逆向工程实物模型测量

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安徽机电职业技术学院安徽机电职业技术学院毕业设计说明书逆向工程实物模型测量系（部）数控工程系专业数控技术班级数控3122姓名潘吉昌学号1401123063指导教师李庆2014～2015学年第1学34 安徽机电职业技术学院摘要本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于复杂曲面的模型重建。逆向工程的关键技术包括：数据获取、数据处理和模型重建。通过对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。根据复杂曲面的特点，采用逆向工程方法完成模型重建工作。采用北京三维天下激光扫描仪高效率、高精度地完成复杂曲面的数据获取工作。应用GeomagicStudio12软件完成曲面的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。运用UG软件中小平面特征和重新造型的方法，重复利用软件优势，完成曲面模型的重构工作。研究表明，采用逆向工程的方法完成曲面模型，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法，具有重要的实际意义和较高的应用价值。关键词：三维扫描；电云处理；逆向建模；34 安徽机电职业技术学院目录第一章绪论41.1引言41.2课题提出的背景及意义41.3研究内容7第二章逆向工程软硬件设备72.1扫描设备72.2点云数据处理软件82.3曲面处理软件82.4实体建模软件102.5实体三维数据的扫描122.6点云处理132.7实体建模142.8后续加工处理15第三章建立风扇叶片数模的具体步骤173.1风扇叶片逆向开发的流程173.2模型分析173.3扫描173.4标定摄像头183.5扫描操作233.6点云数据处理23结论27参考文献32致谢3334 安徽机电职业技术学院第一章绪论1.1引言反求工程ReverseEngineering是根据现有的实物模型的测量数据演绎出的设计概念和CAD模型，其目的就是消化吸收改进国内外先进技术，快速赶上或超过市级先进生产技术水平、赢得市场竞争。作为近年来迅速发展的快速设计制造的重要分支，可大大缩短产品制造周期，因而在制造领域得到了广泛的应用。1.2课题提出的背景及意义1．2．1逆向工程在国内外研究状况美国在其国内建立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程中心，在德国、英国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区已有商品化的逆向工程设备和系统软件相继投入使用，有效地提高了企业的竞争力，促进了生产的发展，反求工程在国外已取得了长足的进步。中国是制造大国，制造业在世界上排第四，但我们的制造水平还比较落后，大多数产品都还用提供的技术。随着我国工业的不断进步中，吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的产品设计手段。逆向工程技术为产品的引进设计提供了方便的工具，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有力的地位。在国内反求工程还处于一个初级阶段。在我国东西部的逆向工程的水平不一样，在东部沿海大多数设计开始使用逆向设计而西部基本还处于原始的正向设计阶段，因此中国的反求水平还是一个落后的阶段，逆向设计还有很大的发展空间。1.2.2逆向工程的原理及特点逆向工程的原理是一个“从有到无”34 安徽机电职业技术学院的过程，根据已经存在的产品模型，通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型，反向推出产品的设计数据过程。逆向工程是由高速三维激光扫描仪对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，的到其三维数据轮廓数据，配合逆向软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。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，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，制造模具也就更为繁杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型的数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出了一体化的解决方案：从样品→数据→产品。