基于proe复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文(编辑修改稿)

基于proe复杂曲面模型的逆向工程与制造毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

AM 软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工艺过程。 设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有 UN 平台 Windows， Windows/NT，使它成为快速成型技术行业中市场占有率最高的 CAD 软件。 PTC 公司开发的产品中，具有逆向功能的有： ICEM Surf、 Pro/DESIGNER(CDRS)、Pro/SCANTOOLS、 Facet Feature 和 Restyle。 1)ICEMSurf 模块 陕西理工学院毕业设计 第 11 页 共 39 页 ICEMSurf 是一个可以构造 A 级自由曲面的工具，它可以直接构造曲面（无须先构造曲线）并可对曲面质量进行动态评价，在汽车、摩托车外覆盖件，内饰件等自由曲面的构建过程中具有优势，但在重构自由曲面时对测量数据的完整性要求比较严格。 ICEMSurf 也可用于曲面的设计，但此曲面并非传统意义上的曲面模型。 只是把点云数据转换成三角面片，通过三角面片来求解截面线、边界线和特征线，也可用来做 RP 或NC 加工编程。 2)Pro/Designer 模块 Pro/Designer 是一个工业设计的造型模块，主要应用于概念设计，它可以方便地调整各条型线，从而得到设计师想要得到的结果。 用于逆向工程时，可以用于少量测量数据点、仅有主要型线和边界线的情况，从这个意义上来说它不是一个完整的逆向，操作者反求的主要是产品的造型思想。 3)Pro/SCANTOOLS 模块 Pro/SCANTOOLS 是一个完全集成于 Pro/ENGINEER 实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，且可以用来构造非 A 级的自由曲面，一 般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。 Pro/SCANTOOLS 是一个非参数化环境工具，设计人员可以专注设计模型的特定区域，使用不同的工具来获得期望的形状及曲面属性。 在 Pro/SCANTOOLS 模块下，可以输入多种格式的扫描数据，并可对高密度的数据进行智能滤波。 同时可根据选取的扫面数据创建型值曲线，并可在曲面上创建型值曲线。 在 Pro/SCANTOOLS 模块下，也可以输入几何特征，如曲线、曲面或多面数据等。 4)Facet Feature 模块 Facet Feature（小平面特征）是 Pro/ENGINEER 新增的建模工具，可以输入实物模型扫描点云数据或用三坐标测量机所测得的数据，可以纠正设备误差引起的点云数据错误，也可以对点云进行点云去噪、点云精简、平滑滤波、点云数据点修补、三角网格划分和三角平面处理等。 5） Restyle 模块 Restyle（重新造型）是一个逆向工程环境，用来在多面（小三角形平面）数据的顶部重建或构造曲面 CAD 模型。 陕西理工学院毕业设计 第 12 页 共 39 页 实体三维数据的获得 —— 扫描 数据测量是逆向工程中后续处理的基础 ,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。 目前 ,模型数字 化的方法主要分为非接触式测量和接触式测量两大类。 其中 ,接触式测量是量头与实物表面有接触 ,常用的设备有 :三坐标测量机、专用数字化仪等。 这种方式成熟 ,但测量速度和精度比较低 ,而且不适合柔软实物的测量。 的非接触式测量技术得到快速发展 ,如激光三角形测量与光栅法等具有精度高，适用范围广等特点。 三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见 图 2. 1： 图 2. 1 三维扫描技术分类 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（ Point Cloud）。 扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边陕西理工学院毕业设计 第 13 页 共 39 页 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，通常要经过以下步骤： 1) 去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法 对点云数据进行检查调整； 2) 数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面逆向造型和基于点的曲面拟合技术。 3) 数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。 4) 数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性，边界上的某些特征点（边界折拐点）必须予以保留，而不能被视为“坏点 ”。 5) 点云的重定位整合，在重新装夹后多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的 CAD 软件还都没有此项功能，需要手工“缝合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在 CAD 系统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。 曲面重构 在整个逆向工程中，产品的三维几何模型 CAD 重建是最关键、最复杂的环节。 因为只有获得了产品的 CAD 模型我 们才能进行后续的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和产品的再设计等。 曲面重建可以 说 是逆向工程的另一 个 核心及主要的目的，是依据扫描得到 的点 云 数 据恢复曲面形状建立 CAD 数学模型的过程。 在得到 产 品的 数 据后，以逆向工程 软 件 进 行 点数 据的 处 理， 经过分门别类 、 群组 分隔、 点线面 与 实体误 差的比对 后，再重新建构曲面模型， 产 生 CAD 数 据，快速制造或 NC 加工。 目前在 点 云生成曲面的 过 程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以 BSpline 或 NURBS 曲面为基础 的曲面构造方案；其二是以三角 Bezier 曲面为基础 的曲面构造方案；其三是 以多面体方式 来 描述曲面物体。 