1、 . . . 目 錄1. 緒 論21.1. 課題研究的提出與意義21.1.1課題背景21.1.2課題意義31.2逆向工程特點和過程41.2.1逆向工程的特點41.3快速成型的技術原理、早期發展和特點功能61.3.1快速成型原理61.3.2快速成型工藝方法71.4軟件介紹91.4.1 Imageware軟件簡介91.4.2 Pro/Engineer軟件逆向工程模塊簡介102.逆向工程一般步驟122.1實體三維數據的獲得掃描122.2點云處理122.3曲面重構132.4實體建模142.5 本次設計逆向方案的確定152.6 本章小結163.建立烏龜曲面具體步驟173.1烏龜曲面逆向開發的流程173.

2、1.1數據獲取和處理173.1.2點云數據清理173.1.3數據轉化導出通用格式183.2小平面特征183.2.1造型前準備193.2.2輸入點云數據193.2.3點云數據處理203.2.4包絡處理223.2.5小平面處理223.3重新造型283.3.1修改數學屬性293.3.2修改曲面313.3.3曲面重新構造313.4實體化過程333.5快速成型制造343.6質量評估檢測353.7本章小結364.總結36致 38參考文獻391. 緒 論1.1. 課題研究的提出與意義1.1.1課題背景逆向工程技術是20世紀80年代初分別由3M公司、日本名古屋工業研究所以與美國UVP公司提出并研制開發成功的。

3、在國外，逆向工程越來越受到學術界和工業界的重視，目前逆向工程已經發展成CAD/CAM系統中的一個相對獨立的研究分支。在數字化測量技術方面，測量方法各種各樣，測量設備和精度日益提高。由英國Ferranti公司于20世紀50年代開始研制的三坐標測量機（coordinate measuring machine,CMM）,以與德國Zeiss公司于1973年推出的UMM500測量機已成為傳統機械接觸式測量方法的代表。在曲面重構技術方面，也不斷取得突破性進步。在20世紀70年代，Riesenfeld等人研究了非均勻B樣條、Versprille完成了有理B樣條曲線曲面的具體應用。隨后，Piegl等人系統地探

4、索了B樣條曲線曲面的構造與其形狀調整問題，并敘述了NURBS方法。20世紀初期開始對散亂數據插值進行研究，并在根據給定散亂數據點構造光滑曲面的理論和方法上取得了顯著成就。1968年，Shepard研究了非規則分布數據的二維差值函數，給出了最小二乘法距離加權插值算法。1986年，Frain則提出了構造C連續三角Bernstein-Bezier曲面的方法。在商用軟件方面，主要有美國Imageware公司的Surfacer10.5、Imageware、英國DelCam公司的CopyCAD等。而且在Pro/E、UG中也都發展出逆向模塊。這些都對復雜曲面的反求工程提供合適的環境。在本課題中使用了Imag

5、eware軟件，和Pro/E中的逆向模塊。在我國，復雜曲面反求技術是 20 世紀 90 年代后期才迅速發展和推廣的。目前，已有一些高等學校和企業正致力于這方面的研究。華中科技大學開發了三維彩色掃描系統3DLCS95，于1995年獲得了國家專利。在大學、西北工業大學、航空航天大學、交通大學、清華大學、交通大學等也先后開展了復雜曲面反求工程 CAD 問題的研究。大學研制開發了基于三角曲面初始表達的復雜曲面反求工程軟件 RE-SOFT。此外，復雜曲面反求技術在我國企業也有一定的應用，如模具中心、東風汽車公司、大學燃機研究所、大學和大學等運用反求技術進行新產品的開發與研制。但在我國復雜曲面的逆向工程還

6、處在初級階段，所以不斷進行研究具有重要意義。本課題就逆向工程的過程與其關鍵技術進行了研究。1.1.2課題意義 逆向工程在我國對逆向工程技術的研究起步較晚，主要局限于一些大學和科研院所，其學永青教授、清華大學元庚，佩軍等的研究是領先全國的，但是也有理論重滯后生產實際，與國外如火如荼的研究熱相比明顯的差距。傳統的產品外形開發多是重新建模，使得設計周期長，而采用逆向工程進行外形的再設計可以縮短設計和改進的周期。所以逆向工程的意義不僅僅在于探索并掌握支持產品全生命周期設計、制造的關鍵技術，更體現在逆向反求的過程中接納先進的設計思想和制造理念，進而實現理論和思想上的創新，這對于我國科技進步和制造業的發展

7、具有十分重要的意義。“引進、消化、吸收、創新”是被證明了的新產品快速開發的有效途徑。通過反求工程的分析可以全面理解原型的設計思路，發現其優點和不足，增加反求設計產品與工程的可靠性；通過反求工程技術，可以完成基于數字化模型的產品優化設計，以達到進一步改進原型設計的目的；采用反求工程技術可以避免自主研發中的不少彎路，從而大幅度縮短新產品的開發周期，適應市場的要求，為企業快速占領市場創造了條件。充分利用別國的科技成就加以消化吸收與創新，進而發展自己的技術，已成為世界各國普遍運用的方法和手段。逆向工程技術的應用對我國企業縮短與發達國家的差距具有特別重要的意義。逆向工程包含對產品的研究與發展,生產制造過

