廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 1 畢業設計說明書 (論文 ) 設計 (論文 )題目 :逆向工程在塑料玩具生產的應用 專 業 : 班 級 : 學生姓名 : 學 號 : 指導教師 : 上交時間 : 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 2 目 錄 摘要 . 2 第 1章 逆向工程應用簡述 . 3 1.1 逆向工程的結構 . 3 1.2 逆向工程的社會背景 . 4 第 2章 模型數據采集 . 5 2.1 坐標數據采集方法 . 5 2.2 激光 三坐標掃描儀介紹 . 5 第 3章 逆向工程應用關鍵環節 . 6 3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 . 6 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 . 6 3.3 玩具產品建模方法 . 7 第 4章 塑料玩具生產設計簡介 . 9 4.1 Surfacer 軟件應用 . 9 4.2 Pro/ENGINEER 軟件應用 . 11 結束語 . 13 參考文獻 . 14 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 3 摘 要 塑料 玩具的發展主 要是從玩具的造型和智能化兩個方向，逆向工程在玩具快速成型和曲面造型構建得到廣泛應用。 本文 介紹逆向工程在塑料玩具生產設計的流程和實現方法。著重從模型來源，模型數字化， Pro/ENGINEER 曲面建模等方面入手，強調逆向工程在塑料玩具生產中應用的 現實意義 。 關鍵詞 ： 逆向工程； Surfacer； Pro/ENGINEER；塑料玩具 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 4 第 1 章 逆向工程應用簡述 在塑料玩具產品的設計過程中，為了使產品更為美觀或實現某些特殊的性能要求，要求其外表面光順而富于變化，通常此類產品是由復雜的自由 曲面拼合而成的，由于在概念設計階段很難用嚴密統一的數字語言來描述，故而許多塑料玩具產品的初始模型必須通過對事先造出的泥制或木制的模型進行測量，再以此為依據，反求出實物模型。這種以實物模型為依據來生成幾何模型的設計方法即為逆向工程。 1.1 逆向工程的結構 隨著測量儀的普及、精度的提高，以及工業越來越強調美學、效率、個性化設計，逆向工程以其先進的技術、快捷的方式、完美的造型而廣泛應用于眾多的領域，如在汽車、航空、家電、雕塑等行業，隨處可見造型優美的反求產品。現在反求技術正被越來越多的人看好，而且已由貴族技術轉向 平民化，表現出了巨大的經濟前景。 如 圖 1-1 所示， 給出了一個比較完 整的逆向工程的結構示意圖。 圖 1-1 逆向工程的結構示意圖 模型數字化 數據預處理 特征提取 數據分割 曲面重構 三角形網格 快速成型 數控加工系統 CAD/CAM 系統 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 5 1.2 逆向工程的社會背景 進入新世紀以來， 世界范圍內的競爭將日趨激烈，尤其 是工業領域的競爭更加白熱化，市場對產品設計的要求也發生了根本的變化，多品種，小批量替代了少品種大批量的傳統生產模式，這就導致了要求降低產品、縮短設計和生產周期、提高產品質量。 反求設計方法在與傳統設計方法相結合的同時，還與計算機輔助測量技術、 CAD技術等緊密地聯系在一起。反求設計中往往 會遇到一些復雜的零部件，一般不能直接建立 CAD 模型，必須借助于先進的計算機輔助測量技術（三維掃描技術）來獲取零部件的 3D 數據，并經過計算機處理之后，進行 CAD 建模，然后在此基礎上進行創新設計。 反求工程作為對已有產品進行數據測量擬合、分析、改進設計，實現新產品開發的一種最佳手段，比從設計概念完成產品的開發的路要捷徑的多，因而有效地支持了新產品響應市場的速度。可以輸出快速原型制作及模具加工的多種數據格式，支持客戶的不同用途。 目前，與這種從實物樣件獲取產品數學模型相關的技術，已發展為 CAD/CAM 系統中的一 個相對獨立的研究領域，即 “ 反求工程 ”(Reverse Engineering) ，或稱反向工程、逆向工程等 。 