数字化设计与制造-范例4.doc

数字化设计课程设计
数字化设计课程设计

学 院：机械电子工程学院
指导教师：鲁 聪
学 生：汪 洋 201222080108
朱新朝 201222080604
于海涛 201222080614

目录
前言 3
第一章 鞋子传统加工工艺 3
1.1材料介绍 3
1.2男士凉鞋有限元分析 3
1.2.1受热分析 3
1.3女式凉鞋有限元分析 3
1.3.1受力分析 3
1.3.2热分析 3
第二章 鞋底原形件表面逆向工程研究 3
2.1引言 3
2.2逆向工程技术 3
2.2.1概述 3
2.2.2逆向工程系统 3
2.2.3逆向工程研究现状 3
2.2.4逆向工程技术的应用 3
2.2.5相关软件的介绍 3
2.3鞋底原形件的逆向工程研究 3
2.3.1测量方法研究 3
2.3.2测量设备及测量方法 3
2.3.3鞋底三维点群数据的获取以及曲面的重构 3
2.4本章小结 3
第三章 仿生类比信息的提取与仿生改形鞋底试件的快速原型制造 3
3.1非光滑形态选取的仿生学基础 3
3.2仿生类比信息的提取 3
3.3快速原型制造技术 3
3.3.1概述 3
3.3.2基本原理 3
3.3.3主要分类 3
3.4仿生改形鞋底试件的加工 3
3.4.1快速原型制造设备的选择与介绍 3
3.4.2计算机三维改形建模 3
3.4.3仿生改形鞋底试件加工 3
3.5本章小结 3
参考文献 3

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前言
近些年来，随着人们生活水平的提高，人们对鞋子的要求也越来越高了。为了满足人们既对外观款式的要求，又对舒适度的要求，对鞋子的快速研发渐渐受到企业的重视。现代制造业也正是在这种背景下如雨后春笋般得到了蓬勃发展。它要求现代信息技术与传统制造业相结合，采用CAD/CAE/CAM/CAPP技术，充分发挥它们各自的优点，从而满足现代制造业的需求。鞋子的快速研发与制造也是在此前提下得以实现的。
第一章 鞋子传统加工工艺
1.1材料介绍
1、乙烯醋酸乙烯共聚物和聚氯乙烯
乙烯／醋酸乙烯酯共聚物（又称乙烯／乙酸乙烯酯共聚物），是由乙烯（E）和乙酸乙烯酯（VA）共聚而制成，英文名称为：Ethylene Vinyl Acetate，简称为EVA，或E/VAC。
2、特性
乙烯／醋酸乙烯酯共聚物的特点是具有良好的柔软性，橡胶一样的弹性，在-50℃仍能具有较好的可绕性，透明性和表面光泽性好，化学稳定性良好，抗老化和耐臭氧强度好，无毒性。与填料的掺混性好，着色和成形加工性好。
它在常温下为固体，加热融熔到一定程度变为能流动，并具有一定黏度的液体。
3、用途
一般情况下，乙酸乙烯酯含量在5%以下的EVA，其主要产品是薄膜、电线电缆、LDPE改性剂、胶黏剂等；乙酸乙烯酯含量在5%~10%的EVA产品为弹性薄膜等；乙酸乙烯酯含量在20%~28%的EVA，主要用于热熔黏合剂和涂层制品；乙酸乙烯酯含量在5%~45%，主要产品为薄膜（包含农用薄膜）和片材，注塑、模塑制品，发泡制品，热熔黏合剂等。
乙酸乙烯共聚物，高分子材料。常用于慢跑、慢步、休闲鞋、足训鞋中底。
 优点：轻便、弹性好、柔韧度好、不易皱，有着极好的着色性、适于各种气候。
缺点：易吸水，不易腐蚀不利环保、易脏。
4、EVA属性
表1 材料属性