8、程,管理和市場組成的完整系統的分析和研究.主要包括以下幾個方面:探索原產品設計的指導思想、研究產品的結構設計、確定產品的造型、確定產品的維護與管理，而快速成型技術( 簡稱RP) 是20 世紀末發展起來的一項先進制造技術, 是在現代CAD/ CAM、激光、CNC、精密伺服驅動以與新材料等技術的基礎上集成發展起來的。快速成型根據計算機上構造的三維模型, 能在很短時間直接制造出產品樣品, 是制造業企業新產品開發服務的一項重要技術。逆向工程與快速成型制造技術相結合將從根本上改變傳統產品的開發設計和制造模式。解決了一些復雜形體的三維建模和難以加工出實物模型等問題,實現了產品的快速復制。本文著重研究了逆向

9、工程的實現方法和其關鍵技術，對于企業與個人學習和提高逆向工程方面的知識有著重要意義。其中應用了Pro/E中的小平面特征、重新造型、和造型模塊，解決了復雜曲面的逆向中部分難點，對于企業有著廣泛應用。1.2逆向工程特點和過程1.2.1逆向工程的特點 逆向工程是在已有實物的基礎上進行的再設計，所以相對于傳統的正向設計，具有以下特點。 1 .產品設計周期短逆向工程系統就專門為制造業提供了一個全新、高效的三維制造路線。并給出一個一體化的解決方案：樣品數據產品。且向設計以已有實物為參照物，比較直觀。在此基礎上進行復制和改進設計，可以節省很多產品構思時間。2.產品設計更加成熟可靠逆向工程通常是以專案方式執行

10、模型的仿制工作。因為有長期專門從事逆行工作的專業技術人員，所以工作效率很高。而且在已有成熟產品上進行改進設計，風險將會降到最低，設計出的產品也會更加穩定可靠。 3.產品設計成本更低逆向設計的產品是在原有產品的基礎上進行改進的，較正向設計在測試的時間和頻率可以適當減少，降低的成本可觀。4. 產品的傳承性更好參照已有的產品進行逆向設計，可以更好地繼承原有產品的優點，改進其缺點，使設計的產品不斷獲得改進與提高。1.2.2逆向工程的過程逆向工程的實現過程中，主要包括以下幾個關鍵步驟：1. 實物樣件模型 確定被測對象是逆向工程的前提，表面良好的樣件是實現逆向工程的第一步，樣件的質量將直接影響后續反求的精

11、度。在本次設計中，這個因素影響不大，故不作太多討論。2實體點云的掃描點云數據的獲得即通過特定的測量設備和測量方法獲取產品的表面離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何形狀數據化。3數據預處理數據處理的工作主要包括：數據格式轉化、點云的拼合、噪聲過濾、特征提取、數據簡化以與點云分塊等。4模型重構這個環節是逆向工程中最關鍵、最復雜的環節。在本次設計中采用小平面特征、重新造型、曲面構造等方法。5產品加工快速成型是制造技術的一次飛躍，其包括光固化成型（SL）、粉末燒結成型（SLS）、層疊法成型（LOM）、熔積成型（FDM）等多達十余種具體的工藝方法。這個過程還包括對新建模型進行誤差分析，其過程應該考慮被測物

12、對機構引起的綜合軌跡誤差、逆向工程設計所存在測量誤差、和后續的加工誤差和設計中曲線擬合的誤差等。逆向工程建模的一般流程圖：圖1. 1 逆向建模一般流程模型曲面分析確定掃描方案進行實體點云掃描進行點云數據處理建立需要的曲線建立曲面實體建模(如圖1. 1所示)。1.3快速成型的技術原理、早期發展和特點功能1.3.1快速成型原理快速成型（也稱快速原型）制造技術(Rapid Prototyping & Manufacturing，RP&M)起始90年代，將計算機輔助設計(CAD)、計算機輔助制造(CAM)、計算機數字控制(CNC)、激光、精密伺服驅動和新材料等先進技術集成一體。依據計算

13、機上構成的工件三維設計模型(圖1. 2 (a)，對其進行分層切片，得到各層截面的二維輪廓(圖1. 2 (b)。按照這些輪廓，成形裝置選擇性地固化-層層的液態樹脂(或切割-層層的紙，燒結-層層的粉末材料，噴涂-層層的熱熔材料或粘結劑等)，形成各個截面輪廓(圖1. 2 (c)并逐步順序疊加成三維工件(圖1. 2 (d)。圖1. 2 快速成型制作過程快速成形技術徹底擺脫了傳統的“去除”加工法-部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件。而采用全新的“增長”加工法，用層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復雜的三維加工分解成簡單的二維加工的組合。因此，它不必采用傳統的加工機床和工模具，只需傳統加工方法的10-

14、30的工時和20-35的成本，就能直接制造出產品樣品或模具。1.3.2快速成型工藝方法目前快速成型主要工藝方法與其分類見圖1. 3所示圖1. 3 快速成型主要工藝方法與其分類1) 立體光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）光固化法(SL)是以液態光敏樹脂為原材料，在計算機控制下的紫外激光按預定零件各分層截面的輪廓軌跡對液態樹脂逐點掃描，使樹脂薄層產生光聚合(固化)反應，從而形成薄層截面。完成一個固化層后，工作臺下降一個層厚，再描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復直至完成整個零件的固化成型。2) 選擇性激光燒結法(SLS, Selective Laser Si

