基于proe復(fù)雜曲面模型的逆向工程與制造畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p>　　基于PRO/E復(fù)雜曲面模型的逆向工程與制造</p><p>　　[摘要]本文研究了逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于復(fù)雜曲面的模型重建。逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)包括：數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理和模型重建。通過對(duì)數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究，得到數(shù)據(jù)處理的一般流程。根據(jù)復(fù)雜曲面的特點(diǎn)，采用逆向工程方法完成模型重建工作。采用serein激光掃描儀高效率、高精度地完成復(fù)雜曲面的數(shù)據(jù)獲取工作。應(yīng)用imageware和Pro/E

2、軟件完成曲面的數(shù)據(jù)處理工作，獲得完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)以方便后續(xù)模型重建工作的進(jìn)行。運(yùn)用Pro/E軟件中小平面特征和重新造型的方法，重復(fù)利用軟件優(yōu)勢(shì)，完成曲面模型的重構(gòu)工作。</p><p>　　研究表明，采用逆向工程的方法完成曲面模型，可以獲得較高的模型質(zhì)量，提高效率，是一種行之有效的方法，具有重要的實(shí)際意義和較高的應(yīng)用價(jià)值。</p><p>　　[關(guān)鍵詞]逆向工程；小平面特征；重新造型；im

3、ageware；Pro/E </p><p>　　Reverse Engineering and Manufacture of Complex Surface Models Based on Pro/E</p><p>　　Abstract: In this thesis, the key techniques of reverse engineering are researched a

4、nd applied to model reconstruction of sculptured surface. The key techniques of reverse engineering include：data acquisition, data processing and model reconstruction. By researching flow of data processing is explored.

5、In light of the characteristics of sculptured surface, the model is completed with reverse engineering. The data is collected with laser scanner efficiently and accurately. The data processing of </p><p>　　T

6、he research indicates that the model of sculptured surface, completed with reverse engineering, is an effective technique, which can bring about high quality model and efficiency and have great actual and practical value

7、.</p><p>　　Key words: Reverse Engineering, Facet Feature, Restyle, imageware, Pro/E目 錄</p><p><b>　　1. 緒論1</b></p><p><b>　　1.1. 引言1</b></p><p>

8、;　　1.2. 逆向工程特點(diǎn)和過程1</p><p>　　1.3. 快速成型的技術(shù)原理、早期發(fā)展和特點(diǎn)功能3</p><p>　　1.3.1. 快速成型原理3</p><p>　　1.3.2. 快速成型工藝方法4</p><p>　　1.3.3. 快速成型技術(shù)的早期發(fā)展6</p><p>　　1.3.4. 快

9、速成型技術(shù)的特點(diǎn)功能8</p><p>　　1.4. 軟件介紹9</p><p>　　1.4.1. Imageware軟件簡介9</p><p>　　1.4.2. Pro/Engineer軟件逆向工程模塊簡介10</p><p>　　2. 逆向工程一般步驟12</p><p>　　2.1 實(shí)體三維數(shù)據(jù)的獲得—

10、—掃描12</p><p>　　2.2 點(diǎn)云處理14</p><p>　　2.3 曲面重構(gòu)14</p><p>　　2.4 實(shí)體建模16</p><p>　　3. 建立米老鼠頭像曲面具體步驟17</p><p>　　3.1. 米老鼠頭像曲面逆向開發(fā)的流程17</p><p>　　3.

11、2. 數(shù)據(jù)獲取和處理17</p><p>　　3.2.1. 掃描17</p><p>　　3.2.2. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)清理18</p><p>　　3.2.3. 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)出通用格式19</p><p>　　3.3. 小平面特征19</p><p>　　3.3.1. 造型前準(zhǔn)備20</p><

12、p>　　3.3.2. 輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)20</p><p>　　3.3.3. 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理21</p><p>　　3.3.4. 包絡(luò)處理22</p><p>　　3.3.5. 小平面處理23</p><p>　　3.4. 重新造型27</p><p>　　3.5. 曲面實(shí)體化28</p>

13、<p>　　3.6. 快速成型制造30</p><p><b>　　4. 總結(jié)31</b></p><p><b>　　致 謝32</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)33</b></p><p><b>　　緒論</b><

14、;/p><p><b>　　引言</b></p><p>　　逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是相對(duì)正向設(shè)計(jì)而定義的一種設(shè)計(jì)方法，是從實(shí)物模型到電子模型或理論概念的一個(gè)反向推理、挖掘、優(yōu)化的系統(tǒng)過程，在國內(nèi)外各個(gè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。它的意義不僅僅在于消化吸收并改進(jìn)國內(nèi)外的先進(jìn)技術(shù)，更體現(xiàn)在逆向反求的過程中接納先進(jìn)的設(shè)計(jì)思想和制造理念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理

15、論和思想上的創(chuàng)新，這對(duì)于我國科技進(jìn)步和制造業(yè)的發(fā)展具有十分重要的意義。</p><p>　　Pro/ENGINEER是美國PTC公司于1988年開發(fā)出的參數(shù)化建模軟件系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子航天、模具、工業(yè)設(shè)計(jì)、汽車和玩具等行業(yè)。其所提供的獨(dú)立幾何、小平面特征和重新造型等模塊都可完成逆向反求工作。</p><p><b>　　逆向工程特點(diǎn)和過程</b></p

16、><p>　　在瞬息萬變的產(chǎn)品市場(chǎng)中，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場(chǎng)要求的產(chǎn)品就成為企業(yè)成敗的關(guān)鍵。由于各種原因往往我們都會(huì)遇到只有一個(gè)實(shí)物樣品或手工模型，沒有圖紙或CAD數(shù)據(jù)檔案，有時(shí)，甚至可能連一張可以參考的圖紙也不存在，沒法得到準(zhǔn)確的尺寸，這就為我們?cè)诤罄m(xù)的工作中采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段和先進(jìn)的制造技術(shù)帶來了很大的障礙。但是逆向工程技術(shù)很好的解決了這一問題。</p><p>　　隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速

17、發(fā)展，三維的幾何造型技術(shù)已被制造業(yè)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品及工模具的設(shè)計(jì)、方案評(píng)審、自動(dòng)化加工制造及管理維護(hù)各個(gè)方面。通過各種測(cè)量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物（產(chǎn)品原型或油泥模型）轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型，在CAD領(lǐng)域，這就是所謂的逆向工程。</p><p>　　傳統(tǒng)的復(fù)制方法是用立體雕刻機(jī)或液壓三次元靠模銑床制作出一比一成等比例的模具，再進(jìn)行量產(chǎn)。這種方法屬于類比式（Analog type）復(fù)制，無法建立工件尺

18、寸圖檔，也無法做任何的外形修改。這為后續(xù)的改進(jìn)設(shè)計(jì)造成很大程度上的麻煩。</p><p>　　傳統(tǒng)的復(fù)制方法時(shí)間長而效果不佳，已漸漸為新型數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。逆向工程系統(tǒng)就專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的三維制造路線。并給出一個(gè)一體化的解決方案：樣品→數(shù)據(jù)→產(chǎn)品。</p><p>　　逆向工程通常是以專案方式執(zhí)行模型的仿制工作。往往制作的產(chǎn)品沒有原始設(shè)計(jì)圖檔，而是委托單位交付一件

