畢業(yè)設(shè)計方案(論文)文獻綜述[1]

1、逆向工程與快速成型基于UG5+lmagewar啲模型重建快速成型模擬摘要：為適應當今市場需求瞬息萬變、 產(chǎn)品更新?lián)Q代日新月異的形勢，基于已有產(chǎn)品原 型的再設(shè)計是產(chǎn)品創(chuàng)新的最佳途經(jīng)之一。 逆向工程是相對于傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向開發(fā)過程 （思想一圖紙一產(chǎn)品）而言的逆向過程（樣品一電子數(shù)據(jù)一產(chǎn)品）。利用反求工程技術(shù)， 可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)時間，提高市場競爭力。目前逆向工程的重要研究領(lǐng)域主要集中在兩大方面，一是逆向工程集成系統(tǒng)的研究，主要內(nèi)容集中在逆向工程各個環(huán)節(jié)的集成，通用軟件的開發(fā)；另外一方面是對逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)的研究，包括數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理以及三維模型重建。數(shù)據(jù)獲取 是逆向工程的前提和基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)處理

2、是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 它的結(jié)果將直接影響 后期模型重構(gòu)的質(zhì)量，實體模型重建是逆向工程的最終環(huán)節(jié)。 本次的研究范疇集中于 應用UG5+Imageware對三坐標測量機掃描的點云數(shù)據(jù)處理與模型重建，快速成型模 擬。關(guān)鍵字：逆向工程，點云處理，模型重建，快速成型，UG5+lmageware正文：發(fā)展背景逆向工程這一術(shù)語大約在二十世紀六十年代即已出現(xiàn)，但對這一概念從工程的廣泛性去研究、從逆向的科學性去深化還是二十世紀九十年代才開始。人們開始科學系 統(tǒng)地研究逆向工程的整體性、科學性及其實現(xiàn)方法。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。 二戰(zhàn)結(jié)束后，日本把引進國外先進科學技術(shù)這一吸

3、 收性戰(zhàn)略作為堅定不移的國策，凡是國外先進和適用的技術(shù)，都積極引入，日本在引 入技術(shù)的同時，沒有盲目地仿造，而是對先進技術(shù)進行消化、吸收和國產(chǎn)化，迅速實 現(xiàn)產(chǎn)品的國產(chǎn)化，在應用中不斷完善自己的產(chǎn)品，開發(fā)創(chuàng)新出許多新產(chǎn)品，并逐步形 成了自己的工業(yè)體系。成功地運用逆向工程，使日本用了近二十年時間迅速崛起成為 世界經(jīng)濟強國。重視逆向工程研究的不僅是日本， 其它國家也是如此。據(jù)有關(guān)資料表 明，各國百分之七十以上的技術(shù)都來自國外， 要掌握這些技術(shù)，正常的途徑都是通過 逆向工程。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，逆向工程己經(jīng)取得了長足進展， 而且將一些新技術(shù)、新思想 應用其中。典型技術(shù)如工業(yè) CT等光學測量技術(shù)，快速成型

4、技術(shù)等?？焖俪尚图夹g(shù)同 逆向工程相結(jié)合，為逆向工程注入了新的動力。在美國、日本、加拿大、歐洲等工業(yè) 發(fā)達國家，逆向工程的應用在航空、汽車、制鞋工業(yè)等領(lǐng)域中普遍采用，特別是在產(chǎn) 品設(shè)計過程中已顯示出其獨特的功效?？焖俪尚?，也稱快速原型制造，薄層制造、自由形狀粉末造型是20世紀80年代 出現(xiàn)的一種制造思想，經(jīng)過20多年的迅速發(fā)展，已經(jīng)成為引起制造方法變革的一種 新型制造手段?？焖俪尚偷脑妓枷胧抢貌牧系亩逊e來制造產(chǎn)品，這樣對于產(chǎn)品來說，對于特定工具的要求降低了，制造柔性增加?？焖俪尚椭圃旆椒ú粌H使產(chǎn)品的制 造思想和實現(xiàn)方法實現(xiàn)了根本性的突破， 在制造零件的質(zhì)量、性能、制造速度等方面， 也取得了很

5、大的進展。快速原型制造技術(shù)的出現(xiàn)，開辟了不用刀具、模具而制作原型和各類零部件的新 途徑。它結(jié)合了計算機、數(shù)學、機械設(shè)計、自動控制、光學以及材料科學等領(lǐng)域的知識?？焖俪尚图夹g(shù)的諸多優(yōu)點，使它的應用和推廣得到了許多行業(yè)的支持，最突出的 表現(xiàn)是快速成型技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域和快速模具制造行業(yè)中的應用。發(fā)展現(xiàn)狀及前景隨著計算機科學得迅速發(fā)展以及現(xiàn)代先進測量技術(shù)和現(xiàn)在制造技術(shù)的形成， 逆向 工程技術(shù)越來越受到學術(shù)界和工業(yè)界的重視，并成為CAD/CA技術(shù)領(lǐng)域得一個研究熱 點。近三十年來，逆向工程不但在理論上得到了深入的研究，同時還涌現(xiàn)出一批商用軟件。在國際市場上，不僅有許多測量設(shè)備，也出現(xiàn)了多個與逆向工程相關(guān)的軟

