【文章內(nèi)容簡介】 的計算上，因此我們在建立曲面的過程中應(yīng)配合所測量得的數(shù)據(jù)點數(shù)目及精度來決定曲面重建所使用的方法。 2． 4 實體建模 近年來，運用 AutoCAD軟件進(jìn)行二維圖形的設(shè)繪已經(jīng)得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準(zhǔn)確地體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想，而且，二維圖紙無法對設(shè)計對象進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運動分析、公差分析、 以及數(shù)控加工代碼的生成，而這些分析往往是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設(shè)計軟件如 MDT,Solid Works、 ProE、 UG等，都得到了廣泛的應(yīng)用。 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． 5 快速制造 快速原型技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的一項高新技術(shù)，它無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具，快速成型設(shè)備可直接接受產(chǎn)品設(shè)計（ CAD）數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或 10 模型，對促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力有積極推動作用。傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略是規(guī)模效益第一，九十年代以來，已發(fā)展為市場響應(yīng)第一。在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險，成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。近年來，制造業(yè)市場的制造戰(zhàn)略重點正在發(fā)生從成本與質(zhì)量到時間與響應(yīng)的重大轉(zhuǎn)移?？焖賹⒍鄻踊漠a(chǎn)品推向市場是制造商把握市場先機而求生存的重要保障 。 快速成形技術(shù)是集機械、電子、光學(xué)、材料等學(xué)科為一體的先進(jìn)制造技術(shù)之一。 20世紀(jì) 80年代末、 90年代初發(fā)展起來的快速成形（ Rapid Prototypingamp。Manu facturing：RP）技術(shù)，突破了傳統(tǒng)的 加工模式，是近 20 年制造技術(shù)領(lǐng)域的一次重大突破。它與科學(xué)計算可視化和虛擬現(xiàn)實等技術(shù)相結(jié)合，為設(shè)計者、制造者與用戶之間提供了一種可測量、可觸摸的新手段?？焖俪尚渭夹g(shù)可以自動、快速、直接、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)化為具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期，是提高產(chǎn)品質(zhì)量、縮減產(chǎn)品成本的有力工具。它的核心是基于數(shù)字化的新型成形技術(shù)。 RP 系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成形技術(shù)，如：立體光造型（ Stereo lithography： SL）、迭層實體制造（ Laminated Object Manufacturing： LOM）、選擇性激光燒結(jié)（ Selected Laser Sintering： SLS）、形狀沉積制造（ Shape Deposition Manufacturing：SDM）等等。 快速成形術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設(shè)計、醫(yī)療等領(lǐng)域。藝術(shù)、建筑等領(lǐng)域也已開始使用 RP設(shè)備。隨著 RP技術(shù)本身的發(fā)展和完善，其應(yīng)用領(lǐng)域在不斷拓展。 快速制造技術(shù)的優(yōu)越性和特點 ： 制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用； 產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性以及幾何形狀 無關(guān)，在加工復(fù)雜曲面時更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的； 加工周期短，成本低，成本與產(chǎn)品復(fù)雜程度無關(guān)，一般制造費用降低 50%，加工周期節(jié)約 70%以上； 產(chǎn)品的單價幾乎與批量無關(guān)，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn)； 整個生產(chǎn)過程數(shù)字化，與 CAD 模型具有直接的關(guān)聯(lián)，零件可大可小，所見即所得，可隨時修改，隨時制造； 與傳統(tǒng)方法結(jié)合，可實現(xiàn)快速鑄造，快速模具制造、小批量零件生產(chǎn)等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。 快速制 造 技術(shù)周期短、工藝簡單、易于推廣、制模成本低、精度和壽命能滿足某種特 定的功能需要，綜合經(jīng)濟效益良好，是一種快捷、方便、實用的制造技術(shù)，特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)試制、工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產(chǎn)。 目前，大多數(shù)的快速成形制造系統(tǒng)中， 3D的 CAD模型首先要轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn) STL格式模型，即 11 采用所謂面型化 (Tessellation)處理方法對實體曲面進(jìn)行近似處理，用平面三角面片近似模型的表面。