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正文內(nèi)容

基于proe復(fù)雜曲面模型的逆向工程與制造畢業(yè)設(shè)計(jì)論文(編輯修改稿)

2024-08-05 13:11 本頁(yè)面
 

【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 AD數(shù)據(jù),快速制造或NC加工。目前在點(diǎn)云生成曲面的過(guò)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(lái)描述曲面物體。由于CAD/CAM的發(fā)展,各種自由曲面與自由曲面的理論應(yīng)運(yùn)而生,如Bezier曲面、BSpline曲面、NURBS曲面、Loft曲面(Loft Surface)、構(gòu)造基準(zhǔn)曲面(Construct Surface) 、旋轉(zhuǎn)曲面(Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面(Net Surface)等。由三維掃描儀所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來(lái)建立曲面的方式一般可以分為兩種:一種是以近似的方式、另一種是以插補(bǔ)的方式來(lái)將順序的點(diǎn)數(shù)據(jù)建立成為曲面,以下分別就這兩種方法做一簡(jiǎn)單介紹:1) 近似法(approximation)以近似法來(lái)重建曲面,首先必須先指定一個(gè)容許誤差值(tolerance),并在U、V方向建立控制點(diǎn)的起始數(shù)目,以最小平方法來(lái)擬合出(fit)一個(gè)曲面后將量測(cè)之點(diǎn)投射到曲面上并分別求出點(diǎn)到面的誤差量,控制誤差量至指定的容許誤差值內(nèi)以完成曲面的建立,如果量測(cè)的數(shù)據(jù)很密集或是指定的容許誤差很小,則運(yùn)算的時(shí)間會(huì)相當(dāng)?shù)木?。以近似法?lái)擬合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需要通過(guò)每個(gè)量測(cè)點(diǎn),因此對(duì)于量測(cè)時(shí)的噪聲將有抑除的作用。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。2. 插補(bǔ)法(interpolation)以插補(bǔ)的方式來(lái)進(jìn)行曲面的建立,則是將每個(gè)截面的點(diǎn)數(shù)據(jù),分別插補(bǔ)得到通過(guò)這些點(diǎn)的曲線,再利用這些曲線來(lái)建立一個(gè)曲面。以插補(bǔ)的方式進(jìn)行曲面數(shù)據(jù)建立,其優(yōu)點(diǎn)在于得到曲面一定會(huì)通過(guò)量測(cè)之?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn),因此如果數(shù)據(jù)量大的話,所得到的曲面更近似于原曲面模型,然而也因?yàn)槿绱?,如果量測(cè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)含大量的噪聲則在重建曲面時(shí)大量的噪聲將被含入而產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。所述,以插補(bǔ)法來(lái)重建曲面較佳的使用時(shí)機(jī)是對(duì)于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點(diǎn)群數(shù)據(jù)。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(lái)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(lái)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^(guò)程中應(yīng)配合所測(cè)量得的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目及精度來(lái)決定曲面重建所使用的方法。近年來(lái),運(yùn)用Auto CAD軟件進(jìn)行二維圖形的測(cè)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(jì)者的設(shè)計(jì)思想,而且,二維圖紙無(wú)法對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運(yùn)動(dòng)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(shí)體造型才能滿(mǎn)足這些要求。越來(lái)越多的三維設(shè)計(jì)軟件如MDT, Solid Works、Pro/E、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(duì)于快速制造很必要。 本次設(shè)計(jì)逆向方案的確定目前逆向工程的解決方案主要有以下三大類(lèi):沿襲正向建模思路,從點(diǎn)到線再?gòu)木€到面。這種方案一般處理過(guò)程如下:首先從數(shù)據(jù)點(diǎn)中提取原始物體的截面線、特征線或邊界線,然后采用掃成、蒙皮、裁剪等一系列常規(guī)曲面構(gòu)造方法,得到主要以NURBS取信表示的CAD模型。這是一種直觀的準(zhǔn)逆向工程的思路,適合于簡(jiǎn)單易于構(gòu)建的模型的創(chuàng)建。