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1、學士學位論文 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)狀及應用41.1.3逆向工程的一般步驟41.2測量工具ATOS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19 3.2基于
2、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456223.4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)設計及虛擬裝配4.1 各個零部件的設計324.1.1規(guī)則實體重構(gòu)方法324.1.2零件設計的一般步驟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441論文第一章 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等計算機輔助技術進行分析、再設計、數(shù)控編程等操作，而后進行加工。逆向
3、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)品設計充分利用CAD技術的優(yōu)勢，并適應智能化、集成化的產(chǎn)品設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)镃AD模型相關的數(shù)字化技術和
4、幾何模型重建技術的總稱。逆向工程是綜合性很強的術語，它是以設計方法學為指導，以現(xiàn)代設計理論、方法、技術為基礎，運用各種專業(yè)人員的工程設計經(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，是對己有設計的設計，特別強調(diào)再創(chuàng)造是反求的靈魂。從工程應用的目的出發(fā)，將反求工程的研究領域拓寬到工藝、材料、原理等方面的反求，是廣義上的反求。應該看到:逆向工程有其獨特的共性技術和內(nèi)容，還是一門新興的交叉學科分支。現(xiàn)行產(chǎn)品中的各種復雜高新技術，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)代人們通稱的設計一般均指正向設計。它根據(jù)市場需要提
5、出目標和技術要求，使設計意圖變?yōu)楫a(chǎn)品。如何合理利用他人的設計思想，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)展的關鍵。實際上，在設計制造領域，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、技術的應用和借鑒改進?？梢钥闯觯辞笏季S在工程中的應用己源遠流長，然而提出這種術語并作為一門學問去研究，則出現(xiàn)于60年代，逆向工程是各國技術進步、發(fā)展，尤其是發(fā)展中國家迅速改變技術落后狀況，提高綜合設計、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
6、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。1.1.2逆向工程的現(xiàn)狀及應用 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的一系列分析方法以及應用技術的組合，其主要目的是為了改善技術水平，提高生產(chǎn)率，增強經(jīng)濟競爭力。世界各國在經(jīng)濟技術發(fā)展中，應用逆向工程消化吸收先進技術經(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源于國外，逆向工程作為掌握技術的一種手段，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，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展和科學技術水平的提高，具有重大的意義。逆向工程的應用領域大致可分為以下幾種情況：（1）在產(chǎn)品仿制中的應用 有時，擬合
7、制作的產(chǎn)品沒有原始的設計圖檔，而是由委托單位交付樣品或?qū)嵨锬Ｐ?，請制作單位復制。傳統(tǒng)的復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上形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼，加工復制出一個相同的零件。（2）在新產(chǎn)品設計中的應用 隨著工業(yè)技術的發(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)
8、品外形的美學設計，已不是傳統(tǒng)訓練下的機械工程師所能勝任的。一些具有美工背景的設計師們可利用CAD技術構(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。在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果，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計方法。（3）在舊產(chǎn)品改進中的應用 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軟件對原設計進行改進。當要設計需要通過實驗測試才能
9、定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經(jīng)過各種性能測試(如風洞實驗等)建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設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)中的應用 快速原型制造(又稱RP技術)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，被認為是近20年來制造領域的一次重大突破。RPM綜合了機械、CAD,數(shù)控、激光以及材料科學等各種技術，可以自動、直接、快速、精確地將設計思想轉(zhuǎn)變?yōu)?/p>
10、具有一定功能的原型或直接制造零件，用以對產(chǎn)品設計進行快速評估、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)為基礎的快速工裝模具制造(Quick Tooling/Molding)和快速精鑄技術(Quick Casting)等則可實現(xiàn)零件的快速制造(Quick Manufacturing)。 為應用該項技術，首先應該有產(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雜的零件模型，仍相當費時。有時工程界提供的是實物，需要由實物制造模具或作設計上的改進，因此在RPM中經(jīng)常利用逆向工程技術來建立產(chǎn)品的幾何模型。 此外，在計算機圖形和動畫、工藝美術和醫(yī)療康復工
11、程等領域，也經(jīng)常需要根據(jù)實物快速建立物體的三維幾何模型。另一個重要的應用如修復破損的藝術品或缺乏供應的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行復制，而是借助逆向工程技術抽取零件原形的設計思想，指導新的設計.這是由實物逆向推理出設計思想的一種漸近過程。因此，逆向工程技術在這些領域中也具有重要的應用價值。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計與加工
12、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以上過程，直至達到零件的設計要求。1.2測量工具ATOS介紹德國GOM公司獨家研制的ATOS流動式光學掃描儀是目前市場上最為先進的非接觸式三坐標掃描設備。該設備采用可見光，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，利用光學拍照定位技術和光柵測量原理
13、，可在極短的時間獲得復雜工件表面的完整點云。其獨特的流動式設計和不同視角點云的自動拼合技術，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
