防毒面具模具曲面造型大学论文.doc

目 录
1 引言………………………………………………………………………………1
2 概述…………………………………………………………………………………3
2.1 逆向工程原理……………………………………………………………………3
2.2 逆向工程特点……………………………………………………………………4
2.3 逆向建模的一般流程……………………………………………………………4
2.4 逆向工程的应用领域……………………………………………………………5
2.5 逆向工程软件对比………………………………………………………………6
3 逆向工程一般步骤………………………………………………………………6
3.1 实体三维数据的获得——扫描…………………………………………………6
3.2 点云处理…………………………………………………………………………8
3.3 曲面重构…………………………………………………………………………8
3.3.1 曲线、曲面分类………………………………………………………………9
3.3.2 建立曲面的方法……………………………………………………………11
3.4 实体建模………………………………………………………………………12
4 逆向工程软硬件设备……………………………………………………………13
4.1 扫描设备………………………………………………………………………13
4.2 点云曲面处理软件……………………………………………………………13
4.2.1 点云处理功能………………………………………………………………14
4.2.2 曲线创建功能………………………………………………………………14
4.2.3 曲面创建功能………………………………………………………………14
4.3 实体建模软件…………………………………………………………………15
5 建立模具曲面具体步骤…………………………………………………………16
5.1 模具曲面的建立流程…………………………………………………………16
5.2 轮廓线提取……………………………………………………………………16
5.3 点云数据分析…………………………………………………………………16
5.4连接边界点……………………………………………………………………17
5.5建立第一基本曲面……………………………………………………………17
5.5.1 建立控制曲线………………………………………………………………18
5.5.2 曲率梳分析…………………………………………………………………19
5.5.3 光顺曲线……………………………………………………………………19
5.5.4 扫描曲面……………………………………………………………………20
5.6 建立第二基本曲面……………………………………………………………21
5.7建立第三基本曲面……………………………………………………………23
5.8 剪裁第三曲面…………………………………………………………………23
5.9 缝合曲面………………………………………………………………………24
5.10 曲面连续性分析………………………………………………………………24
5.11 提取截面线……………………………………………………………………25
5.12曲面二维视图…………………………………………………………………25
5.13曲面加工………………………………………………………………………25
6 结论………………………………………………………………………………37
参考文献……………………………………………………………………………38
致谢…………………………………………………………………………………41
1 引言
在产品的开发及制造过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但是，由于种种原因，仍有许多产品并非由CAD模型描述，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径，将这些实物转化为CAD模型，使之能利用CAD、CAM等先进技术进行处理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型技术相关的技术，已发展成为CAD、CAM中的一个相对独立的范畴，称为“反求工程（Reverse Engineering）[1]。通过反求工程复现实物的CAD模型，使得那些以实物为制造基础的产品有可能在设计与制造的过程中，充分利用CAD、CAM等先进技术。由于反求工程的实施能在很短的时间内准确、可靠地复制实物样件，因此反求工程成为当前企业先进制造技术的热门话题之一[2]。
世界各国在其经济技术发展工程中，都非常重视应用反求工程对国外的先进技术进行引进和研究工作，并都取得较显著的效果[3]。目前国外不同种类的RE测量设备已进入我国市场，如英国3D-Scanner公司的激光扫描测量仪、美国“Laser Design" Surveyor1200立体激光扫描系统、德国GOM公司的ATOS测量仪等。这些测量设备功能较完善，但价格相当昂贵[4]。随着我国经济的稳步发展，社会主义市场经济体制的逐渐完善，以及WTO的加入，企业将面临空前激烈的国内、国际市场竞争。在机械、汽车、家用电器、轻工等行业中产品寿命周期越来越短，更新换代越来越快，因此要求整个设计开发和生产制造系统都要缩短周期。我国制造业在国际市场上的竞争能力仍然较差，其主要原因之一就是对市场快速反应能力差，交货期长[5]。因此，RE技术的研究与应用引起我国政府、企业、高校的高度重视。