1、1毕业论文开题报告机械设计制造及其自动化反求工程上机指导书设计1选题的背景与意义进入21世纪知识经济己成为主导经济，制造业面临新的环境。为了适应新的变化，各国政府、产业界和科技界提出了各种先进的制造技术，其中逆向工程技术作为先进制造技术之一，得到各国普遍重视。逆向工程设计技术对提高我国工业产品设计水平，缩短设计周期，增强我国产品在国际市场上的竞争力有着重要的意义。本课题在对反求工程有深入认识的基础上，对反求工程的课程进行规划。基于以上两点，使IMAGEWARE软件更加地通俗易懂，对该软件的学习更加容易。2研究的基本内容与拟解决的主要问题研究的基本内容1初步了解反求工程软件的数据预处理，测量数据
2、的曲线、曲面造型原理等；2在原先学习过IMAGEWARE软件的基础上，进一步深化对该软件的认识；3对反求工程课程进行初步设计，并在指导老师的帮助下对该课程进行深入设计；4编写上机指导书。拟解决的主要问题深入认识反求工程软件IMAGEWARE，在指导老师帮助下对课程设计有一个系统的认识，并根据以上两点编写反求工程上机指导书。3研究的方法与主要路线本课题将采用运用IMAGEWARE软件对点云数据处理的方法进行研究了解反求工程软件数据预处理，测量数据的曲线、曲面造型原理等，并对点云操作以达到对该软件熟练运用的目的，在导师帮助下对课程设计进行完善，最终完成反求工程上机指导书的设计。课题的技术路线如下了
3、解反求工程的原理及应用24研究的总体安排与进度1、掌握反求工程的主要研究思路和方法，查找文献，初步给出编制指导书的思路和建议；（2周）2、熟练使用软件IMAGEWARE；（2周）3、利用点云，编制指导书；（4周）4、总结分析，修正指导书的大致框架和思路。（4周）参考文献1刘之生反求工程技术机械工业出版社，19932MOTAVALLIS，VALINZUELAJAUTOMATICGENERATIONOFDIMENSIONALLYACCURATETHREEDIMENSIONALCADMODELFORREVERSEENGINEERINGDESIGNAUTOMATION1998，42851003SARK
4、ARB,MENQCHSMOOTHSURFACEAPPROXIMATIONANDREVERSEENGINEERINGCOMPUTERAIDEDDESIGN1991，2396236284肖尧先，王细洋，柯映林基于实物模型的反求工程造型应用J机械设计与制造，2002，（3）77785王霄，刘会霞，粱佳洪逆向工程技术及其应用化学工业出版社，2004对反求工程软件有个深入的认识反求工程的课程设计完成反求工程上机指导书的设计对点云操作以达到熟练运用软件的目的在自己的努力下完成，并在指导老师的帮助下完善3毕业论文文献综述机械设计制造及其自动化反求工程上机指导书设计【摘要】本文阐述了反求工程的基本概念，分析了
5、反求工程的主要技术，对IMAGEWARE软件进行了概括性的介绍，对反求工程的国内外研究历史和现状作出论述，并提出其发展方向。【关键词】反求工程；三维模型重构；IMAGEWARE软件。1前言在信息化的现代社会中，随着市场全球化的进展，企业面临着越来越激烈的竞争，各国都在充分利用别国的先进成果并消化、吸收、改进以发展自己的水平。反求工程作为一种新产品开发、消化、吸收的重要手段，在20世纪90年代初受到各国工业界和学术界的高度重视。所谓反求工程（REVERSEENGINEERING）是以先进产品的实物、软件、影像为研究对象，应用现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学和相关专业知识，对其进行认识、再
6、现及创造性地开发1。逆向工程的灵魂是创新2,3。广义上的逆向工程基本上包括形状（几何）反求、工艺反求和材料反求等诸多方面4，是一个集合多种先进技术的复杂的系统工程。目前大多数的逆向工程的研究和应用都集中在重建实物CAD模型和最终产品的制造方面，即“实物逆向工程”方面5。这是因为实物是最容易获得的研究对象，而且在某种情况下设计者面对的只有实物样件。实物逆向工程是将实物转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称6。2反求工程技术简介逆向工程的关键技术包括数据获取、数据处理和模型重建。基于逆向工程的产品开发流程如图1所示。数据获取是逆向工程中的第一个环节，是产品进行建模、