14、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拼接點云數(shù)據(jù)造成累計誤差，超出技術要求，故GOM公司最先發(fā)明了數(shù)碼相機定位技術,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
15、何復雜表面的密集點云（點距0.030.5mm），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，設備安裝、標定工作可在10min完成，無需預熱即可掃描，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 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5040m
16、m到20002000 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計，性能穩(wěn)定。設備操作簡單，經(jīng)過兩天的培訓即可熟練的操作，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 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)。可根據(jù)工件尺寸
17、選擇不同直徑的參考點（1mm8mm），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 對于復雜的大型工件，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、飯金設計
18、、加工和裝配工藝過程。設計及模具設計等功能于一體，特別是其全參數(shù)化和全相關功能強大的實體造型技術，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行業(yè)中市場占有率最高的CAD軟件的核心技術特點： 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，并且可以按預先設置很容易的進行修改。例如：設計特征有弧、圓角、倒角等等，它們對工程人員來說是很熟悉的，因而易于使用，并以這些簡單特征為基礎來進行更為復雜的幾何形體的構(gòu)造。裝配、加工、制造以及其他學科都使用這些領域獨特的特征。通過給這些特
19、征設置參數(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計疊代，實現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 2、全尺寸約束 在Pro/ENGINEER的設計過程中，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)動設計修改 Pro/ENGINEER設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，讓設計者可以通過簡單的編程，來實現(xiàn)設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
20、計的系列化，建立產(chǎn)品的標準零件等。 4、全數(shù)據(jù)相關 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，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關環(huán)節(jié)
21、上。這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設計開發(fā)全過程統(tǒng)一起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(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，同時保持設計意圖。高級的功能支持大型復雜裝配體的構(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
22、復雜的功能而且還為用戶提供了開發(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)品的設計上更得心應手，加工制造技術更快速，生產(chǎn)程序更具有效率，上市時間更加領先，質(zhì)量更加可靠。讓用戶的產(chǎn)品設計、制造、生產(chǎn)流程連貫化，
23、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
24、輸出的加工控制數(shù)據(jù)可進行實際加工，制造出所設計的產(chǎn)品及零件模型。工程師利用PRO/NC設計好加工程序后，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?shù)墓ぞ呒凹庸C
25、床，可以實際應用PRO/NC所設計的產(chǎn)品加工制造工藝。1.4 CATIA軟件介紹1、CATIA簡介CATIA應該說是最高檔的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，應該說是任何一個CAD三維軟件所不能比的，因而廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等行業(yè)的復雜曲面造型設計中（據(jù)信現(xiàn)在國內(nèi)幾乎所有的飛機設計研究院所都用CATIA）。CATIA軟件的曲面造型
26、技術為這些行業(yè)的產(chǎn)品設計提供了先進、方便、快捷的手段，使設計更趨完美，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在提供了面對復雜設計與仿真的CATIAP2、P3平臺軟件的同時，還配備了面對相對簡單建模需求的CATIAP1平臺2。CATIA是CAD/CAM業(yè)界的領導者，其作為全球CAD/CAM市場的領袖，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
27、方案，包括汽車、航空航天、消費品、制造與裝配、工廠設計、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，可使所有的設計者、制造廠及供應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
28、，應用于CATIA解決方案在商業(yè)應用方面碩果累累，豐富的應用軟件支持整個產(chǎn)品周期，從構(gòu)想、設計直到制造維護。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在造型風格、設計等方面具有獨特長處，為各種產(chǎn)品的設計和制造提供了端對端（end-to-end)的解決方案。CATIA涉及生產(chǎn)、加工和人員三個關鍵領域。（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計師和工程師的設計最佳工具。2、應用CATIA軟件從事設計的技術人員前景：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，因此從事設
29、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。這也是眾多大專院校學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手段來解決玩具汽車覆蓋件成形技術中的一些難題，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，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
30、CATIA的后處理技術；第四章主要介紹了基于Pro/E的實設計及虛擬裝配； 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就是如何獲得工程技術人員所要的點數(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特點。表2-1 非接觸式與接觸式測量的比較表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
31、料測量死角誤差10 - 100 P71光電接收器件1000-12000點/秒需噴漆，無基準點無限定光學陰影處及光學焦距變化處隨曲面變化大1 um 開關器件 人工控制 設定坐標系統(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.