19、樣品或模型，如木鞋模、高爾夫球頭、玩具、電氣外殼結(jié)構(gòu)等，由制作單位復(fù)制（Copy）出來。因?yàn)橛虚L期專門從事逆行工作的專業(yè)技術(shù)人員，所以工作效率很高。</p><p>　　逆向工程是由高速三維激光掃描機(jī)對(duì)已有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合逆向軟件進(jìn)行曲向重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行在線精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進(jìn)行快速成型或CNC數(shù)控加工。逆向工程應(yīng)用領(lǐng)域

20、相當(dāng)廣泛，有軍工、模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、鞋業(yè)、高爾夫球業(yè)、藝術(shù)業(yè)、醫(yī)學(xué)工程及產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)等方面。</p><p>　　逆向工程建模的一般流程圖</p><p>　　圖1. 1 逆向建模一般流程</p><p>　　模型曲面分析——確定掃描方案——進(jìn)行實(shí)體點(diǎn)云掃描——進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理——建立需要的曲線——建立曲面——實(shí)體建模(如圖1. 1所示)。<

21、/p><p>　　快速成型的技術(shù)原理、早期發(fā)展和特點(diǎn)功能</p><p><b>　　快速成型原理</b></p><p>　　企業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略已經(jīng)從60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”發(fā)展到90年代的“如何做的更快”?？焖俪尚停ㄒ卜Q快速原型）制造技術(shù)(Rapid Prototyping & Manu

22、facturing，RP&M)就是在這種背景下逐步形成并得以發(fā)展的?？焖俪尚蛯⒂?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)、計(jì)算機(jī)數(shù)字控制(CNC)、激光、精密伺服驅(qū)動(dòng)和新材料等先進(jìn)技術(shù)集成一體。依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的工件三維設(shè)計(jì)模型(圖1. 2 (a))，對(duì)其進(jìn)行分層切片，得到各層截面的二維輪廓(圖1. 2 (b))。</p><p>　　按照這些輪廓，成形裝置選擇性地固化-層層的液態(tài)樹脂(或切割-層

23、層的紙，燒結(jié)-層層的粉末材料，噴涂-層層的熱熔材料或粘結(jié)劑等)， 形成各個(gè)截面輪廓(圖1. 2 (c))并逐步順序疊加成三維工件(圖1. 2 (d))。</p><p>　　圖1. 2 快速成型制作過程</p><p>　　快速成形技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)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(fù)雜的三維加工分解成

24、簡單的二維加工的組合。因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法的10％-30％的工時(shí)和20％-35％的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。由于快速成形 具有上述突出的優(yōu)勢(shì)，所以近年來發(fā)展迅速，已成為現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)支柱技術(shù)，實(shí)現(xiàn)并行工程(Concurrent Engineering，簡稱CE)的必不可少的手段。 </p><p><b>　　快速成型工藝方法</b>&

25、lt;/p><p>　　目前快速成型主要工藝方法及其分類見圖1. 3所示</p><p>　　圖1. 3 快速成型主要工藝方法及其分類</p><p>　　立體光固化成型法（SL, Stereo-Lithography）</p><p>　　光固化法(SL)是目前最為成熟和廣泛應(yīng)用的一種快速成型制造工藝。這種工藝以液態(tài)光敏樹脂為原材料，在計(jì)算機(jī)控

26、制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合(固化)反應(yīng)，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。完成一個(gè)掃描區(qū)域的液態(tài)光敏樹脂固化層后，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，使固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂然后重復(fù)掃描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復(fù)直至完成整個(gè)零件的固化成型。</p><p>　　SL工藝的優(yōu)點(diǎn)是精度較高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面質(zhì)量好

27、;原材料利用率接近100%;能制造形狀特別復(fù)雜、精細(xì)的零件;設(shè)備市場(chǎng)占有率很高。缺點(diǎn)是需要設(shè)計(jì)支撐;可以選擇的材料種類有限;制件容易發(fā)生翹曲變形;材料價(jià)格較昂貴。</p><p>　　該工藝適合比較復(fù)雜的中小型零件的制作。</p><p>　　選擇性激光燒結(jié)法(SLS, Selective Laser Sintering)</p><p>　　選擇性激光燒結(jié)法(SL

28、S)是在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很薄(100μ-200μ)的作金屬(或金屬)粉末，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層截面輪廓逐點(diǎn)地進(jìn)行掃描、燒結(jié)，使粉末固化成截面形狀。完成一個(gè)層面后工作臺(tái)下降一個(gè)層厚，滾動(dòng)鋪粉機(jī)構(gòu)在已燒結(jié)的表面再鋪上一層粉末進(jìn)行下一層燒結(jié)。未燒結(jié)的粉末保留在原位置起支撐作用，這個(gè)過程重復(fù)進(jìn)行直至完成整個(gè)零件的掃描、燒結(jié)，去掉多余的粉末，再進(jìn)行打磨、烘干等處理后便獲得需要的零件。用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行直接燒結(jié)的工藝正在實(shí)驗(yàn)研究階

29、段，它可以直接制造工程材料的零件。</p><p>　　SLS工藝的優(yōu)點(diǎn)是原型件機(jī)械性能好，強(qiáng)度高，無須設(shè)計(jì)和構(gòu)建支撐，可選材料種類多且利用率高(100%)。缺點(diǎn)是制件表面粗糙，疏松多孔，需要進(jìn)行后處理，制造成本高。</p><p>　　采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)，經(jīng)滲銅等后處理特別適合制作功能測(cè)試零件;也可直接制造金屬型腔的模具。采用蠟粉直接燒結(jié)適合于小批量比較復(fù)雜的中小型零件的

30、熔模鑄造生產(chǎn)。</p><p>　　熔融沉積成型法(FDM, Fused Deposition Modeling)</p><p>　　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(yù)定軌跡，以固定的速率進(jìn)行熔體沉積。每完成一層，工作臺(tái)下降一個(gè)層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料的溫度剛好在熔

31、點(diǎn)之上(比熔點(diǎn)高1℃左右)。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是0.25~0.50mm。</p><p>　　FDM的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是精度低;復(fù)雜構(gòu)件不易制造，懸臂件需加支撐;表面質(zhì)量差。該工藝適合于產(chǎn)品的概念建模及形狀和功能測(cè)試，中等復(fù)雜程度的中小原型，不適合制造大型零件。</p><p>　　分層實(shí)體制造法（LOM, Laminat

32、ed Object Manufacture）</p><p>　　LOM工藝是將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割，如此反復(fù)逐層切割、粘合、切割；直至整個(gè)模型制作完成。</p><p>　　LOM工藝優(yōu)點(diǎn)是無需設(shè)計(jì)

