1818_玩具汽車的逆向造型研究,玩具,汽車,逆向,造型,研究,鉆研 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文畢業(yè)設(shè)計（論文）題目 玩具汽車的逆向造型研究專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 078105303學(xué) 生 姓 名 陳 江 波指 導(dǎo) 教 師 于 斐南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文1目 錄第一章 緒論1.1 逆向工程簡介………………………………………………………………………31.1.1 逆向工程的概念…………………………………………………………………31.1.2 逆向工程的現(xiàn)狀及應(yīng)用…………………………………………………………41.1.3 逆向工程的一般步驟……………………………………………………………41.2 測量工具 ATOSⅠ介紹………………………………………………………………51.3 軟件 Pro/E 介紹……………………………………………………………………61.4CATIA 軟件介紹……………………………………………………………………71.5 本課題的意義和內(nèi)容………………………………………………………………9第二章 逆向工程中的測量技術(shù)2.1 測量方式…………………………………………………………………………112.2 零件掃描過程……………………………………………………………………122.3 本章小結(jié)…………………………………………………………………………15第三章 逆向工程的后處理及三維建模3.1 逆向工程的后處理………………………………………………………………153.1.1 逆向工程后處理的要求………………………………………………………153.1.2 曲線與曲面的連續(xù)性…………………………………………………………153.1.3 曲線的擬合……………………………………………………………………153.1.4 曲線的構(gòu)建……………………………………………………………………163.1.5 點數(shù)據(jù)處理……………………………………………………………………173.1.6 曲線的構(gòu)建和分析……………………………………………………………183.1.7 曲面構(gòu)建與分析………………………………………………………………193.2 基于 CATIA 軟件下逆向后處理…………………………………………………213.2.1 CATIA 曲面重構(gòu)工具介紹……………………………………………………213.2.2 平面特征………………………………………………………………………223.3 曲面重構(gòu)具體過程[4][5][6]…………………………………………………223.4 曲率分析…………………………………………………………………………303.5 本章小結(jié)…………………………………………………………………………32第四章 基于 Pro/E 的玩具汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計及虛擬裝配4.1 各個零部件的設(shè)計……………………………………………………………32南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24.1.1 規(guī)則實體重構(gòu)方法…………………………………………………………324.1.2 零件設(shè)計的一般步驟………………………………………………………334.2 虛擬裝配………………………………………………………………………384.3 本章小結(jié)………………………………………………………………………41第五章 結(jié)論參考文獻…………………………………………………………………………43致 謝………………………………………………………………………………44南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文3第一章 緒論1.1 逆向工程簡介1.1.1 逆向工程的概念逆向工程(反求工程) 是利用對實物測量的數(shù)據(jù)重新構(gòu)造實物的計算機模型，然后利用 CAD/CAE/CAM 等計算機輔助技術(shù)進行分析、再設(shè)計、數(shù)控編程等操作，而后進行加工。逆向工程現(xiàn)己發(fā)展為 CAD/CAM 中一個相對獨立的范疇。通過實物模型產(chǎn)生 CAD 模型，可以使產(chǎn)品設(shè)計充分利用 CAD 技術(shù)的優(yōu)勢，并適應(yīng)智能化、集成化的產(chǎn)品設(shè)計制造過程中的信息交換。實施逆向工程可以充分發(fā)揮先進的測量設(shè)備的優(yōu)越性，使其既可以作為 CAD/CAM 系統(tǒng)所需要的三維輸入裝置，又可以作為CAD/CAM 系統(tǒng)處理后的誤差檢測評估裝置，從而提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計，制造自動化程度，縮短產(chǎn)品的試制開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本。將逆向工程技術(shù)定義為沒有工程圖紙的情況下，對物體的物理模型進行測量，通過對測量信息的分析和處理來反求其 CAD 模型的過程。在這一意義下，逆向工程可以定義為:是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)?CAD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)的總稱。逆向工程是綜合性很強的術(shù)語，它是以設(shè)計方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計經(jīng)驗、知識和創(chuàng)新思維，對己有新產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是對己有設(shè)計的設(shè)計，特別強調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。從工程應(yīng)用的目的出發(fā)，將反求工程的研究領(lǐng)域拓寬到工藝、材料、原理等方面的反求，是廣義上的反求。應(yīng)該看到:逆向工程有其獨特的共性技術(shù)和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學(xué)科分支?，F(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復(fù)雜高新技術(shù)，在逆向工程中都會遇到如何消化吸收并加以改進和提高。所以對于新興技術(shù)的理解、消化和推廣上，逆向工程作用十分巨大?，F(xiàn)代人們通稱的設(shè)計一般均指正向設(shè)計。它根據(jù)市場需要提出目標和技術(shù)要求，使設(shè)計意圖變?yōu)楫a(chǎn)品。如何合理利用他人的設(shè)計思想，加快自身產(chǎn)品更新?lián)Q代的能力，是在市場競爭日益激烈的今天站穩(wěn)腳跟，持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。實際上，在設(shè)計制造領(lǐng)域，任何產(chǎn)品的問世，包括創(chuàng)新、改進和仿制，都蘊含著對已有科學(xué)、技術(shù)的應(yīng)用和借鑒改進?？梢钥闯觯辞笏季S在工程中的應(yīng)用己源遠流長，然而提出這種術(shù)語并作為一門學(xué)問去研究，則出現(xiàn)于 60 年代，逆向工程是各國技術(shù)進步、發(fā)展，尤其是發(fā)展中國家迅速改變技術(shù)落后狀況，提高綜合設(shè)計、決策水平、制造水平，趕超世界先進水平的迅捷之路。