比热
密度
传热系数
Eve发泡橡胶

40
0.69

1.2男士凉鞋有限元分析
鞋有很多不同的材料组成，在本文中主要进行鞋的热分析，而除鞋底外，其他部分在分析中对结果影响很小，因而本文分析以鞋底为主，不考虑其他部分。
鞋底材料有很多种，现下在凉鞋，休闲鞋类的多用EVA，这种具有材料抗腐蚀性，高弹性，轻柔和良好的着色性能。
本文对鞋底进行热分析，主要是验证运用这种材料的鞋，在高温的地面上行走时，是否会因为传热的原因，使得人的脚面应长期接触而感到不适。
本文有限元分析采用ANSYS10.0软件，在ug中进行鞋底的三维建模，然后导入ANSYS中进行鞋底的热分析。
在本文中，主要是研究鞋底的热传导问题，在分析过程中简化鞋底的模型，材料选择EVA发泡橡胶，并假设：
（1） 鞋底材料是均匀等向的。
（2） 在一定程度上，数值可能会有较大的误差，具体的数据结果可能无法到达或不够精确，但可以通过定性来研究。
1.2.1受热分析
1.有限元模型建立
在整个有限元分析过程中最重要的环节是有限元前处理模型的建立，这过程一般包括几何模型的建立，网格划分，载荷与约束的添加和材料的定义等。他对后期分析求解有着直接的影响，影响仿真的精度和效率。建模的基本原则是保证建模的准确性。为保证计算精度，模型必须能够如实反映鞋底的几何特征和力学性能。为提高模拟计算的效率，在建模时还必须考虑单元类型，数量和质量等因素。
由于三维建模是在ug中完成的，然后保存为igs文件让后导入ANSYS的，各种数据和模型在前面建模中已有详细描述，这里就不多赘言。模型如下图1-1所示：
图1-1 UG建模
建模的原则：
（1） 在保证计算目的和精度条件下，适当的简化模型；
（2） 合理的选择单元类型，减少输入数据量和计算时间；
（3） 合理的控制单元大小，相应分配模型单元数。
模型导入Ansys中如下图1-2所示：
图1-2 导入后模型
确立分析类型为热分析：
GUI：main menu>preferencse
在弹出对话框中选取Thermal项，确定分析类型为热分析。
图1-3定义分析类型

2.单元类型的选择，单元属性的定义
体单元的选择应该从精度、效率以及对几何模型面进行离散化时的方便性和准确性加以考虑。ANSYS软件中提供了多种体单元类型，鞋底模型有限元分析采用三角形和四边形体单元。
从几何模拟角度看，采用三角型单元进行空间型面离散话较为灵活、方便、准确，其易于逼近复杂的过度面，在许多CAD/CAM软件中常常采用三角型模单元，用作基本的离散化单元，但在有限元分析中，三角形单元的计算精度和准确度较差。
对单元进行定义，包括单元类型，实常数、材料特性等。一旦建立了单元属性后就可以指定模型不同的部分的属性。在Element Types中个可以定义单元类型。
GUI：main menu>preprocessor>element type>add/edit/delete
在elements Types中选中Thermal Solid/Brick 8node 70
图1-4定义单元属性

GUI：main menu>preprocessor>material props>material models
在material models available中选中Thermal/Conductivity/isotropic
在temperature kxx中填入材料的传热系数0.69.
图1-5定义材料属性
3.网格划分
网格划分，由于鞋底模型结果简单，并且在热分析中鞋底面约束面积较大，可以直接采取自动分网。
GUI：main menu>preprocessor>meshing>mesh tool
在mesh tool中直接点击mesh键选取整个模型进行自动分网。

