毕业设计(论文)文献综述基于UG5+Imageware的模型重建快速成型模拟.doc

逆向工程与快速成型基于UG5+Imageware的模型重建快速成型模拟摘要：为适应当今市场需求瞬息万变、产品更新换代日新月异的形势，基于已有产品原型的再设计是产品创新的最佳途经之一。逆向工程是相对于传统的产品正向开发过程(思想一图纸产品)而言的逆向过程(样品一电子数据产品)。利用反求工程技术，可以有效缩短产品开发时间，提高市场竞争力。目前逆向工程的重要研究领域主要集中在两大方面，一是逆向工程集成系统的研究，主要内容集中在逆向工程各个环节的集成，通用软件的开发;另外一方面是对逆向工程中的关键技术的研究，包括数据获取、数据处理以及三维模型重建。数据获取是逆向工程的前提和基础，数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量，实体模型重建是逆向工程的最终环节。本次的研究范畴集中于应用UG5+Imageware对三坐标测量机扫描的点云数据处理与模型重建，快速成型模拟。关键字：逆向工程，点云处理，模型重建，快速成型，UG5+Imageware正 文：发展背景 逆向工程这一术语大约在二十世纪六十年代即已出现，但对这一概念从工程的广泛性去研究、从逆向的科学性去深化还是二十世纪九十年代才开始。人们开始科学系统地研究逆向工程的整体性、科学性及其实现方法。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究。二战结束后，日本把引进国外先进科学技术这一吸收性战略作为坚定不移的国策，凡是国外先进和适用的技术，都积极引入，日本在引入技术的同时，没有盲目地仿造，而是对先进技术进行消化、吸收和国产化，迅速实现产品的国产化，在应用中不断完善自己的产品，开发创新出许多新产品，并逐步形成了自己的工业体系。成功地运用逆向工程，使日本用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国。重视逆向工程研究的不仅是日本，其它国家也是如此。据有关资料表明，各国百分之七十以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径都是通过逆向工程。经过几十年的发展，逆向工程己经取得了长足进展，而且将一些新技术、新思想应用其中。典型技术如工业CT等光学测量技术，快速成型技术等。快速成型技术同逆向工程相结合，为逆向工程注入了新的动力。在美国、日本、加拿大、欧洲等工业发达国家，逆向工程的应用在航空、汽车、制鞋工业等领域中普遍采用，特别是在产品设计过程中已显示出其独特的功效。快速成型，也称快速原型制造，薄层制造、自由形状粉末造型是20世纪80年代出现的一种制造思想，经过20多年的迅速发展，已经成为引起制造方法变革的一种新型制造手段。快速成型的原始思想是利用材料的堆积来制造产品，这样对于产品来说，对于特定工具的要求降低了，制造柔性增加。快速成型制造方法不仅使产品的制造思想和实现方法实现了根本性的突破，在制造零件的质量、性能、制造速度等方面，也取得了很大的进展。快速原型制造技术的出现，开辟了不用刀具、模具而制作原型和各类零部件的新途径。它结合了计算机、数学、机械设计、自动控制、光学以及材料科学等领域的知识。快速成型技术的诸多优点，使它的应用和推广得到了许多行业的支持，最突出的表现是快速成型技术在医疗领域和快速模具制造行业中的应用。发展现状及前景 随着计算机科学得迅速发展以及现代先进测量技术和现在制造技术的形成，逆向工程技术越来越受到学术界和工业界的重视，并成为CAD/CAM技术领域得一个研究热点。近三十年来，逆向工程不但在理论上得到了深入的研究，同时还涌现出一批商用软件。在国际市场上，不仅有许多测量设备，也出现了多个与逆向工程相关的软件系统，如美国EDS公司的产品Imageware、美国RAINDROP公司的Geomagic Studio、英国DELCAM公司的产品CopyCAD以及韩国INUS公司的RapidForm， Unigraphics公司的PointCloud模块;基于Autodesk的MDT平台的Metris等。这些系统主要以交互操作为主，用户可以方便地对测量数据点集进行简化、光顺、分割及拟和处理。在国内，逆向工程技术起步较晚，至今仍未有成熟商用软件面世。90年代后期，逆向工程技术在我国得到迅速推广和发展，目前已有一些高校、科研院所和企业正致力于该方向的研究，浙江大学最早在我国推出了RE-Soft逆向工程系统。西北工大、南京航空航天大学、西安交大、清华大学、上海交大和华中科技大学等先后开展了逆向工程相关技术问题的研究，但至今尚未出现具有真正的集开发和产业于一体的商品化系统。如何将逆向工程技术系统地应用于工业产品创新设计，如何根据工业设计的需要来开发商品化的逆向工程系统，还处于探索阶段。 非常完善的针对工业设计的反求工程系统目前还没有，在各个环节都存在一定问题。此外由于测量方式、数据处理方式的多样性，使反求工程系统与其它系统如CAD/CAM等的接口缺乏统一的标准，不能高效率地交换信息，这是目前逆向工程研究急需解决的问题。当前处于知识经济时代，知识在产品中的价值份额愈来愈重，在有些产品中，甚至起到了绝对主导地位。因此挖掘发现已有成功产品中的知识组成，发挥这些知识的价值，再现附着于这些产品及其相关环境的知识尤其是经验知识的创造过程，是一项很有价值的工程。它是从引进设备到引进技术这一升华过程中不可缺少的关键环节。对已有产品功能原型的逆向设计研究作为其主要内容，使得引进、消化不只是局限于引进产品实物原型生产功能的实现，而且将真正实现附属于产品中的知识为我所用，这样才能达到逆向工程真的设计目的。