如浙江大学、华中科技大学、南京航空航天大学、西安交通大学、北京理工大学等开展了反求工程的研究与开发，并取得了一定的成果，如浙江大学推出了RE-SOFT反求软件系统[6]。目前，国外已有商品化的反求工程软件可供用户进行反求模型的重构，如：美国SDRC公司的IMAGEWARE SURFACER、英国RENISHAW公司的TRACE。此外，一些主流CAD/CAM软件系统中也开始集成反求工程模块，如：UG/Quick shape、PRO/E中的PRO/ICEM SURF、PRO/DESIGNER 、PRO/SCANTOOLS、CIMATRON中的REVERS ENGINEERING等[7]。利用一些非专业的逆向设计软件（如：UG、Pro/ENGINEER、CATIA等）和一些专业的逆向设计软件（如：Surfacer、CopyCAD、Trace等）进行逆向造型是现阶段反求工程在企业应用的典型例子[8]。
2 概述
2．1 逆向工程原理
在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题[10]。
随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工业模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在CAD领域，这就是所谓的逆向工程[11]。
2．5 逆向工程软件对比
专业反求软件在点、线及面的处理方面功能较强大，且曲面重建速度较快[17]。但在功能覆盖域、自动化程度、稳定性、与其他CAD 系统的兼容性等方面还不够成熟，特别是实际造型结果并不十分理想，也无法做到类似于CAD 软件的特征建模和参数化，实现模型的任意修改非常困难。这些问题制约了专业反求软件的推广使用。与专业软件相比，UG 等通用CAD 软件在进行线、面重建时的步骤和工作量稍多一些，但由于这些软件的CAD 功能模块很强大，可方便地利用反求得来的曲面进行零件设计和模具设计，还可以利用其自身的CAM 功能对零件直接进行加工，因此这些软件也在反求工程中得到了广泛的应用。另外，通用CAD 软件所需的测量数据点较少，可利用三坐标测量机作为测量设备，这也大大扩展了其应用的方便性[18]。因此，目前工程实际中，国内大部分企业和科研院所将三坐标测量机的测量数据输出为igs 或dxf 格式，直接导入到通用CAD 软件如UG 中进行线面重构和模型重建[19]。
应用UG 软件进行反求建模一般遵循点→线→面→体的原则。构建良好的整体模型取决于曲线、曲面整合发展环境的优劣[20]。所以，对于曲线的建立与编辑，使其能与曲面构建功能相整合，是重建原始模型的关键之一。UG 软件可参数控制的由点构线方法主要有“过点法”（Through Points）和“拟合法”(Fit)。对于本次设计主要采用“过点法”，然后对曲线再进行编辑与光顺。这样既保证了曲线与原先数据点的误差，又可以保证曲面的连续性[21]。
3 逆向工程一般步骤
3．1 实体三维数据的获得——扫描
在进行逆向工程时，三维扫描是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法[22]。原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。
三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标[23]。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段[24]。高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着巨大作用。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与CAD/CAM软件接口，在CAD系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期[25]。
三维扫描设备是以三次元测量系统为主。基本上以接触式(探针式)和非接触式（激光、照相、X光等方式）两大类[26]。在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度。激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建[27]。三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见下图（图3.1）：
4 逆向工程软硬件设备
4．1 扫描设备
三维激光扫描技术，它能够完整及高精密度的重建实物或实景、三维实体模型及原始测绘数据。最大特点就是：精度高、速度快、逼近原形。
法国KREON 系列三维激光超高精密度扫描仪，（KREON KZ 50）具有很多优质：扫描精度极高，这利于将重建内容更逼近原形。扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等。具有一对CCD同时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个CCD，双CCD技术还利于实时检测监测工作,KREON可以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接,KREON扫描头可以与现有的很多设备互换使用,KREON激光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术，KREON保证了所有扫描云点的实测性、实时性及真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云。本次选用的KREON 系列中的KZ 50是近距三维激光扫描系统。分辨率可达5μm，速度：30000点/每秒，(可借助机械臂或数控机械平台扫描任何大小的物体）。
