基于逆向工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)(共11頁)

1、成績計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(shj)論文 論文(lnwn)題目： 基于逆向(n xin)工程的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì) 學(xué) 院 機(jī)械工程學(xué)院 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動化 學(xué) 號 1109331119 姓 名 艾 憲 會 指導(dǎo)教師 周 亞 男 日 期 2014年12月 摘要(zhiyo) 本文針對產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)過程中逆向工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了探討，重點(diǎn)討論了與外觀設(shè)計(jì)緊密聯(lián)系的反求技術(shù)的運(yùn)用及最新發(fā)展動向，并就相關(guān)問題提出了自己的看法(kn f)。通過進(jìn)一步的研究尋找快速、準(zhǔn)確、高效的產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)方法是這篇文章的宗旨.關(guān)鍵詞：逆向工程 ; 快速采集 ;曲面擬合 ; 三維測量(cling)技術(shù)目錄(ml)TOC o

2、1-3 h u HYPERLINK l _Toc1682 1、引言(ynyn) PAGEREF _Toc1682 1 HYPERLINK l _Toc31083 1.1 逆向工程(gngchng)及其應(yīng)用范圍 PAGEREF _Toc31083 1 HYPERLINK l _Toc17540 2、逆向工程的結(jié)構(gòu)體系 PAGEREF _Toc17540 2 HYPERLINK l _Toc32248 3、逆向工程研究及應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc32248 2 HYPERLINK l _Toc12369 3.1基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc12369 2 HYPERLINK l _

3、Toc12379 3.2應(yīng)用研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc12379 3 HYPERLINK l _Toc4458 4、逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù) PAGEREF _Toc4458 4 HYPERLINK l _Toc5995 4.1 實(shí)物數(shù)字化技術(shù) PAGEREF _Toc5995 4 HYPERLINK l _Toc25548 4.2 測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理 PAGEREF _Toc25548 4 HYPERLINK l _Toc5541 4.3 曲面重建技術(shù) PAGEREF _Toc5541 4 HYPERLINK l _Toc25752 4.4 重構(gòu)曲面的評價(jià)和檢驗(yàn)問題 PAGEREF _To

4、c25752 5 HYPERLINK l _Toc3576 5、逆向工程中相關(guān)技術(shù)的研究重點(diǎn) PAGEREF _Toc3576 5 HYPERLINK l _Toc17439 5.1 三維數(shù)字化技術(shù) PAGEREF _Toc17439 5 HYPERLINK l _Toc27655 5.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理 PAGEREF _Toc27655 5 HYPERLINK l _Toc12714 5.3 曲面重建技術(shù) PAGEREF _Toc12714 6 HYPERLINK l _Toc4959 5.4 重構(gòu)曲面的評價(jià)和檢驗(yàn)問題 PAGEREF _Toc4959 6 HYPERLINK l _Toc22

5、097 6、結(jié)論 PAGEREF _Toc22097 6 HYPERLINK l _Toc5492 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc5492 7 1、引言(ynyn)作為一種新產(chǎn)品開發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段, 逆向工程和快速原型技術(shù)可以(ky)勝任消化外來技術(shù)成果的要求。它們的出現(xiàn)改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)模式, 大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。當(dāng)今，各個(gè)行業(yè)越來越注重(zhzhng)產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)，以此來吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點(diǎn)在消費(fèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中體現(xiàn)的尤為突出。特別是手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、汽車等行業(yè)。1.1 逆向工程及其應(yīng)用范圍在工業(yè)領(lǐng)域，往往會碰到根據(jù)模型

6、或?qū)嵨飦順?gòu)建其三維數(shù)字模型的需求。這就用到了逆向工程技術(shù)，逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程，是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量即數(shù)字化采樣，然后根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD數(shù)字模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過程。逆向工程在工業(yè)制造領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用主要包括以下幾個(gè)方面：a)新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品改型或仿型設(shè)計(jì)；b)已有零件的復(fù)制和仿制，再現(xiàn)原產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜產(chǎn)品仿制等；c)損壞或磨損零件的還原，以便修復(fù)或重制；.comd)產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形，檢測焊接質(zhì)量等，以急對加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模型之間的誤差進(jìn)行分析。在制造業(yè)中，逆向工程

7、已成為消化吸收新技術(shù)和二次開發(fā)的重要建徑之一。作為改進(jìn)設(shè)計(jì)的一種重要手段，它有效地加快了新產(chǎn)品響應(yīng)市場的速度。同時(shí)，逆向工程也為快速原型提供了很好的技術(shù)支持成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡沽的途徑之一。另外逆向工程(gngchng)在文化藝術(shù)、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域也有較好的應(yīng)用，包括根據(jù)木制或泥塑模型進(jìn)行藝術(shù)美學(xué)設(shè)計(jì)，數(shù)字文物和數(shù)字博物館，虛擬手術(shù)等。2、逆向工程(gngchng)的結(jié)構(gòu)體系逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成: 產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化、CAD 模型(mxng)重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。(1) 數(shù)據(jù)采集數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當(dāng)直接影響到是