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。目前主要在復(fù)雜曲面方面得到較多應(yīng)用。通常有兩種表達(dá)方式:一種是用三角Bezier曲面片來(lái)逼近模型,首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角化,然后根據(jù)三角形網(wǎng)格進(jìn)行C2連續(xù)的三角Bezier曲面片插值重建。另外一種是用NURBS曲面表示,通過(guò)用戶(hù)指定重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍,自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分割,由點(diǎn)云數(shù)據(jù)反求NURBS曲面的控制頂點(diǎn)。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。反向提取與正向設(shè)計(jì)結(jié)合:直接由點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取特征參數(shù),在導(dǎo)入Pro/E等通用CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。在本次逆向工程的設(shè)計(jì)中,分析藝術(shù)品烏龜模型后,發(fā)現(xiàn)其較少有規(guī)律可循,致使正向設(shè)計(jì)十分困難進(jìn)行。因此,擬采用完全逆向工程的做法,考慮到精度和其他因素,將結(jié)合完全逆向中兩種做法:首先用三角Bezier曲面片來(lái)逼近模型,然后用NURBS曲面表示,通過(guò)用戶(hù)指定重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍,自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分割,由點(diǎn)云數(shù)據(jù)反求NURBS曲面的控制頂點(diǎn)進(jìn)行逆向。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。在點(diǎn)云預(yù)處理階段擬采用逆向軟件Imageware進(jìn)行處理,主要完成去噪、整理、修整點(diǎn)云的作用。在點(diǎn)云處理階段采用Pro/E中小平面特征模塊進(jìn)行處理,主要在進(jìn)一步深層次的處理點(diǎn)云的基礎(chǔ)上,進(jìn)行消除破洞、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、對(duì)小平面進(jìn)行包絡(luò)處理、小調(diào)粗調(diào)、小平面精調(diào)和精整以及生成集管等工作。曲面重構(gòu)階段主要采用Pro/E中重新造型模塊,擬采用自動(dòng)創(chuàng)建樣條曲面的方式生成樣條曲面,在在此基礎(chǔ)上采用修改數(shù)學(xué)屬性、修改曲面、曲面重新構(gòu)造三種方式對(duì)曲面進(jìn)行調(diào)整修正,以使本次的復(fù)雜曲面達(dá)到需要的精度和構(gòu)思意圖。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(guò)程。 本章小結(jié)本章介紹了復(fù)雜曲面逆向工程的過(guò)程,其包括點(diǎn)云掃描、點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)、實(shí)體建模。其中著介紹了點(diǎn)云處理的一般步驟和曲面重構(gòu)的常見(jiàn)方法。也介紹了在此過(guò)程中應(yīng)該注意的問(wèn)題。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。模型分析→掃描方案確定→進(jìn)行掃描→點(diǎn)云處理→點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→Pro/E小平面特征處理→重新造型特征處理→曲面完成→曲面實(shí)體化→快速成型掃描過(guò)程一般采用三維掃描儀,需在掃描時(shí)需要噴上顯影劑,進(jìn)行多方位掃描,掃描后一般采用surfacer打開(kāi)文件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。這時(shí)可以對(duì)這些局部進(jìn)行補(bǔ)充,即對(duì)這些部分進(jìn)行局部掃描,將點(diǎn)云補(bǔ)充完整。在Imageware13中打開(kāi)后得到如圖 導(dǎo)入后的原始點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行曲面重構(gòu)的第一步。在逆向工程軟件Imageware13中打開(kāi)。該點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在很多的不需要的點(diǎn),為了后面處理方便首先需要把點(diǎn)云中明顯的不需要的點(diǎn)刪除掉。使用 修改抽取圈選點(diǎn) 命令圈選不需要的數(shù)據(jù),以及明顯的噪聲點(diǎn)。在去掉明顯不需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)后,數(shù)據(jù)量還是比較龐大,而且分布不均勻,為了使點(diǎn)的分布比較合理,使用命令 修改數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化距離采樣 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過(guò)濾。