反求工程

反求工程（精选9篇）

反求工程 篇1

0引言

目前, 在医学领域, 人工骨骼的制造已经成为很热门的研究行业。通过加工制造获得的人工骨, 可以用来作为人工关节, 对人体缺损骨骼的填补, 让伤残人士可以重新比较正常的活动。 同时人工骨骼也可以用来作为模拟手术的模型工具, 以便于医生在手术之前熟练的演练并且提前解决好手术过程中将要出现的问题。这样可以大大减少手术时间, 提高手术效率和成功率, 减轻病人的痛苦。由于人体的骨骼有着非常复杂的曲面, 以至于使用常规的其建模方法非常复杂, 所以考虑到了善于建造复杂曲面的反求工程技术。

反求工程亦称为逆向工程、反向工程 (RE, Reverse Engineering) , 是近年来CAD/CAM技术领域研究的热点之一。从广义上讲反求工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等诸多方面。 其中, 形状反求为主要研究的对象。即由实物模型型获得数字化模型同时可以依据现实的需要来进行进一步的修改和创新。数据获取、数据预处理、数据分块与曲面重构、CAD模型构造为反求工程的四大关键技术。本实验利用反求工程技术对人体下肢的股骨、胫骨、腓骨和髌骨进行了三维重建, 提高了实体模型重建的速度和精度。为进一步的人工骨骼的制造以及生物力学分析的研究提供的技术支持。

目前, 国外Milos Stojkovic等人利用反求工程、计算机辅助设计等技术应用到胸骨移植手术当中[1]。由健康胸骨的数字图像样本经过反求建模的方法, 最后生成了实体。大大的提高了手术的效率和质量, 减小了一定的成本。在国内, 付大鹏等人使用非接触式三维激光扫描仪器对动物的腿骨进行扫描, 获得曲面的点云数据。对点云数据进行了去除噪声和光顺处理, 同时对空洞进行了填充。并利用Imageware软件完成曲面的拟合, 生成了骨骼的实体模型, 对人体骨骼重建有这很重要的意义[2]。刘亚雄等运用反求工程与快速原型的结合, 利用CT图像镜像变换, 做出假体模型, 大大的提高了手术的质量[3]。本实验采用以CT图像为原始数据, 利用Mimics, Geomagic studio, UG三种软件各自的优势完成人体下肢的股骨、 胫骨、腓骨、髌骨的三维重建, 获得三维实体模型。以便于进在仿真软件中进一步进行生物力学分析或者经过一定调整处理在快速原型机中实现人工骨骼的制造。

1 CT图像数据获取

由于三维测量法成本高且测量效率低[4], 本实验采用非接触式测量法对人体下肢进行数据信息采集, 避免了传统三维测量法成本高、效率低的缺点。用螺旋CT扫描机进行数据采集。扫描条件为:电压120kV, 电流161mA, 每层图像尺寸均为512× 512, 扫描厚度为1.5mm, 由股骨顶端至胫骨底端之间共扫描821张尺寸为512× 512的CT图像, 用螺旋CT扫描机进行数据采集。并以DICOM格式保存, 如图1所示。因为DICOM格式可以被Mimics等医学图像处理软件直接读取, 省去了经过Photoshop之类软件对其进行处理和格式转换的过程, 这样可以避免在格式转换过程中数据的缺失而导致图像的失真, 同时也节省很多了时间。 Mimics (Materialise’s Interactive Medical Image Control System) 是由比利时Materialise公司于1992年开发的软件。该软件可以输入CT等扫描数据, 进行图像处理, 十分方便快捷的完成三维重构获得初步三维模型, 并且可以以IGES, STL等多种格式导出。这些格式可以被其他CAD软件读取, 从而进行进一步的表面处理与仿真分析。可以说, Mimics软件可以称为医学与工程之间的纽带。

2实验方法与过程

2.1图像预处理及初步建模

将所获得的CT数据导入医学图像Mimics, 由于CT图像在扫描过程中本身存在这噪声, 一定程度上影响着图像的质量, 这样会影响整个实验对CT图像的进一步的处理。所用需要对CT图像的进行滤波去噪处理。目前有六种较为常用的滤波处理方法[5]:Binomail blur滤波法, Curvature flow滤波法, Discrete Gaussian滤波法, Gradient magnitude滤波法, Mean滤波法, Medium滤波法。其中, Medium滤波法 (中值滤波法) 可以很有效的完成对CT数据采集过程中的噪声去除, 同时还可以很好的保留轮廓的边界。对于本实验来说, CT图像的对边缘轮廓正是三维重建以后获得的三维模型的表面数据, 边缘轮廓尤为重要, 所以在本实验选择Medium滤波法。