33、和構(gòu)建支撐;只需切割輪廓，無需填充掃描;制件的內(nèi)應(yīng)力和翹曲變形小;制造成本低。缺點(diǎn)是材料利用率低，種類有限;表面質(zhì)量差;內(nèi)部廢料不易去除，后處理難度大。該工藝適合于制作大中型、形狀簡單的實(shí)體類原型件，特別適用于直接制作砂型鑄造模。</p><p>　　三維印刷法(3DP,Three Dimensional Printing )</p><p>　　三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點(diǎn)噴射粘合劑來

34、粘結(jié)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(jī)噴射結(jié)合劑。</p><p>　　該技術(shù)制造致密的陶瓷部件具有較大的難度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金屬陶瓷復(fù)合材多孔坯體或陶瓷模具等）方面具有較大的優(yōu)越性。</p><p>　　快速成型技術(shù)的早期發(fā)展</p><p>　　1892年，J．E．BLanther在他的美國專利(

35、#473901)中，曾建議用分層制造法構(gòu)成地形圖。這種方法的原理是將地形圖的輪廓線壓印在一系列蠟片上，然后按輪廓線切割蠟片，并將其粘結(jié)在一起，熨平表面，從而得到三維地形圖。</p><p>　　1902年，Carlo Baese在他的美國專利(# 774549)中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，這是現(xiàn)代第一種快速成形技術(shù)——“立體平板印刷術(shù)”(Stereo Lithography)的初始設(shè)想。</p&

36、gt;<p>　　1940年，Perera提出了在硬紙板上切割輪廓線，然后將這些紙板粘結(jié)成三維地形圖的方法。50年代之后，出現(xiàn)了幾百個(gè)有關(guān)快速成形技術(shù)的專利。許多學(xué)者又提出了用一系列輪廓片形成三維地形模型的新方法(圖1. 4)。</p><p>　　圖1. 4 三維地形模型的制作</p><p>　　1976年，Paul L Dimatteo 在他的美國專利(#3932923

37、)中，進(jìn)一步明確地提出先用輪廓跟蹤器將三維物體轉(zhuǎn)化成許多二維輪廓薄片，然后用激光切割這些薄片(圖1. 5），這些設(shè)想與現(xiàn)代另一種快速成形技術(shù)——“物體分層制造”(Laminated Object Manufacturing)的原理極為相似。</p><p>　　圖1. 5 層與層之間的連接</p><p>　　1986年，Charles W Hull在他的美國專利(#4575330)中，提

38、出了一個(gè)用激光照射液態(tài)光敏樹脂，從而分層制作三維物體的現(xiàn)代快速成形機(jī)的方案。隨后，美國的3D systems公司據(jù)此專利，于1988年生產(chǎn)出了第一臺(tái)現(xiàn)代快速成形機(jī)SLA—250(液態(tài)光敏樹脂選擇性固化成形機(jī))，開創(chuàng)了快速成形技術(shù)發(fā)展的新紀(jì)元。在此后的10年內(nèi)，涌現(xiàn)了10多種不同形式的快速成形技術(shù)和相應(yīng)的快速成形機(jī)，如薄形材料選擇性切割（LOM）、絲狀材料選擇性熔融(FDM)和粉末材料選樣性燒結(jié)(SLS)等，并且在工業(yè)、醫(yī)療及其它領(lǐng)域得到

39、了普遍的應(yīng)用。到1998年為止，全世界已擁有快速成形機(jī)4259臺(tái)，快速成形機(jī)制造公司約27個(gè)，用快速成形機(jī)進(jìn)行對(duì)外服務(wù)的機(jī)構(gòu)331個(gè)。不僅如此．還派生出一個(gè)全新的領(lǐng)域—快速模具制造(Rapid Tooling)，從而使快速成形成為現(xiàn)代制造業(yè)必不可少的支柱技術(shù)。 </p><p>　　我國從上世紀(jì)90年代初開始進(jìn)行有關(guān)快速成形技術(shù)的研究及開發(fā)，現(xiàn)己取得令人矚目的進(jìn)展。其中，華中科技大學(xué)（原華中理工大學(xué)）較早的開發(fā)了

40、系列LOM快速成形機(jī)；清華大學(xué)進(jìn)行了多種快速成形技術(shù)的研究，并推出了類似LOM、FDM等快速成形機(jī)的產(chǎn)品；華中科技大學(xué)和北京隆源自動(dòng)成型系統(tǒng)有限公司也推出了SLS快速成形機(jī)的產(chǎn)品；西安交通大學(xué)、上海聯(lián)泰科技等推出了SLA快速成形機(jī)。此外，香港大學(xué)、香港中文大學(xué)、香港科技大學(xué)、香港理工大學(xué)、南京航空航天大學(xué)、浙江大學(xué)、中北大學(xué)等也開展了有關(guān)設(shè)備、材料和工藝的研究；香港快速原型科技中心、深圳生產(chǎn)力促進(jìn)中心、天津生產(chǎn)力促進(jìn)中心等為普及和推廣快

41、速成形技術(shù)進(jìn)行了卓有成效的工作?？上驳氖?，一些汽車、摩托車、家用電器和模型制造行業(yè)已裝備快速成形機(jī)，面向社會(huì)的快速成形服務(wù)中心和政府支持的快速成形中心正在建立和擴(kuò)大．愈來愈多的工業(yè)界對(duì)快速成形技術(shù)重要性的認(rèn)識(shí)日益加深。</p><p>　　快速成型技術(shù)的特點(diǎn)功能</p><p>　　采用快速成形技術(shù)之后，設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)的最初階段，就能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，在單個(gè)零件和裝配部件的級(jí)別上，對(duì)產(chǎn)品設(shè)

42、計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)和優(yōu)化，并可在不同階段快速地修改、重做樣品，甚至做出試制用工模具及少量的產(chǎn)品。這將給設(shè)計(jì)者創(chuàng)造一個(gè)優(yōu)良的設(shè)計(jì)環(huán)境，提供一個(gè)快捷、有力的物理模擬手段，無需多次反復(fù)思考、修改，即可盡快得到優(yōu)化結(jié)果，從而能顯著地縮短設(shè)計(jì)周期和降低成本。制造者在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品、甚至試制用的工模具及少量產(chǎn)品，這使得他們能及早地對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提出意見，最大限度地減少失誤和返工，大大節(jié)省工時(shí)、降低成本和提高產(chǎn)品質(zhì)量。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初

43、階段也能拿到實(shí)在的產(chǎn)品樣品，甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能據(jù)此及早、實(shí)在地向用戶宣傳和征求意見，以及進(jìn)行比較準(zhǔn)確的市場(chǎng)需求預(yù)測(cè)，而不是僅憑抽象的產(chǎn)品描述或圖紙、樣本來推銷。所以，快速成形技術(shù)的應(yīng)用可以顯著地降低新產(chǎn)品的銷售風(fēng)險(xiǎn)和成本，大大縮短其投放市場(chǎng)的時(shí)間和提高競爭能力。用戶在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的最初階段，也能見到產(chǎn)品樣品、甚至少量產(chǎn)品，這使得他們能及早、深刻地認(rèn)識(shí)產(chǎn)品，進(jìn)行必要的測(cè)試，并及時(shí)提出意見，從而可以在盡可能短約時(shí)間內(nèi)，以最合理的價(jià)格得到