8、否能準(zhǔn)確、快速、完整地獲取實(shí)物的二維、三維幾何數(shù)據(jù), 影響到重構(gòu)的CAD 實(shí)體模型的質(zhì)量, 并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。(2) 數(shù)據(jù)處理對于獲取的一系列點(diǎn)數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD 模型重建前, 必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補(bǔ)償和插值補(bǔ)點(diǎn)等處理。(3) 模型重建將處理過的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng), 依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD 模型。3、逆向工程研究及應(yīng)用現(xiàn)狀3.1基礎(chǔ)研究現(xiàn)狀在逆向工程的基礎(chǔ)研究方面，國內(nèi)外已做了大量的工作，主要集中在CAGD領(lǐng)域的曲面重構(gòu)和實(shí)體重構(gòu)算法研究。國際市場目前已出現(xiàn)了不少商用的逆向工程軟件系統(tǒng)。國內(nèi)有關(guān)逆向工程的基礎(chǔ)研究也在不少單位內(nèi)展開，如

9、浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，并取得了一定成果。由于曲面重構(gòu)的復(fù)雜性，逆向工程領(lǐng)域還有很多問題值得(zh d)研究，包括曲面重建和體視化技術(shù)、曲面造型方法、特征檢測等。3.2應(yīng)用研究(ynji)現(xiàn)狀作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要(zhngyo)組成部分，逆向工程的應(yīng)用研究已成為國內(nèi)外關(guān)注的熱點(diǎn)之一。 逆向工程廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品改型或仿型設(shè)計(jì)。西門子電氣的逆向工程小組通過對渦輪葉片進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，在不到12天的時(shí)間內(nèi)就開發(fā)出了用于其它方面的新型渦輪，目前該套系統(tǒng)已開始對外提供逆向工程應(yīng)用服務(wù)。采用光學(xué)掃描儀對水泵葉輪進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過逆向設(shè)計(jì)完成水泵葉輪的三維造型。另外，

10、在汽車的改型設(shè)計(jì)中奇瑞和通用都無一例外的應(yīng)用了逆向工程技術(shù)。在破舊零件的復(fù)原設(shè)計(jì)方面，2000年，波音公司應(yīng)用逆向工程技術(shù)對波音747的尾翼進(jìn)行了復(fù)原設(shè)計(jì)，并在一個(gè)工作日內(nèi)制造出了零件，為老式飛機(jī)的維修和零件更換提供了快捷途徑。逆向工程在產(chǎn)品檢測和誤差分析方面也有較好的應(yīng)用。早在90年代初NASA就應(yīng)用逆向工程技術(shù)開展了一項(xiàng)重要研究，就是研究X-38飛行器與其CAD設(shè)計(jì)模型之間的匹配精度和誤差，以分析和驗(yàn)證CFD(計(jì)算流體力學(xué))模擬的準(zhǔn)確度。最近，AMT公司借助非接觸的撒光掃描儀和CAI（計(jì)算機(jī)輔助檢測)技術(shù)來提高零件檢驗(yàn)的速度。掃描數(shù)據(jù)輸入CAI軟件，與CAD設(shè)計(jì)模型進(jìn)行比較和誤差分析并自動

11、生成檢驗(yàn)報(bào)告。之前，AMT檢驗(yàn)一個(gè)零件需要半天時(shí)間設(shè)置和數(shù)小時(shí)運(yùn)行；現(xiàn)在只需半小時(shí)設(shè)置，實(shí)際檢測只要幾分鐘即可。在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用中，采用CT斷層掃描技術(shù)獲得二維圖像，通過專用軟件進(jìn)行圖像處理和模型重建獲得人體股骨的數(shù)字模型，用于人工關(guān)節(jié)定做式置換。國內(nèi)外有人把逆向工程用于矯正牙套的設(shè)計(jì)中，通過對牙齒石膏模型進(jìn)行掃描測量和三維重建，獲得牙齒三維數(shù)字模型然后基于該模型進(jìn)行修改和矯正，制造出一系列矯正牙套。目前，該技術(shù)在國外已投入商用在國內(nèi)上海交通大學(xué)也開發(fā)出基于逆向工程的快速牙套設(shè)計(jì)和制造系統(tǒng)，并開始初步應(yīng)用?？偟膩碚f，國外在逆向工程研究和應(yīng)用方面起步較早：國內(nèi)逆向工程應(yīng)用主要集中在復(fù)雜曲面零件的

12、開發(fā)和模具設(shè)計(jì)上。在汽車(qch)、航空、玩具等行業(yè)應(yīng)用比較廣泛。4、逆向(n xin)工程中的關(guān)鍵技術(shù)4.1 實(shí)物(shw)數(shù)字化技術(shù) .com即實(shí)物掃描的區(qū)域規(guī)劃及精度保證技術(shù), 研究在掃描時(shí)影響測量精度的各種因素, 保證精度而采用的方法和措施, 檢查和驗(yàn)證精度的方法;在進(jìn)行掃描區(qū)域劃時(shí)如何綜合考慮掃描精度、掃描效率和曲面擬合重構(gòu)時(shí)的擬合精度、曲面拼接光順性問題; 零件基準(zhǔn)測量的精度保證問題。德立科技有限公司新推出的基于美國星科和普賽技術(shù)的柔性三坐標(biāo)測量及激光掃描檢測系統(tǒng)FlexME 代表著新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE) 和計(jì)算機(jī)輔助檢測(ComputerAi