7、评价、改进和制造的基础。数据获取大致可以分为两大类接触式数据采集和非接触式数据采集。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方式的不同。要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法。高效率、高精度地实现数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。4数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续的模型重建工作能否方便准确地进行。数据处理的主要工作包括数据过滤及平滑、多视数据整合对齐、数据精简等。在模型重建前进行数据处理，可以获得完整、准确的数据，方便后续模型重建工作的进行。三维CAD模型的重建是逆向工程中最关键、最复杂和工作量最大的
8、一个环节，是后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析、产品再设计等应用的基础。目前成熟的模型重建方法根据曲面表示方法的不同可分为两大类第一种是以三角BEZIER曲面为基础的三边域曲面构建方法；第二种是主要以NURBUS（非均匀有理B样条）图1逆向工程流程图曲线和曲面为基础的四边域曲面构建方法。这两种曲面重构方法各有利弊。NURBS方法应用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面，是曲面拟合方面研究的重点，能够与传统的CAD/CAM系统兼容，已经成为产品外形描述的工业标准。精度和光顺一直是逆向模型重建追求的目标，但是两者在大多数情况下是冲突的。设计人员要明确对于创建的模型来说，精度和光
9、顺哪个更加重要，是否可以牺牲一方以满足另一方的要求。逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。据相关资料表明，各国有70以上的技术来自于国外，逆向工程是掌握这些技术的有效途径。逆向工程可以使产品的研制周期缩短40以上。逆向工程能够改善技术水平、提高生产效5率、增强企业竞争力，特别是对于具有复杂形状的物体以及由自由曲面组成的物体效果尤其明显。逆向工程与快速原型制造RPM、计算机辅助设计与制造CAD，CAM相结合并形成产品设计制造的闭环系统，能够有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段7。3IMAGEWARE软件简介IMAGEWARE
10、是最著名的逆向工程软件，因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。IMAGEWARE拥有广大的用户群，国外有BMW、GM、CHRYSLER等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI等大企业。IMAGEWARE为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。
11、IMAGEWARE提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短上市时间。用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。4国内外研究历史和现状世界各国在经济技术发展中应用反求工程消化吸收先进技术的经验，给人们以有益的启示。日本在第二次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，经济落后于欧美先进国家二三十年。20世纪60年代初，日本在提出科技立国方针“一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等
12、行业上最突出。反求工程技术的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础，使日本在以后的发展过程中以惊人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国。日本战后把引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来维持。19451970。年期间日6本投资60亿美元，引进国外先进技术；而花150亿美元对其进行消化、吸收、改造和国产化若自行研制则需18002000亿美元。通过反求工程的研究，推广应用并使技术更完善和实用，在此基础上建立自己的技术体系。到70年代初，日本主要工业部门的技术装备已达到欧美发达国家的先进水平。据日本政府推算，成功的技术引进为日本节省了约2/3的研究时间和