图1-6网格划分
4.施加载荷
有限元分析的主要目的是检查结构或构件对一定载荷条件的响应。
因此，在分析中指定合适的载荷条件是关键的一步。在ANSYS程序中，可以用各种方式对模型加载，而且借助于载荷步选项，可以控制在求解中载荷如何使用。
热分析用于计算一个系统或部件的温度分布及其它热物理参数如热量的获取或损失、热梯度、热流密度热通量〕等。热分析在许多工程应用中扮演重要角色如内燃机、涡轮机、换热器、管路系统、电子元件等
本文进行稳态传热：系统温度场不随时间变化。
ANSYS热分析基于能量守恒原理的热平衡方程用有限元法计算各节点的温度并导出其它热物理参数。
本文分析模型主要运用热传导进行热的传递。热传导：热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能的交换。热传导遵循付里叶定律：，式中q”为热流密度（W/m2），
k为导热系数W/m-℃， “-”表示热量流向温度降低的方向。
本文中，鞋底与地面接触，晴朗夏日一般水泥路面温度大概在60度左右，本文中取60度。环境温度选取30度。
GUI:main menu>solution>define loads> apply>thermal〉temperature>on areas
选择温度TEMP，输入温度60
图1-7温度施加
GUI：main menu>solution>define loads>apply>convection>on areas
选择行定义外表面和设置对流系数为0.56和流体的温度调到30。
求解：GUI：main menu>solution>solve>current ls

图1-8 对流载荷

5.结果分析
显示温度分布云图
GUI：main menu>general postproc>plot results>contour plot>nodal solu
选择DOF solution/Nodal temperatuue
图1-9 温度分布云图
显示热流量分布图
GUI：main menu>general postproc>plot results>vector polt>predfinde
选择flux&gradient>thermal flux
图1-10热流量分布图
从图1-9、1-10可以得出，在环境温度为30度、地表温度为60度时，人穿这这种鞋的鞋底在路面上行走是不会对些本身和人的脚造成损害的。

1.3女式凉鞋有限元分析
1.3.1受力分析
下面介绍女士凉鞋的分析过程，其过程与男士凉鞋基本相同。由于一般凉鞋所用材料为pvc（聚氯乙烯）,其为塑性材料，所以只能进行非线性分析。
1、结构非线性分析概述
当载荷引起结构刚度的显著改变时，则结构是非线性的。在日常生活中，经常会遇到结构非线性。例如，如果你在一个木架上放置重物，随着时间的推移木架将越来越下垂。当在汽车或卡车上装载货物时，它的轮胎和下面路面间接触面将随货物重量而变化。如果将上述例子的载荷变形曲线画出来，用户将发现它们都显示了非线性结构的基本特征—结构刚度改变。
引起结构非线性的原因很多，它可以被分成三种主要类型：状态改变、几何非线性、材料非线性。
（1）状态变化(包括接触)
许多普通结构表现出一种与状态相关的非线性行为。例如，一根只能拉伸的电缆可能是松的，也可能是绷紧的。轴承套可能是接触的，也可能是不接触的。冻土可能是冻结的，也可能是融化的。这些系统的刚度由于系统状态的改变而变化。状态改变也许和载荷直接有关(如在电缆情况中)， 也可能由某种外部原因引起(如在冻土中的紊乱热力学条件)。 接触是一种很普遍的非线性行为。接触是状态变化非线性中一个特殊而重要的子集。
（2）几何非线性
如果结构经受大变形，它几何形状的变化可能会引起结构的非线性响应。一个例子是 图10所示的钓鱼杆。随着垂向载荷的增加，杆不断弯曲以致于力臂明显地减少，导致杆端显示出在较高载荷下不断增长的刚性。几何非线性的特点是大位移、大转动。

图1-11 钓鱼竿非线性示例
（3）材料非线性
非线性的应力─应变关系是结构非线性行为的常见原因。许多因素可以影响材料的应力─应变性质，包括加载历史(如在弹─塑性响应情况下)、环境状况(如温度)、加载的时间总量(如在蠕变响应情况下)。
由于所建模型在Ansys经典界面中无法生成体，也就是说由于ug所建模型与Ansys无法实现很好的衔接，所以采用Workbench进行有限元静态受力和稳态受热分析。
在Mechanical模块下，其求解步骤包括：
1、建立有限元模型，设置材料属性。
2、对于组建需要定义接触区域。
3、定义网格控制并划分网格。
4、施加载荷和边界条件。
5、对问题进行求解。
6、进行结果评价和分析。
具体步骤如下：
1、启动Ansys Workbench进入主界面。设置模型单位。
2、选取静力分析模块。把实体模型导入Workbench中，导入后模型如下图1-12所示