44、性能最符合要</p><p>　　快速制造技術(shù)周期短、工藝簡單、易于推廣、制模成本低、精度和壽命能滿足某種特定的功能需要，綜合經(jīng)濟(jì)效益良好，是一種快捷、方便、實(shí)用的制造技術(shù)，特別適用于新產(chǎn)品開發(fā)試制、工藝驗(yàn)證和功能驗(yàn)證以及多品種小批量生產(chǎn)。</p><p>　　快速成型技術(shù)與數(shù)控機(jī)床的主要區(qū)別在于高度柔性。無論是數(shù)控機(jī)床還是加工中心，都是針對(duì)某一類型零件而設(shè)計(jì)的。如車削加工中心，銑削加工中

45、心等。對(duì)于不同的零件需要不同的裝夾，用不同的工具。雖然它們的柔性非常高，可以生產(chǎn)批量只有幾十件、甚至幾件的零件，而不增加附加成本。但它們不能單獨(dú)使用，需要先將材料制成毛坯。而RP技術(shù)具有最高的柔性，對(duì)于任何尺寸不超過成形范圍的零件，無需任何專用工具就可以快速方便的制造出它的模型(原型)。從制造模型的角度，快速成型具有數(shù)控機(jī)床無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，即快速方便、高度柔性。零件的模型或原型雖然只反映出最終零件的幾何特性，不能反映出全部的機(jī)械性能。但

46、已經(jīng)使RP技術(shù)受到極大的歡迎。德國奔馳公司的Werner Pullman博士在IMS快速產(chǎn)品開發(fā)國際會(huì)議上講：“購買一輛車，首先考慮的是它的客觀印象，然后是它的技術(shù)特性，如馬力、安全設(shè)備等。像噪音、操作性能和款式等特性是作出購買決定的重要因素。但這些特性只有通過物理原型來評(píng)價(jià)。因此高質(zhì)量的功能原型在產(chǎn)品開發(fā)中是重要的方面，不能被數(shù)字模型和分析所取代?！痹诿绹Ｌ仄嚬?，RP&M技術(shù)被用于為多種目的制造模型：設(shè)計(jì)者和工程師可以&

47、lt;/p><p><b>　　軟件介紹</b></p><p>　　Imageware軟件簡介</p><p>　　Imageware是著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。擁有廣大的用戶群，如BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Toyota。Imageware為自由曲面產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面

48、的所有關(guān)鍵領(lǐng)域提供了應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的解決方案?？涨跋冗M(jìn)的技術(shù)保證了用戶能在更短的時(shí)間內(nèi)進(jìn)行設(shè)計(jì)、逆向工程，并精確地構(gòu)建和完全地檢測(cè)高質(zhì)量自由曲面。最新的產(chǎn)品版本更注重于高級(jí)曲面、3D檢測(cè)、逆向工程和多邊形造型，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工程和制造營造了一個(gè)直覺的柔性設(shè)計(jì)環(huán)境。Imageware提供了模塊化的產(chǎn)品來滿足用戶的不同需求，這樣的設(shè)計(jì)完全圍繞產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工模具設(shè)計(jì)和檢測(cè)、樣機(jī)，以至生產(chǎn)加工這一產(chǎn)品全生命周期，目的在于提高產(chǎn)品質(zhì)量，縮短上市時(shí)間

49、。用戶在第一次使用時(shí)就可以配置最適合其流程的產(chǎn)品，使用這些工具是保證產(chǎn)品開發(fā)周期順利進(jìn)行的關(guān)鍵。</p><p>　　Imageware12主要用來做逆向工程，它處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的流程遵循，點(diǎn)—曲線—曲面的原則，整個(gè)流程簡單清晰明了，而且軟件操作容易，對(duì)系統(tǒng)性能要求也不高。</p><p><b>　　點(diǎn)云處理功能</b></p><p>　　讀入

50、點(diǎn)云數(shù)據(jù),將分離的點(diǎn)云對(duì)齊在一起（如果有需要）。有時(shí)候由于零件形狀復(fù)雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會(huì)得到很多單獨(dú)的點(diǎn)云。Imageware12軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點(diǎn)信息將點(diǎn)云對(duì)齊。</p><p>　　對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行判斷，去除噪音點(diǎn)（即測(cè)量誤差點(diǎn)）。由于測(cè)量工具及測(cè)量方式的限制，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些噪音點(diǎn)，Imageware12軟件有很多工具

51、來對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行判斷，去掉噪音點(diǎn)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。</p><p>　　通過可視化點(diǎn)云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。一個(gè)零件，是由很多單獨(dú)的曲面構(gòu)成，對(duì)于每一個(gè)曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構(gòu)成，例如，如果曲面可以直接由點(diǎn)的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點(diǎn)云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點(diǎn)的分段。提前規(guī)劃可以避免以后走彎路。</p><p>　　根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建點(diǎn)的網(wǎng)格

52、或點(diǎn)的分段。Imageware12軟件能提供很多種生成點(diǎn)的網(wǎng)格和點(diǎn)的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個(gè)點(diǎn)的分段。</p><p><b>　　曲線創(chuàng)建功能 </b></p><p>　　判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確通過點(diǎn)云的、也可以是很光順的（捕捉點(diǎn)云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。</p><p>　

53、　創(chuàng)建曲線。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建曲線，可以改變控制點(diǎn)的數(shù)目來調(diào)整曲線?？刂泣c(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線較為光順。</p><p>　　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(diǎn)云的吻合性，還可以改變曲線與其他曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。Imageware12軟件提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。</p><p><b>　　曲面創(chuàng)建功能 <

54、;/b></p><p>　　決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準(zhǔn)確的曲面、更光順的曲面，或兩者兼顧。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要來決定。</p><p>　　創(chuàng)建曲面。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點(diǎn)云直接生成曲面（Fit free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個(gè)邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點(diǎn)云和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其他例如圓角等生成曲面。</p>

55、<p>　　診斷和修改曲面。比較曲面與點(diǎn)云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續(xù)性，同時(shí)可以進(jìn)行修改，例如可以讓曲面與點(diǎn)云對(duì)齊，可以調(diào)整曲面的控制點(diǎn)讓曲面更光順，或?qū)η孢M(jìn)行重構(gòu)等處理。</p><p>　　Imageware12是著名的逆向工程軟件，其廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。而且擁有以上專業(yè)的點(diǎn)云到曲面的造型功能，在進(jìn)行逆向工程時(shí)是一個(gè)不錯(cuò)的工具。&l