由于 CAD/CAM 的发展，各种自由曲面与自由曲面的理论应运而生，如 Bezier 曲面、BSpline 曲面、 NURBS 曲面 、 Loft 曲面 (Loft Surface)、构造基准曲面 (Construct 陕西理工学院毕业设计 第 14 页 共 39 页 Surface) 、旋转曲面 (Revolved Surface) 、网格曲面 (Net Surface)等。 由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面的方式一般可以分为两种：一种是以近似的方式、另一种是以插补的方式来将顺序的点数据建立成为曲面，以下分别就这两种方法做一简单介绍： 1) 近似法 (approximation) 以近似法来重建曲面，首先必须先指定一个容许误差值 (tolerance)，并在 U、 V 方向建立控制点的起始数目，以最小平方法来拟合出 (fit)一个曲面后将量测之点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量至指定的容许误差值内以完成曲面的建立，如果量测的数据很密集或是指定的容许误差很小，则运算的时间会相当的久。 以近似法来拟合曲面的优点是拟合的曲线不需要通过每个量测点，因此对于量测时的噪声将有抑除的作用。 所述，使用近似法时通常是点云数据点多且含噪声较大的情况下。 2. 插补法 (interpolation) 以插补的方式来进行曲面的建立，则是将每个截面的点数据，分别插补得到通过这些点的曲线，再利用这些曲线来建立一个曲面。 以插补的方式进行曲面数据建立，其优点在于得到曲面一定会通过量测之数据点，因此如果数据量大的话，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因为如此，如果量测时点数据含大量的噪声则在重建曲面时大量的噪声将被含入而产生相当大的误差。 所述，以插补法来重建曲面较佳的使用时机是对于数据量少且所含入噪声较小的点群数据。 因此对于扫描点数据而言，由于点数据量大以近似法来重建曲面将会较插补法节省控制点的储存空间，而且对于扫描时所渗入的误差有抑除的效果，然而，以近似法来建立曲面，却会耗费大量的计算机内存及较多时间在曲面的计算上，因此我们在建立曲面的过程中应配合所测量得的数据点数目及精度来决定曲面重建所使用的方法。 实体建模 近年来，运用 Auto CAD软件进行二维图形的测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, Solid Works、 Pro/E、 UG等，都得到了广泛的应用。 建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于快速制造很必要。 陕西理工学院毕业设计 第 15 页 共 39 页 本次设计逆向方案的确定 目前逆向工程的解决方案主要有以下三大类： ○ 1 沿袭正向建模思路，从点到线再从线到面。 这种方案一般处理过程如下：首先从数据点中提取原始物体的截面线、特征线或边界线，然后采用扫成、蒙皮、裁剪等一系列常规曲面构造方法，得到主要以 NURBS取信表示的 CAD模型。 这是一种直 观的准逆向工程的思路，适合于简单易于构建的模型的创建。 ○ 2 完全逆向工程的做法：即由点云数据直接反求 CAD模型。 目前主要在复杂曲面方面得到较多应用。 通常有两种表达方式：一种是用三角 Bezier曲面片来逼近模型，首先对点云数据三角化，然后根据三角形网格进行 C2连续的三角 Bezier曲面片插值重建。 另外一种是用 NURBS曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求 NURBS曲面的控制顶点。 这种方法计算耗费大，对数据的噪声以及参数分割的好坏要求严格，主要 使用于复杂曲面的重构方面。 ○ 3 反向提取与正向设计结合：直接由点云数据提取特征参数，在导入Pro/E等通用 CAD/CAM系统进行正向设计。 在本次逆向工程的设计中，分析艺术品乌龟模型后，发现其较少有规律可循，致使正向设计十分困难进行。 因此，拟采用完全逆向工程的做法，考虑到精度和其他因素，将结合完全逆向中两种做法：首先用三角 Bezier曲面片来逼近模型，然后用 NURBS曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求 NURBS曲面的控制顶点进行逆向。 综上 所述：本次设计中，主要存在以下几部分：点云的预处理、点云处理、曲面重构、实体建模。 在点云预处理阶段拟采用逆向软件 Imageware进行处理，主要完成去噪、整理、修整点云的作用。 在点云处理阶段采用 Pro/E中小平面特征模块进行处理，主要在进一步深层次的处理点云的基础上，进行消除破洞、数据精简、对小平面进行包络处理、小调粗调、小平面精调和精整以及生成集管等工作。 曲面重构阶段主要采用 Pro/E中重新造型模块，拟采用自动创建样条曲面的方式生成样条曲面，在在此基础上采用修改数学属性、修改曲面、曲面重新构造三种方式对曲 面进行调整修正，以使本次的复杂曲面达到需要的精度和构思意图。 实体建模部分主要完成对上一步修整调节后的曲面进行实体化过程。 陕西理工学院毕业设计 第 16 页 共 39 页 本章小结 本章介绍了复杂曲面逆向工程的过程，其包括点云扫描、点云处理、曲面重构、实体建模。 其中着介绍了点云处理的一般步骤和曲面重构的常见方法。 也介绍了在此过程中应该注意的问题。 在选择处理方法时应该注意根据所逆向的模型选择合理的处理手段，以达到事半功倍的效果。 陕西理工学院毕业设计 第 17 页 共 39 页 乌龟曲面逆向开发的流程 模型分析→扫描方案确定→进行扫描→点云处理→点云数据过滤→数据转换 →Pro/E 小平面特征处理→重新造型特征处理→曲面完成→曲面实体化→快速成型 数据获取和处理 扫描过程一般采用三维扫描仪，需 在扫描时需要喷上显影剂，进行多方位扫描，扫描后一般采用 surfacer 打开文件对点云数据进行拼接。 这时可以对这些局部进行补充，即对这些部分进行局部扫描，将点云补充完整。 在 Imageware13 中打开后得到如图 图 导入后的原始点云 点云数据清理 进行点数据处理是进行曲面重构的第一步。 在逆向工程软件 Imageware13 中打开。 该点云数据中存在很多的不需要的 点，为了后面处理方便首先需要把点云中明显的不需要的点删除掉。 使用 修改 抽取 圈选点 命令圈选不需要的数据，以及明显的噪声点。 在去掉明显不需要的点数据后，数据量还是比较庞大，而且分布不均匀，为了使点陕西理工学院毕业设计 第 18 页 共 39 页 的分布比较合理，使用命令 修改 数据简化 距离采样 进行点云数据过滤。 过滤如图 3. 1 所示。 图 3. 1 过滤后的点云数据 数据转化导出通用格式 I。