戰(zhàn)后日本工業(yè)恢復(fù)的需要使其首先對逆向工程進行了較早的研究，日本提出“第一臺引進，第二臺國產(chǎn)化，第三臺出口”的口號，用了近二十年時間迅速崛起成為世界經(jīng)濟強國就是一個生動的歷史證明 [1]。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文41.1.2 逆向工程的現(xiàn)狀及應(yīng)用逆向工程是近年來發(fā)展起來的消化、吸收和提高先進技術(shù)的一系列分析方法以及應(yīng)用技術(shù)的組合，其主要目的是為了改善技術(shù)水平，提高生產(chǎn)率，增強經(jīng)濟競爭力。世界各國在經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展中，應(yīng)用逆向工程消化吸收先進技術(shù)經(jīng)驗，給人們有益的啟示。據(jù)統(tǒng)計，各國百分之七十以上的技術(shù)源于國外，逆向工程作為掌握技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短百分之四十以上，極大提高了生產(chǎn)率。因此研究逆向工程技術(shù)，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高，具有重大的意義。逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為以下幾種情況：（1）在產(chǎn)品仿制中的應(yīng)用有時，擬合制作的產(chǎn)品沒有原始的設(shè)計圖檔，而是由委托單位交付樣品或?qū)嵨锬Ｐ停堉谱鲉挝粡?fù)制。傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機或三軸仿形銑床以 1: 1 的比例制作模具，再生產(chǎn)產(chǎn)品。這種方法屬于模擬型復(fù)制，其缺點是無法建立工件尺寸圖檔，因而也無法用現(xiàn)有的 CAD 軟件對其進行修改，故已漸為新型的數(shù)字化逆向工程系統(tǒng)所取代。在這種情況下，在對零件原形進行三維反求的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計圖紙或 CAD 模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的 NC 代碼，加工復(fù)制出一個相同的零件。（2）在新產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展以及經(jīng)濟的發(fā)展，消費者對產(chǎn)品的要求越來越高。為贏得市場競爭，不僅要求產(chǎn)品的功能先進，而且要求外形美觀。而在造型中針對產(chǎn)品外形的美學(xué)設(shè)計，已不是傳統(tǒng)訓(xùn)練下的機械工程師所能勝任的。一些具有美工背景的設(shè)計師們可利用 CAD 技術(shù)構(gòu)想創(chuàng)新的美觀外形，再以手工方式塑造出模型，如木模、石膏模、粘土模、膠模、工程塑膠模、玻璃纖維模等，然后再以三維測量的方式建立曲面模型。在美學(xué)設(shè)計特別重要的領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設(shè)計的美學(xué)效果，而不采用在計算機屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時需用逆向工程的設(shè)計方法。（3）在舊產(chǎn)品改進中的應(yīng)用在對舊產(chǎn)品改進時，有時并沒有零件的 CAD 模型，因此需要利用逆向工程技術(shù)建立產(chǎn)品的幾何模型，然后再利用傳統(tǒng)的 CAD 軟件對原設(shè)計進行改進。當(dāng)要設(shè)計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測試(如風(fēng)洞實驗等)建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文5自由曲面外型，最終的實驗?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計這類零件及反求其模具的依據(jù)。（4）在 RPM (Rapid Prototyping Manufacturing，快速原型制造) 中的應(yīng)用快速原型制造(又稱 RP 技術(shù))是 80 年代后期興起的一種基于材料累加法的高新制造技術(shù)，被認為是近 20 年來制造領(lǐng)域的一次重大突破。RPM 綜合了機械、CAD,數(shù)控、激光以及材料科學(xué)等各種技術(shù)，可以自動、直接、快速、精確地將設(shè)計思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑突蛑苯又圃炝慵靡詫Ξa(chǎn)品設(shè)計進行快速評估、修改及功能試驗，大大縮短了產(chǎn)品的研制周期。而以 RP 系統(tǒng)為基礎(chǔ)的快速工裝模具制造(Quick Tooling/Molding)和快速精鑄技術(shù)(Quick Casting)等則可實現(xiàn)零件的快速制造(Quick Manufacturing)。為應(yīng)用該項技術(shù)，首先應(yīng)該有產(chǎn)品的三維幾何模型。盡管己經(jīng)出現(xiàn)了許多成功的三維 CAD 軟件，但運用這些軟件建立一個復(fù)雜的零件模型，仍相當(dāng)費時。有時工程界提供的是實物，需要由實物制造模具或作設(shè)計上的改進，因此在 RPM 中經(jīng)常利用逆向工程技術(shù)來建立產(chǎn)品的幾何模型。此外，在計算機圖形和動畫、工藝美術(shù)和醫(yī)療康復(fù)工程等領(lǐng)域，也經(jīng)常需要根據(jù)實物快速建立物體的三維幾何模型。另一個重要的應(yīng)用如修復(fù)破損的藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行復(fù)制，而是借助逆向工程技術(shù)抽取零件原形的設(shè)計思想，指導(dǎo)新的設(shè)計.這是由實物逆向推理出設(shè)計思想的一種漸近過程。因此，逆向工程技術(shù)在這些領(lǐng)域中也具有重要的應(yīng)用價值。1.1.3 逆向工程的一般步驟逆向工程一般可分為四個階段:1.零件原形的數(shù)字化通常采用三坐標測量機(CMM)或激光掃描等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。2.從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設(shè)計與加工特征。3.零件原形 CAD 模型的重建將分割后的三維數(shù)據(jù)在 CAD 系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的 CAD 模型。 4.重建 CAD 模型的檢驗與修正采用根據(jù)獲得的 CAD 模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的 CAD 模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達到零件的設(shè)計要求。1.2 測量工具 ATOSⅠ介紹德國 GOM 公司獨家研制的 ATOS 流動式光學(xué)掃描儀是目前市場上最為先進的南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文6非接觸式三坐標掃描設(shè)備。該設(shè)備采用可見光，將特定的光柵條紋投影到測量工件表面，借助兩個高分辨率 CCD 數(shù)碼相機對光柵干涉條紋進行拍照，利用光學(xué)拍照定位技術(shù)和光柵測量原理，可在極短的時間獲得復(fù)雜工件表面的完整點云。