13、约9/10的研究费用。日本在消化、吸收引进技术的同时，采用移植、改造等方法开发出许多创新产品。例如20世纪5060年代，日本相继从奥地利、美国、瑞士、前苏联等国引进高炉、热轧、冷轧等钢铁技术，几家大钢铁公司联合组成专门的反求工程研究机构，对引进技术消化、改造、补充、调整，建立了具有世界一流水平的日本式钢铁技术。重视反求工程研究工作的不仅仅是日本，其他国家同样如此。当今科学技术日新月异，相互渗透。有关资料统计表明，各国有70以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径是通过反求工程研究。我国改革开放以来，至1992年为止，从国外引进技术和设备总数达2万多项，总金额约15亿美元。许多单位在引进
14、消化吸收过程中，有了不少经验和教训，需要总结提高，不断提高国产化、创新的比例8。姜寿山9等1995年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化划分的条件。柯映林10实现了CHOI提出的三维直接三角化方法，并将自己提出的平面域内三角化方法作为复杂情况下的补充。高国军11提出了检测点数按曲率分布的方法，并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加工曲面对应检测点数量的确定系数。王平江12则提出了参数曲面形状误差计算的迭代逼近方法，较之于最佳匹配方法，其计算的相对误差大大减少，但实现起来过程复杂；还提出了等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现非均匀网格的划分，该方法不仅要求
15、己知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧长。自作霖13等对基于坐标测量机的自由曲线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方向后沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定的范围内，初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快慢对步长进行动态调整。来新民专家以曲面上某一点处的主曲率的几何平均值为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规划方法来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点；还提出了基于曲面曲率的自适应压缩方法，该方法首先用SPEARD局部插值法拟合曲面，产生给予盐率信息的抽样拓扑矩阵阵列，应用质心原理生成7实际的拓扑矩阵阵列。5小结逆向工
16、程技术，特别是三维模型重建，仍然是一项专业性很强的工作，除需了解产品特点、制造方法和熟练使用CAD软件、逆向造型软件外，另一方面应熟悉上游的测量设备及测量过程，以了解数据结构，以及对后续处理对重建模型的要求。因此，模型重构的质量仍直接受到操作者经验、水平的影响。如何提高软件的智能化程度，减低对设计人员的依赖，是未来发展的方向。参考文献6刘之生反求工程技术机械工业出版社，1993（宋体，五号字）7MOTAVALLIS，VALINZUELAJAUTOMATICGENERATIONOFDIMENSIONALLYACCURATETHREEDIMENSIONALCADMODELFORREVERSEENG
17、INEERINGDESIGNAUTOMATION1998，42851008SARKARB,MENQCHSMOOTHSURFACEAPPROXIMATIONANDREVERSEENGINEERINGCOMPUTERAIDEDDESIGN1991，2396236289肖尧先，王细洋，柯映林基于实物模型的反求工程造型应用J机械设计与制造，2002，（3）777810RBARONSONFORWARDTHINKERSTAKETOREVERSEENGINEERINGMANUFACTURINGENGINEERING1996，11344411王霄，刘会霞，粱佳洪逆向工程技术及其应用化学工业出版社，200412
18、赵艳平逆向工程在摩托车覆盖件建模中的应用（D）西南交通大学西南交通大学200613张起民反求工程在料层挤压粉碎技术及装备研究中的应用J国外建材科技，2002（2）424514姜寿山，杨海威，侯增选用空间形状优化标准完成散乱数据的三角剖分J计算机辅助设计与图形学学报，1995，7524124510柯映林，周儒荣实现3D离散点优化三角划分的三维算法J计算机辅助设计与图形学学报，1994，64343511高国军，陈康宁，林治航等用三坐标测量机检测自由曲面时检测点和路径规方法研究J西安交通大学学报，1996，30305763812王平江，陈吉红，李作清等参数曲面形状误差计算迭代逼近法J华中理工大学学报