6、件系 統(tǒng)，如美國EDS公司的產(chǎn)品Imageware、美國RAINDRO公司的GeomagicStudio、英 國DELCA公司的產(chǎn)品CopyCA以及韓國INUS公司的RapidForm, Unigraphics 公司 的PointCloud模塊；基于Autodesk的MDT平臺的Metris等。這些系統(tǒng)主要以交互操 作為主，用戶可以方便地對測量數(shù)據(jù)點集進行簡化、光順、分割及擬和處理。在國內(nèi)，逆向工程技術(shù)起步較晚，至今仍未有成熟商用軟件面世。90年代后期，逆向工程技術(shù)在我國得到迅速推廣和發(fā)展，目前已有一些高校、科研院所和企業(yè)正致 力于該方向的研究，浙江大學最早在我國推出了RE-Soft逆向工程系

7、統(tǒng)。西北工大、南京航空航天大學、西安交大、清華大學、上海交大和華中科技大學等先后開展了逆 向工程相關(guān)技術(shù)問題的研究，但至今尚未出現(xiàn)具有真正的集開發(fā)和產(chǎn)業(yè)于一體的商品 化系統(tǒng)。如何將逆向工程技術(shù)系統(tǒng)地應用于工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，如何根據(jù)工業(yè)設(shè)計的需要來開發(fā)商品化的逆向工程系統(tǒng)，還處于探索階段。非常完善的針對工業(yè)設(shè)計的反求工程系統(tǒng)目前還沒有，在各個環(huán)節(jié)都存在一定問題。此外由于測量方式、數(shù)據(jù)處理方式的多樣性，使反求工程系統(tǒng)與其它系統(tǒng)如 CAD/CAM等的接口缺乏統(tǒng)一的標準，不能高效率地交換信息，這是目前逆向工程研究 急需解決的問題。當前處于知識經(jīng)濟時代，知識在產(chǎn)品中的價值份額愈來愈重， 在有 些產(chǎn)品中，

8、甚至起到了絕對主導地位。因此挖掘發(fā)現(xiàn)已有成功產(chǎn)品中的知識組成，發(fā)揮這些知識的價值，再現(xiàn)附著于這些產(chǎn)品及其相關(guān)環(huán)境的知識尤其是經(jīng)驗知識的創(chuàng)造 過程，是一項很有價值的工程。它是從引進設(shè)備到引進技術(shù)這一升華過程中不可缺少 的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。對已有產(chǎn)品功能原型的逆向設(shè)計研究作為其主要內(nèi)容，使得引進、消化不只是局限于引進產(chǎn)品實物原型生產(chǎn)功能的實現(xiàn)，而且將真正實現(xiàn)附屬于產(chǎn)品中的知 識為我所用，這樣才能達到逆向工程真的設(shè)計目的。逆向工程與快速成型關(guān)鍵技術(shù)逆向工程技術(shù)是由實物模型獲得數(shù)據(jù)點，在可控精度和品質(zhì)下重建模型的過程。 關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)處理，模型重建，快速成型模擬。數(shù)據(jù)采集的主要任務是獲取樣件表面

9、的三維坐標信息。它是逆向工程技術(shù)的基 礎(chǔ)，是曲面重建中三維坐標點的來源。同時，也是測量點的來源，測量點的分布和數(shù) 量的大小也影響著曲面重建的方法和效果。數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式。此次采用的是接觸式數(shù)據(jù)采集方法有基于力觸發(fā)式和連續(xù)數(shù)據(jù)掃描式。典型的接觸式測量設(shè)備是三坐標測量機 (Coordi natio n measuri ng Machi ne, CMM)。接觸式測 量的優(yōu)點是準確性和可靠性高，對被測樣件的材質(zhì)和反射性無特殊的要求， 不受面顏 色的影響。缺點是測量速度慢，測量過程中存在著摩擦力和彈性變形，不適于對軟質(zhì)、 易碎、易變形、超薄樣件進行測量，對尺寸大小測頭直徑的微細部分的測量

10、受到限制。 而且存在“遮擋”問題，不適于測量樣件的內(nèi)部特征，如發(fā)動機缸體、航空葉片等復 雜零件。采樣的點云數(shù)據(jù)由于實物幾何和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時，會存在部分測 量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型在帶來影響。曲面測量時會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)點， 而且還 存在有重復的測量數(shù)據(jù)、系統(tǒng)測量誤差及測量儀器本身的誤差等，這樣在造型之前應 對數(shù)據(jù)點進行精簡。數(shù)據(jù)云處理是逆向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它包括以下幾方面的工作：1數(shù)據(jù)云預處理，如噪聲點處理、數(shù)據(jù)精簡、數(shù)據(jù)勻化等，增強數(shù)據(jù)的合理性。2、數(shù)據(jù)云對正和多視拼合，用以解決回轉(zhuǎn)型曲面的測量問題和測量中的“陰影效應”，提高數(shù)據(jù)的完整性。3、數(shù)據(jù)提取，包括數(shù)據(jù)云分片、邊界點

