汽車輪轂盤的反求造型研究開題報告

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告</p><p>　　題目 汽車輪轂盤的反求造型研究</p><p>　　專 業(yè) 名 稱 機(jī)械設(shè)計制造及其自動化</p><p>　　班 級 學(xué) 號 </p><p>　　學(xué) 生 姓 名 </p><

2、p>　　指 導(dǎo) 教 師 </p><p>　　填 表 日 期 2011 年 4 月 9 日</p><p>　　一、課題的背景及意義</p><p>　　反求工程包含有實物反求、軟件反求和影像反求三個方面【2】。反求工程也稱為反求工程、反向工程，是對已有的零件或?qū)嵨镌?，利?D數(shù)字化設(shè)備準(zhǔn)確、快速

3、的測量出實物表面的三維坐標(biāo)點，并根據(jù)這些坐標(biāo)點通過三維幾何建模方法重建實物的CAD模型的過程。</p><p>　　實物原型經(jīng)反求工程技術(shù)建立CAD模型之后，可進(jìn)一步利用CAD／CAE，CAM以及CIMS等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行處理，復(fù)制出實物的樣品模型。圖l—l所示為反求工程技術(shù)與快速成型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)相結(jié)合的工作流程圖。</p><p>

4、;　　圖1—1反求工程流程圖</p><p>　　反求工程是當(dāng)前用于產(chǎn)品開發(fā)和仿真加工制造的一種理想的并行設(shè)計、開發(fā)的最先進(jìn)的手段，是制造業(yè)中消化吸收先進(jìn)技術(shù)、縮短產(chǎn)品再設(shè)計與制造周期的重要支撐技術(shù)，是集三維內(nèi)外輪廓測量、激光技術(shù)、粉末冶金及快速模具制造等技術(shù)為一體的高新技術(shù)，是快速原型、快速模具制造的核心技術(shù)之一【3】。</p><p>　　隨著新的反求工程原理和技術(shù)的不斷引入，反求工程

5、已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，在新產(chǎn)品開發(fā)中居于核心地位，被廣泛地應(yīng)用于摩托車、飛機(jī)、汽車、家用電器、模具等產(chǎn)品的改型與創(chuàng)新設(shè)計，成為消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段。具體來說，反求工程技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面【4,5】：①在諸如飛機(jī)、汽車、摩托車、家用電器等產(chǎn)品開發(fā)中，產(chǎn)品的空氣動力學(xué)性能和美學(xué)設(shè)計顯得特別重要。新產(chǎn)品的設(shè)計可以應(yīng)用反求工程對現(xiàn)存產(chǎn)品進(jìn)行CAD建模、CAE分析，進(jìn)而對CAD模型

6、修改，在電腦中進(jìn)行全方位的動態(tài)觀察，三維有限元分析，三維動態(tài)仿真，基本合格后，在進(jìn)行三維立體打印、樹脂快速激光成型或CAM技術(shù)進(jìn)行實物的數(shù)控加工，再得到遠(yuǎn)程真實的三維立體打印模型、快速激光模型或數(shù)控加工的真實產(chǎn)品后，再進(jìn)行美學(xué)及力學(xué)的最后評審及實驗試證,完全能達(dá)到對同類產(chǎn)品的引進(jìn)、消化、吸收與創(chuàng)新。②由于工藝、美觀、使用效果等方面的原因，人們經(jīng)常要對已有的構(gòu)件做局部修改。在原始設(shè)計沒有三維CAD模型的情況下，若能將實物零件通過數(shù)據(jù)測量與

7、處理產(chǎn)生與實際相符的CAD模型，對CAD模型進(jìn)行修改以后在進(jìn)行加工，將顯著</p><p>　　反求造型的過程包括以下幾部分：</p><p>　?、?產(chǎn)品定位設(shè)計規(guī)劃：</p><p>　　開發(fā)新產(chǎn)品，必須要首先進(jìn)行產(chǎn)品的定位。產(chǎn)品定位是基于充分、徹底的市場調(diào)研以得到的設(shè)計要求和其他方面比如廠方的一些要求，基于對已有產(chǎn)品、設(shè)計方案和同類產(chǎn)品的評價分析，從而得到產(chǎn)品