19、，1997，2531413白作霖，赵汝嘉，张定红等基于坐标测量机的自由曲面评定误差方法J中国机械工程，19956127412809本科毕业论文（20届）反求工程上机指导书设计10摘要摘要本文分为5个部分，第一部分阐述了反求工程的基本概念，分析了反求工程的主要技术，对IMAGEWARE软件进行了概括性的介绍，对反求工程的国内外研究历史和现状作出论述，并提出其发展方向。第二部分介绍了曲面建模的方法和规律，概括性地介绍了几种曲面的构成方法以及特殊曲面三边曲面和五边曲面的构建。第三部分是上机指导书的设计思路。第四部分是使用IMAGEWARE的一些技巧，包括点云对齐，曲面建模的一些方法和技巧，使得在实际
20、操作IMAGEWARE软件中能运用这些技巧，从而加快操作速度。第五部分是通过两个实例使得第二、三、四部分更加具体。关键词反求工程；三维模型重构；曲面建模；IMAGEWARE软件。ABSTRACTTHEPAPERCANDIVIDEINTO5SECTIONS,FORTHEFIRSTSECTION,THEPAPERSTATE11THEBASICCONCEPTOFREVERSEENGINEERING,ANALYSISTHEMAINTECHNOLOGYANDGENERALLYINTRODUCETHEIMAGEWARESOFTWARE,THENMAKEASTATEOFRESEARCHOFREVERSEEN
21、GINEERINGINHISTORYANDCURRENTSTATUSATHOMEANDABROAD,ATLAST,PUTSFORWARDDEVELOPMENTDIRECTIONTHESECTIONIIINTRODUCETHEMEANANDRULEOFSURFACEMODELING,INTRODUCINGTHEWAYHOWTOMAKESURFACEINCLUDINGSPECIALSURFACE,SUCHASTRIANGULARSURFACEANDFIVESIDEDSURFACESECTIONIIIINTRODUCETHEWAYHOWTODESIGNTHEINSTRUCTIONBOOK,INCLU
22、DINGTHEROLETHATIMAGEWARESOFTWAREPLAYEDINHOWTODEALWITHPOINT,LINEANDPLANEANDTHESIGNIFICANTWEPREPARETHEINSTRUCTIONBOOKSECTIONIVHAVESOMESKILLSOFUSINGIMAGEWARESOFTWARE,INCLUDINGALIGNEDPOINTCLOUD,SOMESKILLSANDMEANSOFSURFACEMODELING,SOWECANUSETHESESKILLSWHENWEOPERATEIMAGEWARESOFTWARETOMAKELESSTIMEOPERATING
23、SECTIONVUSINGTWOEXAMPLETOMAKETHESECTIONII,III,IVMORESPECIFICKEYWORDSREVERSEENGINEERING；RECONSTRUCTOF3DMODEL；SURFACEMODELING；IMAGEWARESOFTWARE12目录摘要10目录121引言1411前言1412反求工程技术简介1413IMAGEWARE软件简介1614国内外研究历史和现状1615研究方法与主要路线1716小结182曲面造型设计与方法1921曲面造型设计流程1922曲面常用造型方法2023矩形域参数曲面的一般造型方法22231三角形曲面建模方法23232五角形
24、曲面建模方法2424曲面造型举例253设计指导书的设计264IMAGEWARE技巧篇2741点云对齐技巧2742曲面构建技巧28421放样曲面（LOFTSURFACE）29422边界曲面（SURFACEBYBOUNDARY）30423混合曲面（BLENDSURFACE）31424不规则曲面31425复杂多曲面体32426小结335实例教程3451安全帽34511点云的处理34512圆形大面的制作37513帽檐部分制作41514后期处理4352卡扣模型46521点云的处理46522顶面的制作5013523侧面的制作52524底面的制作53525内侧面的制作59526裁剪顶面61527裁剪侧面62
25、528裁剪底面62529裁剪内侧面和误差分析65总结68致谢错误未定义书签。141引言11前言在信息化的现代社会中，随着市场全球化的进展，企业面临着越来越激烈的竞争，各国都在充分利用别国的先进成果并消化、吸收、改进以发展自己的水平。反求工程作为一种新产品开发、消化、吸收的重要手段，在20世纪90年代初受到各国工业界和学术界的高度重视。所谓反求工程（REVERSEENGINEERING）是以先进产品的实物、软件、影像为研究对象，应用现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学和相关专业知识，对其进行认识、再现及创造性地开发1。逆向工程的灵魂是创新2,3。广义上的逆向工程基本上包括形状（几何）反求、工
