1、 学士学位论文毕业设计（论文）题目 松下手机的逆向造型研究专 业 名 称 机械设计制造及其自动化1目 录1概 述 .111 逆向工程原理 .112 逆向工程特点 .213 逆向建模的一般流程图 .314 逆向工程的应用领域 .32逆向工程一般步骤 .321 实体三维数据的获得 扫描 .322 点云处理 .523 曲面重构 .524 实体建模 .825 快速制造 .93逆向工程软硬件设备 .1031 扫描设备 .1032 点云曲面处理软件 .1133 实体建模软件 .1234 快速成型设备 .144建立手机外形具体步骤 .1541 松 下 G60 手机外形逆向开发的流程 .1542 模型分析 .
2、15243 扫描 .1544 点云数据清理 .1645 曲面造型 .181建立对称平面 .182建立上表面 .193建立下表面 .204建立侧面 .215曲面初次裁剪 .226建立倒角面 .237建立棱角曲面 .248曲面再次裁减 .249建立按键曲线 .2510整体镜像操作 .2511曲面连续性处理 .2612误差分析 .2713数据精简 .2814数据转化导出通用格式 .2846 实体造型 .281数据导入 .282曲面缝合及模型实体化 .293建立手机按键 .305结 论 .356谢 辞 .35学士学位论文31概 述1 1 逆向工程原理在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求
3、的产品就成为企业成败的关键。由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或 CAD 数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在 CAD 领域，这就是所谓的逆向工程。1 2 逆向工程特点
4、传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产。这种方法属称类比式（Analog type）复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：从样品数据产品。逆向工程通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复制（Copy）出来。因为长期专门
5、从事逆行工作，所以工作效率很高，三维模型也很专业。逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成 IGES 或 STL 数据，据此就能进行快速成型或 CNC 数控加工。IGES 数据可传给一般的 CAD 系统（如：UG、MDT 等） ，进行进一步修改和再设计。另外，也可传给一些 CAM 系统（如：UG、MASTERCAM、SMART-CAM 等） ，做刀具路径设定，产生数控代码，由 CNC 机床将实体加工出来。STL 数据经曲面断层处理后，可以直接由激光快速成型方式将实体
6、制作出来。学士学位论文41 3 逆向建模的一般流程图图 1.1 逆向建模一般流程模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行点云数据处理建立需要的曲线建立曲面进行实体建模(如图 1.1)1 4 逆向工程的应用领域逆向工程应用领域相当广泛，有军工，模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。2逆向工程一般步骤2 1 实体三维数据的获得扫描在进行逆向工程时，三维扫描是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，学士学位论文5也是最理想的方法。原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，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。三
7、维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着巨大作用。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在CAD、CAM、CIMS 等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫
8、描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与 CAD/CAM 软件接口，在 CAD 系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。三维扫描设备是以三次元测量系统为主。基本上以接触式探针式和非接触式（激光、照相、X 光等方式）两大类。在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且使软件物体容易变形，影响扫描精度。激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建。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，见下图（图 2.1）：三维扫描技术非接触
9、式 接触式光学式 声学式 磁学式 触发式 扫描式三角形法轮廓投影法成像法图 2.1 三维扫描技术分类从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。2 2 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、扫描参数学士学位论文6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
10、：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
11、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。2 3 曲面重构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
12、、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、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 B-Spline 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。在逆向工程的技术发展中重要的是建立产品的 CAD 模型，并由此可再进一步的到 CAM 处理和快速成型制造，而仿制出产品的外形。一般而言，CAD 模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几何形状都有其特性。因此若要将产品应用逆向工程的技术，反求出此产品的原CAD 模型，并非单纯的使用一