56、t;/p><p>　　Pro/Engineer軟件逆向工程模塊簡介</p><p>　　Pro/ENGINEER軟件由美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)而成，是機(jī)械CAD/CAM軟件的后起之秀，它采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，集三維實(shí)體和曲面造型、裝配造型、三維工程圖、數(shù)控加工、有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、鈑金設(shè)計(jì)、加工和裝配工藝過程。</p><p>　　設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)等功能于一體，特別是其全參

57、數(shù)化和全相關(guān)功能強(qiáng)大的實(shí)體造型技術(shù)，精悍、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和能支持所有UN平臺(tái)Windows，Windows/NT，使它成為快速成型技術(shù)行業(yè)中市場(chǎng)占有率最高的CAD軟件。</p><p>　　PTC公司開發(fā)的產(chǎn)品中，具有逆向功能的有：ICEM SURF、Pro/DESIGNER(CDRS)、Pro/SCANTOOLS、Facet Feature和Restyle。</p><p>　　ICEMS

58、urf模塊</p><p>　　ICEMSurf是一個(gè)可以構(gòu)造A級(jí)自由曲面的工具，它可以直接構(gòu)造曲面（無須先構(gòu)造曲線）并可對(duì)曲面質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，在汽車、摩托車外覆蓋件，內(nèi)飾件等自由曲面的構(gòu)建過程中具有優(yōu)勢(shì)，但在重構(gòu)自由曲面時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性要求比較嚴(yán)格。ICEMSurf也可用于曲面的設(shè)計(jì)，但此曲面并非傳統(tǒng)意義上的曲面模型。只是把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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

59、NC加工編程。</p><p>　　Pro/Designer模塊</p><p>　　Pro/Designer是一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)的造型模塊，主要應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)，它可以方便地調(diào)整各條型線，從而得到設(shè)計(jì)師想要得到的結(jié)果。用于逆向工程時(shí)，可以用于少量測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)、僅有主要型線和邊界線的情況，從這個(gè)意義上來說它不是一個(gè)完整的逆向，操作者反求的主要是產(chǎn)品的造型思想。</p><p>

60、;　　Pro/SCANTOOLS模塊</p><p>　　Pro/SCANTOOLS是一個(gè)完全集成于Pro/ENGINEER實(shí)體建模中的逆向曲面構(gòu)建模塊，它可以接受有序點(diǎn)（測(cè)量線），也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且可以用來構(gòu)造非A級(jí)的自由曲面，一般應(yīng)用于電器產(chǎn)品、汽車內(nèi)飾件、塑料件等行業(yè)。</p><p>　　Pro/SCANTOOLS是一個(gè)非參數(shù)化環(huán)境工具，設(shè)計(jì)人員可以專注設(shè)計(jì)模型的特定區(qū)域，使用

61、不同的工具來獲得期望的形狀及曲面屬性。在Pro/SCANTOOLS模塊下，可以輸入多種格式的掃描數(shù)據(jù)，并可對(duì)高密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能濾波。同時(shí)可根據(jù)選取的掃面數(shù)據(jù)創(chuàng)建型值曲線，并可在曲面上創(chuàng)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(shù)據(jù)等。</p><p>　　Facet Feature模塊</p><p>　　Facet Feature（小平面特征

62、）是Pro/ENGINEER新增的建模工具，可以輸入實(shí)物模型掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)或用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以糾正設(shè)備誤差引起的點(diǎn)云數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，也可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡、平滑濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)修補(bǔ)、三角網(wǎng)格劃分和三角平面處理等。Restyle模塊</p><p>　　Restyle（重新造型）是一個(gè)逆向工程環(huán)境，用來在多面（小三角形平面）數(shù)據(jù)的頂部重建或構(gòu)造曲面CAD模型。</p><p&g

63、t;<b>　　逆向工程一般步驟</b></p><p>　　實(shí)體三維數(shù)據(jù)的獲得——掃描</p><p>　　數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程中后續(xù)處理的基礎(chǔ),目前,模型數(shù)字化的方法主要分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量兩大類。其中,接觸式測(cè)量是量頭與實(shí)物表面有接觸,常用的設(shè)備有:三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、數(shù)控機(jī)床(NC)測(cè)量裝置、專用數(shù)字化儀等。這種方式比較成熟,但測(cè)量速度和精度比較低,而且不適合

64、柔軟實(shí)物的測(cè)量。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)與光電技術(shù)的發(fā)展,以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展,如激光三角形測(cè)量與光柵法等。本文采用深圳市思瑞精密儀器有限公司開發(fā)的SEREIN三維激光掃描儀,完成對(duì)實(shí)物的數(shù)據(jù)測(cè)量,整機(jī)結(jié)構(gòu)如圖3. 1所示。</p><p>　　圖3. 1三維激光掃描儀</p><p>　　在進(jìn)行逆向工程時(shí)，三維掃描是最基本的一步。它是獲得原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)的最直接的方

65、法，也是最理想的方法。原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)是后面進(jìn)行逆向處理的根本依據(jù)，因此三維掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。</p><p>　　三維掃描是集光、機(jī)、電和計(jì)算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對(duì)物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。它的重要意義在于能夠?qū)?shí)物的立體信息轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號(hào)，為實(shí)物數(shù)字化提供了相當(dāng)方便快捷的手段。</p><p>　　

66、高速三維掃描及數(shù)字化系統(tǒng)在逆向工程中發(fā)揮著巨大作用。三維掃描技術(shù)能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點(diǎn)。而且其測(cè)量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。在發(fā)達(dá)國家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測(cè)量設(shè)備，因其測(cè)量速度快、精度高，非接觸，使用方便等優(yōu)點(diǎn)而得到越來越多的應(yīng)用。用三維掃描儀對(duì)手板，樣品、模型進(jìn)行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與CAD/CAM軟件接

67、口，在CAD系統(tǒng)中可以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整、修補(bǔ)、再送到加工中心或快速成型設(shè)備上制造，可以極大的縮短產(chǎn)品制造周期。</p><p>　　三維掃描設(shè)備是以三次元測(cè)量系統(tǒng)為主?；旧弦越佑|式〈探針式〉和非接觸式（激光、照相、X光等方式）兩大類。在早期是以探針式為主，雖然價(jià)格較便宜，但速度較慢，而且以探針與物體接觸會(huì)有盲點(diǎn)并且使軟件物體容易變形，影響掃描精度。激光掃描速度快、精確度適當(dāng)，并且可以掃描立體的物品獲得大量點(diǎn)云數(shù)據(jù)

68、，以利曲面重建。</p><p>　　三維掃描技術(shù)從產(chǎn)生以來，到目前已經(jīng)發(fā)展了很多掃描原理，一般來講分為以下幾種技術(shù)，見圖2. 1：</p><p>　　圖2. 1 三維掃描技術(shù)分類</p><p>　　從三維數(shù)據(jù)的采集方法上來看，非接觸式的方法由于同時(shí)擁有速度和精度的特點(diǎn)，因而在逆向工程中應(yīng)用最為廣泛。</p><p><b>　