15、ntering)選擇性激光燒結法(SLS)是在工作臺上均勻鋪上一層很薄(100-200)的非金屬(或金屬)粉末，激光束在計算機控制下按照零件分層截面輪廓逐點地進行掃描、燒結，使粉末固化成截面形狀。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，反復進行此過程便獲得需要的零件。3) 熔融沉積成型法(FDM, Fused Deposition Modeling)這種工藝是通過將絲狀材料如熱塑性塑料、蠟或金屬的熔絲從加熱的噴嘴擠出，按照零件每一層的預定軌跡，以固定的速率進行熔體沉積。每完成一層，工作臺下降一個層厚進行迭加沉積新的一層，如此反復最終實現零件的沉積成型。FDM工藝的關鍵是保持半流動成型材料的溫度剛好在

16、熔點之上(比熔點高1左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑決定，通常是0.250.50mm。FDM的優點是材料利用率高，材料成本低，可選材料種類多，工藝簡潔。缺點是精度低;復雜構件不易制造，懸臂件需加支撐;表面質量差。該工藝適合于產品的概念建模與形狀和功能測試，中等復雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。4) 三維印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點噴射粘合劑來粘結粉末材料的方法制造原型。3DP的成型過程與SLS相似，只是將SLS中的激光變成噴墨打印機噴射結合劑。1.4軟件介紹1.4.1Imageware軟件簡介Imagewar

17、e是著名的逆向工程軟件，廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領域。擁有廣大的用戶群，如BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Toyota。Imageware為自由曲面產品設計方面的所有關鍵領域提供了應用驅動的解決方案。空前先進的技術保證了用戶能在更短的時間進行設計、逆向工程，并精確地構建和完全地檢測高質量自由曲面。最新的產品版本更注重于高級曲面、3D檢測、逆向工程和多邊形造型，為產品的設計、工程和制造營造了一個直覺的柔性設計環境。Imageware提供了模塊化的產品來滿足用戶的不同需求，這樣的設計完全圍繞產品從概念設計、工模具設計和檢測、樣機，以至生產加工

18、這一產品全生命周期，目的在于提高產品質量，縮短上市時間。用戶在第一次使用時就可以配置最適合其流程的產品，使用這些工具是保證產品開發周期順利進行的關鍵。Imageware12主要用來做逆向工程，它處理點云數據的流程遵循，點曲線曲面的原則，整個流程簡單清晰明了，而且軟件操作容易，對系統性能要求也不高。1) 點云處理功能a) 讀入點云數據,將分離的點云對齊在一起（如果有需要）。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點云。Imageware12軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點云對齊。b) 對點云

19、進行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具與測量方式的限制，有時會出現一些噪音點，Imageware12軟件有很多工具來對點云進行判斷，去掉噪音點，以保證結果的準確性。c) 通過可視化點云觀察和判斷，規劃如何創建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據特性判斷用用什么方式來構成，例如，如果曲面可以直接由點的網格生成，就可以考慮直接采用這一片點云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前規劃可以避免以后走彎路。d) 根據需要創建點的網格或點的分段。Imageware12軟件能提供很多種生成點的網格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次

20、生成多個點的分段。2) 曲線創建功能a) 判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確通過點云的、也可以是很光順的（捕捉點云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。b) 創建曲線。根據需要創建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線。控制點增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。c) 診斷和修改曲線。可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變曲線與其他曲線的連續性（連接、相切、曲率連續）。Imageware12軟件提供很多工具來調整和修改曲線。3) 曲面創建功能a) 決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面，或兩者兼顧。根據產品設計

21、需要來決定。b) 創建曲面。創建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面（Fit free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結合點云和曲線的信息來創建曲面。還可以通過其他例如圓角等生成曲面。c) 診斷和修改曲面。比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性與與其他曲面的連續性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構等處理。Imageware12是著名的逆向工程軟件，其廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領域。而且擁有以上專業的點云到曲面的造型功能，在進行逆向工程時是一個不錯的工具。1.

22、4.2 Pro/Engineer軟件逆向工程模塊簡介Pro/ENGINEER軟件由美國參數技術公司開發而成，是機械CAD/CAM軟件的后起之秀，它采用統一的數據庫，集三維實體和曲面造型、裝配造型、三維工程圖、數控加工、有限元分析、機構運動仿真、鈑金設計、加工和裝配工藝過程。設計與模具設計等功能于一體，特別是其全參數化和全相關功能強大的實體造型技術，精悍、統一的數據庫和能支持所有UN平臺Windows，Windows/NT，使它成為快速成型技術行業中市場占有率最高的CAD軟件。PTC公司開發的產品中，具有逆向功能的有：ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)、Pro/SCANTO

23、OLS、Facet Feature和Restyle。1) ICEMSurf模塊ICEMSurf是一個可以構造A級自由曲面的工具，它可以直接構造曲面（無須先構造曲線）并可對曲面質量進行動態評價，在汽車、摩托車外覆蓋件，飾件等自由曲面的構建過程中具有優勢，但在重構自由曲面時對測量數據的完整性要求比較嚴格。ICEMSurf也可用于曲面的設計，但此曲面并非傳統意義上的曲面模型。只是把點云數據轉換成三角面片，通過三角面片來求解截面線、邊界線和特征線，也可用來做RP或NC加工編程。2) Pro/Designer模塊Pro/Designer是一個工業設計的造型模塊，主要應用于概念設計，它可以方便地調整各條型