11、和特征點提取。4、數(shù)據(jù)云光順，通常采用局部回彈法、圓率法、最小二乘法和能量法等來實現(xiàn)。5、三角化直接為RPM產(chǎn)生切片數(shù)據(jù)和為三角曲面造型奠定基礎(chǔ)。6數(shù)據(jù)優(yōu)化，壓縮不必要的曲面片內(nèi)的數(shù)據(jù)點，減少后期計算量。7、散亂數(shù)據(jù)處理，對于具有較復雜形狀的工件，測量 數(shù)據(jù)中必然有一部分是無序的，要建立數(shù)據(jù)點間的拓撲關(guān)系。數(shù)據(jù)預處理結(jié)束后，進行特征提取、數(shù)據(jù)分割可以將復雜的數(shù)據(jù)處理問題簡化， 因為對于散亂的點數(shù)據(jù)，用一張曲面來擬合是不可行的。一般做法是按照原形所具有 的特征，將數(shù)據(jù)分割成不同的區(qū)域分別擬合曲面， 然后應用曲面求交或者曲面間過渡 的方法連接曲面。逆向工程中，實物的三維模型重建是整個過程最關(guān)鍵、最

12、復雜的一環(huán)，因為后 續(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型制造，虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計等應用 都需要CAD數(shù)學模型的支持。這些應用都不同程度地要求重建的模型能準確地還原實 物樣件。而這個工作的進行受兩個因素的影響， 一是硬件設(shè)備，包括數(shù)字化設(shè)備和造 型軟件；二是操作者（包括測量和造型人員）的經(jīng)驗。整個環(huán)節(jié)具有工作量大、技術(shù)性 強的特點。模型重建方法根據(jù)數(shù)據(jù)類型、數(shù)據(jù)來源、造型方式和曲面表示可以分為。按數(shù)據(jù)類型，可以分為有序點和散亂點的重建； 按測量機的類型，可以分為基于 CMM激光點云、CT數(shù)據(jù)和光學測量數(shù)據(jù)的重建；按造型方式，可以分為基于曲線 的模型重建和基于曲面的直接擬和；按曲面表示方法

13、，可以分為邊界表示，四邊B一樣條表示、三角面片和三角網(wǎng)格表示的模型重建等。所以，在模型重建之前，應該 詳細了解模型的前期信息和后續(xù)應用要求。前期信息包括實物樣件的幾何特征、數(shù)據(jù) 特點（類型、完整性）等；后續(xù)應用包括結(jié)構(gòu)分析、加工、制作模具、快速原型等，以 選擇正確有效的造型方法、支撐軟件、模型精度和模型質(zhì)量。而此次采用的將 Imageware處理生成的曲面數(shù)據(jù)導入 UG中，運用其三維建模功能進行三維模型的生 成?？焖俪尚偷娜^程可以分為三個部分：準備處理、成型過程和后續(xù)工序。準備階 段即三維模型的建立和切片。成型過程是材料堆積的過程?？焖俪尚偷幕舅枷胧嵌?積成型，對原材料進行處理，即用激光照

14、射或噴涂粘結(jié)劑，使之按輪廓形狀固化成型 或粘結(jié)，一層一層如此往復。隨著不斷的發(fā)展，更多樣的原材料和方法被開發(fā)出來。 后續(xù)工序包括工件的剝離、后固化、修補、打磨、拋光和表面強化處理等。快速成型與傳統(tǒng)加工方法相比，具有很多獨特突出的優(yōu)勢1）制造快速性，成本低。能直接由三維模型制造形狀復雜的原型，比傳統(tǒng)的機械加工方法節(jié)省工時50%70%節(jié)約成本2）產(chǎn)品的造價幾乎與產(chǎn)品批量無關(guān)。相比于傳統(tǒng)的機械加工方法，單 件或小批量造價貴，大批量生產(chǎn)單價降低，快速原型技術(shù)特別適合于小批量零部件的 制造，其造價幾乎與產(chǎn)品批量無關(guān)。3）自由成型制造?？焖僭椭圃旒夹g(shù)的自由成型 的含義有兩個：一是指可以根據(jù)原型或零件的形狀，無需使用工具、模具，而自由的 成型，既節(jié)省了新產(chǎn)品的試制時間又節(jié)省了工具或樣件模具的費用。二是指不受形狀復雜程度的限制，能制造任意復雜形狀與結(jié)構(gòu)、不同材料復合的原型或零件。由于該 項技術(shù)是將復雜的三維形體轉(zhuǎn)換為二維截面進行產(chǎn)品生成，故能輕易制造出任意復雜 型體