26、艺反求和材料反求等诸多方面4，是一个集合多种先进技术的复杂的系统工程。目前大多数的逆向工程的研究和应用都集中在重建实物CAD模型和最终产品的制造方面，即“实物逆向工程”方面5。这是因为实物是最容易获得的研究对象，而且在某种情况下设计者面对的只有实物样件。实物逆向工程是将实物转化为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称6。12反求工程技术简介逆向工程的关键技术包括数据获取、数据处理和模型重建。基于逆向工程的产品开发流程如图1所示。数据获取是逆向工程中的第一个环节，是产品进行建模、评价、改进和制造的基础。数据获取大致可以分为两大类接触式数据采集和非接触式数据采集。不同的测
27、量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，而且会造成测量数据的类型和数据处理方式的不同。要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法。高效率、高精度地实现数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一。数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续的模型重建工作能否方便准确地进行。数据处理的主要工作包括数据过滤及平滑、多视数据整合对齐、数据精简等。在模型重建前进行数据处理，可以获得完整、准确的数据，方便后续模型重建工作的进行。15三维CAD模型的重建是逆向工程中最关键、最复杂和工作量最大的一个环节，是后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析、产品再设计等应用的基础
28、。目前成熟的模型重建方法根据曲面表示方法的不同可分为两大类第一种是以三角BEZIER曲面为基础的三边域曲面构建方法；第二种是主要以NURBUS（非均匀有理B样条）图1逆向工程流程图曲线和曲面为基础的四边域曲面构建方法。这两种曲面重构方法各有利弊。NURBS方法应用统一的数学形式表示规则曲面和自由曲面，是曲面拟合方面研究的重点，能够与传统的CAD/CAM系统兼容，已经成为产品外形描述的工业标准。精度和光顺一直是逆向模型重建追求的目标，但是两者在大多数情况下是冲突的。设计人员要明确对于创建的模型来说，精度和光顺哪个更加重要，是否可以牺牲一方以满足另一方的要求。逆向工程是数字化与快速响应制造大趋势下
29、的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。据相关资料表明，各国有70以上的技术来自于国外，逆向工程是掌握这些技术的有效途径。逆向工程可以使产品的研制周期缩短40以上。逆向工程能够改善技术水平、提高生产效率、增强企业竞争力，特别是对于具有复杂形状的物体以及由自由曲面组成的物体效果尤其明显。逆向工程与快速原型制造RPM、计算机辅助设计与制造CAD，CAM相结合并形成产品设计制造的闭环系统，能够有效提高产品的快速响应能力，丰富几何造型方法和产品设计手段7。1613IMAGEWARE软件简介IMAGEWARE是最著名的逆向工程软件，因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广
30、泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。IMAGEWARE拥有广大的用户群，国外有BMW、GM、CHRYSLER等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI等大企业。IMAGEWARE为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。IMAGEWARE提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念
31、设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短上市时间。用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。14国内外研究历史和现状世界各国在经济技术发展中应用反求工程消化吸收先进技术的经验，给人们以有益的启示。日本在第二次世界大战结束时，国家经济几乎处于瘫痪状态，经济落后于欧美先进国家二三十年。20世纪60年代初，日本在提出科技立国方针“一代引进、二代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最突出。反求工程技术的大量采用为日本的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了