69、　點(diǎn)云處理</b></p><p>　　通常掃描后得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是由大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)所組成，根據(jù)掃描儀的性質(zhì)、掃描參數(shù)和被測(cè)物體的大小，由幾百點(diǎn)到幾百萬點(diǎn)不等，這些大量的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云（Point Cloud）。</p><p>　　掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以

70、要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，通常要經(jīng)過以下步驟：</p><p>　　去掉噪音點(diǎn)，常用的檢查方法是將點(diǎn)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(dòng)的光順方法對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)整；</p><p>　　數(shù)據(jù)插補(bǔ)，對(duì)于一些掃描不到的區(qū)域，其數(shù)據(jù)只能通過數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來補(bǔ)齊，這里要考慮兩種曲面造型技術(shù)，基于點(diǎn)的樣條曲面逆向造型和基于點(diǎn)的曲面擬合技術(shù)。</p><

71、p>　　數(shù)據(jù)平滑，數(shù)據(jù)平滑的目的是為了消除噪音點(diǎn)，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(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。</p><p>　　數(shù)據(jù)光順，光順泛指光滑、順眼，但由于精度的要求，不允許對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實(shí)物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點(diǎn)（邊界折拐點(diǎn)）必須予以保留，而不能被視為“壞點(diǎn)”。</p><p>

72、;　　點(diǎn)云的重定位整合，在重新裝夾后多次掃描形成的數(shù)據(jù)要進(jìn)行重定位整合，目前一般的CAD軟件還都沒有此項(xiàng)功能，需要手工“縫合”，在測(cè)量件上選取兩次定位狀態(tài)下的基準(zhǔn)點(diǎn)，在兩次定位測(cè)量的過程中，分別測(cè)量兩次定位狀態(tài)下的基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后以一定的判斷規(guī)則判別出各基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量精度，最后在CAD系統(tǒng)中顯示定位下的測(cè)量數(shù)據(jù)，并移動(dòng)某一定位下的數(shù)據(jù)，使該定位下的所有測(cè)量數(shù)據(jù)整合到另一定位下。</p><p><b>

73、;　　曲面重構(gòu)</b></p><p>　　曲面重建可以說是逆向工程的另一個(gè)核心及主要的目的，是依據(jù)掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)恢復(fù)曲面形狀建立CAD數(shù)學(xué)模型的過程。在得到產(chǎn)品的數(shù)據(jù)后，以逆向工程軟件進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理，經(jīng)過分門別類、群組分隔、點(diǎn)線面與實(shí)體誤差的比對(duì)后，再重新建構(gòu)曲面模型，產(chǎn)生CAD數(shù)據(jù)，快速制造或NC加工。目前在點(diǎn)云生成曲面的過程中，主要有三種曲面構(gòu)造的方案：其一是以B-Spline或NURBS

74、曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方案；其三是以多面體方式來描述曲面物體。</p><p>　　在逆向工程的技術(shù)發(fā)展中重要的是建立產(chǎn)品的CAD模型，并由此可再進(jìn)一步的到CAM處理和快速成型制造，而仿制出產(chǎn)品的外形。一般而言，CAD模型是由許多不同的幾何形狀所組合而成，而每一種幾何形狀都有其特性。因此若要將產(chǎn)品應(yīng)用逆向工程的技術(shù)，反求出此產(chǎn)品的原CAD模型，并非單純的使用一種方法

75、即可完成，而須視此產(chǎn)品外形的幾何特性，選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，方可得出良好的幾何形狀，以滿足產(chǎn)品外形的幾何特性。由此可知，在曲面重建的過程中了解其曲面的特性及其曲面的數(shù)學(xué)模式，在對(duì)于我們重新建構(gòu)曲面時(shí)可以幫助我們節(jié)省很多的時(shí)間以及提高將效率。</p><p>　　由于CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展，各種自由曲線與自由曲面的理論應(yīng)運(yùn)而生，如Bezier曲線、B-Spline曲面、NURBS曲線、掃描曲面(Sweep Surf

76、ace)、Loft曲面(Loft Surface)、標(biāo)準(zhǔn)曲面(Construct Surface) 、旋轉(zhuǎn)曲面(Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面(Net Surface)等。</p><p>　　由三維掃描儀所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來建立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(bǔ)的方式來將順序的點(diǎn)數(shù)據(jù)建立成為曲面，以下分別就這兩種方法做一簡單介紹：</p><p>

77、;　　近似法(approximation)</p><p>　　以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個(gè)容許誤差值(tolerance)，并在U、V方向建立控制點(diǎn)的起始數(shù)目，以最小平方法來擬合出(fit)一個(gè)曲面后將量測(cè)之點(diǎn)投射到曲面上并分別求出點(diǎn)到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值內(nèi)以完成曲面的建立，如果量測(cè)的數(shù)據(jù)很密集或是指定的容許誤差很小，則運(yùn)算的時(shí)間會(huì)相當(dāng)?shù)木?。以近似法來擬合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需

78、要通過每個(gè)量測(cè)點(diǎn)，因此對(duì)于量測(cè)時(shí)的噪聲將有抑除的作用。所述，使用近似法時(shí)通常是點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)多且含噪聲較大的情況下。</p><p>　　插補(bǔ)法(interpolation)</p><p>　　以插補(bǔ)的方式來進(jìn)行曲面的建立，則是將每個(gè)截面的點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別插補(bǔ)得到通過這些點(diǎn)的曲線，再利用這些曲線來建立一個(gè)曲面。以插補(bǔ)的方式進(jìn)行曲面數(shù)據(jù)建立，其優(yōu)點(diǎn)在于得到曲面一定會(huì)通過量測(cè)之?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)，因此如果數(shù)據(jù)量

79、大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因?yàn)槿绱?，如果量測(cè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)含大量的噪聲則在重建曲面時(shí)大量的噪聲將被含入而產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。所述，以插補(bǔ)法來重建曲面較佳的使用時(shí)機(jī)是對(duì)于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點(diǎn)群數(shù)據(jù)。 </p><p>　　由以上的分析我們可以知道對(duì)于少量的點(diǎn)而言，我們可以使用插補(bǔ)法來得到較近似的曲面，然而對(duì)于激光掃描所得到的大量數(shù)據(jù)點(diǎn)若以插補(bǔ)法來重建曲面，則有在掃描時(shí)所夾帶的噪聲點(diǎn)與誤差將隨著曲

80、面的建立而被包含在曲面之中的缺點(diǎn)。</p><p>　　因此對(duì)于掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，由于點(diǎn)數(shù)據(jù)量大以近似法來重建曲面將會(huì)較插補(bǔ)法節(jié)省控制點(diǎn)的儲(chǔ)存空間，而且對(duì)于掃描時(shí)所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及較多時(shí)間在曲面的計(jì)算上，因此我們?cè)诮⑶娴倪^程中應(yīng)配合所測(cè)量得的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目及精度來決定曲面重建所使用的方法。</p><p><b>　　實(shí)體

81、建模</b></p><p>　　近年來，運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行二維圖形的測(cè)繪已經(jīng)得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準(zhǔn)確地體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，而且，二維圖紙無法對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運(yùn)動(dòng)分析、公差分析、以及數(shù)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(shí)體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設(shè)計(jì)軟件如MDT, Solid Works、Pro/E、UG等，都得到了