图1-12
2、添加模型材料属性
（1）设置材料参数
双击A项目中的A2栏Engineering Data项，进入材料参数设置界面，在该界面下即可进行材料参数设置。
由于材料库中没有PVC，所以首先新建材料PVC。需要设置的参数有材料密度Density，各向同性弹性Isotropic Elasticity和弹性模、泊松比以及应力应变的关系表。设置后的结果如下图1-13：
图1-13
（2）为模型添加材料
1） 双击项目管理区项目A中的A4栏Model项，进入Mechanical界面，在该界面下可以进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
2）选着Mechanical界面左侧分析树中的solid，在参数列表中修改模型的材料为聚氯乙烯。
3、划分网格
1）选中分析树中的Mesh，单击Mesh工具栏中的网格控制选项的Sizing命令和Method命令，进行网格尺寸和单元类型的选择。
2）求解载荷步数的设置。这是非线性分析不同于线性分析的地方。
4、施加载荷和约束
（1）选中分析树中的Static Structural(B5)项，单击约束中的固定约束命令，为模型添加固定约束，如下图1-14：

图1-14
（2）在鞋底上面上施加载荷，假设前端和后端面压力都为，中间部分压力为100pa。施加压力后的受力图为图1-15和图1-16：
图1-15
图1-16
5、结果后处理（设置求解项）
分别单击选取等效弹性应变、总变形、等效应力作为输出结果。
6、求解并显示结果
（1）等效弹性应变如图1-17：

图1-17
（2）总变形如图1-18：

图1-18
（3）等效应力如下图1-19：
图1-19
由图可知最大等效弹性应变为，发生在鞋跟最后面的下部。最大总变形发生在鞋跟最后面的上部，大小为0.0034454mm。最大等效应力发生在鞋跟最后面的下部，大小为0.13431mpa。因此，可以得出结论，女式凉鞋鞋跟处是需要做结构优化的，可以把鞋跟的上下部柱体做得相差不大，不过，由于此变形很小，所以对鞋跟的强度影响不大，并且考虑到当人踩到鞋子后鞋子要有一定的变形才能使人感觉着不至于太硌脚，所以不进行优化也行。
1.3.2热分析
热分析包括热传导、热对流、热辐射三种传热方式。
1、热传导
热传导可以定义为完全接触的两个物体之间或一个物体的不同部分之间由于温度梯度而引起的内能交换。
2、热对流
热对流是指固体的表面与它周围接触的流体之间，由于温差的存在引起的热量交换。热对流可以分为两类：自然对流和强制对流。
3、热辐射
热辐射是指物体发射电磁能，并被其他物体吸收转变为热的热量交换过程。物体温度越高，单位时间辐射的热量就越多。热传导和热对流都需要有传热介质，而热辐射无须任何介质。
热分析大致可以分为一下步骤：
1、建立有限元模型，设置材料特性。
2、施加热载荷和边界条件。
3、定义接触区域。
4、定义网格控制并划分网格。
5、 对问题进行求解。
6、 进行结果评价和分析。
针对本问题的具体步骤如下：
1、运行Ansys Workbench并建立热分析项目。
2、导入几何体，并生成所分析几何体。检查几何体是否有导入数据丢失，若有则需对几何体进行修改，否者返回主页面。
3、双击项目A中的A2栏Engingeering Data项，进入材料参数设置面，在该界面下即可进行材料参数的设置。这里也是需要建立PVC的材料特性参数，有热导率。设置后的界面如图1-20：

图1-20
4、添加模型材料属性
双击项目管理区中项目B的B4栏中的Model项，进入Mechanical界面，在该界面下即可进行网格的划分、分析设置、结果观察等操作。
在该界面下首先设置分析单位。而后为模型添加材料PVC。
5、划分网格
选中分析树中的Mesh项，进行网格尺寸控制和单元类型的设置，之后进行网格划分。划分后的网格模型如下图1-21：
图1-21
6、施加载荷和边界条件
为模型施加温度载荷Temperature和热交换条件Convection。
7、求解并显示求解结果
温度分布云图如下图1-22：
图1-22
总热通量分布云图如下图-23：
图1-23
由上图可以看出鞋底上表面温度最高为35度左右，不太适宜穿着，因此再加厚此鞋的鞋底，经再次分析得出结果基本符合要求。