其獨特的流動式設(shè)計和不同視角點云的自動拼合技術(shù)，使掃描不需要借助于機床的驅(qū)動，掃描范圍可達 12m，而掃描大型工件則變得高效、輕松和容易。其高質(zhì)量的完美掃描點云可用于產(chǎn)品開發(fā)、逆向工程、快速成型、質(zhì)量控制，甚至可實現(xiàn)直接加工。ATOS 系統(tǒng)作為第三代逆向工程用數(shù)字化系統(tǒng)中最杰出的代表，他的工作原理在硬件結(jié)構(gòu)及軟件功能方面極具有領(lǐng)先性。ATOS 系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)光測量的方式，利用光柵投影單元將一組具有相位信息的光柵條紋投影到測量工件表面，利用左右兩個高分辨率數(shù)碼相機進行同步的測量，利用立體相機測量的原理，可以在極短的時間內(nèi)獲得物體表面大量的三維數(shù)據(jù)。 ATOS 每次所得到數(shù)據(jù)是一幅類似照片狀的三維點云數(shù)據(jù)，對于掃描一個整體零件來講，ATOS 系統(tǒng)利用首創(chuàng)的參考點技術(shù)將每幅點云拼接起來，以得到一個完整的點云數(shù)據(jù)模型。為防止利用參考點技術(shù)拼接點云數(shù)據(jù)造成累計誤差，超出技術(shù)要求，故 GOM 公司最先發(fā)明了數(shù)碼相機定位技術(shù) ,即 TRITOP 系統(tǒng)，利用特有的數(shù)碼點和參考點來構(gòu)建一個完整的座標定位系統(tǒng)，而掃描頭所掃描的數(shù)據(jù)則會自動根據(jù)參考點的位置而自動粘貼上去，利用這樣的方法，從而使掃描大到 10 米的汽車及汽車內(nèi)外飾件而成為可能，且精度也可以達到 0.1mm/m。ATOS 掃描儀的技術(shù)優(yōu)勢： （1）高質(zhì)量的掃描點云 ATOS 采用高分辨率 CCD 數(shù)碼相機采集數(shù)據(jù)，可在短時間內(nèi)獲得任何復(fù)雜表面的密集點云（點距 0.03～0.5mm） ，并可根據(jù)表面的曲率變化生成完美的網(wǎng)格面，便于后期的曲面重建和直接加工?？汕逦@得細小特征，并可方便提取工件表面特征（圓孔、方孔、邊界線、黑膠帶線等） 。測量的綜合精度<0.1mm/m。 （2）結(jié)構(gòu)簡單，便于攜帶 整個測量系統(tǒng)由掃描頭、三角架、控制器及電腦組成，可放置在兩個手提箱內(nèi)隨處攜帶，設(shè)備安裝、標定工作可在 10min 完成，無需預(yù)熱即可掃描，可在任何環(huán)境下進行測量。 （3）測量效率高 單幅掃描時間只需 1 或 8 秒，6 小時即可完成 1:1 整車的外表面掃描。 （4）測量范圍大 南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文7掃描頭的單幅測量范圍可以通過調(diào)整鏡頭, 實現(xiàn)多種測量范圍，單幅測量范圍從 50×40mm 到 2000×2000 mm；掃描點云的密度為 0.03mm ~ 1mm，適合測量不同尺寸零件：10mm ~ 12m。 （5）具有自我監(jiān)測功能 采用雙 CCD 測量方式，可以實現(xiàn)系統(tǒng)的自我監(jiān)測，實現(xiàn)系統(tǒng)測量精度的實時監(jiān)測，同時可以監(jiān)測掃描過程中由于振動和環(huán)境光線變化對測量精度的影響，保證掃描精度。 （6）方便使用、性能穩(wěn)定 系統(tǒng)軟件和硬件均采用模塊化設(shè)計，性能穩(wěn)定。設(shè)備操作簡單，經(jīng)過兩天的培訓(xùn)即可熟練的操作，軟件提供完善的在線幫助和批處理功能，可適用于生產(chǎn)線檢測。（7）首創(chuàng)的參考點拼合技術(shù) 不同視角的測量數(shù)據(jù)依靠粘貼在工件表面公共的三個參考點，可自動拼合在統(tǒng)一坐標系內(nèi)，從而獲得完整的掃描數(shù)據(jù)?？筛鶕?jù)工件尺寸選擇不同直徑的參考點（1mm～8mm） ，對于被參考點覆蓋而在工件表面留下的空洞，軟件可根據(jù)周圍點云的曲率變化進行插補。 （8）先進的數(shù)碼相機定位技術(shù) 對于復(fù)雜的大型工件，采用數(shù)碼相機拍照和整和定位計算，可迅速測量出全部參考點的空間三坐標值，從而建立統(tǒng)一的參考點的坐標框架，再利用 ATOS 掃描頭進行測量，獲得完整的掃描點云。通過這種方式，消除了積累誤差，提高大型工件的掃描精度。1.3 軟件 Pro/E 介紹 Pro/ENGINEER 軟件由美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)而成，是機械 CAD/CAM 軟件的后起之秀，它采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，集三維實體和曲面造型、裝配造型、三維工程圖、數(shù)控加工、有限元分析、機構(gòu)運動仿真、飯金設(shè)計、加工和裝配工藝過程。設(shè)計及模具設(shè)計等功能于一體，特別是其全參數(shù)化和全相關(guān)功能強大的實體造型技術(shù)，精悍、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和能支持所有 UN 工 X 平臺 Windows，Windows/NT平臺，使它成為快速成形技術(shù)行業(yè)中市場占有率最高的 CAD 軟件的核心技術(shù)特點：1、基于特征 Pro/ENGINEER 使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機械對象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進行修改。例如：設(shè)計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文8使用，并以這些簡單特征為基礎(chǔ)來進行更為復(fù)雜的幾何形體的構(gòu)造。裝配、加工、制造以及其他學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)(不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性)，然后修改參數(shù)很容易的進行多次設(shè)計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。2、全尺寸約束在 Pro/ENGINEER 的設(shè)計過程中，將零件的尺寸和形狀結(jié)合起來考慮，通過尺寸約束實現(xiàn)對幾何形狀的控制。幾何造型必須以完整的尺寸參數(shù)為出發(fā)點(全約束)，不能漏標尺寸(欠約束) ，也不能多標尺寸(過約束) 。3、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改Pro/ENGINEER 設(shè)計過程中是通過編輯尺寸數(shù)值來驅(qū)動幾何形狀的改變。Pro/ENGINEER 提供了獨特的 Pro/GRAMME，讓設(shè)計者可以通過簡單的編程，來實現(xiàn)設(shè)計模型尺寸修改的程序化，從而實現(xiàn)程序化修改產(chǎn)品的幾何形狀，并可以利用此功能實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的系列化，建立產(chǎn)品的標準零件等。4、全數(shù)據(jù)相關(guān)為加速投放市場，需要在較短的時間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品。為了實現(xiàn)這種效率，必須允許多個學(xué)科的工程師對同一產(chǎn)品進行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時進行的各項工作，由于使 Pro/ENGINEER 獨特的全相關(guān)性功能，因而使之成為可能。