82、廣泛的應(yīng)用。建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對(duì)于快速制造很必要。</p><p>　　建立米老鼠頭像曲面具體步驟</p><p>　　米老鼠頭像曲面逆向開發(fā)的流程</p><p>　　模型分析→掃描方案確定→進(jìn)行掃描→點(diǎn)云處理→點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(shí)體化→快速成型</p>

83、<p><b>　　數(shù)據(jù)獲取和處理</b></p><p><b>　　掃描</b></p><p>　　由于建模思想不一樣，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的掃描側(cè)重點(diǎn)也不一樣。數(shù)據(jù)點(diǎn)質(zhì)量的好壞直接影響到曲面精度。在掃描時(shí)需要噴上顯影劑，這樣可以避免過多的噪聲點(diǎn)產(chǎn)生。</p><p><b>　　三維掃描儀的使用<

84、/b></p><p>　　打開電源，打開界面，點(diǎn)擊使其歸零，單擊，彈出對(duì)話框如圖所示，然后單擊鑰匙，出現(xiàn)輸入密碼對(duì)話框，輸入密碼并確認(rèn)，此時(shí)所有菜單激活，如圖所示，單擊打開激光，用打開鏡頭，用顯示網(wǎng)格。</p><p>　　在進(jìn)行掃描時(shí)，當(dāng)角度旋轉(zhuǎn)時(shí)，要調(diào)節(jié)T軸圓心。由于在每次關(guān)機(jī)后再次開機(jī)，T軸圓心都會(huì)有誤差，所以每次開機(jī)都先要校正圓心。</p><p>

85、　　當(dāng)?shù)谝淮螔呙柰旰?，在surfacer中打開文件，如下頁圖1-5所示。然后將轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)120度，這次角度不需要記憶，旋轉(zhuǎn)完后需用將角度清零，與第一次掃描相同，定出左右邊界和下邊界，然后開始掃描。掃描完后在surfacer中將圖打開。然后旋轉(zhuǎn)120度進(jìn)行第三次掃描，并將其也在surfacer打開如圖所示。</p><p>　　在surfacer中使用（擬合圓柱體）指令，使三次掃描的點(diǎn)云擬和成圓柱，如圖1-7所示。然

86、后找出各圓柱的中心軸，利用surfacer中的Construct(構(gòu)造)>>Curve From Surface（曲線來自曲面）>>Line From Cylinder/Cone Axis（線來自于或中心線）指令（如圖1-8所示），并利用各中心軸的中點(diǎn)做一圓，然后找出圓心坐標(biāo)，在surfacer中Create>>Arc/Circle>>Circle w/3 Point指令，單擊最下面的In

87、teraction Tools,彈出一菜單，選則（選擇線的中心點(diǎn)）使三條中心線選中，單擊應(yīng)用，會(huì)在Circle Info下面顯示出所做圓的圓心坐標(biāo)，然后查看圖中的坐標(biāo)，并和畫圖所得的圓心坐標(biāo)值進(jìn)行運(yùn)算，具體為X帶符號(hào)相加，Y帶符號(hào)相減將運(yùn)算所得的X,Y值填入上表中，然后在圖1-11所示菜單中單擊即可保存此數(shù)據(jù)，此時(shí)轉(zhuǎn)臺(tái)的誤差便消除，在掃描時(shí)可以任意旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度后掃描，并且不同角度掃描的點(diǎn)云會(huì)自動(dòng)拼合。</p><p&

88、gt;　　進(jìn)行完上面的調(diào)節(jié)后，即可以掃描物體，掃描之前要在物體上噴上反差劑，這樣物體表面的反射度姣好掃描出的點(diǎn)云質(zhì)量好，而且在掃描時(shí)最好使周圍光線不要太亮。這樣掃描出的點(diǎn)云雜點(diǎn)會(huì)較少，在掃描時(shí)，由于圖形復(fù)雜，激光照不到或者鏡頭接收不到反射，有可能一個(gè)角度掃描不完整，這時(shí)需要旋轉(zhuǎn)一定角度之后再次進(jìn)行掃描， </p><p>　　旋轉(zhuǎn)方法和上面校正中心的相同，旋轉(zhuǎn)角度后角度位置不能清零，而且在開始掃描時(shí)，需點(diǎn)擊圖中的

89、先確認(rèn)角度，否則在開始掃描后將旋轉(zhuǎn)至第一次掃描的位置（角度是以負(fù)方向即逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)使角度歸零）</p><p>　　在掃描時(shí)，有可能部分地方會(huì)掃描不完整，這時(shí)可以對(duì)這些局部進(jìn)行補(bǔ)充，即對(duì)這些部分進(jìn)行局部掃描，將點(diǎn)云補(bǔ)充完整。</p><p><b>　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)清理</b></p><p>　　進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行曲面重構(gòu)的第一步。在逆向工程軟件

90、Imageware12中打開。該點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在很多的不需要的點(diǎn)，為了后面處理方便首先需要把點(diǎn)云中明顯的不需要的點(diǎn)刪除掉。使用Modify>>Extract>>Circle Select Points命令圈選不需要的數(shù)據(jù)，以及明顯的噪聲點(diǎn)。處理后如圖4. 1所示。</p><p>　　圖4. 1剔除壞點(diǎn)后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)</p><p>　　在去掉明顯不需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)

91、量還是比較龐大，而且分布不均勻，為了使點(diǎn)的分布比較合理，使用命令Modify>>Date Reduction>>Space Sampling進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾。過濾如圖4. 2所示。</p><p>　　圖4. 2 過濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)</p><p>　　數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)出通用格式</p><p>　　Imageware類型的文件不能直接在其他三維造型

92、軟件中打開。為了解決這一問題，國際上出現(xiàn)了一種描述三維幾何的標(biāo)準(zhǔn)格式IGS格式。以這種格式導(dǎo)出的三維模型就可以在其他三維設(shè)計(jì)軟件中繼續(xù)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(shù)據(jù)后的文件另存為擴(kuò)展名為IGS的文件。</p><p><b>　　小平面特征</b></p><p>　　小平面（Facet）特征是Pro/ENGIN

93、EER中一個(gè)主要的點(diǎn)云處理工具，它所針對(duì)的處理對(duì)象通常是采用激光掃描得到的密集點(diǎn)云；密集點(diǎn)云可以在小平面特征中經(jīng)過去雜、降噪和取樣、補(bǔ)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(duì)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(jù)密集點(diǎn)云逆向造型的應(yīng)用大為拓寬。</p><p><b>　　造型前準(zhǔn)備</b>

94、</p><p>　　打開Pro/E，修改工作目錄，新建一個(gè)零件，鍵入文件名，取消選中“使用缺省模版”復(fù)選框，選擇mmns_part_solid選項(xiàng)，如圖4. 3所示。</p><p>　　圖4. 3設(shè)置新文件選項(xiàng)</p><p><b>　　輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù)</b></p><p>　　單擊菜單欄中“插入”/“小平面特征”