44

第二章 鞋底原形件表面逆向工程研究
为了完成对优选出的鞋底原形件进行仿生改形工作，需要首先对其进行逆向工程处理，本章主要介绍了逆向工程的总体研究情况以及鞋底复杂曲面的逆向重构建模过程。
2.1引言
传统的工业产品开发都遵循严谨的研发程序,从功能的确认与规格的制定开始，来构思产品的零部件需求，再由各个组件的设计、制造以及检验零部件组装、整机检验、性能测试等程序来完成。这种开发的模式即为顺向工程(Forward Engineering)。对某一产品的开发来说，其顺向工程的流程，如图2-1所示。

图 2-1 顺向工程开发流程图

然而，当在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，需要按照现有零件的模型(称为零件原形)，利用各种数字化技术及CAD技术重新构造原形CAD模型，这时就需要进行逆向工程(Reverse Engineering)建模过程。逆向工程技术广泛应用于飞机、汽车、模具等制造领域。特别是一些复杂型面零件的设计和加工，例如，轮船和潜水艇的推进螺旋桨、汽车的外壳和柴油机的进排气道等。对于一些只有产品原形或实物模型，而没有产品图纸资料的情况下进行设计和制造，有着特别重要的价值。
2.2逆向工程技术
2.2.1概述
从实物模型建立三维计算机模型称为逆向工程[[1]郭朝勇.自由曲面的一种逆向工程方法[J].太原重型机械学院报,1999,20(1):7-11.
]，指基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，进而通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近和修改。主要包括四个步骤[[2]张宇,范宇,初学丰.逆向工程技术原理及其关键技术[J].昆明理工大学学学报报,1999,24(4):42-46.
[3]刘影.反求工程与现代设计[J].机械设计,1998,2:1-4.
]：
1、对象数字化(Object Digitalization)。利用相关测量设备，根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据，并将测量结果以文件方式存储。
2、对象的模型重构(Object Modeling)。根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD模型，并在产品对象分析和插值检测后，对模型进行逼近调整和优化。
3、对象分析(Object Analysis)。将模型和设计表征用于产品的面分析、有限元分析和工艺分析，并将分析结果以文件等方式存储，以备其它模块检索调用。
4、对象加工(Object Manufacturing)。指根据分析结果生成加工代码，并在具体的加工设备上将对象加工出来。对某一产品来说，其逆向工程开发包括逆向建模阶段和产品功能创新设计阶段，流程如图2-2所示。

图2-2逆向工程开发流程图

2.2.2逆向工程系统
逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来，然后再以取得的各点数据进行曲面处理及加工成型。建立一套完整的逆向工程系统，需要有下列基本配备：
1、测量探头。有接触式（触发探头、扫描探头）和非接触式（激光位移探头、激光干涉仪探头[[4]许智钦,孙长库编著.3D逆向工程技术[M].北京:中国计量出版社出版,2002,2-10.
][[5]金国藩,李景镇.激光测量学[M].北京:科学技术出版社,1998.
]、线结构光及CCD扫描探头、面结构光及CCD扫描探头）两种。
2、测量机。有三坐标测量机、多轴专用机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等[[6]孙长库,叶声华编著.激光测量技术[M].天津:天津大学出版社,2001.
]。
3、点群数据处理软件。由坐标测量机得到的外形点数据，在进行CAD模型重建之前必须进行格式转换、噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插值补点等数据处理。
4、模型重建软件（CAD/CAM）。模型重建软件包括三类，一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，如Solidworks、Grade等，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件，如集成有Scan-Tools模块的Pro/Engineer、集成有点云处理和曲线、曲面拟合、快速造型功能的UG NX3.0等；三是专用的逆向工程软件，如Imageware、Raindrop Magic等。除此以外，有较高要求的还包括产品数据管理(PDM)等软件[[7]金涛,童水光等编著.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社,2003,(8):26-56.
]，以及支撑软件的硬件平台。