Pro/ENGINEER 是建立在統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫上的，不像一些傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)建立在多個數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個數(shù)據(jù)庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設(shè)計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應(yīng)在整個設(shè)計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)全過程統(tǒng)一起來。這一優(yōu)點，使得設(shè)計更優(yōu)化，產(chǎn)品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場。Pro/ENGINEER 的全相關(guān)性保證在開發(fā)周期的任一點進行修改，卻沒有任何損失，并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用。5、裝配管理Pro/ENGINEER 的基本結(jié)構(gòu)能夠使設(shè)計者使用一些直觀的命令，例如“嚙合” 、 “插入” 、 “對齊”等很容易的把零件裝配起來，同時保持設(shè)計意圖。高級的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理，這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制。作為世界一流的三維 CAD/CAM 軟件， Pro/ENGINEER 不僅提供了復(fù)雜的功能而且還為用戶提南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文9供了開發(fā)接口，同時 Pro/ENGINEER 還自帶一個 PROGRAM 模塊。 6、制造加工 現(xiàn)今加工制造業(yè)所面臨的加工目標要求多，如工件復(fù)雜性、精度要求及生產(chǎn)效率等的門檻越來越高，同行業(yè)的競爭也越來越激烈。在眾多強勁對手中，需要更進一步提高加工技術(shù)的水平，才能在同行業(yè)競爭中脫穎而出。在 PRO/E 的 CAD/CAM系列模塊中，除了提供用于建立計算機幾何模型的輔助工具(CAD),還提供了在設(shè)計產(chǎn)品加工制造工藝時所需要的輔助工具(CAM)，使用戶在產(chǎn)品的設(shè)計上更得心應(yīng)手，加工制造技術(shù)更快速，生產(chǎn)程序更具有效率，上市時間更加領(lǐng)先，質(zhì)量更加可靠。讓用戶的產(chǎn)品設(shè)計、制造、生產(chǎn)流程連貫化，因此更具有競爭力。在產(chǎn)品加工制造的環(huán)節(jié)上，PRO/E 在設(shè)計 NC 加工制造程序上提供了功能強大的輔助工具一 PRO/NC 加工制造模塊。使用戶可以利用 PRO/NC 將產(chǎn)品的計算機幾何模型與計算機輔助制造進行整合，配合 NC 加工制造技術(shù)上所需要的各項加工參數(shù)：加工所需要的模型、加工坯料、夾具、加工刀具、加工機床及各種加工參數(shù)等等，來設(shè)計產(chǎn)品的各種加工工藝。PRO/NC 多樣化的加工輔助制造程序設(shè)計工具，可以分別針對各類型加工機床(兩軸半至五軸各型加工中心、兩軸及四軸車床、兩軸及四軸電火花線切割機等)及各種加工方式(銑、車、鉆、電火花加工等等)，自動產(chǎn)生適用于加工機床及加工刀具與控制器所需要的加工控制數(shù)據(jù)。利用輸出的加工控制數(shù)據(jù)可進行實際加工，制造出所設(shè)計的產(chǎn)品及零件模型。工程師利用 PRO/NC 設(shè)計好加工程序后，產(chǎn)生的加工刀具相對于加工坐標的路徑數(shù)據(jù)稱為 CL DATA (CUTTER LOCATION DATA)。所得到的 CL DATA 可以利用 PRO/NC-CHECK 在計算機中模擬所設(shè)計的加工程序切削材料時的狀況，由此觀察廢料的產(chǎn)生及避免加工失敗。還可以協(xié)助制造工程師達到制造流程最佳化的目的，并檢驗產(chǎn)品在進行切削時的狀況。設(shè)計加工制造程序所產(chǎn)生的 CL DATA，可經(jīng)由 PRO/NCPOST 進行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換，得到適用于實際加工所需要的機械控制碼(NCCODE)。所產(chǎn)生的 NC CODE配合適當(dāng)?shù)墓ぞ呒凹庸C床，可以實際應(yīng)用 PRO/NC 所設(shè)計的產(chǎn)品加工制造工藝。1.4 CATIA 軟件介紹1、CATIA 簡介CATIA 應(yīng)該說是最高檔的 CAD/CAM 軟件，由法國 Dassault 公司開發(fā)，后Dassault 被美國的 IBM 公司收購。該軟件原運行于 IBM 的工作站上，驅(qū)動系統(tǒng)為VM/CMS，現(xiàn)已成移植至個人 PC，這又使這一功能強大的軟件的使用者更加廣泛。與 UG、EUCLID 、PRO/E 等相比，該軟件在曲面造型方面具有獨特的優(yōu)勢，應(yīng)該說南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文10是任何一個 CAD 三維軟件所不能比的，因而廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等行業(yè)的復(fù)雜曲面造型設(shè)計中（據(jù)信現(xiàn)在國內(nèi)幾乎所有的飛機設(shè)計研究院所都用CATIA） 。CATIA 軟件的曲面造型技術(shù)為這些行業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計提供了先進、方便、快捷的手段，使設(shè)計更趨完美，周期越來越短，極大地提高了開發(fā)效率。通過其豐富的產(chǎn)品線提供一個集成的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。為了保證其最大的靈活性，CATIA 在提供了面對復(fù)雜設(shè)計與仿真的 CATIA P2、P3 平臺軟件的同時，還配備了面對相對簡單建模需求的 CATIA P1 平臺 [2] 。CATIA 是 CAD/CAM 業(yè)界的領(lǐng)導(dǎo)者，其作為全球 CAD/CAM 市場的領(lǐng)袖，有20 年以上豐富的經(jīng)驗，擁有大大小小 9000 多家客戶，IBM 的 CATIA 解決方案極大的提高了企業(yè)的競爭能力。從概念設(shè)計到最終的產(chǎn)品，CATIA 廣泛的集成解決方案加快了產(chǎn)品開發(fā)的全過程。CATIA 涵蓋的范圍是一個跨行業(yè)的解決方案，包括汽車、航空航天、消費品、制造與裝配、工廠設(shè)計、火車及重型機械等，比其它任何 CAD/CAM 的產(chǎn)品都廣泛，它提供了一套全面的解決方案，可以建設(shè)一個完善而無縫的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境；（1）CATIA 的解決方案是一個可信賴的、經(jīng)過實踐檢驗的、先進的解決方案，具有象 IBM 等這樣幾十家工業(yè)巨頭將 CATIA 作為核心設(shè)計和制造系統(tǒng)，更重要的是 CATIA 可以根據(jù)不同規(guī)模、不同應(yīng)用的企業(yè)定制完全適合本企業(yè)的最佳解決方案；（2）CATIA 特有的并行工程能力，可使所有的設(shè)計者、制造廠及供應(yīng)商等都能共享相同的數(shù)據(jù)庫，大幅度降低生產(chǎn)改變時及修改零部件所需的費用。