人体的不同组织的密度各不相同, 故而自灰度值也不同。根据灰度值来划分, 可将所需要的骨骼与其他组织分离出来, 阈值下限值设为1700, 上限值设为2000。 (骨密质灰度值 (+300~ +2000) [6]。据此把阈值范围内的点分离出来, 存储为Mask (蒙罩) 。接着进行区域增长和三维计算, 得到人体下肢骨骼的三维模型, 以IGES格式导出, 如图2所示。由于需要重建的骨骼数目很多, 包括股骨、胫骨、腓骨和髌骨。它们之间没有明确的装配关系, 空间位置很难确定。为了保持它们彼此的相对位置关系, 则需要对整个下肢进行轮廓的提取和三维重建。结果如图2所示。

2.2曲面优化处理与NURBS曲面的拟合

由于Mimics软件重构的三维模型有很多孔洞缺陷等等。需要对其表面进行光顺处理, 使之表面光滑完整。将获得的三维模型导入Geomagic studio12.0软件。Geomagic studio12.0是由美国Geomagic公司出品的一款反求工程软件, 该软件具有有点云直接生成生成多边型的强大功能, 可以把多边形自动转换成为NURBS曲面, 可以生成非常完美的曲面, 且建模速度远高于其他传统CAD软件。例如:现在很流行使用的反求软件Imageware软件, 该软件主要是由点拟合成曲线, 再由曲线拟合成曲面的建模过程。与Geomagic studio比该软件的建模过程效率较低一些, 过程也比较复杂。而Pro/E软件也可以应用于反求建模, 且有点云处理功能。不过该软件处理较大量点云的时候效率很低, 运行速度慢。选择Geomagic studio软件可以克服这些缺点。

将预处理及初步建模所获得的IGSE文件导入到Geomagic studio中是点云模式, 利用Geomagic studio强大的点云处理功能将点云转变为多边形模式, 从而得到多边形模型。对表面进行平滑、孔洞填充、去除钉状物等一系列处理, 获得更加真实的模型, 如图3所示。该模型经过面片的构造, 格栅的构造, 最后在模型表面上得到拟合得到了NURBS曲面。以IGES格式导出, 如图4所示。 NURBS方法为现代曲面造型中最为广泛的技术。该方法具有速度快、算法稳定、生成曲面质量好等优点。NURBS曲面的表达式为[7]:

式 (1) 中:m, n分别为u, v方向上NURBS曲线的次数;k, l分别为u, v1参数方向上NURBS曲线的阶数;ωij是曲面各控制点对应的权重系数:pij为曲面的控制点。

由于对表面的处理和曲面拟合需要大量的计算, 整个下肢的点云数据量太大, 同时处理将会导致时间过慢不便于操作甚至会有死机的情况出现, 大大降低了效率。所以对于股骨、胫骨、腓骨和髌骨四块骨头, 采用在各自坐标值提前设定好的情况下, 分别导入的方法进行逐个处理。这样既减小了计算负担同时又可以保证它们之间的相对位置不变。

2.3曲面缝合

由于在Geomagic studio软件中只能获质量较好的曲面, 并不能获得三维实体模型。所以需要将拟合得到的曲面导入到UG软件中, 利用UG强大的曲面缝合功能, 把模型的多个曲面封装成为实体模型。然后依照它们各自坐标依次导入完成整个骨骼的装配。股骨、胫骨、腓骨、髌骨以及它们装配后的实体模型, 如图5所示。

3偏差分析

由于最终的实体模型的形成经过了一系列的拟合优化, 所以与初始点云之间会存在着一定的偏差。将所获得的实体模型以IGES格式导出, 重新导入Geomagic studio软件中与初始点云进行偏差分析, 来检验三维重建所获得的模型的表面精度, 如图6所示。