4．2 点云曲面处理软件
目前市面上常用的逆向工程软件系统采用的基本都是NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，其共同特点是先构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区域，先生成曲面片，然后通过拼接构成完整的曲面模型。其优点是NURBS曲面的应用在CAD/CAM领域内相当广泛，因而，这些系统与其它CAD/CAM系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。然而，通过交互定义特征线费事费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。Imageware12主要用来做逆向工程，它处理点云数据的流程遵循，点——曲线——曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作比较容易，对系统性能要求也不高。
4.2.1 点云处理功能
1．读入点云数据,将分离的点云对齐在一起（如果有需要）。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。Imageware12软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。
2．对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点， Imageware12软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。
3．通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。
4.2.2 曲线创建功能
1．判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。
2．创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
3．诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。
4.2.3 曲面创建功能
1．决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。根据产品设计需要来决定。
2．创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（可以用曲线通过曲线网格、通过曲线组、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其他例如圆角等生成曲面。
3．诊断和修改曲面。比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改。
5 建立模具曲面具体步骤
5.1 模具曲面的建立流程
点云处理→点云数据过滤→点云分割→曲线建立→曲线分析→曲线极点编辑→曲线光顺，曲面建立→过渡曲面建立→多余部分裁剪→曲面缝合→曲面连续处理→曲面质量检查。
5.2 轮廓线提取
基于专业逆向IMAGEWARE这个软件，可以把点云对齐，通过点云砍线提取点云轮廓。打开点云→应用interactive cloud cross sections命令进行砍线，砍取点云的轮廓线，如图5.1所示。

图5.1 轮廓线
6 结论
逆向工程技术在产品开发中是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。本次对防毒面具曲面的重建，采用了基于UG软件的逆向重构，并分析和尝试了各种重建曲面的方法和适合情况，使我对逆向工程（reverse engineering）有了更加全面的理解，而且还对Unigraphiics NX软件有了一个更深一步的了解，对其功能有了更进一步的掌握。
逆向技术作为一种新型的技术，有其独特的优点。尤其是在产品开发过程中可以准确的复制原型实体，可以缩短产品开发的周期，降低开发成本，它已经被应用于许多制造企业。又由于逆向技术不但能利用一些测量设备准确快速的构建产品的CAD模型并且更注重产品的创新。因此逆向工程更能适应现代市场的需求。
从现在来看毕业设计的整个过程，其实可以利用更好的构造面的方法，比如通过网格曲面，由于它能在横向和纵向很好的控制曲面曲率的变化，并可以设置使曲面靠近点云一侧，这样会使误差减小很多，但也存在一个问题就是要减小两相交曲线的误差，使它们的相交误差在系统默认的范围之内，这样会得到精度很高的曲面，这种方法有待于继续研究。
由于初次接触，经验不足，而且本次设计不是以精度还原为目标，因此设计得到的模型和原来模型有比较大的误差。而且用通过曲线网格形成曲面时，两曲线的相交误差0.72大于系统默认的误差，但整体曲面的连续性也基本达到了要求。

本团队全部是在读机械类研究生，熟练掌握专业知识，精通各类机械设计，服务质量优秀。可全程辅导毕业设计，知识可贵，带给你的不只是一份设计，更是一种能力。联系方式：QQ712070844，请看QQ资料。

参 考 文 献
[1] 金涛，童水光.逆向工程技术.北京:机械工业出版社,2003:1～229
[2] 柯映林.反求工程CAD建模理论、方法和系统.北京:机械工业出版社,2005:1～143
[3] 栗全庆, 李 明. 反求工程中的特征建模技术分析[J]. 机床与液压, 2001(2): 69-71.