2.2.3逆向工程研究现状
逆向工程技术，是20世纪80年代末期由美国3M公司等提出并研制开发成功的。进入90年代以来，随着全球市场竞争加剧，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的重要地位上来。
逆向工程的专题研究始于1992年，在第一届IERC(Industrial Engineering Research Conference)会议上，美国匹兹堡大学的BopayaBidanda博士做了有关逆向工程与工业工程关系的专题报告，分析了逆向工程的研究现状和发展趋势，同时，世界各地研究机构的专家学者亦发表了论文。此后美国制造工程师学会每年召开一次快速原型制造会议，在每次会议上都对逆向工程技术进行了分组专题讨论。据统计，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大提高生产率[[8]马淑梅,张曙,陈彬.以逆向工程为技术支撑的模具数控加工[J].数控技术专栏,2001,4:11-14.
]。世界各国在经济技术发展中都不同程度地应用了逆向工程技术，尤其是日本[[9]梅田干雄.日本机械学会论文集(C编)[C],1999,56:125-128.
]，在引进技术的消化、吸收与创新方面具有典型性。根据日本政府的推算，成功的技术引进和逆向工程研究使日本节省了大约2/3的研究时间和9/10的研究经费[[10]刘阳,唐罗生,吴琦等.逆向工程技术及其在产品开发中的应用[J].机械设计与制造,1999,1:26-28.
]。
目前，世界各国对逆向工程技术都给予高度重视。在国外，如美国、日本、英国等发达国家对逆向工程技术方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果问世。我国也在逐步重视逆向工程技术的应用，如在实施安徽省“九五”科技攻关项目“提高汽车综合性能的关键技术研究”中，运用逆向工程原理，对安徽某大型汽车制造厂的1.5吨货车的汽车覆盖件探讨了从数据采集到产品CAD造型的整个过程，取得了良好的效果。国防科技大学模具CAD/CAM中心成功地将逆向工程技术应用于生产实践中[[11]刘阳,唐罗生,吴琦等.逆向工程技术及其在产品开发中的应用[J].机械设计与制造,1999,1:26-28.
]，为一摩托车集团制造摩托车冲压模具的过程中，充分应用了逆向工程技术，在很短时间内，根据油箱实物模型，高质量地制造出了油箱模具，大大降低了开发成本，得到厂家的高度评价。逆向工程的研究和开发工作也在其他很多单位内展开，如吉林大学、上海交通大学、浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学、广东省机械研究所等。但是，目前国内对逆向工程的研究还仅局限于CAD模型的三维重构，尚处于逆向工程研究的初始阶段。充分发挥逆向工程的优势，通过模型重构实现消化和吸收、修改和再设计，实现创新的目的，这是逆向工程的高级阶段。
2.2.4逆向工程技术的应用
目前，逆向工程技术在以下领域有着广泛的应用。
1、在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。
2、当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)，建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及其模具的依据。
3、在美学设计领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用逆向工程的设计方法。
4、在人体生物医学领域，逆向工程也得到了很大的发展。例如和人体外形紧密相关的物品，比如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造，以及特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需要首先建立人体的三维几何模型。
5、艺术品、考古文物的复制。
6、借助于层析X射线摄像法（CT技术），逆向工程不仅可以产生生物体的外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。
2.2.5相关软件的介绍
关于复杂曲面产品逆向工程研究的软件，目前已经有很多。现介绍最常用的逆向工程软件之一Imageware V11.0。
Imageware软件，是一种逆向工程的专用软件。它是将已有的物理样件通过CMM或激光扫描取得点数据，再将点数据传入到Imageware中，通过对点的处理形成曲线，对曲线再处理形成曲面的过程。当然，这些工作的前提是在保证所要求精度条件下进行的。在点的处理、曲线处理、曲面处理的整个过程中，Imageware提供了各种诊断方法来保证精度。
Imageware软件逆向工程的处理过程分为点处理、线处理和面处理三个阶段。
一、点处理过程
1、读入点阵数据。Imageware与众多的扫描设备厂商有着合作伙伴关系，所有现有的扫描设备几乎都可以使用。同时，Imageware还可以接受STL、VDA等其它格式的数据。
2、点云对齐。由于有些零件形状复杂或体积较大，一次扫描无法获得全部数据，多次扫描则会获得多个独立的点云。Imageware可以对读入的点云数据进行处理，分析是一个点云还是多个点云，并利用一些特殊点信息，例如圆柱面、球面、平面等将各点云准确对齐，创建一个完整的点云。
3、去除噪音点。由于测量工具及测量方式的限制，有时侯会出现一些噪音点（即误差测量点），Imageware有很多工具来对点云进行判断，并去掉噪音点，以保证结果的准确性和精确性。
二、曲线创建过程
1、判断和决定生成哪种类型的曲线。Imageware提供了多种通过点来生成曲线的方法。其中有精确通过每一点的，有保证一定公差范围的，有保证曲线控制点而达到光顺的。用户可以根据自己的需要选择方法选择参数。
2、创建曲线。根据需要创建所需曲线，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。曲线一旦生成，Imageware提供了包括显示法向、曲率半径、控制点的比较等多种诊断方法来判断曲线的光顺性。还可以通过多种方法对曲线进行修改，改变曲线与其它曲线的连续性（连接、相切、曲率连续），还可以对曲线进行延展连续。最重要的是对曲线的控制点或曲线本身进行编辑，编辑的方法灵活多样，而且可实时显示效果。
三、曲面创建过程
1、决定生成哪种曲面。与曲线一样，生成曲面前要决定精度与光顺性。可以根据产品设计需要来决定生成更准确的曲面、更光顺的曲面（如Class 1曲面），或两者兼顾。Imageware提供创建曲面的方法多达30多种，其中包括由点形成面、由点和曲线形成曲面、由线形成面、由曲面形成面及构建基本面等。