从样品直接反求出CAD数据，然后用快速成型或CNC数控直接加工出产品，因此逆向工程具有快速，高效等特点。1.2.3逆向工程的流程及应用领域逆向工程的流程有以下几步组成，逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：34 安徽机电职业技术学院1、对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。2、当设计需要实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。3、在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。4、逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。5、借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。1.2.4课题的目的及意义采用三维光学测量系统对叶片进行反求，建立风扇叶片的三维模型，并转化为二维生产图，以解决风扇叶片难以精确测量的问题，此方法有效地解决了风扇叶片难以精确测量的问题。通过毕业设计认识逆向工程，在以后的设计中考虑逆向工程，因为它缩短了开发周期，降低了产品开发成本。如果将逆向工程与已有的计算机辅助设计（cad），计算机辅助制造（cam）等技术有机的结合在一起，将有效地提高产品设计与制造的水平。对设计人员来讲，将传统的设计方法与逆向工程相结合，提高设计人员的整体水平；对国家而言，具有缩小发展中国家与发达国家之间的差距具有重要意义。1.3研究内容熟悉风扇的结构，了解三维测量仪器的操作，拼接技术的研究，总结扫描技巧。34 安徽机电职业技术学院了解风扇（一类的）点云的处理方法，通过风扇叶片的扫描知道反求工程的大概扫描过程。学习IMAGEWARE和geomagic软件。通过原物的扫描后，得到其形状，根据需要改变其形状参数，逆向设计后再进行正向设计。介绍完题目的背景和意义，以及逆向的基本原理和流程，下面介绍逆向工程的软硬件设备。第二章逆向工程软硬件设备在这章重点介绍这次毕业设计所需要的软硬件设备，主要是扫描设备，点云处理软件，曲面处理软件，实体建模软件，后续加工的设备。2.1扫描设备在进行逆向工程时，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。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。扫描设备根据其测量方式可分两类：1接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三坐标测量机是20世纪60年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。2非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。这次的风扇叶片测量也是用非接触式测量的三维光学测量仪。如图2-134 安徽机电职业技术学院图2-1三维光学扫描仪2.2点云数据处理软件Geomagic和Imageware都可以处理点云。Geomagic能更好地进行点云进行拼接，点云数据的精简，如果用Imageware处理点云，则会耗内存过多，显示延迟，不存在拼接模块等缺点，所以使用Geomagic进行点云的处理。Geomagic(美国RainDrop公司的）逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。GeomagicStudio可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，GeomagicStudio还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。只有GeomagicStudio具有下述所有特点：确保完美无缺的多边形和NURBS模型处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD软件提高十倍自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并使用户可以免于执行单调乏味、劳动强度大的任务可与所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对CAD软件的补充。2.3曲面处理软件Geomagic和Imageware都可以处理曲面。Imageware能更好进行曲面拟合，误差的分析，如果Geomagic34 安徽机电职业技术学院处理曲面，则会显示出曲面的精度不高以及处理时间过长等缺点。Imageware作为UGNX中提供的逆向工程造型软件。