32、良好基础，使日本在以后的发展过程中以惊人的速度一跃成为仅次于美国的世界第二号经济强国。日本战后把引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来维持。19451970。年期间日本投资60亿美元，引进国外先进技术；而花150亿美元对其进行消化、吸收、改造和国产化若自行研制则需18002000亿美元。通过反求工程的研究，推广应用并使技术更完善和实用，在此基础上建立自己的技术体系。到70年代初，日本主要工业部门的技术装备已达到欧美发达国家的先进水平。据日本政府推算，成功的技术引进为日本节省了约2/3的研究时间和约9/10的研究费用。日17本在消化、吸收引进技术的同时，采用移植、改造等方法开发出许
33、多创新产品。例如20世纪5060年代，日本相继从奥地利、美国、瑞士、前苏联等国引进高炉、热轧、冷轧等钢铁技术，几家大钢铁公司联合组成专门的反求工程研究机构，对引进技术消化、改造、补充、调整，建立了具有世界一流水平的日本式钢铁技术。重视反求工程研究工作的不仅仅是日本，其他国家同样如此。当今科学技术日新月异，相互渗透。有关资料统计表明，各国有70以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径是通过反求工程研究。我国改革开放以来，至1992年为止，从国外引进技术和设备总数达2万多项，总金额约15亿美元。许多单位在引进消化吸收过程中，有了不少经验和教训，需要总结提高，不断提高国产化、创新的比例8。姜
34、寿山9等1995年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化划分的条件。柯映林10实现了CHOI提出的三维直接三角化方法，并将自己提出的平面域内三角化方法作为复杂情况下的补充。高国军11提出了检测点数按曲率分布的方法，并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲率的加工曲面对应检测点数量的确定系数。王平江12则提出了参数曲面形状误差计算的迭代逼近方法，较之于最佳匹配方法，其计算的相对误差大大减少，但实现起来过程复杂；还提出了等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现非均匀网格的划分，该方法不仅要求己知曲面的边界曲线，而且不能实现真正的等弧长。自作霖13等对基于坐标测量机的自由曲
35、线曲面的测量进行了研究。在决定初始测量方向后沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定的范围内，初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快慢对步长进行动态调整。来新民专家以曲面上某一点处的主曲率的几何平均值为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规划方法来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点；还提出了基于曲面曲率的自适应压缩方法，该方法首先用SPEARD局部插值法拟合曲面，产生给予盐率信息的抽样拓扑矩阵阵列，应用质心原理生成实际的拓扑矩阵阵列。15研究方法与主要路线本课题将采用运用IMAGEWARE软件对点云数据处理的方法进行研究了解反求
36、工程软件数据预处理，测量数据的曲线、曲面造型原理等，并对点云操作以达18到对该软件熟练运用的目的，在导师帮助下对课程设计进行完善，最终完成反求工程上机指导书的设计。课题的技术路线如下16小结逆向工程技术，特别是三维模型重建，仍然是一项专业性很强的工作，除需了解产品特点、制造方法和熟练使用CAD软件、逆向造型软件外，另一方面应熟悉上游的测量设备及测量过程，以了解数据结构，以及对后续处理对重建模型的要求。因此，模型重构的质量仍直接受到操作者经验、水平的影响。如何提高软件的智能化程度，减低对设计人员的依赖，是未来发展的方向。了解反求工程的原理及应用深入的认识反求工程软件反求工程的课程设计完成反求工程
37、上机指导书的设计对点云操作以达到熟练运用软件的目的在自己的努力下完成，并在指导老师的帮助下完善192曲面造型设计与方法反求工程是一个曲面建模的过程它首先是一个点过程，然后构建曲面，最后根据生成的曲面完成曲面的构建。曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由COONS、BEZIER等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何