2、灵活的曲面创建工具。创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面，可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界曲线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面，还可以通过其它曲面来生成。Imageware支持贝塞尔（Bezier）和非均匀有理B样条（NURBS）
曲面这两种方法，用户可以选择适合的曲面方法来获得更好的结果。
3、实时的曲面诊断工具。Imageware提供了任意截面的连续性、曲面反射线情况、高亮度线、光谱图、曲率云图、点与曲面的比较和圆柱型光源照射下的反光图等近20种诊断工具，在设计的任何时候都可以随时检查曲面的准确性、光顺性、连续性等方面的瑕疵，为用户判断和修改曲面提供了依据。
4、动态的曲面修改工具。用户可以对曲面进行动态的修改，并且以交互方式下达到设计主题，能够动态地看到设计是否美观以及是否符合工程设计观念。在整个过程中，严格遵守设计、工程分析和制造标准，所以当每次修改曲面时无需重新校核标准。
5、曲面连续性管理。Imageware具有高效的曲面连续性管理工具，在复杂的曲面缝补等情况下，即使曲面进行了移动修改等操作，也能保证曲面之间的拼接可以达到曲率连续，避免了乏味的手工再调整过程。
6、强大的处理扫描数据的能力。Rainbow图、曲率变化云图等，这些方法能够将扫描数据分开，很快捕捉出产品的主要特征，并快速建立各个相应的曲面，避免了费事的分析和处理。
2.3鞋底原形件的逆向工程研究
2.3.1测量方法研究
数据获取又称数据点群的采集，是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标，是逆向工程中必须和关键的操作。数据点群测量的方法有多种，按其特性及应用，一般可分为两大类：接触式测量和非接触式测量。
一、接触式测量
接触式数据采集方法，包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。
1、触发式数据采集方法。触发式数据采集方法，最早用于长度量检测，其原理很简单。当采样测头的探针刚好接触到样件的表面时，探针尖的受力产生微小的变形，触发采样中的开关，使数据采集系统记下探针尖（测球中心点）的即时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以免过量而导致折断，因此，数据采集速度较低。
2、连续式数据采集方法。连续式数据采集采用模拟量开关采样头，它的原理是利用悬挂在三维弹簧系统中的探针的位置偏移所产生的电感或电容的变化，进行机-电模拟量的转换，当采样头的探针沿着样件表面以某一切向速度移动时，就发出对应各坐标位置偏移量的电流或电压信号。由于数据采集过程是连续进行的，速度比接触式触发采样头快许多倍，采样精度也较高。此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制作的模型。由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。
3、磁场法。是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针
在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表的数字化，其优点是不需要象坐标测量机一类的设备，但不适合用于导磁材料的样件。
二、非接触式测量
非接触式数据采集方法，主要运用光学原理进行数据的采集，常用的方法有激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。
1、激光测距法。激光三角测距法是逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，其基本原理为：激光二极管所发出的激光，经过透镜聚焦投射到样件表面，被表面反射或漫反射，反射或漫反射的激光通过收集透镜聚焦，就成了位置测量器（如摄像机）上的小光点，采样头和模型之间的距离可以根据反射光点的位置计算出来，如RENISHAW公司的OP3M型光学采样头等。
2、距离方法。利用光束的飞行时间来测量被测点与参考平面的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式，由于激光的单向性好，多采用激光为能量源，这种方法的精度也较高。
3、结构光法。将一定模式的光照射到被测样件表面，然后摄得反射光的图像，通过对不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。它的特点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，但是精度也较低，操作复杂。
4、图像分析法。图像分析法与结构光法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体从一点在两幅图像中的位置，由视觉计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确描述复杂曲面的三维形状。
5、工业计算机断层扫描成像法。工业计算机断层成像（简称ICT）是对产品实物经过ICT层析扫描后，获得一系列的断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内容结构的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件的截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。
6、逐层切削照相测量法。逐层切削照相测量法是一种新兴的断层测量技术，它以极小的厚度去逐层切削实物，并对每一断面进行照相，获取截面图像数据，其轮廓测量精度可高达±0.0254 μm，是目前断层测量精度最高的方法，而且成本较低，但它的突出缺点是损伤实物。
2.3.2测量设备及测量方法
由于非接触式测量具有测量速度快、无接触力、测量点多等优点，本研究采用非接触式测量中的激光测量方法测量鞋底原形件的三维点云数据。使用的三维数据测量设备是吉林大学地面机械仿生技术教育部重点实验室的3D SCANNERS激光扫描仪，图2-3为3D SCANNERS激
光扫描仪系统的外观照片。其主要参数为，最大扫描体积550mm×450mm×450mm，扫描精度0.2mm。