如圖 1-2 所示，為 其示意圖 。 圖 1-2 逆向工程的結構示意圖 三維掃描儀 (三坐標測量 ) 點云數據 (三坐標數據 ) 反求工程軟件或其他 CAD 三維實體數據 進一步設計修改 NURBS 曲面數 CAM 加工 STL 數據 快速成型 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 6 第 2 章 模型數據采集 2.1 坐標數據采集方法 坐標數據采集是逆向工程中的第一個環節，是數據處理、模型重建的基礎。現有的數據采集方法大概可以分為以下面幾類： 1）簡單工具的手工測量； 2）機械三坐標測量機測量的有序點數據； 3）激光、數字成像的三坐標測量數據，即大批量、無序的點云數據。 2.2 激光三坐標掃描儀介紹 目前最流行的模型數據 采集方法是激光三坐標掃描儀測量數據。 三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。 它的 重要意義在于 能夠將實物的立體 信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了 相當方便快捷的 手段。 高速三維掃描及數字化系統在 反求 工程中發揮 著巨 大作用，該系統提供了從模型或實物掃描到加工出期望的模型所需的諸多功能 ,大大縮短了模具的研制制造周期。 三維掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優點。而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在 CAD、 CAM、 CIMS 等技術應用日益普及的今天很受歡迎。 三維掃描儀 作為 一種快速的立體測量設備，因其測量速度快、精度高，非接觸 ，使用方便等優點而得到越來越多的應用。用三維掃描儀對 手板， 樣品、模型進行掃描，可以得到其立體尺寸數據，這些數據能直接與 CAD/CAM 軟件接口，在 CAD 系統中可以對數據進行調整、修補、再送到加 中心 或快速成型設備 上 制造 ，可以極大的縮短產品制造周期 。 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 7 第 3 章 逆向工程應用關鍵環節 3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 Pro/ENGINEER 是一套涵蓋了由設計至生產的機械自動化軟件 ，是新一代的產品造型系統，是一個參數化、基于特征的實體造型系統，并且具有單一數據庫功能。PTC 的系列軟件已經深入工業設計和機械設計等各項領域，包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造和產品數據管理，并提供了最全面、集成最緊密的產品開發環境。 Pro/ENGINEER 高級曲面擴展功能提供了逆向工程的設計規范管理、參數化曲面建模和直接曲面建模等高性能工具。 Pro/ENGINEER 的交互式曲面設計擴展功能 (ISDX)定義了新一代曲面處理技術。這一新工具具有獨特的自由形狀曲線和曲面建模功能，并具有高級的互用 性和靈活性。它能讓設計人員和工程師在一種完全自由式參數化建模環境中工作，這樣就能保證設計和工程的真正集成。通過在Pro/ENGINEER 的參數化建模基礎內建立復雜的自由形狀幾何體， ISDX 能讓設計人員和工程師在一種具有極大設計靈活性、獨特的環境中工作。 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模是逆向工程應用的關鍵環節。在玩具產品的開發建模中，通常采用三坐標掃描儀測量的數據，經過 Surfacer 軟件對采集的數據處理成三維線圈框架，保存為 IGS 格式，然后把處理完的文件導入 Pro/ENGINEER 作為參考幾何。這種建模方式比較特別，它沒有傳統畫圖的提供的圖紙，只是以三維線圈尺寸為基礎，以構圖手板為基準。 構圖手板是玩具產品的原型，三維線圈是構圖手板的數字化模型。三維線圈保證 Pro/ENGINEER 曲面設計時不會發生大的尺寸偏差，構圖手板反映的是產品的細節結構，在 Pro/ENGINEER 曲面設計時提供造型要求，在此基礎上優化模型結構，保證達到模具設計的要求和玩具造型的要求。 