（3）CATIA 已成為世界工業(yè)的事實標準，主流軟件。近年來，應(yīng)用于 CATIA解決方案在商業(yè)應(yīng)用方面碩果累累，豐富的應(yīng)用軟件支持整個產(chǎn)品周期，從構(gòu)想、設(shè)計直到制造維護。并且 CATIA 已成為工業(yè)界的事實標準，是歐洲、北美和亞洲頂尖制造商所用的核心系統(tǒng)。（4）CATIA 在造型風(fēng)格、設(shè)計等方面具有獨特長處，為各種產(chǎn)品的設(shè)計和制造提供了端對端（end-to-end) 的解決方案。CATIA 涉及生產(chǎn)、加工和人員三個關(guān)鍵領(lǐng)域。（5）CATIA 的可伸縮性和并行工程的能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時間。CATIA軟件已成為世界各地設(shè)計師和工程師的設(shè)計最佳工具。2、應(yīng)用 CATIA 軟件從事設(shè)計的技術(shù)人員前景：由于 CATIA 軟件的強大功能，其已為越來越多的行業(yè)帶來巨大利潤，因此從事南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文11設(shè)計的人員薪水也極為可觀（目前特別是外企或私企的汽車行業(yè)） ，對個人而言，其發(fā)展前景遠遠超過軟件業(yè)（眾所周知，除極少數(shù)人外，大多從事軟件業(yè)者很難逃脫其年齡瓶頸） ，是絕對金領(lǐng)。這也是眾多大專院校學(xué)生面對日益激烈的就業(yè)競爭，可以增強競爭實力，把握自己未來的發(fā)展的一個強大工具。1.5 本課題的意義和內(nèi)容本文的選題背景是探討利用逆向工程這一先進的制造技術(shù)手段來解決玩具汽車覆蓋件成形技術(shù)中的一些難題，縮短覆蓋件模具的制造周期，加速玩具汽車工業(yè)的發(fā)展。本課題的工作主要有五個部分：第一章介紹逆向工程的相關(guān)概念，及發(fā)展現(xiàn)狀；第二章首先介紹逆向工程的測量技術(shù)，著重敘述三維激光掃描儀的測量原理；第三章主要論述了基于 CATIA 的后處理技術(shù)；第四章主要介紹了基于 Pro/E 的實設(shè)計及虛擬裝配； 第五章是總結(jié)部分，對全文進行總的論述。第二章 逆向工程中的測量技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中，以逆向方式處理的產(chǎn)品往往具有尺寸不易掌握的特性，這包括外觀的造型以結(jié)構(gòu)上的各種機構(gòu)的位置。也就是說，該產(chǎn)品數(shù)據(jù)不是以直接的繪制的方式就可獲得的。因此，逆向工程的第一任務(wù)就是如何獲得工程技術(shù)人員所要的點數(shù)據(jù)，以用于后繼的模型建構(gòu)。2.1 測量方式逆向工程所需要的測量按其特性及應(yīng)用，一般可分為兩大類：接觸式測量與非接觸式測量，下表列出它們的技術(shù)特點。表 2-1 非接觸式與接觸式測量的比較表南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文12總上所述可知非接觸式測量用于表面不規(guī)則的曲面測測量，而接觸式用于規(guī)則的幾何體的測量。由于本課題研究的是屬于曲面形狀零件的汽車覆蓋件，經(jīng)比較選用非接觸式測量方式的激光測量。非接觸式測量一般是基于三角法測量原理，可分為點接觸式、線接觸式、面接觸式三種。非接觸式探頭一般用于不規(guī)則曲面的測量，因不規(guī)則曲面對于接觸式探頭的半徑補償相當(dāng)不易，而且測量速度相當(dāng)慢。2.2 零件掃描過程1、ATOS 掃描儀類型選用ATOS 掃描儀有 4 種型號：ATOS STD 型、 ATOS II 型、ATOS III 型、ATOS1 四種。圖 2-1 ATOS 掃描儀類型圖測量方式 非接觸式 接觸式 測量精度傳感器測量速度前置作業(yè)工件材料測量死角誤差10 - 100 P7"1光電接收器件1000-12000 點/秒需噴漆，無基準點無限定光學(xué)陰影處及光學(xué)焦距變化處隨曲面變化大1 um 開關(guān)器件 人工控制 設(shè)定坐標系統(tǒng)，校正基準面 硬質(zhì)材料 工件內(nèi)部不易測量 部分失真 優(yōu)勢1.測量速度快，曲面獲取容易；2.不必做探頭半徑補償；3.可測量柔軟、易碎、不可接觸薄件、皮毛、變形細小等工作； 4.無接觸力，不會傷害精密表面1.精度較高； 2.可直接測量工件的特定幾何 缺點1.測量精度較差，無法判別特定的幾何形狀；2.陡峭面不易測量，激光無法照到的地方不易測量；3.工件表面與探頭表面不是垂直，則測量的誤差較大；4.工件表面的暗程度會影響到1.需逐點測量，速度慢；2.測量前要做半徑補償； 3.接觸力大小會影響測量精度； 4.接觸力會造成工件及探頭表 面磨損，影響光滑度； 5.斜面測量時，不易補償半徑,精度難以保證；6.測量工件內(nèi)部時，形狀會影響測量值南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文13顯然欲提高測量精度一定要減小儀器到被測物體之間的距離，但由于到儀器盲區(qū)的限制，不能無限縮小。這里選用 ATOS I。2、ATOS 掃描儀掃描儀使用特點該掃描儀體積小、重量輕尺寸：寬 245mm、長 250mm、高 80mm、重量為 2 公斤，可以架在攝影用的一般三腳架上工作。儀器接通電源后，通過一根 USB 電纜和計算機相連即可進行工作。由于測量時對工件以及儀器沒有嚴格的定位要求，因此可以到達一些接觸式三坐標測量儀難以到達的部位進行測量，例如裝在汽車內(nèi)部或飛機內(nèi)部工作。由于是采用激光非接觸測量，因此也可以對柔軟物體表面進行測量，一些薄板覆蓋件。 掃描范圍不受限制，掃描速度快由于后續(xù)軟件具有點云拼接功能，可以非常容易實現(xiàn)對物體的整體掃描。點云拼接功能使得我們可以通過旋轉(zhuǎn)被測物體或移動儀器的位置來實現(xiàn)對工件的全面數(shù)據(jù)采集。故其測量范圍不受限制從而實現(xiàn)對大型工件的掃描。圖 2-2 ATOS I 掃描儀總裝配圖3、掃描定位由于掃描從一開始就沒有定位某一個坐標原點和坐標方向，所以掃描的結(jié)果是以掃描儀中心為原點的空間自由坐標系，這時的任何一點的三坐標值都是相對的、南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文14過度的。因為使用者可以通過后續(xù)軟件的強大功能將初始測得的空間自由坐標平移和旋轉(zhuǎn)到自己要求的坐標位置上去。這個過程極其方便，這時，點云上任何一個點的三坐標尺寸都可變換成使用者所需的新坐標系。4、掃描儀對被掃物體表面的要求以及掃描角度的選取該掃描儀對于激光無法到達的表面，如掃描儀無法進入的深孔或內(nèi)腔無法進行測量。因此該掃描儀不適合測量軸和孔的配合零件。被測物體的表面以白色亞光為最佳。對于透明體和反光很強的物體必須經(jīng)過表面噴涂處理后，同樣可以進行掃描。我們要求光束盡量與被測物體表面垂直，在士 30 度范圍內(nèi)都是允許的。當(dāng)大于 30度后采集到的數(shù)據(jù)雖可在后續(xù)軟件中得到適當(dāng)裁減，但會影響掃描數(shù)據(jù)的精確程度。5、對控制掃描儀的計算機硬件配置要求CPU：PIV 以上，運算速度 2. 0 GHz顯卡內(nèi)存：64 MB內(nèi)存：512MB 以上硬盤：40 GB 以上 操作系統(tǒng)：WINDOWS 98/2000/NT/XP2.3 本章小結(jié)通過本章的研究，逆向工程的掃描主要分為接觸掃描和非接觸掃描，由于所要掃描的零件是一個三維曲面零件，故采用了非接觸的三維掃描儀進行掃描。首先論敘了掃描的步驟，然后在此基礎(chǔ)上選用了 ATOS I 掃描儀掃描儀零件。