過(guò)濾如圖3. 1所示。圖3. 1 過(guò)濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)Imageware類(lèi)型的文件不能直接在其他三維造型軟件中打開(kāi)。為了解決這一問(wèn)題,國(guó)際上出現(xiàn)了一種描述三維幾何的標(biāo)準(zhǔn)格式IGS格式。以這種格式導(dǎo)出的三維模型就可以在其他三維設(shè)計(jì)軟件中繼續(xù)修改了。為了后期的三維模型可以在其他的三維軟件中打開(kāi),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。小平面(Facet)特征是Pro/ENGINEER中一個(gè)主要的點(diǎn)云處理工具,它所針對(duì)的處理對(duì)象通常是采用激光掃描得到的密集點(diǎn)云;密集點(diǎn)云可以在小平面特征中經(jīng)過(guò)去雜、降噪和取樣、補(bǔ)孔和清理等步驟的處理最后生成適合于下一步造型參考的小平面。小平面特征的引入,使得Pro/ENGINEER對(duì)于外部的逆向處理軟件的依賴(lài)大為降低,借助小平面特征,wildfire在根據(jù)密集點(diǎn)云逆向造型的應(yīng)用大為拓寬。打開(kāi)Pro/E,修改工作目錄,新建一個(gè)零件,鍵入文件名,取消選中“使用缺省模版”復(fù)選框,選擇mmns_part_solid選項(xiàng),如圖3. 2所示。 圖3. 2設(shè)置新文件選項(xiàng)單擊菜單欄中“插入”/“小平面特征”命令,在彈出的“打開(kāi)”對(duì)話框中選擇并打開(kāi)要輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù),如圖3. 3所示。 圖3. 3輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖3. 4輸入選項(xiàng)打開(kāi)后,在彈出的如圖3. 3所示的“輸入選項(xiàng)”對(duì)話框中之指定坐標(biāo)系,直接單擊對(duì)話框中的“確定”按鈕以默認(rèn)方式將點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)入小平面特征工作區(qū)域。針對(duì)整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù),單擊工具欄中的“刪除界外值”按鈕,在彈出的 圖3. 5所示的對(duì)話框中輸入靈敏度,單擊“確定”按鈕。系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的靈敏度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并刪除界外值。 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)。單擊工具欄中的“填充”按鈕,在選定區(qū)域?qū)c(diǎn)云進(jìn)行填充處理,即對(duì)點(diǎn)云有破洞的地方進(jìn)行修補(bǔ)。單擊工具欄中的“示例”按鈕,按照一定規(guī)則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)處理,刪除冗余數(shù)。選擇“按曲率抽樣”選項(xiàng),設(shè)定“百分比”為80,如圖3. 7所示。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妗卑粹o,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(guò)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理,以方便后續(xù)調(diào)用。對(duì)點(diǎn)云的處理完成后,就可以進(jìn)入包絡(luò)階段。從表面看包絡(luò)階段和小平面階段并沒(méi)有什么區(qū)別,都是由三角面所組成。區(qū)別在于:包絡(luò)階段包含了所有原始點(diǎn)云的內(nèi)部結(jié)構(gòu),也就是說(shuō)在包絡(luò)階段雖然點(diǎn)云沒(méi)有顯示出來(lái),但在系統(tǒng)內(nèi)部還是保存了這些點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu);而當(dāng)進(jìn)入小平面階段就會(huì)把原始的點(diǎn)云刪掉。單擊工具欄的“包絡(luò)”按鈕,系統(tǒng)將對(duì)處理過(guò)的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三角平面處理。結(jié)果如圖3. 8所示。圖3. 8包絡(luò)處理生成的三角面1) 小平面粗調(diào):此階段可運(yùn)用工具欄中的壓淺、壓深、穿透、去除腹板等命令對(duì)小平面進(jìn)行粗調(diào)處理。粗調(diào)可快速對(duì)三角面模型進(jìn)行修改,但精度不高。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。與粗調(diào)階段相對(duì)應(yīng),小平面精整階段的自動(dòng)化程度較低,但能提供更為精細(xì)的三角面。精調(diào)后,單擊工具欄中的“多面體面”按鈕,即可進(jìn)入小平面處理階段。選中需要?jiǎng)h除的小平面,單擊工具欄中的“刪除”按鈕,即可刪除多余的小平面。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
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