24、線，從而得到設計師想要得到的結果。用于逆向工程時，可以用于少量測量數據點、僅有主要型線和邊界線的情況，從這個意義上來說它不是一個完整的逆向，操作者反求的主要是產品的造型思想。3) Pro/SCANTOOLS模塊Pro/SCANTOOLS是一個完全集成于Pro/ENGINEER實體建模中的逆向曲面構建模塊，它可以接受有序點（測量線），也可以接受點云數據，且可以用來構造非A級的自由曲面，一般應用于電器產品、汽車飾件、塑料件等行業。Pro/SCANTOOLS是一個非參數化環境工具，設計人員可以專注設計模型的特定區域，使用不同的工具來獲得期望的形狀與曲面屬性。在Pro/SCANTOOLS模塊下，可以輸

25、入多種格式的掃描數據，并可對高密度的數據進行智能濾波。同時可根據選取的掃面數據創建型值曲線，并可在曲面上創建型值曲線。在Pro/SCANTOOLS模塊下，也可以輸入幾何特征，如曲線、曲面或多面數據等。4) Facet Feature模塊Facet Feature（小平面特征）是Pro/ENGINEER新增的建模工具，可以輸入實物模型掃描點云數據或用三坐標測量機所測得的數據，可以糾正設備誤差引起的點云數據錯誤，也可以對點云進行點云去噪、點云精簡、平滑濾波、點云數據點修補、三角網格劃分和三角平面處理等。5）Restyle模塊Restyle（重新造型）是一個逆向工程環境，用來在多面（小三角形平面）數

26、據的頂部重建或構造曲面CAD模型。40 / 402.逆向工程一般步驟2.1實體三維數據的獲得掃描數據測量是逆向工程中后續處理的基礎,因此三維掃描得到點云數據的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。目前,模型數字化的方法主要分為非接觸式測量和接觸式測量兩大類。其中,接觸式測量是量頭與實物表面有接觸,常用的設備有:三坐標測量機、專用數字化儀等。這種方式成熟,但測量速度和精度比較低,而且不適合柔軟實物的測量。的非接觸式測量技術得到快速發展,如激光三角形測量與光柵法等具有精度高，適用圍廣等特點。三維掃描技術從產生以來，到目前已經發展了很多掃描原理，一般來講分為以下幾種技術，見圖2. 1：圖2. 1 三維掃

27、描技術分類2.2點云處理通常掃描后得到的測量數據是由大量的三維坐標點所組成，根據掃描儀的性質、掃描參數和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等，這些大量的三維數據點稱為點云（Point Cloud）。掃描得到的產品外形數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點與其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟：1) 去掉噪音點，常用的檢查方法是將點云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動的光順方法對點云數據進行檢查調整；2) 數據插補，對于一些掃描不到的區域，其數據只能通過數據插補的方法來補齊，這里要

28、考慮兩種曲面造型技術，基于點的樣條曲面逆向造型和基于點的曲面擬合技術。3) 數據平滑，數據平滑的目的是為了消除噪音點，得到精確的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法處理方法，應力求保持待求參數所能提供的信息不變。4) 數據光順，光順泛指光滑、順眼，但由于精度的要求，不允許對測量的數據點施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點（邊界折拐點）必須予以保留，而不能被視為“壞點”。5) 點云的重定位整合，在重新裝夾后多次掃描形成的數據要進行重定位整合，目前一般的CAD軟件還都沒有此項功能，需要手工“縫合”，在測量件上選取兩次定位狀態下的基準點，在兩次定位測

29、量的過程中，分別測量兩次定位狀態下的基準點的坐標值，然后以一定的判斷規則判別出各基準點的測量精度，最后在CAD系統中顯示定位下的測量數據，并移動某一定位下的數據，使該定位下的所有測量數據整合到另一定位下。2.3曲面重構 在整個逆向工程中，產品的三維幾何模型CAD重建是最關鍵、最復雜的環節。因為只有獲得了產品的CAD模型我們才能進行后續的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和產品的再設計等。曲面重建可以說是逆向工程的另一個核心與主要的目的，是依據掃描得到的點云數據恢復曲面形狀建立CAD數學模型的過程。在得到產品的數據后，以逆向工程軟件進行點數據的處理，經過分門別類、群組分隔、點線面與實體誤差的比

30、對后，再重新建構曲面模型，產生CAD數據，快速制造或NC加工。目前在點云生成曲面的過程中，主要有三種曲面構造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方案；其三是以多面體方式來描述曲面物體。由于CAD/CAM的發展，各種自由曲面與自由曲面的理論應運而生，如Bezier曲面、B-Spline曲面、NURBS曲面、Loft曲面(Loft Surface)、構造基準曲面(Construct Surface) 、旋轉曲面(Revolved Surface) 、網格曲面(Net Surface)等。由三維掃描儀所得到的點云數據來建立

31、曲面的方式一般可以分為兩種：一種是以近似的方式、另一種是以插補的方式來將順序的點數據建立成為曲面，以下分別就這兩種方法做一簡單介紹：1) 近似法(approximation)以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個容許誤差值(tolerance)，并在U、V方向建立控制點的起始數目，以最小平方法來擬合出(fit)一個曲面后將量測之點投射到曲面上并分別求出點到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值以完成曲面的建立，如果量測的數據很密集或是指定的容許誤差很小，則運算的時間會相當的久。以近似法來擬合曲面的優點是擬合的曲線不需要通過每個量測點，因此對于量測時的噪聲將有抑除的作用。所述，使用近似法時通常