第三章 逆向工程的后處理及三維建模3.1 逆向工程的后處理3.1.1 逆向工程后處理的要求在逆向工程中，曲面模型重建是最重要、最繁雜的一環(huán)，因為最后要完成模型的加工，需要的是平滑的曲面模型或是由良好的點群所產(chǎn)生的三角網(wǎng)格，所以點群數(shù)據(jù)的處理、曲面的構(gòu)建方式及邊修與分析功能的健全，是逆向工程曲面模型重建相當(dāng)重要的一部分。在逆向工程計劃的執(zhí)行上，應(yīng)該對所建模型有一個通盤的了解，主要涉及到以下內(nèi)容：(1)后繼承接的工作南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文15各種不同領(lǐng)域的應(yīng)用，其模型建構(gòu)在處理上也大不相同，即使是在同一工業(yè)用的產(chǎn)品隨著產(chǎn)品種類的不同，對精度與曲面質(zhì)量的要求也大不相同。所以在計劃執(zhí)行以前，應(yīng)該對后繼的要求有所了解。(2)必須要達到的精度要求及其可能性可能產(chǎn)生的誤差包括測量時造成的誤差和曲面建構(gòu)時點數(shù)據(jù)與曲面間的誤差。各種產(chǎn)品需要達到的精度標準各有不同，配合件的要求較高，非配合件的精度要求則較低，然而這些都必須在計劃執(zhí)行前做一個規(guī)劃，以達到任務(wù)的完滿完成。(3)必須要達到的曲面質(zhì)量：平滑程度與連續(xù)性以已往的逆向工程的經(jīng)驗來講，高精度和高質(zhì)量的曲面一直是追求的兩大目標，大多數(shù)情況下，兩者是相互沖突的，如果要一個曲面與點數(shù)據(jù)完全吻合，那么該曲面必然有很多波動。必須再兩者有所折中，在大部分的情況下，只要誤差沒有超過允許范圍，則更加側(cè)重要求高質(zhì)量的曲面。3.1.2 曲線與曲面的連續(xù)性曲面的連續(xù)性大致可分為位置連續(xù)、切線連續(xù)和曲率連續(xù)。位置連續(xù)是表示曲面鍵或曲線間僅在邊界上相接的關(guān)系，這種相接的關(guān)系有可能形成一個尖銳的邊界。切線連續(xù)是表示曲面間或曲線間的連續(xù)處有相同的切線角度，切線連續(xù)可以符合大多數(shù)工業(yè)的要求。曲率連續(xù)是表示曲面間或曲線間的連續(xù)處有相同的曲率，曲率連續(xù)的曲面能滿足特殊的要求。隨著 CAD/CAM 技術(shù)發(fā)展，各種自由曲面和曲線的理論應(yīng)運而生，如 Bezier，B-Spline，NURBS 等。3.1.3 曲線的擬合曲線的擬合原理用測量儀所得到的點數(shù)據(jù)來簡歷曲線的方式一般有兩種：近似的方式和插值的方式。近似的方式采用近似的方式來擬合曲線，首先必須指定一個允許誤差值，并設(shè)定控制點求出一個曲線后，將測量點投影到這個曲線來，求出點到曲線的誤差量，若作大的誤差量大于允許誤差，則要增加控制點的數(shù)目，再重新一最小二乘法來求出曲線，直至測量的點投影到曲線后的所有誤差值小于允許值。再近似法的流程中必須一直增加控制點的數(shù)目，以求得與測量點更為接近的曲線，直至誤差小于允許值，因此系統(tǒng)進行計算所需要得時間會與測量得到的點數(shù)據(jù)和指定的允許誤差值有關(guān)，如果測量的數(shù)據(jù)很密或是指定的允許誤差很小，則運算的時間相當(dāng)?shù)拈L。插值法插值法是在兩個相鄰測量點數(shù)據(jù)中插值，得到通過這些點的曲線。以插值方式建立近似的曲線，其優(yōu)點是所得到的曲線必會通過所有測量的點數(shù)據(jù)，因此曲線與點南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文16數(shù)據(jù)的誤差為零。其缺點是當(dāng)數(shù)據(jù)量大時，則曲線控制地點也相當(dāng)?shù)卦黾?。同時若點數(shù)據(jù)有噪聲存在，則所簡歷地曲線將不平滑。因此，使用插值法最好先將數(shù)據(jù)平滑化以除去噪聲。3.1.4 曲線的構(gòu)建當(dāng)完成模型的掃描測量之后，可利用曲線，曲面重建來完成整體模型的構(gòu)建。而構(gòu)建良好的整體模型取決于曲線，曲面整合發(fā)展環(huán)境的優(yōu)劣。因此在構(gòu)建的過程中，無論是曲面上的曲線，或是由原始點數(shù)據(jù)所擬合出的曲線，均可成為構(gòu)建曲面的有效工具，所以，對于曲線的建立與修編，使其能與曲面構(gòu)建功能相整合，是重建原始模型的關(guān)鍵之一。另一方面，在曲面模型構(gòu)建的過程中，其相關(guān)的構(gòu)建方式與修編功能，也是建立良好模型的基礎(chǔ)。因此在測量的過程中，噪聲是影響測量結(jié)果的主要因素，若能將噪聲的影響降至最低，則能構(gòu)建出較好的的曲面。然而在測量方法上的改進是有限的。所以在曲線架構(gòu)方面也需要更佳的技術(shù)，方能彌補測量上的限制。為了得到最好的曲面模型，必須結(jié)合曲面修編功能，才能改善逆向工程模型重建的質(zhì)量。 從逆向工程的決度上來看，曲線的構(gòu)建是非常的重要的。因此為曲線外形構(gòu)建的好壞，會影響后繼曲面模型的重構(gòu)。所以，曲線的擬合在曲面重建過程中起著重要的作用。曲線構(gòu)建的方式有很多種，下面介紹切割曲線和邊界曲線的基本原理。所謂切割曲線，即利用平面切割點數(shù)據(jù)或用鼠標在屏幕上移動所產(chǎn)生的軌跡，與原始點數(shù)據(jù)做交集，再將交集后得到的點數(shù)據(jù)，經(jīng)排序后利用曲線擬合的算法擬合出曲線。與點數(shù)據(jù)交集的過程中，必須利用到坐標轉(zhuǎn)換的觀念。就是將點數(shù)據(jù)在三維空間的坐標轉(zhuǎn)還成在屏幕平面上所視的坐標。再把鼠標的坐標與點數(shù)據(jù)在平面上的坐標兩者所產(chǎn)生的直線方程相比較，看彼此是否有相交。若兩者之間有相交，則在此點數(shù)據(jù)區(qū)間內(nèi)必有解，再利用得到的解，經(jīng)由線性內(nèi)插的公式而得到相應(yīng)的 3D點坐標。最后再將這些點數(shù)據(jù)，用曲線擬合出方程式，進而求得相應(yīng)的參數(shù)曲線。所謂邊界曲線，是點數(shù)據(jù)前處理中判斷邊界的方法，而在邊界判別之后，選取所判定的邊界點，并利用這些邊界點來重新擬合出曲線。一般而言，曲面與曲面之間的邊界，即是斜率不連續(xù)之處。在掃描數(shù)據(jù)中，若有斜率與曲率不連續(xù)的邊界點，通常稱之為特征點 [3]。3.1.5 點數(shù)據(jù)處理點數(shù)據(jù)處理大致可分為：點數(shù)據(jù)的坐標定位，數(shù)據(jù)雜點的刪除，數(shù)據(jù)的噪聲濾除、排序、平滑化及篩減，利用特征搜尋功能找出曲面的趨勢或特征，切割除需要南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文17的點或剖切點數(shù)據(jù)。1、點數(shù)據(jù)的坐標定位無論使用的是何種設(shè)備，在掃描過程中不免需要將待測物體作移動，以實現(xiàn)完整點數(shù)據(jù)的獲取，這將會造成輸入軟件中數(shù)據(jù)的點數(shù)據(jù)產(chǎn)生坐標不統(tǒng)一的現(xiàn)象，目前部分掃描設(shè)備具備自動將不同角度的掃描點數(shù)據(jù)作定位的功能，但是畢竟還是有部分的點數(shù)據(jù)必須通過人工或后處理軟件達到點數(shù)據(jù)的定位。2、雜點數(shù)據(jù)的刪除事實上，無論是以接觸式或非接觸式所獲取的點數(shù)據(jù)都會有不需要的點數(shù)據(jù)存在，這時可將不需要的點用圈選工具將不要的點數(shù)據(jù)圈起來并刪除。3、數(shù)據(jù)的噪聲濾除、排序、平滑化及篩減當(dāng)工程師得到點數(shù)據(jù)后，必須檢查點群，刪除不需要的雜點。