8、的設(shè)計定位。因此在這一階段要進(jìn)行大量的調(diào)研工作和資料收集，進(jìn)行設(shè)計評價，進(jìn)行設(shè)計目標(biāo)的確定和設(shè)計規(guī)劃的制定。</p><p><b>　?、?概念設(shè)計階段：</b></p><p>　　在明確了設(shè)計要求、設(shè)計目標(biāo)之后，就可以進(jìn)行初步的設(shè)計，可利用諸如頭腦風(fēng)暴法、反求發(fā)明法、缺點列舉法進(jìn)行方案的創(chuàng)新設(shè)計。</p><p><b>　　③

9、 數(shù)據(jù)采樣：</b></p><p>　　數(shù)據(jù)采樣是反求工程的最基本的、必不可少的步驟，它從已有的實物獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。若已有產(chǎn)品設(shè)計的三維數(shù)據(jù)，可直接采集。但通常是只有前代產(chǎn)品，這時可采用三維激光掃描儀，三維數(shù)字化儀，物體多角度照片等數(shù)字化方法來快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。</p><p>　?、?數(shù)據(jù)分析及CAD建模的構(gòu)建：</p><p>　　在數(shù)據(jù)采集階段

10、得到的數(shù)據(jù)如果是較完整的三維數(shù)據(jù)，就可以直接進(jìn)入CAD模型的構(gòu)建階段。當(dāng)?shù)玫讲蓸訑?shù)據(jù)僅為二維數(shù)據(jù)，那么必須通過三維模型的方式構(gòu)建出來，得到直觀簡略的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形。</p><p>　　在這一過程中，設(shè)計師要考慮部件在本次設(shè)計中用到的可能性，以決定其是否進(jìn)行模型構(gòu)建。</p><p>　?、?數(shù)據(jù)恢復(fù)和修補(bǔ)、原始部件的分解：</p><p>　　在采樣過程中，物體的某

11、些細(xì)節(jié)的丟失是是不可避免的。通過對采樣數(shù)據(jù)的三維顯示及結(jié)構(gòu)分析，能夠發(fā)現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)丟失了。實際上以上所得數(shù)據(jù)是不完整的，不妨成為粗糙數(shù)據(jù)。要得到完整數(shù)據(jù)必須進(jìn)行數(shù)據(jù)修復(fù)，它是反求工程的一個必不可少的步驟。</p><p>　　反求工程要解決的關(guān)鍵問題是一個設(shè)計方案能不能最終變成產(chǎn)品，而通常的產(chǎn)品是由不同部件組裝而成。分解是將一個物體分解成若干個標(biāo)準(zhǔn)部件的過程。再分解過程中，必須區(qū)分每一部分的尺寸位置，不同部件之間的

12、連接關(guān)系及連接方式以及物體表面該如何分割。</p><p>　　通過以上幾個數(shù)據(jù)處理步驟，得到了較完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，產(chǎn)品的三維模型以構(gòu)建出，這時可對產(chǎn)品進(jìn)行二次分析和評價，以得到更加準(zhǔn)確、細(xì)致完整的工程信息和設(shè)計信息。</p><p><b>　?、?設(shè)計綜合：</b></p><p>　　考慮原產(chǎn)品的風(fēng)格、色彩、功能、結(jié)構(gòu)、加工等信息，結(jié)合初步

13、方案和設(shè)計要求，對多個方案進(jìn)行比較分析，從全局、整體綜合考慮、權(quán)衡一確定最終的最佳方案。其確定以后還可以對它做進(jìn)一步細(xì)化。細(xì)節(jié)的設(shè)計實際上體現(xiàn)設(shè)計師設(shè)計工作的細(xì)致性、設(shè)計理念的嚴(yán)密性，而且在后面的效果處理中，細(xì)節(jié)又往往成為一個設(shè)計亮點，所以應(yīng)足夠重視。</p><p><b>　?、?仿真設(shè)計：</b></p><p>　　產(chǎn)品的功能、設(shè)計的零部件裝配、加工工藝等的分