具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A级曲面（CLASSA）具有良好的品质和曲面连续性。Imageware的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。自由形状产品设计、快速曲面、高质量曲面、逆向工程、计算机辅助校验、多边形建模、快速原型等，使客户能够在很短的时间内精确地设计建立和全面检验高质量的自由形状产品。基本模块ImagewareSurfacing是一个功能强大的、直观的曲面创建工具,可以直接创建由测量点、曲线、曲面形成的自由曲面。柔性设计环境支持Bezier和NURBS曲面。动态曲面修改工具能够交互检测和变更设计，实时表现设计的含义和美感。建立工具提供从快速到高质量曲面的任意形状的功能，包括汽车ClassA需要的高精确和平滑的曲面。有效的连续和约束管理工具使曲面到曲面连接的曲率连续。实时诊断提供全面的质量分析工具，这些工具是鉴别表面曲率的仪器，加亮显示检测到的曲面瑕疵、偏离和不完整。Imageware数字检验工具包括加工性检查、分离线和曲面间隙，能够在数据提供给后续过程之前鉴别出设计缺陷。第2个基本模块ImagewareInspection是一个通用和容易使用的3D测量系统，用于比较物理零件和相应的理想CAD模型。偏离检查用图形和文字报告方式表现结果，报告可以用PDF格式在企业web网页上共享。此外，还提供工具处理光学检测点和离散的CMM测量数据。点处理使用户可以清除、采样、过滤、合并、交叉截面、偏置、投影点集、提取点和计算临界特征及边的尺寸。这在目前通过光学扫描仪采集的数百万点数据的处理时非常有效。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。34 安徽机电职业技术学院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）。Imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。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（Fitfreeform），可以用曲线通过蒙皮、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，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。2.4实体建模软件实体建模软件UG和Pro/ENGINEER同样的优秀，这次毕业设计中主要用UG进行模型的修改和产生风扇的二维图，用AUTOCAD对二维图进行修改。UG是美国EDS公司（现已经被西门子公司收购）的集CAD/CAM/CAE功能于一体的软件集成系统。UGCAD：曲线的建立、曲线的操作与编辑、三维实体建模与编辑、草图的建立及约束管理、表达式、工程图的建立、工程图的编辑与注释、组件装配、组件爆炸视图、组件克隆及明细表、自由形状特征的建立与编辑等。UG的计算机辅助制造（CAM）模块包括数控铣加工编程、车加工编程、电火花线切割编程，UG—CAE主要是对模型的分析。UG是目前市场上功能最极致的产品设计工具。它不但拥有现今CAD/CAM软件中功能最强大的Parasolid实体建模核心技术，更提供高效能的曲面建构能力，能够完成最复杂的造型设计。UG提供工业标准之人机接口，不但易学易用，更有无限次数的undo功能、方便好用的弹出窗口指令、快速图像操作说明、自定操作功能指令及中文化操作34 安徽机电职业技术学院接口等特色，并且拥有一个强固的档案转换工具，能转换各种不同CAD应用软件的图文件，以重复使用原有资料。Unigraphics(UG)是一套复杂产品设计制造的最佳系统，从概念设计到生产产品，UG广泛的军用在汽汽车业、航天业、模具加工及设计业、医疗器材产业等等，近年来更将触角深及消费性市场产业中最复杂的领域—工业设计。运用其功能强大的复合式建模工具，设计者可依工作的需求选择最适合的建模方式；关联性的单一数据库，使大量零件的处理更加稳定。除此之外，组立功能、2D出图功能、模具加工功能及与PDM之间的紧密结合，使得UG在工业界成为一套无可匹敌的高阶CAD/CAM系统。Pro-e:1985年，PTC公司成立于美国波士顿，开始参数化建模软件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER诞生了。经过10余年的发展，Pro/ENGINEER已经成为三维建模软件的领头羊。目前已经发布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列软件包括了在工业设计和机械设计等方面的多项功能，还包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造、产品数据管理等等。