[4] Ching-Chih T, Ming-Chih H. The processing of data points basing on design intent in reverse engineering[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture 2000, 40(10):1913-1927
[5] 马淑梅.逆向工程与计算机辅助产品创新[J].机械设计与制造，2005（5）：160～162
[6] 谢龙汉.曲面造型.北京：人民邮电出版社，2006：1～286
[7] 洪雪等.UG NX3.0入门与提高.北京：清华大学出版社，2006：1～292
[8] 单岩,吴立军.三维造型技术基础.北京:清华大学出版社,2004:23～206
[9] 钟纲. 曲线曲面重建方法研究.浙江大学博士学位论文.2002:1～36
[10] 刘军,王荣霞.UG软件在逆向工程中的应用.机械工人.2005,(2):28～29
[11] Park H, Kim K. Smooth surface approximation to serial cross-sections
[J]. Computer-Aided Design,1996,29(12): 995-1005
[12] 姜元庆,刘佩军.UG/Imageware 逆向工程培训教程.北京:清华大学出版社,2003:303～323
[13] 高勇.数控加工.北京：人民邮电出版社，2006：1～262
[14] 刘 涛，陈邦道，苏家强．反求工程技术及应用研究.《装备制造技术》杂志，2006第4期
[15] Au C K, Yuen M M F. Feature-based reverse engineering of mannequin for garment design.Computer-Aided Design, 1999, 31(12):751-759
[16] 李梦群，庞学慧，吴伏家.先进制造技术，北京，中国科学技术出版社，2005
[17] 杜永平，滕启.反求工程技术.起重运输机械，2003(1):1～4
[18] 3 Saeid M. Review of Reverse Engineering Approaches. Computes Industry Engineering, 1998,35(1):22～2
[19] 齐从谦，陈亚洲，甘屹等.反求工程中复杂曲面数字化重构关键技术的研究[J].机械工程学报，2003，39（4）.
[20] B.D.Yang， C.H.menq. Characterization of 3d contact kinematics and prediction of response of structures having 3d frictional constraint[J]. Journal of Sound and Vibration ， 1998，217（5）.
[21] 金　涛,单　岩,童水光. 实物测量造型中的测量数据重定位方法[J ] . 计算机辅助设计与图形学学报,2001 ,13 (4) :315 - 318.
[22] 张巨香. 反求工程在模具制造中的应用[J ] . 机械工人(冷加工) ,2002 , (11) :46 - 47.
[23] Benko P, Varady T. Segmentation methods for smooth point regions of conventional engineering objects. Computer-Aided Design, 2004, 36:511-523
[24] 种永民，杨海成，王争鸣等，测量造型技术中的散乱数据规则化处理方法[J].西北工业大学学报，1999，17（4）
[25] 李江雄，柯映林，基于实物的复杂曲面产品反求工程中的CAD建模技术[J].中国机械工程，1999，10（4）
[26] 柯映林,范树迁. 基于点云的边界特征直接提取技术[J ] . 机械工程学院,2004 ,40 (9) :116～120.
[27] 胡鑫，习俊通，金烨.反求工程中散乱点云数据的自动分割与曲面重构[J].上海交通大学学报，2004，38 （ 1）.
[28] 应华. 基于UG软件实现产品三维建模的方法[J ] . 山东科技大学学报(自然科学版) , 2002 ,21(4) :79 - 80.
[29] Benko P, Andor L, Kos G, Martin RR, Varady T. Constrained fitting in reverse engineering.Computer-Aided Geometric Design, 2002,
19:173-205
[30] UG逆向造型的一般方法和技巧. http :/ / manufacture. htmlnews/ 2003/ 06/ 02/ 6916. htm. (编辑　江复)
[31] 陈君梅, 邓学雄, 周 敏. 基于UG软件的反求数据处理[J]. 工程图学学报, 2005, 26(4): 24-30.
[32] 张方瑞. UG NX 入门精解与实战技巧(第1版) [M].北京: 电子工业出版社, 2003. 49-121.
[33] Jeong J, Kim K, Park H, et al. B-spline surface approximation to cross-sections using distance maps [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 1999, 15(10):876-885
[34] 张 伟，姜献峰，马亚良，孙 毅《逆向工程误差剖析与质量控制》 浙江工业大学
[35] Thompson W B, Owen J C, Stark S R, et al. Feature-based reverse engineering of mechanical parts. IEEE Transactions on Robotics and
Automation, 1999, 15(1):57-66