利用軟件的排序功能，將要用來建構(gòu)曲線和曲面的點數(shù)據(jù)作排序并使其平滑化；如果點數(shù)據(jù)太多，也可利用刪減工具，將點數(shù)減少；通常特征變化較大的地方需要較多的點數(shù)據(jù)來描述，而較平滑的地方則以較少的點數(shù)據(jù)來表達；使用分析工具了解自己做了某些工作后，可能產(chǎn)生的誤差有多少。4、利用特征搜尋功能找出曲面建構(gòu)的概況或特征在建構(gòu)一個模型之前，應(yīng)先考慮整個模型的建構(gòu)概況，再下手去編輯曲面。通常模型的建構(gòu)式由平滑曲面與平滑曲面相交，經(jīng)過延伸與修剪等編輯后，再與交接處導(dǎo)圓角或制作其他曲面，這樣的方式得到的曲面比較能達到加工要求。所以再見構(gòu)一個模型的曲面之前，應(yīng)考率這個模型的建構(gòu)方式，甚至可以用鉛筆在模型上作大致的規(guī)劃。而點群數(shù)據(jù)與后處理軟件能幫助找到模型的特征，以便做出精確的曲面分隔處。(1)利用決度變化的搜尋方式設(shè)定一角度變化的最大和最小值范圍，找出數(shù)據(jù)變化量。(2)利用光反射原理找出特征用打光的方式再不同角度，不同的距離打光，依照光打在模型上的顏色區(qū)分曲面區(qū)域。(3)利用已有的圓角面找出原來的曲面交線利用后處理軟件的功能找出圓角面之前的特征曲線。5、點群或剖面點數(shù)據(jù)的切割在了解了特征分隔之后，接下來的工作是利用點群找出曲線建構(gòu)需要的點數(shù)據(jù)，模型的邊界可以用部分特征搜尋的結(jié)果，所要建構(gòu)曲面的 U, V 曲面可以用剖面的方南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文18式指定平面法向量與間隔，將所要的剖面點數(shù)據(jù)提取出來。提取出來少量點的數(shù)據(jù)后，可以發(fā)現(xiàn)，如果用所有的點數(shù)據(jù)去繪制曲線，曲線仍然回有波動的情況，這是因為點數(shù)據(jù)太多所致，這時可采用平滑化功能，將這些少量點群作平滑化處理，并斟酌刪減數(shù)據(jù)，以備后續(xù)曲線構(gòu)建所用。3.1.6 曲線的構(gòu)建和分析經(jīng)過處理過的點數(shù)據(jù)可以建立精確且平滑的曲線，曲線的構(gòu)建與分析對后續(xù)曲面的構(gòu)建是很重要的。在經(jīng)過了平滑化與點數(shù)據(jù)篩減后，通?？梢钥吹剑詣淤N合的自由曲線會有抖動的現(xiàn)象。這是由于曲線的控制點過多造成的，根據(jù)點數(shù)據(jù)構(gòu)建的特性，精度與平滑化是必須關(guān)注的地方。通常在建構(gòu)自由曲線之前，根據(jù)提供的參數(shù)進行調(diào)整，如公差，曲線階數(shù)，控制點數(shù)以及曲線的邊界條件等。在曲線構(gòu)建出來以后，也可用曲線修編工具，對既有的曲線作平滑化或邊界連續(xù)性的修改 [3]。從逆向工程的角度來講，在構(gòu)建曲線時應(yīng)注意以下幾點情況：現(xiàn)有的硬件設(shè)備大多可取得大量的點群，即使經(jīng)過部分提取或特征搜尋，點數(shù)據(jù)還是相當(dāng)?shù)亩?。實際上曲線的建構(gòu)并不需要太多的點，應(yīng)斟酌調(diào)整參數(shù)。連續(xù)的曲線之間是否達成良好的連續(xù)性，這對后續(xù)曲面之間的連續(xù)性相當(dāng)大的影響。同一曲面的建構(gòu)曲線最好擁有相同的曲線參數(shù)。如果以相同的參數(shù)的曲線建構(gòu)曲面，可得到較高質(zhì)量的曲面。在所選定的視角上繪制直線時，系統(tǒng)會將該直線投影在點數(shù)據(jù)上。當(dāng)把視角作為變換時，可以發(fā)現(xiàn)該直線己自動的貼覆于點數(shù)據(jù)成為一條曲線。在參數(shù)設(shè)定窗口調(diào)整曲線階數(shù)和控制點。曲線繪制以后，可以利用曲線與點群的誤差分析，分析曲線的精度與平滑度。由于點數(shù)據(jù)在特征所處在疏密程度不一定都一樣，也不一定清楚，所以繪制曲線時是否能點選到正確的位置是無法預(yù)料的。此外，視角的選擇更為重要，2D 的屏幕上所呈現(xiàn)的視覺是 3D 的狀態(tài)，常會有因視角不同而造成誤判的情形，所以在使用本功能之前，可以利用軟件的顯示功能，如用三角網(wǎng)格化的顯示方式或打光的方式，幫助特征位置凸出，來辨別位置。1、剖面曲線的建構(gòu)所謂剖面曲線的建構(gòu)，其采用的方式和點數(shù)據(jù)處理中的剖面點數(shù)據(jù)一樣，可以將點數(shù)據(jù)的剖面點群繪制出曲線。其操作方式為指定剖面法向量和剖面間隔等參數(shù)，系統(tǒng)會自動將曲線繪制出來，這個功能對與較平滑的點群相當(dāng)?shù)暮糜?，可以來且出緩緩變化的曲線，供建構(gòu)和拉伸曲面。由于這樣的曲線是系統(tǒng)自動建構(gòu)出來的，所以免不了要進行后續(xù)的修編，經(jīng)修編的曲線能構(gòu)建出比較復(fù)合加工要求的曲面。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文19除了上述兩種逆向工程軟件常用的曲線建構(gòu)以外，也有簡單的幾何曲線建構(gòu)功能，如模型上有一圓孔，也可用自動搜尋功能，將圓繪制出來，同時系統(tǒng)也會將圓心及半徑顯示出來，但這樣繪制出來的圓不一定準確，有參考價值.。2、曲線修編曲線的修編主要是:曲線延伸、修剪、連接等，就逆向工程的軟件來講，大多數(shù)通過點群所得到的曲線多要經(jīng)過修編?？梢酝ㄟ^拖動控制點或線上的點的方式來調(diào)整曲線的走向，而編輯曲線的參數(shù)也是使曲線簡單化的主要方式，通常越簡單的曲線越能構(gòu)建高質(zhì)量的曲面。這些功能再配合曲線與點群的誤差分析功能，將可以調(diào)整出最佳的曲線狀態(tài)。有的部分軟件采用比較直觀的方式使曲面平滑化，但參數(shù)設(shè)定完成后，系統(tǒng)會以逐步變化的方式，將曲線的變化顯示出來，以消除曲線扭曲的情形。3.1.7 曲面構(gòu)建與分析在逆向工程軟件中，曲面的構(gòu)建方式主要有兩種:利用點數(shù)據(jù)構(gòu)建和利用曲線構(gòu)建。利用曲線構(gòu)建與一般的 CAD 系統(tǒng)相似。下面主要論述一下利用點數(shù)據(jù)的方式來構(gòu)建曲面的功能。在構(gòu)建曲面之前，首先要注意幾點事項：在建模的初期，應(yīng)對模型整體的建構(gòu)有一定的初步的規(guī)劃?？梢栽谀Ｐ蜕瞎蠢粘銮媾c曲面間隔：也可將模型的一些簡單幾何要素找出來，作為后續(xù)曲面建模與模型基準的參考；必須了解對精度與平滑度之間取舍的允許度。在允許的精度誤差上，會舍棄精度取平滑度；必須對后處理的過程有全盤的了解。由于不同的曲面建構(gòu)、不同的軟件以及后續(xù)的加工等，都可能造成不同的結(jié)果，所以必須了解后續(xù)工作的動作過程，以控制誤差的允許度:曲面的建構(gòu)應(yīng)盡可能簡單。簡單的曲面有利于后續(xù)工作的修編，較容易構(gòu)建出較高質(zhì)量的平滑曲面模型。在曲面編輯之前，如能利用軟件的分析功能，來充分掌握各建構(gòu)曲線的精度與控制點，則建構(gòu)出高質(zhì)量曲面的可能性較大?；編缀吻娴慕?gòu)在逆向工程中，由于測量出來的點數(shù)據(jù)坐標可能沒有固定，所以用點數(shù)據(jù)建構(gòu)基本幾何要素的功能就顯得相當(dāng)重要了，利用這些基本幾何要素，可以很方便地找到平面、模型的孔位、定位用基準等。要對基本幾何體做出快速的分析。隨著測量系統(tǒng)的不同，測量出來的精度也有差異，最好要配合軟件的分析功能，分析顯示基本幾何信息，如尺寸，位置等，再作適度的調(diào)整，求出最佳的結(jié)果。1、利用點數(shù)據(jù)貼合自由曲面南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文20利用點數(shù)據(jù)貼合自由曲面使利用點群以類似投影的方式建構(gòu)曲面，這個功能可以用于建構(gòu)區(qū)域性的大曲面，通常建構(gòu)出來的曲面會大于點群，后續(xù)可利用曲面延伸與修剪等修編工具。