玩具產品的建模主要是用 Pro/ENGINEER 曲面建模的高級功能。如可變截面掃描，其中縱截面可以由用戶自定 義圖表或數學函數控制；混合曲面，曲面偏距，扭曲里面的特殊功能也充分地應用。 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 8 Pro/ENGINEER 玩具曲面建模，首先要合理把模型分割成幾部分，考慮處理好曲面間的連接，其次要確定參考平面，然后定基準點，構造基準曲線，用邊界或掃描的方式建立基礎曲面。合理連接 ,處理好碎曲面。 3.3 玩具產品建模方法 玩具產品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成，其共同點是必須保證曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為保證曲面光滑而且圓順，不會引起視覺上的凹凸感。要保證構造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面 造型技巧。 3.3.1 化整為零，各個擊破 用一張曲面去描述一個復雜的玩具外形是不切實際和不可行的，這樣構造的曲面往往會不光順，產生大的變形。這時可根據應用軟件曲面造型方法，結合產品的外形情況，將其劃分為多個區域來構造幾張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連接。 3.3.2 建立光順的曲面片控制線 曲面的品質與生成它的曲線即控制線有密切關系。因此，要保證光順的曲面，必須有光順的控制線。曲線的品質主要考慮以下幾點： 1） 滿足精度要求； 2） 曲率主方向盡可能一致； 3） 曲線曲率要大于將做圓角過渡的半徑值。 3.3.3 將輪廓線刪繁就簡再構造曲面 我們看到的曲面輪廓往往是已經修剪過的，如果直接利用這些輪廓線來構造曲面，常常難以保證曲面的光順性，所以造型時在滿足零件的幾何特點前提下，可利用延伸、投影等方法將 3d 輪廓線還原為 2d 輪廓線，并去掉細節部分，然后構造出“原始”曲面，在利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。 3.3.4 從模具的角度考慮 產品的三維造型的最終目的是制造模具。因此，在三維造型時，要從模具的角度去考慮，在確定產品出模方向后，應檢查曲面能否出模，是否有倒扣現象（即拔廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 9 模角為負角），如發現有倒扣現象，應對曲面的控制線進行修改，重 構曲面。這一點往往被忽略，但卻是非常重要的。 3.3.5 曲面光順評估 在構造曲面時，要隨時檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順、是否扭曲、曲率變化情況等，以便及時修改。可顯示曲面上的等高斯曲率線，進而顯示高斯曲率的色彩光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、色彩光柵圖像的明暗區域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 10 第 4 章 塑料玩具生產設計簡介 目前市面塑料玩具的生產品種繁多，玩具產品的造型和智能化成為市場競爭的關鍵。 玩具產品的造型 是玩具開發和設計的重要環節。目前的玩具模型開發主要是通過已 有的產品模型優化或 者手工手板 造 型 實現的 。 無論哪種方式，都需要將模型數字化。 模型的數字化主要是通過三坐標掃描儀 實 現的。 Surfacer 軟件是三坐標掃描儀（測量儀）的配套軟件，是 專門用于 處理 數字化模型（點云數據）的。 Pro-E軟件 是將 Surfacer 軟件處理后的數字模型（線圈模型）作為參考基準的。下面以玩具小車車殼模型的例子介紹建模過程。 4.1 Surfacer 應用 現在市場上較為流行的反求軟件比較多， Imageware 公司開發的 Surfacer 以其強大的功能，受到眾多消費者的青睞。 它具有友好的輸入輸出接口，可以接受幾十種數 據格式，方便的與同類軟件進行數據交流。