Pro/ENGINEER还提供了目前所能达到的最全面、集成最紧密的产品开发环境。下面就Pro/ENGINEER的特点及主要模块进行简单的介绍。全相关性：Pro/ENGINEER的所有模块都是全相关的。这就意味着在产品开发过程中某一处进行的修改，能够扩展到整个设计中，同时自动更新所有的工程文档，包括装配体、设计图纸，以及制造数据。全相关性鼓励在开发周期的任一点进行修改，却没有何损失，并使并行工程成为可能，所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。基于特征的参数化造型：Pro/ENGINEER使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象，并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如：设计特征有弧、圆角、倒角等等，它们对工程人员来说是很熟悉的，因而易于使用。装配、加工、制造以及其它学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数（不但包括几何尺寸，还包括非几何属性），然后修改参数很容易的进行多次设计叠代，实现产品开发。数据管理：加速投放市场，需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率，必须允许多个学科的工程师同时对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制，正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作，由于使用了Pro/ENGINEER独特的全相关性功能，因而使之成为可能。装配管理：Pro/ENGINEER的基本结构能够使你利用一些直观的命令，例如“啮合”、“插入”、“对齐”等很容易的把零件装配起来，同时保持设计意图。高级的功能支持34 安徽机电职业技术学院大型复杂装配体的构造和管理，这些装配体中零件的数量不受限制。易于使用：菜单以直观的方式联级出现，提供了逻辑选项和预先选取的最普通选项，同时还提供了简短的菜单描述和完整的在线帮助，这种形式使得容易学习和使用。根据全面的分析决定使用3个软件，geomagic主要用于点云的处理，UG主要用于三维实体的修改，CAXA主要用于二维图的生成。选完软硬件设备后，介绍逆向工程的一般过程。2.5实体三维数据的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。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。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。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。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。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。三维光学扫描速度快、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。34 安徽机电职业技术学院2.6点云处理通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云测量数据处理在反求工程CAD建模过程中占有重要地位．是关键技术之一；由三坐标测量机或激光扫描仪所测得的数据点之间，通常没有相应的显示拓扑关系。只是一大群空间散乱点。扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据应进行预处理，在进行CAD模型重建之前．需要对其进行预处理。数据预处理包括：多视拼合、噪声处理、精减数据点云、数据点云分割与重组、特征抽取、对点云数据的排序矢量化。1、多视拼合：用于将多次测量获得数据融合到统一坐标系中，即进行坐标归一化处理。2、消除噪声：由于实际测量中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，有必要对测量的点云进行平滑滤波，通常采用高斯、平均或中值滤波，提高点云的光顺程度。3、精减点云：测量中的高密度点云，由于存在大量的冗余数据，会影响后期建模的光滑度，并影响加工质量。不同类型的点云可用不同的精减方式：对散乱点云可用随机采样法；对扫描线点云和多边形点云可用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦偏差等方法；对网格化点云可用等分布密度和最小区域法。