13、种方法即可完成，而须视此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可得出良好的几何形状，以满足产品外形的几何特性。由此可知，在曲面重建的过程中了解其曲面的特性及其曲面的数学模式，在对于我们重新建构曲面时可以帮助我们节省很多的时间以及提高将效率。由于 CAD/CAM 系统的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论因应而生，如 Bezier 曲线、B-Spline 曲面、NURBS 曲线、扫描曲面(Sweep Surface)、Loft 曲面(Loft Surface)、标准曲面(Construct Surface) 、旋转曲面(Revolved Surface) 、网格曲面(Net Surface)等
14、。一般CAD/CAM 系统较常用到的曲线、曲面作以下特点介绍：1. Bezier 曲线 学士学位论文71962 年时法国雷诺(Renault)汽车公司的工程师 P.Bezier 发展的一种完全用控制点坐标来定义的曲线(如图 2. 2)。图 2. 2 不同控制点建构的 Bezier 曲线Bezier 曲线有以下的特点：(1) 控制点多角形(control point polygon)(2) 凸面被覆(convex hull property)曲线被包含在自由控制点所构成的多角形内，此性质对于处理曲线相交时相当有用。(3) 控制点末点与曲线末点重合(end points meet polygon
15、end points)Bezier 曲线有以下的缺点：A. Bezier 曲线无法做区域性的控制(no local control)。 B. 其曲线的次数和控制点的数目直接相关，定义比较复杂的曲线形状时，曲线的次数也跟着提高。 2. NURBS 曲线 相较于 Bezier 曲线而言，NURBS 曲线除了保有 Bezier 曲线的优点外，由于节点向量与加权数的加入，对曲线有更好的控制性，对于区域性的控制也能藉由改变节点向量与加权数而有更好的结果。对于 NURBS 曲线(non-uniformrational B-spline curve)方程式我们描述如下： 其中 Pi：控制点N(u )：(P-
16、1)阶 B-Spline 基函数w：加权数学士学位论文8u：参数值Ri,p( u ) 为有理基函数(rational basis function)。由于加权值的加入，使得控制点对曲线/曲面的控制产生不同比例的影响力，当加权值修改时会使得曲线远离或接近控制多角形(control polygon)，使得曲面的控制有更大的空间。在逆向工程中的大部分时间会用到它。3. B-spline 曲面 B-spline 曲面乃由 U、V 参数方向二维的基底函数(basis function)及控制点所组成，基底函数是由多阶参数曲线组合而成，而控制点则在曲面的 U、V 参数方向上。在拟合 B-spline 曲面
17、时，方法是获得曲面 U、V 参数方向的控制点坐标值，以建立 B-spline 曲面。 对 B-spline 曲面以数学模式方程式表示如下：4. Loft 曲面(Loft Surface)Loft 曲面的拟合方式则不同于 B-spline 曲面，首先将其中一个参数方向的测量点数据拟合出最佳化的 B-spline 曲线，此时每条曲线的控制点数目必须相同。接着在另一个参数方向上用先前所得的曲线控制点，拟合出该参数方向最佳化的 B-spline 曲线，并得到另一组新的控制点。由此两组先后得到的 U、V 参数方向点，即可建立 Loft 曲面。因此 Loft 曲面的拟合方式是由两组一维的 B-spline
18、 曲线拟合所组成。 基本上基底函数的阶数、节点向量(knot vector)、控制点的数目或控制点坐标值等的改变，都会影响曲面的形状。因此在拟合曲面时，为了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法时，或提高基底函数的阶数，或增加控制点的数目，以调整 U、V 参数方向的控制点坐标值，最后使得曲面偏差量在容许曲面偏差量的范围内。此种曲面拟合法对于自由曲面造型或有突点等曲率变化比较大的曲面，都可以拟合出很好的结果。然而对于平滑或有规则性，对称性的曲面，这种曲面拟合法会对产品在加工制造及量测上的误差明显的显现出来，以至于无法拟合出具有上述特性的曲面。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
19、：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
20、噪声较大的情况下。 学士学位论文92. 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。 由以上的分析我们可以知道对于少量的点而言，我们可以使用插补法来得到一较近似的曲面，然而对于激光扫描所得到的
21、大量数据点若以插补法来重建曲面，则有在扫描时所夹带的噪声点与误差将随着曲面的建立而被包含在曲面之中的缺点。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。2 4 实体建模近年来，运用AutoCAD软件进行二维图形的设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
22、、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、ProE、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。2 5 快速制造快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术，它无需准备任何模具、刀具和工装卡具，快速成型设备可直接接受产品设计（CAD）数据，快速制造出新产品的样件、模具或模型，对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。传统制造业的战略是规模效益第一，九十年代以来，已发展为市场响应第一。在制造业日趋国际
23、化的状况下，缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险，成为企业赖以生存的关键。近年来，制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。20 世纪 80 年代末、90 年代初发展起来的快速成形（Rapid Prototyping&Manu facturing：RP）技术，突破了传统的加工模式，是近 20 年制造技术领域的一次重大突破。它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合，为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件（模具） ，有效地缩短了产品的研发周期，是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。它的核心是基于数字化的新型成形技术。RP 系统可分为两大类：基于激光或其它光源的成形技术，如：立体光造型（Stereo