32、是點云數據點多且含噪聲較大的情況下。2. 插補法(interpolation)以插補的方式來進行曲面的建立，則是將每個截面的點數據，分別插補得到通過這些點的曲線，再利用這些曲線來建立一個曲面。以插補的方式進行曲面數據建立，其優點在于得到曲面一定會通過量測之數據點，因此如果數據量大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因為如此，如果量測時點數據含大量的噪聲則在重建曲面時大量的噪聲將被含入而產生相當大的誤差。所述，以插補法來重建曲面較佳的使用時機是對于數據量少且所含入噪聲較小的點群數據。因此對于掃描點數據而言，由于點數據量大以近似法來重建曲面將會較插補法節省控制點的儲存空間，而且對于掃描時所

33、滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會耗費大量的計算機存與較多時間在曲面的計算上，因此我們在建立曲面的過程中應配合所測量得的數據點數目與精度來決定曲面重建所使用的方法。2.4實體建模近年來，運用AutoCAD軟件進行二維圖形的測繪已經得到很大的普與。但是，二維平面圖不能完整和準確地體現出設計者的設計思想，而且，二維圖紙無法對設計對象進行后續的結構有限元分析、運動分析、公差分析、以與數控加工代碼的生成，而這些分析往往是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設計軟件如MDT, Solid Works、Pro/E、UG等，都得到了廣泛的應用。建立三維模型，有助于

34、理解零件的特征，更加直觀方便，而且對于快速制造很必要。2.5 本次設計逆向方案的確定目前逆向工程的解決方案主要有以下三大類：沿襲正向建模思路，從點到線再從線到面。這種方案一般處理過程如下：首先從數據點中提取原始物體的截面線、特征線或邊界線，然后采用掃成、蒙皮、裁剪等一系列常規曲面構造方法，得到主要以NURBS取信表示的CAD模型。這是一種直觀的準逆向工程的思路，適合于簡單易于構建的模型的創建。完全逆向工程的做法：即由點云數據直接反求CAD模型。目前主要在復雜曲面方面得到較多應用。通常有兩種表達方式：一種是用三角Bezier曲面片來逼近模型，首先對點云數據三角化，然后根據三角形網格進行C2連續的

35、三角Bezier曲面片插值重建;另外一種是用NURBS曲面表示，通過用戶指定重構曲面的次數和圍，自動進行參數分割，由點云數據反求NURBS曲面的控制頂點。這種方法計算耗費大，對數據的噪聲以與參數分割的好壞要求嚴格，主要使用于復雜曲面的重構方面。反向提取與正向設計結合：直接由點云數據提取特征參數，在導入Pro/E等通用CAD/CAM系統進行正向設計。在本次逆向工程的設計中，分析藝術品烏龜模型后，發現其較少有規律可循，致使正向設計十分困難進行。因此，擬采用完全逆向工程的做法，考慮到精度和其他因素，將結合完全逆向中兩種做法：首先用三角Bezier曲面片來逼近模型，然后用NURBS曲面表示，通過用戶指

36、定重構曲面的次數和圍，自動進行參數分割，由點云數據反求NURBS曲面的控制頂點進行逆向。綜上所述：本次設計中，主要存在以下幾部分：點云的預處理、點云處理、曲面重構、實體建模。在點云預處理階段擬采用逆向軟件Imageware進行處理，主要完成去噪、整理、修整點云的作用;在點云處理階段采用Pro/E中小平面特征模塊進行處理，主要在進一步深層次的處理點云的基礎上，進行消除破洞、數據精簡、對小平面進行包絡處理、小調粗調、小平面精調和精整以與生成集管等工作。曲面重構階段主要采用Pro/E中重新造型模塊，擬采用自動創建樣條曲面的方式生成樣條曲面，在在此基礎上采用修改數學屬性、修改曲面、曲面重新構造三種方式

37、對曲面進行調整修正，以使本次的復雜曲面達到需要的精度和構思意圖。實體建模部分主要完成對上一步修整調節后的曲面進行實體化過程。2.6 本章小結本章介紹了復雜曲面逆向工程的過程，其包括點云掃描、點云處理、曲面重構、實體建模。其中著介紹了點云處理的一般步驟和曲面重構的常見方法。也介紹了在此過程中應該注意的問題。在選擇處理方法時應該注意根據所逆向的模型選擇合理的處理手段，以達到事半功倍的效果。3.建立烏龜曲面具體步驟3.1烏龜曲面逆向開發的流程模型分析掃描方案確定進行掃描點云處理點云數據過濾數據轉換Pro/E小平面特征處理重新造型特征處理曲面完成曲面實體化快速成型3.1.1數據獲取和處理掃描過程一般采

38、用三維掃描儀，需在掃描時需要噴上顯影劑，進行多方位掃描，掃描后一般采用surfacer打開文件對點云數據進行拼接。這時可以對這些局部進行補充，即對這些部分進行局部掃描，將點云補充完整。在Imageware13中打開后得到如圖圖3.1 導入后的原始點云3.1.2點云數據清理進行點數據處理是進行曲面重構的第一步。在逆向工程軟件Imageware13中打開。該點云數據中存在很多的不需要的點，為了后面處理方便首先需要把點云中明顯的不需要的點刪除掉。使用 修改>>抽取>>圈選點 命令圈選不需要的數據，以與明顯的噪聲點。在去掉明顯不需要的點數據后，數據量還是比較龐大，而且分布不均勻