13、ded Inspection, CAI) 系統(tǒng)已經(jīng)開始進(jìn)入中國。與傳統(tǒng)的三坐標(biāo)測量或激光掃描系統(tǒng)不同, 星科的柔性三坐標(biāo)測量關(guān)節(jié)臂, 以及基于該關(guān)節(jié)臂和普賽公司的激光掃描測頭的FlexME 系統(tǒng)不僅測量精度高、速度快、柔性好、范圍大, 而且輕巧易搬、對使用環(huán)境無特殊要求, 可以用于機(jī)械產(chǎn)品的逆向工程、模具制造的計(jì)算機(jī)輔助檢測、產(chǎn)品加工裝配的在線或離線檢測。4.2 測量(cling)數(shù)據(jù)的預(yù)處理即云狀數(shù)據(jù)處理技術(shù)(jsh): 研究高密度、大容量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理技術(shù), 包括多次掃描點(diǎn)云的拼接問題,掃描點(diǎn)云的數(shù)據(jù)簡化問題、云狀數(shù)據(jù)的特征提取問題等。4.3 曲面重建(zhn jin)技術(shù)研究如何選擇合

14、適的數(shù)學(xué)表示方法、擬合修改算法、控制參數(shù)及曲面重構(gòu)方法。以得到高質(zhì)量、高精度的曲面模型。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究最近報(bào)道較多, 曾建江等采用了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和相應(yīng)的快速學(xué)習(xí)算法應(yīng)用于曲面重建。該模型可以有效地逼近曲面并剔除輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)中的“壞”點(diǎn)。張偉等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的三角網(wǎng)格方法可在有效保持原數(shù)據(jù)點(diǎn)集的拓?fù)涮卣鞯耐瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)期望規(guī)模和精度的三角網(wǎng)格剖逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)及其研究。4.4 重構(gòu)曲面的評價(jià)和檢驗(yàn)問題研究對曲面的評價(jià)指標(biāo)、檢驗(yàn)方法以及修正工具。在SURFACER 和很多CAD 軟件中, 都采用NURBS 來表示曲面。它可以表示非常復(fù)雜形狀的曲面, 但曲面的表示、顯示、操作都不能用很直觀的

15、方式進(jìn)行, 很難對曲面進(jìn)行評價(jià)、檢驗(yàn)和修改。利用圖形的質(zhì)心和最小慣性主軸作為定位基準(zhǔn),可實(shí)現(xiàn)被測自由曲面與標(biāo)準(zhǔn)CAD 模型的自動對齊,為實(shí)現(xiàn)已知CAD 模型的自由曲面的在線檢測提供了理論依據(jù)。但這種方法實(shí)現(xiàn)自由曲面的在線檢測還需克服一些因素的影響, 如CMM實(shí)際測量系統(tǒng)的速度、實(shí)際測量路徑的轉(zhuǎn)換精度以及由于工件自身高度在工件處于視場中心以外的區(qū)域時(shí)給定位及測量精度帶來的影響。5、逆向工程中相關(guān)技術(shù)(jsh)的研究重點(diǎn)5.1 三維數(shù)字化技術(shù)(jsh)目前大多數(shù)測量系統(tǒng)是針對具體的應(yīng)用而開發(fā), 數(shù)據(jù)處理往往針對特定的測量設(shè)備、測量對象,通用性差。需發(fā)展面向逆向工程的通用測量系統(tǒng), 高速、高精度地實(shí)

16、現(xiàn)三維物體表面的數(shù)字化, 并能根據(jù)幾何外形(wi xn)和后續(xù)應(yīng)用選擇測量方式及路徑,能進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動測量。5.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理研究熱點(diǎn)還將集中于掃描點(diǎn)云的數(shù)據(jù)簡化問題云狀數(shù)據(jù)的特征提取問題。5.3 曲面重建技術(shù)基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的曲面重建技術(shù)的研究將會有很大前途, 研究的重點(diǎn)是復(fù)雜的特征約束重建以及如何快速、準(zhǔn)確地識別和還原出點(diǎn)云數(shù)據(jù)中的特征及約束, 并且在保證有效約束的前提下如何提高特征模型重建的速度。5.4 重構(gòu)曲面的評價(jià)和檢驗(yàn)問題這方面的研究還較少, 相信隨著逆向工程在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來越大的作用, 在線檢測的使用和重構(gòu)曲面的評價(jià)會引起大家足夠的重視的.6、結(jié)論產(chǎn)品的外觀設(shè)計(jì)越來越復(fù)雜化、多元化，使得逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品外觀設(shè)計(jì)中的地位顯得尤為重要。產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數(shù)字化、CAD 模型重建、產(chǎn)品或模具制造都非常需要逆向工程技術(shù)的支持。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研