图2-3 3D SCANNERS激光扫描仪系统
2.3.3鞋底三维点群数据的获取以及曲面的重构
鞋底原形件三维逆向工程重构过程，包括：着色、扫描、点云处理、线处理、面处理、体重构等过程。
一、着色
针对鞋底原形件的颜色为黑色，对激光扫描来说属于吸光表面，反射效果差，而三维激光扫描仪必须采集到样件表面的反射光线才能形成点群，白色、亚光表面对激光的反射效果最佳。因此，本研究使用着色渗透探伤剂-显像剂(DPT-5)进行喷涂着色处理。
二、扫描
本试验在3D SCANNERS激光扫描仪上进行，扫描过程包括确定坐标形成、改变步长、扫描三个步骤。首先，确定X、Y、Z三个坐标轴的行程。该过程要将红色的激光亮线移到所要扫描物体的最高点上，将Position设为零，确定Z方向的最高点，根据物体大致高度，分层进行扫描，X及Y方向扫描是从左向右，从上向下进行的。对于X方向，先把红色的激光亮线移动到物体的左侧，将Position设为零，然后再移到其右侧，将TO设为零，这样可以通过计算机的显示确定X方向的行程，同样的方法也可以确定Y方向的行程。其次，进行快速直线扫描。可以通过改变步长来得到不同密集程度的点云。最后，进行实物三维扫描。可以获取鞋底原形件的三维坐标信息点云数据。
三、点处理
读入点云数据，利用Imageware软件进行点处理。由于经过扫描获取的点群，包含许多的噪声点，如实验台底面以及由于光线散射等原因形成的毛刺，这些噪声在进行各种点、线、面处理之前必须去掉。点群的噪声去除是利用软件中的Modify/Extract/Circl