14、析和檢測，可利用仿真技術(shù)，快速、準(zhǔn)確、有效的進(jìn)行。在虛擬裝配完成以后，在虛擬環(huán)境中隊產(chǎn)品的各項功能進(jìn)行模擬。在這個過程中，可以事先建立產(chǎn)品評價系統(tǒng)，通過計算自動判斷產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)劣或通過交互方式，一設(shè)計師的經(jīng)驗，通過觀察局部細(xì)節(jié)，可以知道物體的尺寸大小是否協(xié)調(diào)，物體的表面是否光順，以及物體表面的顏色紋理是否滿足設(shè)計的要求。同時，也可以進(jìn)行有限元分析、加工工藝分析等，為設(shè)計的可靠性及以后的生產(chǎn)提供保障【6】。</p><

15、p>　　二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢</p><p><b>　　1.國外的研究概況</b></p><p>　　作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，反求工程技術(shù)的研究正在受到廣泛的重視，研究的領(lǐng)域除包括傳統(tǒng)的機(jī)械行業(yè)外，還包括醫(yī)學(xué)、考古和地理等領(lǐng)域的圖像處理和模型恢復(fù)。反求工程技術(shù)是20世紀(jì)80年代分別由美國3M公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國UVP公司提出并研制

16、開發(fā)成功的【7】。從已發(fā)表的文獻(xiàn)和會議記錄來看，國內(nèi)外已形成了一批長期從事反求工程研究的單位和個人，反求工程已經(jīng)發(fā)展成為CAD/CAM系統(tǒng)中一個相對獨立的研究分支，其相關(guān)的領(lǐng)域包括幾何測量、圖像處理、計算機(jī)視覺、幾何造型等【8】。目前，世界各國對反求工程技術(shù)都給與高度重視，在國外，如美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家對反求工程技術(shù)方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果問世，他們對反求工程技術(shù)的研究有許多值得我們借鑒的地方。<

17、/p><p>　　美國UGS公司提供的反求工程軟件Imageware【9】，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。另外，Imageware在計算機(jī)輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強(qiáng)大功能，使它成為反求工程軟件的領(lǐng)導(dǎo)者。Imageware采用的是NURBS曲面模型，與UG、Pro/E、CATIA等

18、通用CAD/CAM軟件采用的曲面描述方法相同，可方便的溝通。</p><p>　　CATIA是法國達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。它的數(shù)字化外形編輯器由于解決數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入、壞點剔除、勻化、截斷面、特征線、外形和帶實時診斷的質(zhì)量檢查等問題。該模塊用于反求工程周期的開始階段?？焖偾嬷亟ǎ≦uick Surface Reconstruction）模塊可

19、以根據(jù)數(shù)字化數(shù)據(jù)方便地重建曲面。它用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用戶可以方便地在有關(guān)曲面區(qū)域中創(chuàng)建多邊形線段【10】。</p><p>　　另外還有英國DELCAM公司的CopyCAD在國內(nèi)也擁有了相當(dāng)?shù)目蛻羧?。?shù)字化制造針對三位散亂數(shù)據(jù)測量點的表面重建，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究也很熱烈，并以取得一系列的成果【11】。</p><p>　　進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，反求工程技術(shù)被放到大幅度縮

20、短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強(qiáng)企業(yè)競爭力的主要位置上。1998年，全球反求工程技術(shù)系統(tǒng)加工中心達(dá)到331個，擁有快速成型機(jī)660臺套，同時有27個快速成型設(shè)備公司，12個大的材料供應(yīng)商，15個專業(yè)軟件公司，再加上從事該項目的51個教育和研究機(jī)構(gòu)以及227個提供贊助的基金會以及大量的激光設(shè)備應(yīng)用者和真空鑄造機(jī)制設(shè)備，形成了一個強(qiáng)大的集成體。在經(jīng)過了初期50％的高速增長后，世界快速制造業(yè)正步入穩(wěn)定增長期，年增長率保持在17％左右。在越來越激烈的市場

21、競爭中，反求工程技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)國家中被有遠(yuǎn)見的企業(yè)采用，特別是在家電、汽車、玩具、輕工、建筑、醫(yī)療、航空航天、兵器等行業(yè)得到推廣，并取得重大的經(jīng)濟(jì)效益。</p><p><b>　　2.國內(nèi)的研究概況</b></p><p>　　國內(nèi)在反求工程技術(shù)領(lǐng)域的表面重建方面做了大量的探索研究工作，并取得一批十分可喜的成果。但同國外相比，國內(nèi)研究起步晚經(jīng)費投入少，限制了高水平研