95、命令，在彈出的“打開”對(duì)話框中選擇并打開要輸入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖4. 4所示。</p><p>　　圖4. 4輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖4. 5輸入選項(xiàng)</p><p>　　打開后，在彈出的如圖4. 4所示的“輸入選項(xiàng)”對(duì)話框中之指定坐標(biāo)系，直接單擊對(duì)話框中的“確定”按鈕以默認(rèn)方式將點(diǎn)云數(shù)據(jù)調(diào)入小平面特征工作區(qū)域。</p><p

96、><b>　　點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理</b></p><p>　　針對(duì)整個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，單擊工具欄中的“刪除界外值”按鈕，在彈出的圖4. 6所示的對(duì)話框中輸入靈敏度，單擊“確定”按鈕。系統(tǒng)將根據(jù)設(shè)定的靈敏度對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并刪除界外值。</p><p>　　圖4. 6靈敏度設(shè)置 圖4. 7去除噪音</p><

97、p>　　單擊工具欄中的“去除噪聲”按鈕，在彈出的圖4. 6所示的對(duì)話框中選擇降噪模式，此命令將剔除點(diǎn)云中的粗大噪聲點(diǎn)。</p><p>　　單擊工具欄中的“填充”按鈕，在選定區(qū)域?qū)c(diǎn)云進(jìn)行填充處理，即對(duì)點(diǎn)云有破洞的地方進(jìn)行修補(bǔ)。</p><p>　　單擊工具欄中的“示例”按鈕，按照一定規(guī)則對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡處理，刪除冗余數(shù)。選擇“按曲率抽樣”選項(xiàng)，設(shè)定“百分比”為80，如圖4. 8所

98、示。</p><p>　　圖4. 8 “示例”對(duì)話框</p><p>　　數(shù)據(jù)保存：單擊工具欄中的“保存”按鈕，在彈出的圖4. 9所示的對(duì)話框中輸入文件名，選定保存格式，對(duì)處理過的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行保存處理，以方便后續(xù)調(diào)用。</p><p>　　圖4. 9保存處理過的數(shù)據(jù)</p><p>　　對(duì)點(diǎn)云的處理完成后，就可以進(jìn)入包絡(luò)階段。從表面看包絡(luò)階段

99、和小平面階段并沒有什么區(qū)別，都是由三角面所組成。區(qū)別在于：包絡(luò)階段包含了所有原始點(diǎn)云的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也就是說在包絡(luò)階段雖然點(diǎn)云沒有顯示出來，但在系統(tǒng)內(nèi)部還是保存了這些點(diǎn)云的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)；而當(dāng)進(jìn)入小平面階段就會(huì)把原始的點(diǎn)云刪掉。</p><p><b>　　包絡(luò)處理</b></p><p>　　單擊工具欄的“包絡(luò)”按鈕，系統(tǒng)將對(duì)處理過的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行三角平面處理。結(jié)果如圖4. 10

100、所示。</p><p>　　圖4. 10包絡(luò)處理生成的三角面</p><p>　　小平面粗調(diào)：此階段可運(yùn)用工具欄中的壓淺、壓深、穿透、去除腹板等命令對(duì)小平面進(jìn)行粗調(diào)處理。粗調(diào)可快速對(duì)三角面模型進(jìn)行修改，但精度不高。</p><p>　　小平面精整：粗調(diào)后，單擊工具欄中的“精調(diào)”按鈕，使小平面進(jìn)入精整階段。與粗調(diào)階段相對(duì)應(yīng)，小平面精整階段的自動(dòng)化程度較低，但能提供更為

101、精細(xì)的三角面。</p><p><b>　　小平面處理</b></p><p>　　精調(diào)后，單擊工具欄中的“多面體面”按鈕，即可進(jìn)入小平面處理階段。</p><p>　　選中需要?jiǎng)h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。</p><p>　　單擊工具欄中的“填充”按鈕，在彈出的如圖4. 11所示的對(duì)

102、話框中進(jìn)行設(shè)置，選中模型中的破洞，填充后效果如圖4. 12所示。</p><p>　　圖4. 11填充設(shè)置</p><p>　　圖4. 12破洞填充</p><p>　　單擊工具欄按鈕旁邊的下三角彈出如圖4. 13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(huì)反向重構(gòu)，如圖4. 13所示。</p><p>　　圖4. 1

103、3三角面操作按鈕</p><p>　　圖4. 14反向邊操作</p><p>　　單擊工具欄中的“添加小平面”按鈕，依次單擊小平面的三個(gè)頂點(diǎn)，系統(tǒng)會(huì)以選中的三點(diǎn)為頂點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)三角面，效果如圖4. 15所示。</p><p>　　圖4. 15創(chuàng)建三角面</p><p>　　單擊工具欄中的“整理”按鈕，在彈出的如圖4. 16所示的對(duì)話框中進(jìn)行設(shè)置

104、，系統(tǒng)將根據(jù)所選模式對(duì)小平面進(jìn)行整理，處理效果如圖4. 17所示。</p><p>　　圖4. 16 “整理對(duì)話框”</p><p>　　圖4. 17 “自由生成”模式整理后</p><p>　　單擊工具欄中的“分樣”按鈕，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置百分比，如圖4. 18所示.確定后小平面會(huì)按百分比保留。</p><p>　　圖4. 18小平面分樣

105、</p><p>　　單擊工具欄中的“松弛”按鈕，在彈出的對(duì)話框中設(shè)置松弛參數(shù)，如圖4. 19所示。系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)置的參數(shù)對(duì)小平面的特征進(jìn)行平滑處理，效果如圖4. 19所示。</p><p>　　圖4. 19設(shè)置松弛參數(shù) 圖4. 20松弛平滑后</p><p>　　單擊工具欄中的“精整”按鈕，在彈出的對(duì)話框中進(jìn)行

106、設(shè)置，則系統(tǒng)會(huì)按照設(shè)置成倍增加并細(xì)化小平面，如圖4. 21所示，小平面數(shù)量大約變?yōu)樵瓉淼?倍。</p><p>　　圖4. 21 “精整”對(duì)話框</p><p>　　最后一步，單擊工具欄“集束”按鈕，對(duì)整個(gè)小平面進(jìn)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(gè)整體點(diǎn)云。讓軟件知道你這個(gè)小平面表示的點(diǎn)云是一體的集管處理的結(jié)果會(huì)清理掉初始點(diǎn)云里的雜點(diǎn)(也叫

107、燥聲),游歷于整體之外的小塊分體點(diǎn)云使點(diǎn)云清潔,干凈,一體化,那樣就能進(jìn)到重新造型模塊里進(jìn)行后續(xù)操作了。</p><p><b>　　重新造型</b></p><p>　　單擊“插入”/“重新造型”命令進(jìn)入重新造型工作區(qū)域，其界面如圖4. 22所示。</p><p>　　圖4. 22重新造型工作界面</p><p>