4、点云的排序：将原始测量点云按一定规则排序，使之在存储方向上具有方向性；多边形的点云经过排序后，可按排序方向判断轮廓的内外关系。本文中，同样要对各个“新云”进行排序操作，这样建立出来的曲面才有可能光顺。5、点云的分割：点云数据分割是对测量数据按照一定原则划分为特征单一、互不重叠的区域，使每一块点云都能用一个数学函数来描述，是反求工程CAD建模的关键。通常可用数学捕述的曲面类型有：解析曲面f平面、圆锥面、圆柱面、球面等)和自由曲34 安徽机电职业技术学院面两种。对自由曲面分块的原则要求是：区域内的点云曲率没有突变，或是曲率虽有变化，但是沿某一方向上的变化情况一致。点云数据分割的关键是找到块的边界，分块时应注意块的数量要尽可能较少，以减少曲面拼接带来的困难。5、特征抽取：对分块后的点云数据，构造出能表现曲面形状的空间曲线．根据曲率变化，寻找点云中的边界、尖角、棱边、孔等突变特征．再投影到点云，求出给定空间范围内的数据点，选取一定方式f插值或者拟合)建立边界线、特征线、截面线，根据这些已建立的大量曲线建立曲面的特征网格模型，形成模型框架。2.7实体建模近年来，运用AutoCAD软件进行二维图形的设绘已经得到很大的普及。但是二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。越来越多的三维设计软件如MDT,SolidWorks、Pro-E、UG等，都得到了广泛的应用。进行实体造型，两方面的良好结合才能构造精确的实体模型。(1)基于曲面的实体造型：如果曲面重构生成的曲面，其间隙在规定允许的范围内．可将曲面沿着法线方向产生一定的厚度，从而生成实体。此方法一般用于复杂自由曲面组成的实体，也是在反求工程中常用的实体造型方法。(2)基于体素特征的实体造型：通常将实体定义为简单的实体素的组合，采用布尔运算—交、并、差实现这种组合．此建模方式通常用于规则表面构成的实体。对于散乱型、网格型、线型等点云，很难用这种方法生成实体模型。目前，通常采用反求软件进行点、线处理，得到基本控制线框。然后通过IGES文件导人大型通用CAD软件．进行仿形设计、改型设计、产品的工业造型设计或结构设计，获得三维数字化模型；再根据新产品的功能要求进行创新设计．进一步满足使用要求。2.8后续加工处理34 安徽机电职业技术学院实体建模后的处理包括CAE分析，CAM加工，快速成型。CAE分析基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的(较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件(如结构的平衡条件），从而得到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。例如用多边形（有限个直线单元）逼近圆来求得圆的周长，但作为一种方法而被提出，则是最近的事。有限元法最初被称为矩阵近似方法，应用于航空器的结构强度计算，并由于其方便性、实用性和有效性而引起从事力学研究的科学家的浓厚兴趣。计算机辅助制造（CAM）主要用来解决产品造型设计和分析、加工问题，可完成模具产品造型、产品可装配性检查、动态流体分析等工作。常用软件有UG、Pro/Engineer、Mastercam、Cimatron和CAXA等，这些软件都具有模具设计开发功能。运用知识工程技术(KBE)，把模具设计原理、经验、技能和规范等结合到系统中，设计人员只要输入工况参数、工程参数或应用要求，系统就能自动推理构造出符合要求的数字化几何模型。有的设计软件如（UG）还具有数据读入、零件建模、缩放控制、自动模型布局、分模等功能，通过使用过程模板和标准件库，把过程向导技术应用于模具的优化设计中，使只有最基础模具设计概念的初级设计人员也能设计出高质量的模具来，大大提高了模具设计工作的效率。快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术，它无需准备任何模具、刀具和工装卡具，快速成型设备可直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。RP技术是基于离散/堆积成形原理的新型数字化成形技术，是在计算机的控制下，34 安徽机电职业技术学院根据零件的CAD模型，通过材料的精确堆积，制造原型或零件的。其基本原理为：根据工艺要求，将零件的计算机三维模型按照一定的规律离散为一系列有序的单元，通常在Z向将其按一定厚度进行离散（习惯称为分层），把原来的三维CAD模型变成一系列的层片；再根据每一层片的轮廓信息，输入加工参数，自动生成数控代码；最后由成型系统以平面加工方式有顺序地连续加工出每层模型并使它们自动粘结成型。如图2-2图2-2快速成型机逆向工程的一般过程大致如上，下面我将具体介绍风扇的处理过程。第三章建立风扇叶片数模的具体步骤3.1风扇叶片逆向开发的流程模型分析→扫描方案确定→进行扫描→点云拼接→点云数据过滤→数据的转换→曲面的构建→曲面的缝合→模型的建立→生成二维图。