38、理论体系。根据曲面拓扑形式的不同，目前反求工程研究中，自由曲面建模手段分为两大类第一种是以三角BEZIER曲面为基础的曲面构造方法；第二种是以NURBS（非均匀有理B样条）曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。上述理论在第4章中有较为详细的介绍，读者可以自行参阅。本章将主要介绍曲面造型的设计流程和建模方式。21曲面造型设计流程曲面造型过程可以简单归结为“分解再组合”过程，这也是曲面造型的一个通用思路。以此为指导，我们给出曲面造型设计流程5个具体步骤1模型结构分析和曲面分解。结构分析可以参考实体造型的分析零件结构形状特点这个步骤，不同的是曲面可以分为规则曲面和自由曲面。规则曲面是指规则形体曲
39、面，如圆柱面、圆曲面等；而自由曲面是形体不规则的曲面。曲面分解是建立在结构分析的基础之上对进一步选择造型方法做的预备工作。2选择造型方法，进行独立曲面的造型设计。规则部分可以完全根据实体造型的方法进行构造，而自由曲面部分则要调用自由曲面造型模块进行曲面造型设计。进行这类自由曲面造型的关键在于构造曲面的骨架曲线。这就好比做一只灯笼，首先要用竹篾或铁丝搭建好灯笼的骨架，然后在骨架上蒙上绸布，做成灯笼，而这里蒙在灯笼上的绸布就好比要做的曲面。涉及的方法有放样（LOFT）、扫掠（SWEEP）、混合（BLEND）等等。3独立曲面质量评价。生成独立的曲面之后我们可以判断是否是我们需要的，对于要求不是很高的
40、设计可以直接通过目测进行判断，如果要求比较高，我20也可以通过软件自带的评估模块进行专业的评价，比如通过连续性、曲率图、反射线等来评价。4曲面组合，形成整体曲面。这里提到的曲面组合包括曲面间的拼接、布尔运算等。5整体曲面评价。方法同步骤（3），但对象是整个曲面，若没达到要求就应进一步进行调整。22曲面常用造型方法那么如何对于分解之后的独立曲面选择合理的造型方法成为构建高质量曲面的前提和基础，接下我们对几种常用的曲面造型方法进行介绍和分析。1如果独立曲面的截面线平行且都为直线我们可以选择用拉伸来构建。图21拉伸示意（一条3D曲线沿着它的特定方向拉伸一定的距离）2如果独立曲面的截面线是变化的，但是
41、发现它可以由一条3D曲线绕着一条固定的轴线旋转一定的角度得到，那么就可以用旋转命令来构建。图22旋转示意（一条3D曲线沿着黄色的中心轴旋转360度）213如果独立曲面的截面线不变，但是截面线沿着一条3D曲线做轨迹运动，那么可以用扫略来实现。图23普通扫略示意（不变的截面线为一条蓝色弧线，沿着图中灰色的曲线进行扫略）4如果独立曲面没有明确的运动轨迹线，而且截面线在不同位置的形状也不同，但是如果该曲面的截面线形状类似且大致平行，可以考虑使用放样曲线。图24放样曲面示意（选择多条近似平行的曲线作为截面线，用放样命令生成曲面）5如果独立曲线没有什么规律可循，唯一的特征是有四条边界，且能得到U、V方向的
42、截面线，那么可以通过网格曲面来拟合。图25网格曲面示意（选择曲面U、V方向的截面线，用网格曲面命令生成曲面）6如果只能得到独立曲面的四条边界，那么可以用边界曲面来拟合。22图26边界曲面示意（选择四条封闭的曲线，用边界曲面命令生成曲面）7还有一个常用的曲面造型方法叫混合，只需要两条不相交的曲线即可生成曲面，一般用来做两个曲面间的连接。图27混合曲面示意（选择两条不相交的曲线，用混合曲面命令生成曲面）曲面和实体的部分造型方式在原理方面有相通的地方，因此很多三维建模软件把这些相通的造型方式融合到在了一起，只要改变一些条件，即可使得到的模型在实体和曲面之间转换。比如规则曲面的建模方式可以依附在规则实
43、体建模的模块中，而带有自由曲面的复杂实体可以先由曲面造型模块进行曲面造型，再通过实体化得到。在这里，只是简单介绍一下曲面建模命令，在第7章中我们还会再详细介绍IMAGEWARE中的曲面建模命令。23矩形域参数曲面的一般造型方法在通用的CAD/CAM系统中，广泛采用的是以NURBS曲线为基础的矩形域参数曲面表示方法，这种表示法能很好的秒数四边面，而对那些三角面或更多边界所描述的曲面情形，常常不能够很好的表示。这里先介绍一下三角面和四边面的概念。所谓三角面，就是由3条曲线围成的边界面。在以NURBS曲线曲面模型23为基础的通用CAD系统中，这种曲面因为其U、V面集中在一点，质量一般不理想，使得后期