逆向工程与快速成型关键技术逆向工程技术是由实物模型获得数据点，在可控精度和品质下重建模型的过程。关键技术包括:数据采样，数据处理，模型重建，快速成型模拟。 数据采集的主要任务是获取样件表面的三维坐标信息。它是逆向工程技术的基础，是曲面重建中三维坐标点的来源。同时，也是测量点的来源，测量点的分布和数量的大小也影响着曲面重建的方法和效果。数据采集方法分为接触式和非接触式。此次采用的是接触式数据采集方法有基于力触发式和连续数据扫描式。典型的接触式测量设备是三坐标测量机(Coordination measuring Machine, CMM)。接触式测量的优点是准确性和可靠性高，对被测样件的材质和反射性无特殊的要求，不受面颜色的影响。缺点是测量速度慢，测量过程中存在着摩擦力和弹性变形，不适于对软质、易碎、易变形、超薄样件进行测量，对尺寸大小测头直径的微细部分的测量受到限制。而且存在“遮挡”问题，不适于测量样件的内部特征，如发动机缸体、航空叶片等复杂零件。采样的点云数据由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺口，给后续的造型在带来影响。曲面测量时会产生海量的数据点，而且还存在有重复的测量数据、系统测量误差及测量仪器本身的误差等，这样在造型之前应对数据点进行精简。数据云处理是逆向工程中的关键环节，它包括以下几方面的工作：1、数据云预处理，如噪声点处理、数据精简、数据匀化等，增强数据的合理性。2、数据云对正和多视拼合，用以解决回转型曲面的测量问题和测量中的“阴影效应”，提高数据的完整性。3、数据提取，包括数据云分片、边界点和特征点提取。4、数据云光顺，通常采用局部回弹法、圆率法、最小二乘法和能量法等来实现。5、三角化直接为产生切片数据和为三角曲面造型奠定基础。6、数据优化，压缩不必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量。7、散乱数据处理，对于具有较复杂形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，要建立数据点间的拓扑关系。.数据预处理结束后，进行特征提取、数据分割可以将复杂的数据处理问题简化，因为对于散乱的点数据，用一张曲面来拟合是不可行的。一般做法是按照原形所具有的特征，将数据分割成不同的区域分别拟合曲面，然后应用曲面求交或者曲面间过渡的方法连接曲面。 逆向工程中，实物的三维模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造，虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持。这些应用都不同程度地要求重建的模型能准确地还原实物样件。而这个工作的进行受两个因素的影响，一是硬件设备，包括数字化设备和造型软件;二是操作者(包括测量和造型人员)的经验。整个环节具有工作量大、技术性强的特点。模型重建方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可以分为。按数据类型，可以分为有序点和散乱点的重建；按测量机的类型，可以分为基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据的重建；按造型方式，可以分为基于曲线的模型重建和基于曲面的直接拟和；按曲面表示方法，可以分为边界表示，四边B一样条表示、三角面片和三角网格表示的模型重建等。所以，在模型重建之前，应该详细了解模型的前期信息和后续应用要求。前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点(类型、完整性)等;后续应用包括结构分析、加工、制作模具、快速原型等，以选择正确有效的造型方法、支撑软件、模型精度和模型质量。而此次采用的将Imageware处理生成的曲面数据导入UG中，运用其三维建模功能进行三维模型的生成。快速成型的全过程可以分为三个部分:准备处理、成型过程和后续工序。准备阶段即三维模型的建立和切片。成型过程是材料堆积的过程。快速成型的基本思想是堆积成型，对原材料进行处理，即用激光照射或喷涂粘结剂，使之按轮廓形状固化成型或粘结，一层一层如此往复。随着不断的发展，更多样的原材料和方法被开发出来。后续工序包括工件的剥离、后固化、修补、打磨、抛光和表面强化处理等。快速成型与传统加工方法相比，具有很多独特突出的优势 1)制造快速性，成本低。能直接由三维模型制造形状复杂的原型，比传统的机械加工方法节省工时50%一70%，节约成本2)产品的造价几乎与产品批量无关。相比于传统的机械加工方法，单件或小批量造价贵，大批量生产单价降低，快速原型技术特别适合于小批量零部件的制造，其造价几乎与产品批量无关。3)自由成型制造。快速原型制造技术的自由成型的含义有两个:一是指可以根据原型或零件的形状，无需使用工具、模具，而自由的成型，既节省了新产品的试制时间又节省了工具或样件模具的费用。二是指不受形状复杂程度的限制，能制造任意复杂形状与结构、不同材料复合的原型或零件。由于该项技术是将复杂的三维形体转换为二维截面进行产品生成，故能轻易制造出任意复杂型体的高精密零件。4)能快速制造出概念模型，进行视觉效果的评估，验证CAD设计，便于在加工生产前找出设计存在的不足之处并迅速加以修改。快速原型技术是创造性设计的有效工具，也易于制出试验模型.可评判仿真分析的正确性。参考文献：1基于逆向工程的曲面加工及快速制造技术研究 周密2UG/Imageware逆向工程培训教程 姜元庆 3反求工程中数据预处理及模型修正 欧阳黎健4逆向工程中饮乱数据处理与模型重建技术研究 张嫔5逆向工程中曲面重构技术的研究与实现 林志浩