34 安徽机电职业技术学院3.2模型分析针对风扇叶片的外形观察，发现其实体主要分为四个部分组成。它们分别是中间实体，三个叶面，而且三个叶面都有共同的曲面特征，都可以使用曲线加面的方法来生成所需要的曲面，然后分别进行裁剪，就得到了想要得曲面大小。3.3扫描有了以上的建模思路，就可以进行风扇叶片点云数据的扫描。由于建模思想不一样，点云数据的扫描侧重点也不一样。数据点质量的好坏直接影响到曲面精度。根据分析可知扫描时分为8个部分扫描，每个角度扫描一次，在扫描时可以自动拼接。三维光学测量仪的操作步骤：1连接设备并接通电源将设备与电脑相应的接头相连，启动电脑，然后打开投影仪。2给工件喷显像剂并标记将工件移至开阔地带，将显像剂均匀喷涂在工件表面，并晾干。对于需要多次扫描并且不易拼结的工件，比如自由曲面等，要贴标记点，以便于拼结，如图3-1所示。贴标记点的要点：在曲率变化小的地方。分为几个区域，每个区域的形状或个数应不一样。34 安徽机电职业技术学院图3-1叶轮实物3、启动软件系统双击桌面上的图标，打开软件图3-2扫描界面34 安徽机电职业技术学院3.4标定摄像头3.4.1标定的概念标定：是得到三维世界坐标系中工件点的三维坐标，与其图像坐标系中对应点的函数关系的过程。标定精度是决定扫描系统精度的重要因素。3.4.2三维扫描标定操作步骤打开三维扫描软件，按扫描标定切换，切换到标定操作。调整标定板，使使标定板上的所有点处于视场内，调整扫描仪的高度，使白色十字光标与黑色十字光标尽量重合，两光标重合的大致高度为600mm,调整相机曝光率到合适值，开始进行标定操作。1)将标定板两大点对向自己，调整标定板的位置，使标定板被黑色十字光标平均分为四个部分，查看扫描软件，要使标定板上所有点都在扫描仪的扫描范围内，按电脑键盘上的空格键进行第一步标定，当三维扫描软件显示标定已完成后，第一步标定操作结束。如3-3图所示:图3-3标定步骤第一步2)标定板位置不动，将扫描设备向上旋转三圈，标定板距离扫描设备大致为640mm按电脑键盘上的空格键进行第二步标定，当三维扫描软件显示标定已完成后，第二步标定操作结束。如3-4图所示:34 安徽机电职业技术学院图3-4标定步骤第二步3)标定板位置不动，将扫描设备向下旋转六圈，标定板距离扫描设备大致为560mm，按电脑键盘上的空格键进行第三步标定，当三维扫描软件显示标定已完成后，第三步标定操作结束。如3-5图所示:图3-5标定步骤第三步4)将扫描仪设备向上旋转三圈，回到原来的位置，标定板顺时针旋转90度，在靠近相机一边放垫块，垫块放在标定板左上角，使垫块倾斜，按电脑键盘上的空格键进行第四步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第四步标定操作结束。如3-6图所示:34 安徽机电职业技术学院图3-6标定步骤第四步5)垫块位置不动，标定板第二次顺时针旋转90度，按电脑键盘上的空格键进行第五步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第五步标定操作结束。如3-7图所示:图3-7标定步骤第五步6)垫块位置不动，标定板第三次顺时针旋转90度，按电脑键盘上的空格键进行第六步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第六步标定操作结束。如3-8图所示:图3-8标定步骤第六步34 安徽机电职业技术学院7)标定板旋转90度标定板上两个大点再次对向自己，把垫块放在靠近光栅投射器一边，将标定板右侧边放在垫块上，使标定板倾斜，按电脑键盘上的空格键进行第七步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第七步标定操作结束。如3-9图所示:图3-9标定步骤第七步8)垫块位置不动，标定板第一次顺时针旋转90度，按电脑键盘上的空格键进行第八步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第八步标定操作结束。如3-10图所示:图3-10标定步骤第八步34 安徽机电职业技术学院9)垫块位置不动，标定板第二次顺时针旋转90度，按电脑键盘上的空格键进行第九步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第九步标定操作结束。如3-11图所示:图3-11标定步骤第九步10)垫块位置不动，标定板第三次顺时针旋转90度，按电脑键盘上的空格键进行第十步标定，当三维扫描软件显示标定完成后，第十步标定操作结束。标定完成。如3-12图所示:图3-12标定步骤第十步3.5扫描操作3.6点云数据处理风扇点云的处理主要在GeomagicStudio软件进行,其中包括清除噪点，手动注册，全局注册,合并,补洞,边界优化,简化数据及保存等步骤。