39、，為了使點的分布比較合理，使用命令 修改>>數據簡化>>距離采樣 進行點云數據過濾。過濾如圖3. 1所示。圖3. 1 過濾后的點云數據3.1.3數據轉化導出通用格式Imageware類型的文件不能直接在其他三維造型軟件中打開。為了解決這一問題，國際上出現了一種描述三維幾何的標準格式IGS格式。以這種格式導出的三維模型就可以在其他三維設計軟件中繼續修改了。為了后期的三維模型可以在其他的三維軟件中打開，在Imageware中把精簡數據后的文件另存為擴展名為IGS的文件。3.2小平面特征小平面（Facet）特征是Pro/ENGINEER中一個主要的點云處理工具，它所針對的處理

40、對象通常是采用激光掃描得到的密集點云；密集點云可以在小平面特征中經過去雜、降噪和取樣、補孔和清理等步驟的處理最后生成適合于下一步造型參考的小平面。小平面特征的引入，使得Pro/ENGINEER對于外部的逆向處理軟件的依賴大為降低，借助小平面特征，wildfire在根據密集點云逆向造型的應用大為拓寬。3.2.1造型前準備打開Pro/E，修改工作目錄，新建一個零件，鍵入文件名，取消選中“使用缺省模版”復選框，選擇mmns_part_solid選項，如圖3. 2所示。圖3. 2設置新文件選項3.2.2輸入點云數據單擊菜單欄中“插入”/“小平面特征”命令，在彈出的“打開”對話框中選擇并打開要輸入的點云

41、數據，如圖3. 3所示。圖3. 3輸入點云數據 圖3. 4輸入選項打開后，在彈出的如圖3. 3所示的“輸入選項”對話框中之指定坐標系，直接單擊對話框中的“確定”按鈕以默認方式將點云數據調入小平面特征工作區域。3.2.3點云數據處理針對整個點云數據，單擊工具欄中的“刪除界外值”按鈕，在彈出的 圖3. 5所示的對話框中輸入靈敏度，單擊“確定”按鈕。系統將根據設定的靈敏度對點云數據進行處理并刪除界外值。 圖3. 5靈敏度設置 圖3. 6去除噪音單擊工具欄中的“去除噪聲”按鈕，在彈出的 圖3. 5所示的對話框中選擇降噪模式，此命令將剔除點云中的粗大噪聲點。單擊工具欄中的“填充”按鈕，在選定區域對點云進

42、行填充處理，即對點云有破洞的地方進行修補。單擊工具欄中的“示例”按鈕，按照一定規則對點云數據進行精簡處理，刪除冗余數。選擇“按曲率抽樣”選項，設定“百分比”為80，如圖3. 7所示。圖3. 7“示例”對話框數據保存：單擊工具欄中的“保存”按鈕，在彈出的的對話框中輸入文件名，選定保存格式，對處理過的點云數據進行保存處理，以方便后續調用。對點云的處理完成后，就可以進入包絡階段。從表面看包絡階段和小平面階段并沒有什么區別，都是由三角面所組成。區別在于：包絡階段包含了所有原始點云的部結構，也就是說在包絡階段雖然點云沒有顯示出來，但在系統部還是保存了這些點云的數據結構；而當進入小平面階段就會把原始的點云

43、刪掉。3.2.4包絡處理單擊工具欄的“包絡”按鈕，系統將對處理過的數據點進行三角平面處理。結果如圖3. 8所示。圖3. 8包絡處理生成的三角面1) 小平面粗調：此階段可運用工具欄中的壓淺、壓深、穿透、去除腹板等命令對小平面進行粗調處理。粗調可快速對三角面模型進行修改，但精度不高。2) 小平面精整：粗調后，單擊工具欄中的“精調”按鈕，使小平面進入精整階段。與粗調階段相對應，小平面精整階段的自動化程度較低，但能提供更為精細的三角面。3.2.5小平面處理精調后，單擊工具欄中的“多面體面”按鈕，即可進入小平面處理階段。選中需要刪除的小平面，單擊工具欄中的“刪除”按鈕，即可刪除多余的小平面。單擊工具欄中

44、的“填充”按鈕，在彈出的如圖3. 9所示的對話框中進行設置，選中模型中的破洞，填充后效果如圖3. 10所示。圖3. 9填充設置圖3. 10破洞填充單擊工具欄按鈕旁邊的下三角彈出如圖3. 11所示的按鈕。單擊“反向邊”按鈕后，單擊小三角面的一條邊，則該三角面會反向重構，如圖3. 11所示。圖3. 11三角面操作按鈕圖3. 12反向邊操作單擊工具欄中的“添加小平面”按鈕，依次單擊小平面的三個頂點，系統會以選中的三點為頂點創建一個三角面，效果如圖3. 13所示。圖3. 13創建三角面單擊工具欄中的“整理”按鈕，在彈出的如圖3. 14所示的對話框中進行設置，系統將根據所選模式對小平面進行整理，處理效果