32、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不易，而且測量速度相當慢。2.2零件掃描過程1、ATOS掃描儀類
33、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
34、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、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
35、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：51
36、2MB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 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3.2基于CATIA軟件下逆向后處理3.2.1
37、 CATIA曲面重構(gòu)工具介紹C輸入、生成和過濾原始數(shù)據(jù)。輸入幾何，包括曲線、曲面和多曲面數(shù)據(jù)。創(chuàng)建和修改曲線。手工或自動修改幾何；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
38、時應使用更多的型曲線，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制曲面，然后讓曲面適應掃描數(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。基于曲面的方法可以快速建立光滑的曲面，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。3.3曲面重構(gòu)具體過程456圖3-25曲面曲率分析圖（三）圖3-26曲面曲率分析圖（四）圖3-27曲面曲
39、率分析圖（五）3.5本章小結(jié)本章是探討逆向工程關鍵的一步，逆向工程的后處理技術。首先論述向工程處理的內(nèi)容和處理的原理，然后結(jié)合大型軟件CATIA的逆向工程功能將掃描得到的覆蓋件的點云圖處理成零件圖。通過此章的研究，可以看到逆向工程后處理的好壞將直接影響到零件重構(gòu)的精度，通過CATIA軟件的某些功能可以完成逆向工程的后處理。第四章 基于Pro/E的玩具汽車結(jié)構(gòu)設計及虛擬裝配4.1 各個零部件的設計Pro/E是美國參數(shù)化技術公司( Parametric Tech-nologyCorporation,簡稱PTC)的軟件產(chǎn)品。Pro/E具有全參數(shù)化和全相關的造型技術模塊,在實體造型功能和方便的編輯功能
40、方面,可以說是遙遙領先與其它軟件。接口上,Pro/E軟件具有IGS、STL、OBJ等多種輸入輸出數(shù)據(jù)文件,能與UG、I-DEAS、MasterCAM和CATIA等CAD/CAM軟件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù),是理想的設計軟件系統(tǒng)7。4.1.1規(guī)則實體重構(gòu)方法（1）主要通過拉伸及切除材料命令來實現(xiàn)，所謂拉伸即選定一個平面，再次平面上繪制由測量量得的尺寸圖形（必須是封閉圖形）然后使用拉伸命令，控制拉伸高度，從而得到拉伸實體；（2）其次還通過旋轉(zhuǎn)命令來重構(gòu)規(guī)則的球形實體，或是球形實體的組合及變化實體，所謂運用旋轉(zhuǎn)方法構(gòu)造實體即：在選定平面繪制好草圖后，在繪制一條中心軸線，然后利用旋轉(zhuǎn)命令讓繪制的草圖繞中心軸線旋轉(zhuǎn)
41、一定角度得到旋轉(zhuǎn)體；（3）除此之外，還可以用掃描、混合掃描和螺旋掃描來制作具有特定變化特征的實體，如彈簧、鋼管等，此種方法即先繪制實體的延伸軌跡，然后再繪制界面特征，并定義變量，最后完成實體的設計8。4.1.2零件設計的一般步驟以玩具汽車中的以構(gòu)件為例，來詳細說明Pro/E中零件的設計方法及設計過程。（1） 打開Pro/E，新建零件，不選缺省模板，選擇中國制尺寸進入繪制三維圖環(huán)境如下圖：圖4-1 Pro/E零件設計環(huán)境圖（2）根據(jù)零件的特點，選擇相應的命令，并進行草繪，然后將其設計成三維實體，下面是以玩具汽車的零部件的設計的具體過程：（1）按尺寸繪制草圖，并拉伸為平板，如下所示：圖4-14 P