3.6.1清除噪点打开GeomagicStudio软件，文件→打开，选择10.asc,20.asc,30.asc,34 安徽机电职业技术学院40.asc(上面扫描出来的点云)。弹出一个对话框单击“确定”,还会弹出一个对话框，同样单击“确定”。导入后如图3-13所示，右击界面中黑色的杂乱点云，点击着色→着色点选择点云。可以按下鼠标中键旋转观察，在一起的点云变成绿色。图3-13geomagic打开后的点云现在可以进行除点了，选择除噪的工具栏。点击第一个，在分隔栏中选择“低”，并根据右边选点的多少更改值得大小，单击“确定”后按下“delete”键删除噪音点。3.6.5补洞其中洞的出现主要是标志点，首先用清除工具围的点云（因为洞的周围曲率变化较大）。使用补洞工具清除洞周进行补洞操作。选择需要补洞的线后单击“确定“，完成补洞操作。图3-16补洞优化后的风扇34 安徽机电职业技术学院3.6.6边界优化放大风扇的边界，可以看到并不光滑，因此需要对其边界进行优化。菜单栏：边界→编辑，选择“部分边界“选择边界线上的2点，再单击这条线，控制点应在7-8，张力应为0-1之间。可以调节数字使其边界顺滑些。3.6.7简化数据及保存数据保存：因为点云处理完后要被UG编辑和处理，所以要保存为stl格式，这种格式也可直接被快速成型机识别。34 安徽机电职业技术学院结论采用三维光学测量系统对风扇叶片进行反求，建立风扇叶片的三维模型，并转化为二维生产图，可以解决风扇叶片难以精确测量的问题。对测量技巧，如何拼接，针对叶片类的零件如何扫描方法，三维数模的用处进行了总结，具体如下：1、物件的测量技巧喷漆：使用的是碳酸显像剂，要注意喷均匀（喷头距物品一般50mm处），风扇上喷的是宏达HG-3型显像剂。喷漆的原因是使不反光、深色的物体被工业相机识别。贴标识点：标识点一般贴在曲率变化不大的地方，便于拼接和补洞；标记点不在同一平面，可以人为地制造有高度差的扫描环境，这样有助于提高自动拼接的成功几率。当标记点无法帖在小型零件表面时，可将标记点贴在测量背景中进行自动拼接扫描。位置：从原理上，任意摆放物件我们的设备都能得到其三维数据。但是，从测量速度，效率上我们对物件的摆放还是有讲究的。通常，物体的摆放规则为：使被测面正对扫描设备，这样测量难度最低、测量速度最快，测量效果最好。背景：由于我们产品采用的是视觉测量原理，所以只要是在两个摄像机视野范围内的物体只要满足测量条件都会被测量出来。要避免这样的干扰有两种方法。方法一：在软件里调整色光，当背景物对光条感应明显的时候可以采用暗光，这样可以使背景物对光条的感应减弱，使其能够在软件里处理的时候被成功地滤掉。方法二：在测量物下面垫上一层亚光垫子，如黑布类的材料可以极大地减小干扰。测量死区：顾名思义就是无法测量的区域。任何测量设备都不是全能的，它们的工作方式都会不同程度地受到原理或者是测量环境的干扰。有的干扰是微小的，是可以从改变测量方法、测量角度、改变光照或者测量参数等操作被成功逾越。但是有的干扰是无法逾越的，就像“测量死区”。所谓的测量死区是类似于如图4-134 安徽机电职业技术学院图4-1测量死区当光发生器从红色箭头方向投射光条时，理论上只能测量到B面,但是受摄像机的与结构光发生器位置关系的影响,我们实际测量到的可能只是B面的一部分。如果我们从蓝色或者是绿色箭头以某个角度a投射时，理论上我们可以测到AB面或者是BC面，但是受A面或者是C面的遮挡影响我们实际得到的只是A面或者是C面的一部分。不管是通过拼接还是其他的方式，受物体形状关系的影响无法得到其完整点云。我们把这种区域或者类似的区域称为“测量死区”。当被测件存在测量死区时，只能通过软件修补的方式获取较完成的点云以及STL模型。测量时可以把物件分为：小型件（测量面积400mm2以内）、中型件（测量面积400～800mm2之间）、大型件（测量面积800mm2以上）三种。小型件的扫描方法：该类零件体积较小，造型较为复杂，如按常规扫描方法很难将测量点云拼合在一起，因此标记点贴的方式尤为重要。在这次扫描中应用量块制造不同高度的扫描背景，将用于自动拼接的标记点贴在量块上，并放在被测工件周围不同的角度。34 安徽机电职业技术学院图4-2背景标定中大型则分块扫描。以车门为例介绍大型件的扫描方法，首先对大型件外形轮廓进行分析，规划扫描方式，然后再依次扫描完每个区域，进行组合。以车门为例介绍大型件的扫描方法,首先对车门外形轮廓进行分析，规划扫描方式。依次扫描完每个区域。将扫描的点云全部导入Geomagic，1～5的顺序分别进行拼接，按得到1～5区域的点云后，再将2～4区域的点云分别同1区域点云进行拼接，最后全部注册，进行精细拼合。2、拼接的方法拼接的方法有2种：自动拼接、手动拼接。我上面的风扇叶片使用的是手动拼接，手动拼接适用于复杂的点云，不易自动拼接的点云，但效率低，自动拼接则相反，虽然前期扫描过程花费的时间稍长，但后期处理的时间较短，测量获得的点云质量最好。无论手动还是自动贴标识点是关键，在3个风扇叶片上的标识点位置不同、数目不同。