22、究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學(xué)術(shù)領(lǐng)域還沒有形成較大影響力。較早從事反求研究工程研究的單位多為高等院校，如浙江大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，取得了非?？上驳某晒?，并逐步向市場推廣【12】。</p><p>　　浙江大學(xué)開展了對反求工程中曲面造型技術(shù)的研究，并推出了RE-Soft反求工程系統(tǒng)軟件。在RE-Soft系統(tǒng)軟件中，首先對數(shù)字化點建立三角形網(wǎng)格模型。利用這一模型對曲面的特征

23、進(jìn)行辨識，然后利用辨識的結(jié)果和用戶給定的誤差多三角形網(wǎng)格進(jìn)行必要的簡化和調(diào)整，使得網(wǎng)格表示的曲面模型與實物一致，最后在三角形網(wǎng)格的網(wǎng)孔內(nèi)構(gòu)造三角Bezier曲面的去面片，各個相鄰曲面片間要實現(xiàn)G1連續(xù)【13】。</p><p>　　華中科技大學(xué)開發(fā)了是三維激光彩色掃描系統(tǒng)3DLCS95，1995年獲得了國家專利。</p><p>　　清華大學(xué)激光快速成型中心進(jìn)行了照片反求、CT反求研究。照

24、片反求是通過提取實物照片的幾何信息，重構(gòu)實物的STL模型。有了STL模型，就可以用RPM系統(tǒng)制造出該物體的原型。CT反求是利用人體器官或工業(yè)零件的CT切片掃描文件，通過圖像處理，提取物體的平面輪廓線，并通過層片間的插值，得到可以被CAM系統(tǒng)接受的層片文件格式。</p><p>　　西安交通大學(xué)CAD/CAM研究所開發(fā)的Jade系統(tǒng)是基于實體的三維重建方法處理斷層數(shù)據(jù)的三維模型反求系統(tǒng)軟件【14】。該系統(tǒng)包含有3個

25、功能模塊：層析數(shù)據(jù)處理、特征識別、三維實體重構(gòu)。數(shù)據(jù)是通過層去測量得到的，避開由于CT、MRI等設(shè)備造價昂貴，且測量精度不高的不足。層析數(shù)據(jù)處理就是通過圖像處理技術(shù)提取邊界輪廓以得到斷面輪廓數(shù)據(jù)環(huán)。</p><p>　　總體來講，由于缺乏自主的CAD/CAE/CAM軟件的支撐，以及反求工程的上游測試設(shè)備和下游應(yīng)用(CAD/CAE/CAM)基本為國外產(chǎn)品，使得國產(chǎn)軟件產(chǎn)品在設(shè)備接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和應(yīng)用上一直滯后與世界上

26、相關(guān)產(chǎn)品，開發(fā)的軟件顯得勢單力薄，與國外軟件相比處于競爭劣勢，因此，如何將反求工程系統(tǒng)地應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，如何根據(jù)工業(yè)設(shè)計的需求來開發(fā)合適的反求工程系統(tǒng)，還處于摸索階段【15】。</p><p>　　3.反求工程技術(shù)發(fā)展趨勢</p><p>　　反求工程是一門發(fā)展十分迅速的新興學(xué)科，覆蓋了許多技術(shù)領(lǐng)域。目前這項技術(shù)一推廣到設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)中，它的應(yīng)用可大大降低產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短研

27、發(fā)周期、增強(qiáng)企業(yè)的競爭力。尤其是反求工程與快速原型、快速模具技術(shù)的結(jié)合更形成了一套快速響應(yīng)的制造路線，為企業(yè)提高產(chǎn)品的快速開發(fā)能力?？梢哉f，隨著市場競爭的激烈，此項技術(shù)將越來越發(fā)揮出其獨特的作用。</p><p>　　當(dāng)前反求工程的理論和方法研究的重點在如下兩個方面：</p><p>　　⑴針對不斷發(fā)展的高速、高精度的測量設(shè)備，需要研究和開發(fā)一種智能化的反求工程方法及其理論，能對散亂測量點