它主要包括四大功能模塊，即點處理、線處理、面處理和快速成型模塊。同時還包括顯示、編輯、檢測等輔助功能。現在使用 Surfacer 為工具，處理三坐標掃描儀處理的點云。三坐標掃描儀測量的測量的數據點 ,點按照空間的曲面的位置分布 ,類似云的形狀 ,故叫點云。 如 圖 4-1 所示， 為三坐標掃描儀的點云數據導入 Surfacer 軟件的效果圖。 圖 4-1 點云導入 Surfacer 軟件 的效果圖 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 11 如圖 4-2 所示， 為點云數據在 Surfacer 軟件里面的網格處理圖。在 Surfacer軟件中，將點云 數據分散，處理成空間線圈。因為整個點云數據導入 Pro-E 中，點云數據密度大，嚴重影響軟件的運行速度，和處理效率。 在 Surfacer 軟件的處理方法： 1、 以點云模型的 X 方向拉虛擬截面，設置截面間距； 2、 隱藏點云模型，將截面截出的點轉化成線； 3、 用以上方法分別處理 Y 和 Z 方向的點； 4、 刪除 X、 Y、 Z 三個方向的點數據； 5、 將 X、 Y、 Z 三個方向的線圈合并在一起，即為下圖的線圈模型； 6、 保存為 igs 格式文件。 圖 4-2 用 Surfacer 軟件進行點云網格處理 的處理圖 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 12 4.2 Pro-E 軟件的應用 （ 1） Surfacer 軟 件處理的網格文件 導入 Surfacer 軟件將三坐標掃描儀提供的空間點云數據處理成三維網格，保存為igs 格式文件導入 Pro-E 軟件。 如圖 4-3 所示， 為 Surfacer 軟件處理的網格文件 導入 Pro-E 后的效果圖 。 圖 4-3 Surfacer 軟件處理的網格文件 導入 Pro-E 后的效果圖 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 13 （ 2） Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模在玩具建模的應用主要是以 Surfacer 軟件處理的網格數據作為參考基準，合理分割模型曲面，合理處理曲面連接，處理好小碎曲面建立高級圓角。通過一系 列的曲面操作，構造玩具模型。 如圖 4-4 所示， Pro/ENGINEER曲面建模在建模完成后的效果圖 。 圖 4-4 Pro/ENGINEER 曲面建模在建模完成后的效果圖 （ 3）應用實例 通過以上塑料玩具生產設計的簡單介紹，我們對塑料玩具設計的方法和流程比較清晰。靈活地處理曲面模型曲面的分割，合理應用好 Pro/ENGINEER 曲面建模 的功能，就可以滿足 客戶的設計要求，設計出形式多樣，富有藝術性的曲面模型。下面以 10 個曲面模型反映逆向工程的應用，展示 Pro/ENGINEER 曲面建模的價值。 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 14 結束語 通過逆向 工程應用流程和應用關鍵環節的介紹，我們進一步認識產品建模的新方法。對 Pro/ENGINEER 的應用有新的認識。現在， Pro/ENGINEER 的交互式曲面設計擴展功能 (ISDX)的推出，標志著 PTC 已將直觀的自由形狀曲面處理建模工具集成到世界最優秀的建模軟件中。這種獨特的設計功能允許設計人員和工程師利用強大的參數化建模工具來建立自由形狀曲面。直觀的建模環境能讓客戶采用一種清晰的過程方法來完成設計，從而在提高效率的同時，進一步促進逆向工程應用的發展！ 廣東機電職業技術學院畢業設計（論文） 15 參考文獻 1林清安 .Pro/ENGINEER 零件設計 .清華大學出版社 2楊峰 ,黃效賀 .Pro/E Wildfire 2.0 曲面設計技巧與實例 .中國鐵道出版社 3劉之生 ,黃純穎 .反求工程技術 .機械工業出版社 4 王京美 ,王德斌 ,刑 淵 .逆向工程技術在模具制造中的應用 .上海交大模具技術研究所 5季勁松 .逆向工程中三坐標測量數據的研究與系統開發 .浙大化機所 廣東機電職業技術學院 畢業設計（論文）評語 學 生 姓 名 溫國韓 學號 030809 班