45、如圖3. 15所示。圖3. 14“整理對話框”圖3. 15“自由生成”模式整理后單擊工具欄中的“分樣”按鈕，在彈出的對話框中設置百分比，如圖3. 16所示.確定后小平面會按百分比保留。圖3. 16小平面分樣單擊工具欄中的“松弛”按鈕，在彈出的對話框中設置松弛參數，如圖3. 17所示。系統會按照設置的參數對小平面的特征進行平滑處理，效果如圖3. 17所示。圖3. 17設置松弛參數 圖3. 18松弛平滑后單擊工具欄中的“精整”按鈕，在彈出的對話框中進行設置，則系統會按照設置成倍增加并細化小平面，如圖3. 19所示，小平面數量大約變為原來的3倍。圖3. 19“精整”對話框最后一步，單擊工具欄“集束”

46、按鈕，對整個小平面進行集束處理。單擊“確定”按鈕，完成所有小平面操作。必須先做一下集管處理,使其成為一個整體點云。讓軟件知道你這個小平面表示的點云是一體的集管處理的結果會清理掉初始點云里的雜點(也叫燥聲),游歷于整體之外的小塊分體點云使點云清潔,干凈,一體化,那樣就能進到重新造型模塊里進行后續操作了。小平面特征完成后得到如圖4.22所示：圖3.22經過小平面特征處理后的烏龜模型3.3重新造型單擊“插入”/“重新造型”命令,進入重新造型工作區域。單擊工具欄中的“自動曲面工具”按鈕，選擇“參照”按鈕，在彈出的菜單中選中“整個小平面特征”單選按鈕，即在整個模型上進行曲面劃分，如下圖所示： 圖 3.2

47、3自動曲面菜單 圖3.24選擇“整個小平面特征”單擊“定義曲面片結構”按鈕，設置添加曲面片數為300，如下圖所示。即在整個三角平面構成的烏龜模型的表面分布300塊曲面塊，來完全分割該模型。此處選擇面片數為300，是因為數目太少不能滿足該曲面的復雜程度，會導致部分曲面特征無法體現；數目太多則造成所分割的曲面塊過于瑣碎。單擊“參數”，設置粒度為“-1”，字符級為“1”。單擊“約束”，設置邊界連接方式為“相切”。單擊確定按鈕，系統會根據模型的曲率以與構成特性在該模型上進行規劃，使300個小平面合理的分布在模型表面，在單擊“創建曲面”按鈕 設置解析度為8，單擊命令單擊按鈕，系統會根據上一步驟的規劃創建

48、曲面，創建后的各個曲面塊相互相切連接，單擊“完成”按鈕。如下圖所示：圖3.25 重新造型處理中的模型單擊工具欄中的“完成”按鈕，完成重新造型。右鍵單擊模型樹中“小平面特征”，在彈出的菜單中選中“隱藏”選項，以此減輕顯示負擔。曲面調整處理是復雜曲面逆向工程的重中之重，在“重新造型”模塊一般采用以下幾種方法進行調整修正：3.3.1修改數學屬性右擊模型樹中“重新造型”，在彈出的對話框中選中“編輯定義”選項 ，重新進入重新造型階段，對曲面進行修改調整操作，選中造型不好的曲面塊，長按右鍵在彈出的菜單中選中“數學屬性”選項，在彈出的對話框中調整設置參數。調整后進行預覽，滿意后單擊“完成”按鈕。用一樣的方法

49、對其他需要調整的曲面進行微調。（注：樣條曲面是由U、V兩個方向的曲線架構而成的，稱之為骨架線，其數量和形狀直接影響影曲面的幾何特征，可通過其數量的改變對曲面進行微調。）圖3.26 修改曲面塊的數學屬性圖3.27 修改數學屬性前后對比3.3.2修改曲面如果經過上述處理后，仍有曲面有皺褶，或者不符合設計要求，則使用修改曲面方式進行處理。選中要修改的曲面，長按右鍵，在彈開的對話框選擇“修改形狀”選項，在對話框選擇“法向”單選按鈕，鼠標選中曲面的一個控制點并拖動到合適的位置使 之滿足要求。（樣條曲面的形狀由控制點和節點不同，節點是骨架曲線的組成點，曲面必經過節點，而控制點控制曲線的形狀，曲面不一定經過

50、控制點。控制點大動，骨架線曲線小變，曲面形狀微變）。圖3.28 修改曲面前后對比3.3.3曲面重新構造此處的重新構造指的是小曲面塊的重新構造。即將不滿的或者造型有誤的曲面塊刪除后重新構造，以滿足要求。選中要刪除的問題曲面，單擊右鍵在彈出的菜單欄選擇“刪除”選項即可。單擊工具欄中的“插入投影到小平面特征的曲線”按鈕，對刪除的曲面塊進行重新構造邊界線。然后，單擊工具欄中的“插入由四條曲線形成邊界的矩形曲面”按鈕，創建由四條曲線構成的曲面。注意：創建時應該先選擇一條邊，再按住Ctrl鍵選擇其對邊曲線，在依次選中其他兩邊，即可創建曲面。為了使新創建的曲面與相鄰曲面光滑過渡，需對其約束進行設置。選中曲面

51、，長按鼠標右鍵，在彈出的菜單欄選擇“顯示約束”選項，設置邊界約束為“相切對稱”，使該曲面與相鄰曲面在該邊界上互為相切。用同樣的方法處理所有需要重新構造的曲面之后，單擊工具欄中完成“按鈕”。3.4實體化過程在模型樹中右擊“小平面特征”，在彈出的菜單中選擇“隱藏”選項。單擊菜單欄中的“視圖”/“顯示設置”/“模型顯示”命令，彈出的對話框如下圖所示：在“著色”選項組中，取消選中“帶基準曲線選項”前面的勾選項。單擊模型樹頂部選項，選中模型后，單擊菜單欄中的“編輯”/“實體化”選中模型表面作為參照，單擊單擊工具欄中完成“按鈕”。即可完成實體化過程。完成后單擊模型樹頂部以選中實體化后的模型，單擊打開外觀庫