28、數(shù)據(jù)點、多視和補(bǔ)測數(shù)據(jù)點的幾何、拓?fù)潢P(guān)系自動確定，能對測量數(shù)據(jù)“點云”中包含的幾何特征只能提取。</p><p>　?、茖⒎辞蠊こ谭椒ㄅc快速設(shè)計、制造環(huán)境有機(jī)結(jié)合起來，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計和創(chuàng)新。只有將反求工程中建模部分與整個制造環(huán)境中的設(shè)計修改、性能分析、快速原型制造等模塊結(jié)合起來，引入并型設(shè)計、反饋設(shè)計的思想，才能徹底發(fā)揮其在快速設(shè)計中的作用。</p><p>　　目前反求工程還有許多理

29、論和關(guān)鍵技術(shù)問題未能得到徹底解決：造型精度需要進(jìn)一步的提高；測量建模算法的有效性、建模效率，以及所建CAD模型的誤差（測量、算法誤差）分析還有待于深入研究；另外，面向RPM的反求工程系統(tǒng)在設(shè)備價格方面相對來說還比較昂貴；在工作過程中，需要適時的進(jìn)行人工干預(yù)；在快速響應(yīng)市場方面也有待于加強(qiáng)?？梢灶A(yù)計反求工程系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是向自動化、柔性化、快速化方向進(jìn)一步發(fā)展【16】。</p><p><b>　　三、研

30、究的主要內(nèi)容</b></p><p>　　本文重點研究汽車輪轂盤反求造型的過程及基于UG的輪轂盤數(shù)控加工編程。研究的主要內(nèi)容如下：</p><p>　　1）反求輪轂盤造型。分析點的組成，創(chuàng)建六個半月形孔和四個小孔特征及繪制標(biāo)志。</p><p>　　2）基于UG的輪轂盤數(shù)控加工編程。對輪轂盤上下表面進(jìn)行創(chuàng)建程序、創(chuàng)建加工刀具、創(chuàng)建幾何體、工件創(chuàng)建、創(chuàng)建方

31、法、創(chuàng)建操作、型腔銑切削參數(shù)的設(shè)置、加工刀具路徑生成及刀具路徑的模擬。</p><p>　　四、目標(biāo)、主要特色及工作進(jìn)度</p><p><b>　　目標(biāo)：</b></p><p>　　用過對汽車輪轂盤點云模型數(shù)據(jù)處理利用UG軟件的反求工程原理創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體并對其進(jìn)行數(shù)控加工編程工藝。</p><p><b&

32、gt;　　主要特色：</b></p><p>　　結(jié)合汽車輪轂盤設(shè)計制造的特點，采用逆向工程技術(shù)對汽車輪轂盤進(jìn)行設(shè)計研究，是一項開拓性、實用性和綜合性很強(qiáng)的工作。利用激光跟蹤掃描系統(tǒng)作為空間三維點數(shù)據(jù)的獲取手段，用逆向工程軟件UG 對獲取的汽車輪轂盤點云數(shù)據(jù)進(jìn)行反求處理，其重點難點是曲線的創(chuàng)建和診斷修改。只有滿足曲線光順，曲面才能光順，曲面與點云的吻合精度也主要靠曲線中關(guān)鍵特征線的提取和創(chuàng)建精度來保證

33、。采用逆向工程技術(shù)，不僅能夠得到原實物的精確的復(fù)制品，而且可以進(jìn)一步修改并生成完整的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品圖紙，為產(chǎn)品的更改以及后續(xù)的數(shù)控加工帶來了很大的便利，大大地縮短設(shè)計開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計的工作效率。</p><p><b>　　工作進(jìn)度：</b></p><p>　　1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000字符 ） 2.21-3.11 （3周）<

34、/p><p>　　2. 研究反求造型的基本方法 3.14-4.1 （3周） </p><p>　　3. 創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體 4.4-4.29 （4周）</p><p>　　4. 汽車輪轂盤的數(shù)控加工編程 5.2-5.27

35、 （4周） </p><p>　　5. 撰寫畢業(yè)論文 5.30-6.17 （3周） </p><p>　　6. 答辯準(zhǔn)備及畢業(yè)答辯 6.20-6.25 （1周）</p><p><b>　　五、參考文獻(xiàn)</b></p

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