44、对它进行偏距和生成薄壳实体操作时容易失败。而且，在后期以IGS、STP等格式进行数据交换时，容易产生一些无法预期的错误。四边面是两个方向上均由两条河更多曲线围成的边界面。在计算机图形显示里，面市用矩阵乘法实现的。但是对于一个规则的面，其做乘法的矩阵是一样大小的。在一般三维建模软件里，就是直观地用U线和V线来表示。因为数学矩阵的限制，所以，一张质量好的曲面都应该是四边面。本节将通过实例来说明如何将一个三角面、五边形曲面等不规则曲面转换成一个四边面，以得到高质量的曲面。231三角形曲面建模方法三角形曲面的建模方法流程如图28所示1三边曲线2在两条曲线上建立一条曲线，形成四条边3由四条边生成四边曲面
45、4建立一条曲线，将其投影到已建立的曲面上5分割已生成曲面，去除曲面一侧6与原曲线再次组成四条边24图28由三边构成曲面在这里，还需要注意在生成最后的曲面时，要将生成的曲面与已生成的曲面的约束为相切，这样才能够保证两个曲面的连续性。232五角形曲面建模方法五边的曲面补片，一个重要的思路也是把五边曲面转化为四边曲面。1五边曲面2首先作一条相切曲线得到一个四边形3由四条边生成四边曲面4构建一条曲线投影到创建的边界曲面上，曲线端点要和一条边端点重合5分割已生成曲面，去除曲面一侧构建第二个四边面（网状部分）6切割后又得到一个四边域，可对其构建边界曲面。图29曲面完成图当然上述两个例子的做法并不是唯一的，
46、其实N边形补片有一个通用的可25以实现的算法。以五边的曲面补片为例，如图210所示，实现的算法是做一个正五边形，然后由五边形的中心做五个边的垂线，这样生成五个四边形，然后将四边域映射到要处理的实际五边域，剩下的就是老一套。但是这种方法的弊端就是在某些形状比较怪异的N边域中构建的曲面质量并不理想。图210五边曲面实现算法24曲面造型举例曲面建模遵循“基体”到特征细化的建模方法。接下来讲解两个相对复杂的曲面造型的思路，以“基体”到特征细化、“分解到组合”的思路作为指导，分析复杂曲面的造型过程。分析曲面构型曲面特征分解完成构型生成特征连接特征构造特征线图211曲面造型思路263设计指导书的设计课程设
47、计是指教育科研机构的专家学者对课程的研究并拟订出课程学习方案，为决策部门服务，拟订教育教学的目的任务，确定选材范围和教学科目，编写教材等都属于课程设计活动，上机指导书设计需要配合对反求工程的课程设计。上机指导书的设计需要遵循由简入难的思路，我们知道，使用IMAGEWARE软件遵循的是由点到线再到面的原则，然而，首先需要熟悉IMAGEWARE的操作界面，打开IMAGEWARE软件后了解菜单栏，快捷工具栏，工作区，这样目的就基本达到了。了解了操作界面后就要开始学习对点云的基本操作点云的对齐了，在软件自带的点云中使用的是MULTISURFACE_MODELTUTORIAL点云，通过这个例子希望学习者
48、能了解点云数据评估和处理的一般步骤，查找点云数据基本的几何特征，数据精简的方法和原则，点云多边形处理的方法，建立参考坐标的方法以及使用STEPWISE命令来对齐点云的方法等。然后是学习使用LOFT命令来构建曲面，使用点云PORT来学习CROSSSECTION的使用，以及曲线曲面的检查方法，最后使用LOFT命令构建曲面。下一章使用BLENDSURFACE构建曲面，学习构造及修剪曲线的方法，检查曲面的连续性以及使曲线连续方法，最后使用SURFACEBYBOUNDARY四边构面构造曲面。在板状形体建模需要掌握的是提取点云特征后来构建平面并延伸平面，掌握曲面倒角的方法，将曲线投影到平面来裁剪平面。在车
49、座模的制作中需要掌握合并点云的方法，曲线曲面求交点的方法以及曲线滤波光顺和排序方27法，如图31所示。4IMAGEWARE技巧篇41点云对齐技巧点云对齐是逆向建模的基本操作，在建模操作之前，需要把点云的位置调整好，这就是对齐之概念一。已有设计模型，基于该设计模型制造出来的样件需要检测其精度时，可使用三坐标测量机获取样件点云，将点云导入IMAGEWARE中，然后需要将点云与原设计模型进行对齐，最终可使用IMAGEWARE提供的检测工具求出样件的CAD模型与样件的点云之间的偏差，对齐方法是321对齐。所谓321对齐，就是三个点定义第一个平面，第二个点为第二个条件，第三个点为第三个条件，图要求6个单独的点描述长方体的端点，该方法容易将描述长方体的点云与有角的曲面对齐。这里所谓的对齐调整就是把局部坐标系和世界坐标系的方位统一起来。之所以要把点云的坐标系与世界坐标系进行对齐是为了下一步更便于拟订截面线的位置或其他的建模操作。28点云对齐的基本操作先在点云上找出可供定位的线和面特征，通过各种方式来制作对齐特征（直线，圆，球面，平面等），然后在世界坐标系中做出这些线和面的相似形，最后使用IMAGEWARE菜单中的MODIFY|ALIGN|FEATUREBASED里的STEPWISE对齐工具进行对齐。42曲面构建技巧在反求工程中，曲面的构建一般遵循点线面的路线，IMAG