52、，選擇紅色為外表色得到最后的模型如圖所示： 圖3.29實體化后的烏龜模型單擊“視圖”/“視圖管理器”單擊視圖管理器“剖面”選項組，單擊新建，輸入“新建剖面名稱”，單擊鼠標中鍵，選中菜單管理器“平面”和“單一”選項后，單擊完成。選取過模型中間的平面DTM1為參照面。單擊“視圖管理器”/“剖面”/“選項”/“設置為活動”即可得到模型的剖視圖如下，確定模型實體化成功。圖3.30剖切后的烏龜模型3.5快速成型制造在新產品零件的三維CAD模型生成后，常常通過快速成形技術制造其原型。快速成形技術是8O年代迅速發展起來的新型綜合制造技術。RP技術可以依據計算機上構成的產品三維CAD設計模型，對其進行分層切片

53、，處理成一系列薄截面的輪廓。根據各截面層形狀的二維數據，由快速成型機將材料逐層添加堆積，最終生成三維實體模型或零件。由于RP技術具有的技術優勢，使它特別適合于新產品的原型制造，有利于新產品的快速開發和制造。疊層結束后得到的零件原型在力學和機械物理性能上往往不能直接滿足需要，仍然需要進一步處理，包括余料去除，以與防水、防潮、加固和使其表面光滑等后置處理，以滿足快速原型表面質量、尺寸穩定性、精度和強度等方面的要求。利用Pro/E軟件將烏龜模型三維CAD模型曲面生成后實體化，轉換為快速成型機的標準文件STL格式，然后導入快速成型機后即可。成型件制成之后，還要按照一定步驟進行后處理，才能得到最終完美的

54、樣品，包括固化、表面清潔、打磨拋光、噴漆上色等。逆向工程是由高速三維激光掃描機對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數據，配合逆向軟件進行曲向重構，并對重構的曲面進行在線精度分析、評價構造效果，最終生成IGES或STL數據，據此就能進行快速成型或CNC數控加工。IGES數據可傳給一般的CAD系統（如：UG、MDT等），進行進一步修改和再設計。另外，也可傳給一些CAM系統（如：UG、MASTERCAM、SMART-CAM等），做刀具路徑設定，產生數控代碼，由CNC機床將實體加工出來。STL數據經曲面斷層處理后，可以直接由激光快速成型方式將實體制作出來.3.6質量評估檢測逆向工程處

55、理的是實物原型它本身具有固定的形狀、拓撲關系與相應的參數。這種體現在實物原型上的參數稱為實物原型參數。實物原型在被制造時，要依據圖紙上所標注的參數。這種體現在制造實物原型的設計圖紙上的參數稱為原始設計參數，其是制造實物原型的原始參數。相對原始設計參數，實物原型本身存在誤差：一是制造實物原型所產生的制造誤差AI制，二是原型在使用中的磨損和破損誤差AI損。在對實物原型測量時，會產生測量誤差AI測。在再設計階段，逆向工程要完成從測量規劃制訂至CAD三維模型重構(在此，再設計環節暫不考慮)。這種CAD模型自然是具有各種幾何參數。這些參數是逆向工程依據測量點數據經擬合運算得到并體現在重構的CAD模型上，

56、故稱其為重構參數。在重構的計算中，不可避免地會產生誤差，記為計算誤差AI計。在制造階段，逆向工程依據重構參數制造產品，產生制造誤差AO造。綜上所述，逆向工程誤差A可表示為：A逆f(AI制，AI損，AI計，AI測，AO造)。實物原型是依據原始設計參數制造的，還原產品是依據重構參數制造的。從上面分析可知，原始設計參數與重構參數存在誤差。因此、將依據重構參數還原制造的產品置于實物原型的工作環境下，有可能會達不到工作性能要求。通常逆向工程不去直接測量實物原型參數。故實物原型參數是未知的，自然原始設計數也是未知的。重構參數是逆向工程對實物原型復現的參數。為了提高逆向工程還原精度，提高測量精度與擬合計算精

57、度，可以減小測量誤差AI測和計算誤差AI計，但仍無法減少制造誤差AI制，AO造和磨損誤差AI損，其結果只是使重構參數，盡可能接近實物原型參數，仍無法還原原始設計參數。在某些情況下，單從復制原型這一角度出發，為滿足逆向工程還原產品的工作性能要求，需用原始設計參數進行還原制造。這就要求逆向工程在前述的再設計階段能還原實物原型的原始設計參數。為此需綜合運用人工智能技術、數理統計理論、精度設計等多學科技術知識對實物原型的磨損與制造誤差等進行評估分析，在此基礎上對重構參數進行修正再設計，得到接近原始設計參數的再設計參數。上述思想，給出了以精度還原為目標對逆向工程的質量進行全面的誤差分析。由于此次條件的限制，對本次逆向工程誤差的分析只能做到AI測，AI計，AO造，的分析。數據點的獲得三維激光掃描過程中的測量誤差AI測為：0.051mm。在進行逆向建模時的誤差AI計為：0.5mm。在制造階段，逆向工程依據重構參數制造產品，產生