這樣處理的優(yōu)點就是大大地簡化了 CAD模型的數(shù)據(jù)格式，以便于后續(xù)的分層處理，為制造過程準(zhǔn)備數(shù)據(jù)。 STL文件格式是由美國 3D System公司于 1987年提出的，由于它在數(shù)據(jù)處理上較簡單，而且與 CAD系統(tǒng)無關(guān)，所以很快發(fā)展為快速成形制造領(lǐng)域中 CAD系統(tǒng)與快速成形機之間數(shù)據(jù)交換的準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)格式。表達(dá)一個三維實體模型的 STL文件是用大量的空間小三角形面片來表示實體模型的表面，如 術(shù)2. 3所示，對每一空間小三角形面片用三角形的 3個頂點坐標(biāo)及三角形面片的法向量來描述，法向量由實體的內(nèi)部指向外部， 3個頂點的次序與法向量滿足右手規(guī)則，如 術(shù)2. 3所示。此外， STL文件中兩個相鄰的三角形只能有一個公共邊。 圖 2. 3 3．逆向工程軟硬件設(shè)備 3． 1 掃描設(shè)備 三維激光掃描技術(shù)，它能夠完整及高精密度的重建實物或?qū)?景、三維實體模型及原始測繪數(shù)據(jù)。最大特點就是：精度高、速度快、逼近原形。 法國 KREON 系列三維激光超高精密度掃描儀 ， （ KREON KZ 50）具有很多優(yōu)質(zhì)：掃描精度極高，這利于將重建內(nèi)容更逼近原形。掃描密度極高，掃描速度極快，這利于快速原形化目標(biāo)、實時掃描、同步移動操作等 。 具有一對 CCD同時同步工作，可無死角的實時掃描任何復(fù)雜目標(biāo)，減少重復(fù)性工作，目前國際同類技術(shù)都是一個 CCD，雙 CCD技術(shù)還利于實時檢測監(jiān)測工作 ,KREON 可以與目前各種三坐標(biāo)測量機、數(shù)控加工中心、機械關(guān)節(jié)臂等配接 ,KREON掃描頭可以 與現(xiàn)有的很多設(shè)備互換使用 ,KREON 激光掃描技術(shù)不同于傳統(tǒng)的光學(xué)照相三維成像技術(shù)， KREON 保證了所有掃描云點的實測性、實時性及真實性，而光學(xué)照相技術(shù)做不到，它是基于少數(shù)測量點并經(jīng)過后處理三維數(shù)學(xué)推算后得到點云 。本次選用的 KREON 系列 中的KZ 50是 近距三維激光掃描系統(tǒng) 。 分辨率可達(dá) 5μm ，速度： 30000點 /每秒， (可借助機械臂或數(shù)控機械平臺掃描任何大小的物體） 。實體如下圖： 12 圖 3. 1 三維激光掃描儀 3． 2 點云曲面處理軟件 目前市面上常用的逆向工程 軟件系統(tǒng)采用的 基本 都是 NURBS曲面，從它們的功 能或操作方法來看，其共同特點是先構(gòu)造曲線，或者是利用曲線直接構(gòu)造曲面，或者是通過曲線界定曲面擬合區(qū)域，先生成曲面片，然后通過拼接構(gòu)成完整的曲面模型。其優(yōu)點是 NURBS 曲面的應(yīng)用在 CAD/CAM 領(lǐng)域內(nèi)相當(dāng)廣泛，因而，這些系統(tǒng)與其它 CAD/CAM系統(tǒng)的通信、交流就十分方便。特征曲線的構(gòu)造在其中起著重要的作用。然而，通過交互定義特征線費事費力，而自動提取的方法在目前仍相當(dāng)有限。 Imageware12主要用來做 逆向 工程，它處理點云數(shù)據(jù)的流程遵循 ， 點 —— 曲線 —— 曲面 的 原則 ，整個 流程簡單清晰 明了 ， 而且 軟件 操作容易，對系 統(tǒng)性能要求也不高。 (一 ) 點 云處理功能 1． 讀入點 云 數(shù)據(jù) ,將分離的點云對齊在一起（如果 有 需要）。有時候由于零件形狀復(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，這就需要移動或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會得到很多單獨的點云。 Imageware12軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點云對齊。 2． 對點云進(jìn)行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具及測量方式的限制，有時會出現(xiàn)一些噪音點， Imageware12軟件有很多工具來對點云進(jìn)行判斷，去掉噪音點，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。 13 3． 通過 可視化點云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構(gòu)成，對于每一個曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構(gòu)成，例如，如果曲面可以直接由點的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 4． 根據(jù)需要創(chuàng)建點的網(wǎng)格或點的分段。 Imageware12軟件能提供很多種生成點的網(wǎng)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。 (二 ) 曲線創(chuàng) 建功能 1． 判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確 通過點云的、也可以是很光順的（捕捉點云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。 2． 創(chuàng)建曲線。根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數(shù)目來調(diào)整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。 3． 診斷和修改曲線。可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變曲線與其他曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。 Imageware12軟件提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。 （ 三 ） 曲面創(chuàng)建 功能 1． 決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準(zhǔn)確的曲面、更光順的曲面，或兩者兼顧。 根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要來決定。 2． 創(chuàng)建曲面。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面（ Fit free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點云和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其他例如 圓角 等 生成 曲面。 3． 診斷和修改曲面。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(jìn)行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調(diào)整曲面的控制點讓曲面更光順，或?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)等處理。 Imageware12是著名的 逆向 工程軟件， 其 廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電 、模具、計算機零部件領(lǐng)域。 而且擁有以上專業(yè)的點云到曲面的造型功能，在進(jìn)行逆向工程時是一個不錯的工具。 3． 3 實體建模軟件 Autodesk公司在 AutoCAD軟件包的基礎(chǔ)上，開發(fā)出了三維實體造型軟件 Mechanical Desktop 簡稱 MDT，在微機上，實現(xiàn)了快捷、精確的三維實體造型。與別的三維設(shè)計軟件不同的是，它基于以被廣大的中國用戶所熟知的 AutoCAD平臺。對于有 AutoCAD二維繪圖軟件使用經(jīng)驗的用戶，學(xué)習(xí)和使用 MDT十分容易。利用它，設(shè)計者在設(shè)計初期能夠很方便地進(jìn)行概念設(shè)計，將主要精力集中在零 件的選型、相關(guān)結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及零件的使用功能上，設(shè)計者們能最大限度的發(fā)揮聰明才智，這一過程在整個設(shè)計過程中，占據(jù)極為重要的作用。完善概念設(shè)計之后，輸出立體效果圖、零件施工圖及系統(tǒng)裝配圖很方便，而且節(jié)約了大量的繪圖時間。 14 MDT軟件包包括零件造型、零件裝配、曲面造型及二維出圖等部分。 MDT軟件的零件造型模塊是基于二維平面特征的三維實體造型工具，能夠非常方便地創(chuàng)建任何復(fù)雜形狀的實體。 基于特征的參數(shù)化零件造型模塊可用已經(jīng)存在的 AutoCAD二維圖形，作為平面草圖，然后通過拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等方法建立三維實體外形?？?對此實體的各個特征用智能化、參數(shù)化的尺寸進(jìn)行約束，通過建立參數(shù)化表來建立零件族。功能如下： 1)草圖特征：由草圖生成實體，支持拉伸、旋轉(zhuǎn)和掃掠。 2)圓角特征：對每一邊可進(jìn)行常值倒圓、變半徑倒圓、可以表示非常復(fù)雜的造型及圓角過渡。 3)孔特征：可鉆沉孔、階梯螺孔、螺紋孔。 4)倒角特征：包括等邊、不等邊及邊長和夾角。 5)切割特征：用曲面可以切割實體。 6)全參數(shù)化特征陣列：可以用數(shù)值和等式及參變量表示陣列特征，并且可隨時對其進(jìn)行修改。 7)參變量技術(shù)：參變量使零件之間建立尺寸連接關(guān)系，具有尺寸連接關(guān)系的所 有零件將自動變化更新。 8)約束類型：幾何形狀、尺寸、參變量約束。 9)工作特征：工作軸、工作點和工作平面。 10)約束技術(shù)：對約束可操作 裝配造型模塊及工程分析模塊能容易地創(chuàng)建和管理包括成百上千個零部件的裝配和子裝配，它使用參數(shù)化的關(guān)系，模擬實際的裝配過程。內(nèi)建的分析工具可計算零件質(zhì)量特性，如質(zhì)心、回轉(zhuǎn)半徑、慣性矩等。能自動地開發(fā)全參數(shù)化的零部件的關(guān)聯(lián)明細(xì)表等，具體功能如下： 1)智能化的裝配約束。 2)裝配文檔管理。 3)材料特性分析。 4)干涉檢查。 與模型關(guān)聯(lián)的工程出圖模塊能通過零件造型和繪圖雙向的關(guān)聯(lián)。 MDT智能地連接三維造型和二維視圖，簡化了工程圖紙的生成過程，從三維造型自動地生成詳細(xì)的二維視圖 —— 軸測、正交投影、剖視等。當(dāng)改變模型尺寸時，所有關(guān)聯(lián)的二維視圖自動地更新，或當(dāng)更改一個二維視圖時，將使得關(guān)聯(lián)的模型及其它的二維視圖也更新。這部分功能包括： 1)完整的模型 —— 圖紙雙向關(guān)聯(lián)； 2)借助 AutoCAD繪圖環(huán)境； 3)自動消隱； 15 4)支持 ANSI、 ISO、 DIN、 JIS繪圖標(biāo)準(zhǔn)； 5)提供各種工程符號、形位公差、表面粗糙度、焊接符號等； 6)參數(shù)化的標(biāo)注功能； 7)視圖生成包括正交投影、軸測圖、輔助 視圖、剖面圖、局部剖視圖、平移剖面圖、斷開圖及用戶自定義圖等。 3． 4 快速成型設(shè)備 本次使用的快速成型機是新加坡的 ZIPPY 1 系統(tǒng) ，它的可成型件最大尺寸為380*280*340。完全滿足我們的要求。實體如下圖： 圖 3. 2 快速成型系統(tǒng) ZIPPY是 首家采用三坐標(biāo)精密伺服電機驅(qū)動、精密滾珠絲杠傳動、精密滾珠直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，機械空運行重復(fù)定位精度為 177。 。采用獨特技術(shù)保證工件 Z方向精度。采用激光切割速度與切割功率的自動匹配控制技術(shù)，硬件實現(xiàn)速度跟蹤，反應(yīng)速度快。采用自動開發(fā)的軟件技術(shù)，具有模擬成 型過程、預(yù)算加工時間、 STL文件檢查、缺陷自動修補、切片、 CLI、SSL輸出、誤差校正、鏤空、分隔、組合的功能。采用激光切口寬度的自動補償軟件技術(shù)。采用輪廓線內(nèi)外自動識別軟件技術(shù)。采用