42、ro/E零件設計-曲面重構(gòu)總圖4.2虛擬裝配Pro/E的裝配原理為六點定位原理，即：限制零件的六個方向上的自由度，從而使其達到完全定位的目的，其約束類型有，如下圖所示： 圖4-15 Pro/E虛擬裝配-約束種類圖 具體操作步驟，如下所示（1）新建一組件，進行裝配；（2）通過插入元件裝配，導入需要進行裝配的零件，如下所示：圖4-16 Pro/E虛擬裝配-開啟圖（3）以一輪系結(jié)構(gòu)件為例來具體說明裝配過程，首先導入車輪，如下所示：圖4-17 Pro/E虛擬裝配-步驟圖（一）（4）然后再插入支撐架，如下所示：圖4-18 Pro/E虛擬裝配-步驟圖（二）（5）建立約束來限制兩者之間的相對位置，使用軸對齊
43、，和面匹配，結(jié)圖4-19 Pro/E虛擬裝配-步驟圖（三）（6）接下來將另一個輪導入，并依此原理進行裝配，結(jié)果如下所示：圖4-20Pro/E虛擬裝配-步驟圖（四）（7）最后將輪軸導入，實現(xiàn)輪系的整體裝配，如下圖所示：圖4-21Pro/E虛擬裝配-步驟圖（五）（8）以此原理可得總的玩具汽車的裝配圖，如下所示：圖4-22 Pro/E虛擬裝配總圖（一）圖4-24 Pro/E虛擬裝配總圖（三）4.3本章小結(jié) 本章介紹了使用Pro/E進行零件設計的方法及過程，并介紹了虛擬裝配的原理及主要過程等，最后用Pro/E現(xiàn)了零件之間的虛擬裝配，由以上的作圖及裝配過程可以看出Pro/E具有強大的機械設計功能，可以提
44、高設計的質(zhì)量并縮短設計周期。第五章 結(jié)論本文結(jié)合逆向工程技術在玩具汽車重構(gòu)中的應用，研究了逆向工程的關鍵技術及其在實際應用中需要注意的問題。主要研究工作和成果概括如下: 1、在對接觸式和非接觸式測量方法的基礎上，分析不同測量方法的優(yōu)缺點，得出要根據(jù)工作的具體需要來選擇合適的測量設備和測量方法的結(jié)論，并應用ATOS I光學掃描儀高效率、高精度的完成摩托車覆蓋件的數(shù)據(jù)獲取工作。 2、對數(shù)據(jù)處理方法進行研究，得出逆向工程數(shù)據(jù)處理的一般流程，并應用CATIA軟件完成玩具車覆蓋件的數(shù)據(jù)處理工作，獲得完整、正確的數(shù)據(jù)以方便后續(xù)模型重建工作的進行。 3、了解曲線曲面的基本理論，得出結(jié)論:在建模過程中要準確反
45、映設計意圖，根據(jù)建模要求選擇適當?shù)那鏈蕜t，不需要一味地追求高質(zhì)量的曲面，只需保證建模的速度和質(zhì)量。 4、介紹CATIA和Proe軟件，充分利用軟件的優(yōu)勢，完成玩具汽車模型的重構(gòu)工作。 總之，采用逆向工程技術完成玩具汽車覆蓋件的模型重建能夠提高設計精度，獲得較高的模型質(zhì)量，縮短設計和制造周期，使產(chǎn)品能夠快速進入市場提高企業(yè)的競爭力，具有重要的意義。參考文獻1 李春玲. 復雜曲面激光測量與重構(gòu)相關技術研究D.山東大學碩士學位論文.2005.4.262 趙艷平. 逆向工程在摩托車覆蓋件建模中的應用D.西南交通大學碩士學位論文.2006.43 謝斌. 逆向工程在汽車覆蓋件成形技術上的應用D.合肥工業(yè)
46、大學碩士學位論文.2005.54 金濤，童水光.逆向工程技術M.北京:機械工業(yè)出版社，20035 許智欽，孫長庫.3D逆向工程技術M.北京:中國計量出版社，20026 李江雄.復雜曲面反求工程CAD建模技術研究D.浙江大學博十學位論文.1998.7 沈精虎Pro /ENGINEER 2001中文版典型實例M人民郵電出版社，20028，10528 孫江宏，段大高，黃小龍中文版Pro /ENGINEER 2001入門與實例應用M中國鐵道出版社，20034，5100致謝在老師和同學的幫助下，加上自己的努力，我順利完成了此次畢業(yè)設計，在這里我要對幫助過我的所有人表示最衷心的感謝。整個畢業(yè)設計過程中，于斐老師對我的指導給了我很大的幫助, 讓我能夠更好的， 更快的完成畢業(yè)設計。 在此， 我對于斐老師的指點與幫助表示最真摯的感謝。22
玩具汽車的逆向造型研究 畢業(yè)設計