在使用此功能前，請注意下列事項：在執(zhí)行本功能前，需要將點數(shù)據(jù)作區(qū)分。必須先對部分所要建構(gòu)曲面的點數(shù)據(jù)獨立切割出來，以便程序?qū)υ摢毩Ⅻc數(shù)據(jù)作運算；一般來講，本功能對變化較小或漸進變化的點群有較好的效果。在使用本功能前對點數(shù)據(jù)作噪聲濾除與平滑化處理。遵循曲面簡單化原則，盡可能以較少的控制點來建構(gòu)曲面，其參數(shù)應(yīng)從 3 階 10 各控制點開始，在一般情況下 3 階曲面已經(jīng)足夠滿足要求了。可以通過控制參數(shù)，如控制曲線逼近控制點的比例；控制與點數(shù)據(jù)的平均誤差；控制平滑度等參數(shù)。2、利用點數(shù)據(jù)與邊界曲面建構(gòu)曲面利用點數(shù)據(jù)與邊界曲線建構(gòu)的曲面使逆向工程特有的曲面，此構(gòu)建方法中最快的一種，它有較精確的邊界控制，利用這種貼合點數(shù)據(jù)建構(gòu)曲面的方式，可以很快的將自由造型的曲面建構(gòu)出來。利用本功能，應(yīng)注意下列事項:必須用 4 條連接的曲線來形成曲面建構(gòu)的邊界。要注意邊界曲線的平滑度，是否有扭曲現(xiàn)象。對區(qū)域內(nèi)的點數(shù)據(jù)應(yīng)先做好噪聲濾除與平滑化處理，并注意變化。控制點來建構(gòu)曲面，其參數(shù)應(yīng)從 10 各控制點開始，逐步視情況而增加。遵循曲面簡單的原理，盡量用較少的控制點來建構(gòu)曲面，其參數(shù)應(yīng)從 10 個控制點開始，逐步視情況而增加。建構(gòu)了區(qū)塊狀的曲面后，需將曲面與曲面作邊界連續(xù)性的編輯，此時相鄰的曲面間有相同的曲面參數(shù)者連續(xù)性較好。3、曲面編輯逆向工程的軟件中的曲面編輯主要有:曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，較高級的則會提供用拖拉曲面控制點編輯曲面的工具，或曲面平滑、曲面貼合點數(shù)據(jù)。通過逆向工程得到的數(shù)據(jù)很多時候是不同格式的文件，要把這些數(shù)據(jù)拿到進行后續(xù)操作，一種是通過第 3 種軟件把格式的文件轉(zhuǎn)換成格式文件，再把轉(zhuǎn)換后的文件輸入中。另一種是把所有操作都在其中完成。3.2 基于 CATIA 軟件下逆向后處理3.2.1 CATIA 曲面重構(gòu)工具介紹CATIA 曲面重構(gòu)工具是集成于 CATIA 軟件中的專門用于逆向工程建模的工具模塊。曲面重構(gòu)工具最初是響應(yīng)汽車、飛機、船舶工業(yè)的要求開發(fā)的，當(dāng)時汽車工南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文21業(yè)需要一個工具幫助設(shè)計諸如車身面板之類的光滑曲面?，F(xiàn)在曲面重構(gòu)工具是一個完全集成于 CATIA 的一個可用于逆向工程的工具模塊，曲面重構(gòu)工具是一種非參數(shù)化環(huán)境工具。它使用戶可以專注于模型的特征區(qū)域，并使用不同的工具來獲取期望的形狀和曲面屬性。獨立幾何也是 CATIA 的超級特征，為了將設(shè)計活動孤立在一個單一的特征中，曲面重構(gòu)工具使用了“型特征”的概念，獨立幾何超級特征即為型特征。獲取曲面重構(gòu)工具時，就開始使用型特征。型特征時一個復(fù)合特征，包括所有創(chuàng)建或輸入到掃描工具中的幾何和參數(shù)。所有的輸入型特征，在其中創(chuàng)建的幾何都成為型特征的一部分。型特征的內(nèi)部對象，如單獨的曲面，曲線等，在型特征外部或它們相互之間沒有父子從屬關(guān)系。這樣便可以自由操作曲面，而無需考慮型特征對象之間及模型其余部分之間的參照和父子關(guān)系。利用掃描工具可完成下述任務(wù)：·輸入、生成和過濾原始數(shù)據(jù)?！ぽ斎霂缀?，包括曲線、曲面和多曲面數(shù)據(jù)?！?chuàng)建和修改曲線?！な止せ蜃詣有薷膸缀?；幾何從后續(xù)特征收縮到型特征。掃描工具提供了根據(jù)掃描數(shù)據(jù)建立光滑曲面的工具，根據(jù)掃描數(shù)據(jù)的特點，誤差和光滑程度的需要，基于個人的逆向工程的經(jīng)驗，可以選擇基于曲線、曲面或兩者結(jié)合起來進行模型重建。1、基于曲線的逆向工程：首先根據(jù)數(shù)據(jù)建立型曲線，然后通過型曲線建立曲面。通過這個方法可獲得最終的曲面或獲取用于基于曲面的方法的起始曲面，這種方法在大多數(shù)情況下，要獲取光滑曲面，只能使用掃描數(shù)據(jù)的一小部分。這通常會導(dǎo)至曲面和沒使用的掃描點之間存在比較大的誤差。要減少誤差，定義曲面時應(yīng)使用更多的型曲線，但曲面的質(zhì)量會下降。2、基于曲面的逆向工程:在基于曲面的逆向工程里，可根據(jù)常規(guī)的 CATIA 曲面和型曲面建立曲面的復(fù)制曲面，然后讓曲面適應(yīng)掃描數(shù)據(jù)，以獲取規(guī)定誤差內(nèi)的曲面。通過增加和去除柵格線，可以提高控制曲面的光滑程度和靈活控制細節(jié)的能力?；谇娴姆椒梢钥焖俳⒐饣那?，并控制曲面對掃描數(shù)據(jù)的偏差，使誤差最小。3.2.2 平面特征小三角平面；向幾何的選定區(qū)域添加小三角平面的一個單獨的層；填充選定幾何的所有凹陷部分，填充需要附加體積的區(qū)域，以便定義在掃描時變模糊的邊。南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文223.3 曲面重構(gòu)具體過程 [4][5][6]1.輸入原始數(shù)據(jù)打開 CATIA 的點云編輯處理特征環(huán)境，在此環(huán)境下導(dǎo)入掃描的玩具汽車覆蓋件的點云數(shù)據(jù)。如圖 3-3 所示圖 3-2 點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入圖2.編輯輸入的點云使點云以點的形式顯示圖 3-3 點云數(shù)據(jù)編輯圖處理后的結(jié)果如下圖：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文23圖 3-4 點云數(shù)據(jù)處理完成圖3.使用 去除噪聲點及多余的測量點圖 3-5 點云數(shù)據(jù)除雜點圖4.以下以兩種方式來大量去除點云，如下以拉動線段來大量去除選定點：圖 3-6 點云數(shù)據(jù)除雜點方法一展示圖以所繪制線段來大量刪除點南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文24圖 3-7 點云數(shù)據(jù)除雜點方法二展示圖處理后的點云如下：圖 3-8 點云數(shù)據(jù)除雜點完成圖5 運用單個點拾取方式取出多余的點圖 3-9 逐點去除點云雜點處理圖處理中的圖形：南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文25圖 3-10 逐點去除點云雜點過程圖將處理后的圖形用三角面片擬合，觀看大體外觀圖 3-11 三角面片擬合過程圖以兩點間距離為 50mm 處理后的圖形：圖 3-12 小間距三角面片擬合完成圖以兩點間距離為 70mm 處理后的圖形南昌航空大學(xué)科技學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文26圖 3-13 大間距三角面片擬合完成圖由于中間部分點云缺失，造成曲面性狀不完整，并出現(xiàn)多種缺陷如下：這對于曲面的重構(gòu)設(shè)置了一個巨大的難題。圖 3-14 大間距三角面片數(shù)據(jù)缺失部分圖5.以頂部曲面為例，介紹曲面的做法及修剪。首先，選取控制點，