因为在拼接中要找点（每片点云的相同点），所以贴标识点有一定技巧，不能让标识点难以区分。图4-4贴上标志点的风扇手动拼接也就是风扇叶片的“手动注册”，手动拼接的过程：扫描→导出.asc文件，在geomagic中对点云进行手工找标志点，拼接多片点云（asc文件）。自动拼接则可以在扫描过程中完成，它的过程：选择参考视图（选点）→点集→匹配→确定。就完成了对两个扫描点云的拼接，以此类推可以拼接多个点云，导出asc就可以直接在geomagic进行除噪了。34 安徽机电职业技术学院图4-5自动拼接3、针对叶片类零件的扫描方法。叶片类零件的形状各不相同，但万变不离其宗，始终是叶片加上中间部分。首先根据该零件的大小确定其分几块来扫描，再根据分析结果贴标志点。在扫描叶片时要斜对叶片，每次扫描要把叶片和圆柱顶部扫描出来，便于以后的拼接。扫描完叶片后开始扫描中间圆柱部分，也要斜对它，便于以后的曲面重构。标识点一般贴在风扇叶片接近圆柱的地方和圆柱的顶部，圆柱的侧面，在各个叶片贴的标识点数目，位置不同。对于小的叶片零件，在背景上贴标志点，扫描时可以俯视扫描（保证将所有叶片都扫描到），再侧面扫描。对于大型叶片零件则叶片需要多次扫描，在每个叶片分割出贴数目，位置不同的标识点，因为每个叶片都还要拼接，大型件只不过扫描的次数多一些，其扫描原理还是一样的。4、三维数模的作用(1)通过对现存产品进行反求CAD建模、CAE分析、进而对CAD模型修改、借助于计算机进行全方位的动态观察、三维有限元分析、三维动态仿真，再进行三维实体建模或用CAM技术进行实物的数控加工。(2)在原始设计没有三维CAD模型的情况下，要对已有构件做局部修改时，利用反求工程CAD建模技术产生与实际相符的CAD模型，对其进行设计修改．会显著提高生产效率。因此，反求工程在改型设计方面可以发挥正向设计不可替代的作用。34 安徽机电职业技术学院图4-6逆向设计建模的用途34 安徽机电职业技术学院参考文献[1]姜元庆.UG/IMAGEWARE逆向工程培训教程[M].北京：清华大学出版社，2003年[2]陶毅.逆求工程在叶片曲面建模中的应用[J].机床与液压，2002年[3]WEIRDJBENG.ReverseEngineeringPhysicalModelsEmployingWraparoundB-splineSurfacesandQuadrics[J].1996[4]万军等.逆向工程中数据点云精简方法研究[J].西安交通大学学报，2004年[5]金涛，童水光.逆向工程技术[M]．北京：机械工业出版社，2003年[6]刘之生.反求工程技术[M].北京：机械工业出版社，1992年[7]侯维芝,祁翠琴.机械设计中的逆向工程[J].机械设计与制造,2004:125-127.[8]张广文.基于反求工程的机械产品方案设计[J].包装工程,2003:179-181.[9]李真,邢渊.反求工程在实际生产中的应用[J].模具设计,2001(3):67-69.[10]李川雄,柯映林,程耀东.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,1999:390-393.[11]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.[12]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2005[13]戴静.逆向工程数据处理关键技术研究[D].南京:南京理工大学,2003[14]王秀峰.快速原型制造技术[M].北京:中国轻工业出版社,2001[15]王广春.快速成型与快速模具制造技术及其应用[M].北京:机械工业出版社,20034 安徽机电职业技术学院34 安徽机电职业技术学院致谢时间飞逝，转眼间，紧张而充实的毕业设计就要结束了。我的大学生活也将随之画上一个圆满的句号。在兴奋欣喜之余，我心中对大学里一直教育、关怀我们的老师们表示真诚的敬意，特别要感谢的是本次设计中精心指导我的老师。感谢学院给我这次毕业设计的机会，并给我提供了毕业设计的条件。感谢李庆老师对我毕业设计的指导，使我在以前一无所知的技术面前找到了学习的窍门并鼓励我进行探索。通过本次毕业设计，使我增长了逆向工程的知识，同时掌握了三维扫描设备，UG，geomagic软件的使用，更重要的是提高了认识新事物掌握新技术的能力，树立我今后的发展方向。我的大学生活即将结束。在此，我要衷心感谢在我学习上帮助我的所有老师。感谢他们在我的毕业设计期间给予的指导和帮助。这次设计的至始至终，倾注了我大量的时间和精力，在毕业设计时，从题目的选取，资料的收集到各种疑难的解答，学习论文的撰写等各个方面，老师们都给予了我许多具体而有效的指导和帮助，使我顺利的完成了课题的设计工作。老师们的严谨的治学态度、随和的为人风格使我受益匪浅。相信这将对我以后的工作和学习会有很多重要的影响。34 安徽机电职业技术学院指导教师评语等级签名日期34