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置，則系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)置成倍 增加并細(xì)化小平面，如 圖 3. 19 所示，小平面數(shù)量大約變?yōu)樵瓉淼?3 倍。讓軟件知道你這個(gè)小平面表示的點(diǎn)云是一體的集管處理的結(jié)果會(huì)清理掉初始點(diǎn)云里的雜點(diǎn) (也叫燥聲 ),游歷于整體之外的小塊分體點(diǎn)云使點(diǎn)云清潔 ,干凈 ,一體化 ,那樣就能進(jìn)到重新造型模塊里進(jìn)行后續(xù)操作了。此處選擇面片數(shù)為 300，是因?yàn)閿?shù)目太少不能滿足該曲面的復(fù)雜程度，會(huì)導(dǎo)致部分曲面特征無法體現(xiàn)；數(shù)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(duì)其他需要調(diào)整的曲面進(jìn)行微調(diào)。（樣條曲面的形狀由控制點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)不同，節(jié)點(diǎn)是骨架曲線的組成點(diǎn)，曲面必經(jīng)過節(jié)點(diǎn)，而控制點(diǎn)控制曲線的形狀，曲面不一定經(jīng)過控制點(diǎn)。選中要?jiǎng)h除的問題曲面，單擊右鍵在彈 出的菜單欄選擇“刪除”選項(xiàng)即可。為了使新創(chuàng)建的曲面與相鄰曲面光滑過渡，需對(duì)其約束進(jìn)行設(shè)置。單擊菜單欄中的“視圖” /“顯示設(shè)置” /“模型顯示”命令，彈出的對(duì)話框如下圖所示：在“著色”選項(xiàng)組中，取消選中“帶基準(zhǔn)曲線選項(xiàng)”前面的勾選項(xiàng)。選取過模型中間的平面 DTM1 為參照面。 RP 技術(shù)可以依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的產(chǎn)品三維 CAD 設(shè)計(jì)模型，對(duì)其進(jìn)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(shí)體化，轉(zhuǎn)換為陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 38 頁 共 39 頁 快速成型機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)文件 STL 格式，然后導(dǎo)入快速成型機(jī)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(shè)定，產(chǎn)生數(shù)控代碼，由 CNC 機(jī)床將實(shí)體加工出來。這種體現(xiàn)在制造實(shí)物原型的設(shè)計(jì)圖紙上的參數(shù)稱為原始設(shè)計(jì)參數(shù)，其是制造實(shí)物原型的原始參數(shù)。這種 CAD模型自然是具有各種幾何參數(shù)。 綜上所述，逆向工程誤差 A可表示為： A逆 ＝ f(AI制 ， AI損 ， AI計(jì) ， AI測(cè) ， AO造 )。 通常逆向工程不去直接測(cè)量實(shí)物原型參數(shù)。 在某些情況下，單從復(fù)制原型這一角度出發(fā)，為滿足逆向工程還原產(chǎn)品的工作性能要求，需用原始設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行還原制造。 由 于此次條件的限制，對(duì)本次逆向工程誤差的分析只能做到 AI 測(cè) ， AI計(jì) ， AO 造 ，的分析。進(jìn)行曲面重構(gòu)時(shí)使用的是放樣的方法，雖然可以獲得很好的曲面質(zhì)量，但是增大了曲面和點(diǎn)云之間的誤差。在點(diǎn)云處理階段應(yīng)該耐心的做好降噪、去除界外值等工作，小平面特征階段應(yīng)該努力將產(chǎn)品的表面處理的盡量光滑平順，在重新造型階段應(yīng)該注意面與面的銜接處理，否則將會(huì)給后續(xù)的實(shí)體化過程帶來不必要的工作。系統(tǒng)的闡述了如何進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)。由于初次接觸，經(jīng)驗(yàn)不足，而且本次設(shè)計(jì)不是以精度還原為目標(biāo)，因此設(shè)計(jì)得到的模型和原來模型有比較大的誤差。由于平時(shí)的學(xué)習(xí)教學(xué)安排與課外學(xué)習(xí)，我已經(jīng)進(jìn)行過一些設(shè)計(jì)工作。平時(shí)課堂上所學(xué)習(xí)的知識(shí)大多比較理論化，作為工科的學(xué)生，由于專業(yè)特點(diǎn)自己更要積極查閱前輩的經(jīng)驗(yàn)資料與數(shù)據(jù)。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 42 頁 共 39 頁 致 謝 在論文完成之際，我衷心地感謝我的導(dǎo)師王燕燕對(duì)我的指導(dǎo)，畢業(yè)設(shè)計(jì)中的許多思想和方法得益于指導(dǎo)老師的指導(dǎo)和啟發(fā)，從設(shè)計(jì)選題到論文寫作都傾注了指導(dǎo)老師的巨大心血。 QA9wkxFyeQ^! djsXuyUP2kNXpRWXm Aamp。 gTXRm 6X4NGpP$vSTTamp。