根据偏差分析结果, 实体模型的表面大部分都与初始的点云相符, 只有很少部分存在偏差且在0.24mm的范围内, 基本满足实际要求。

4结束语

本研究以反求工程为基础, 对人体下肢的股骨、胫骨、腓骨、髌骨进行了实体建模。利用CT扫描法所获得的原始数据以DICOM格式输出, 直接用来来完成三维重建, 省去了格式转换等过程, 这样减少了数据的损失, 提高了模型的精度。利用Mimics软件的建模的快速性, Geomagic studio软件对曲面的优化光顺处理以及UG强大的曲面缝合能力三种软件相结合, 利用各自软件的优势, 大大提高了三维实体模型建立的效率, 进一步增进了工程与医学之间的联系。所获得的实体模型, 可以导入到Ansys, ADAMS等软件进行进一步的仿真分析。由于坐标值已经设定, 所以在仿真软件中它们依然可以保持相对位置的不变, 从而加强了仿真结果的准确性, 为仿真提供了一定的方便。同时这些实体模型可以以STL格式导出, 为快速原型机可以识别的格式。经过一定的调整, 可以完成实体模型的制造。为人工关节的制造提供了一种快速准确的三维建模方法。

参考文献

[1]M.Stojkovic, J.Milovanovic.Reverse modeling and solid free-form fabrication of sternum implant[J].Austalas Phys Eng Sci Med, 2010, 33:243-250.

[2]付大鹏, 樊海燕, 等.基于反求工程的动物腿骨三维实体重建与分析[J].制造业自动化, 2012, 34 (9) :49-51.

[3]刘亚雄, 李涤尘, 孙明林, 等.反求工程和快速成型在计算机辅助外科手术中的应用[J].中国临床康复, 2004, 8 (26) :5546-5547.

[4]赵峰, 高勃, 刘震侠, 等.Dicom标准和Mimics软件辅助建立下颌骨三维有限元模型[J].西南国防医药, 2005, 15 (5) :479-481.

[5]苏秀云, 刘蜀彬.Mimics软件临床应用-计算机辅助外科技术[M].北京:人民军医出版社, 2011, 47-48.

[6]王野平, 林小英, 周慧峰.Mimics和Geomagic辅助下建立固定义齿的有限元模型[J].医用生物力学, 2010, 25 (6) :433-438.

[7]成思源, 谢韶旺.Geomagic studio逆向工程技术及应用[M].北京:清华大学出版社, 2010, 21-22.

反求工程 篇2

孟子曰“仁者如射，射者正己而后发，发而不中，不怨胜己者，反求诸己而已矣。”在孟子看来，仁者是明智的不怨天尤人而从自己身上找缺点，所以仁者自仁，愚者自愚。所以要学会多看看自己的缺点，人贵在自省。

自省使人明智;中华自古以来孕育着华夏儿女，有着悠久的历史传统和华夏文明。《论语》自古以来就被世人所传颂。直至今日，《论语》仍是仁人志士所效仿的准则。曾子曾曰：“吾日三省吾身，为人谋而不忠乎?与朋友交而不信乎?传不习乎?”古人贵在告诫人们要多次反省自己及时改正错误。孔子作为春秋战国时期的名人志士是许多人的老师每天仍不忘记反省自己，以致成为圣人，更何况我们普通人呢?正是因为反省使孔子成为大家，成为众人学习的榜样。人若没有反省而只是沉浸在自己的快乐之中那就永无成功之时。反省使仲尼弟子三千七十二贤;反省使其成为众人效仿的对象;反省使孔子美名流芳百世。

自省使人成功;很久以前有两个兄弟，他们出生于相同的家庭，有着同样的父母，做着同样的工作。日复一日年复一年，但家里仍是寅吃卯粮，生活条件并不富裕。弟弟开始怨天尤人，哭诉自己没有一个好家庭，没有有钱的父母，凡事都要靠自己，所以日子才会如此平淡，如此拮据。他便开始一天天的消沉下去。而哥哥却在寻找一个适合自己的`工作，去反省哪里仍需改正，结果哥哥的生活越来越富裕，两个同样的兄弟因对待同一件事物态度不同而造就了两种截然相反的结果，这是否会给我们以启迪给我们以反思，根本原因恰恰就是看问题的角度不同，一个是从事物本身看起而只能怨天尤人毫无建树。而当你反思自己寻找不足时却带来了意想不到的结果，当我们经历挫折时又是否应反求诸己?

自省使人明朗;当我们还在抱怨每天作业量大，学习负担繁重时我们又是否思考过我们做这些的目的在于什么;当我们还在感叹时光飞逝时，我们是否可以抓住每一秒做有意义的事;当我们还在惊异于他人取得的高分而万般敬佩时，我们是否又想过也许我们也可以;当我们在抱怨为何别人比我们优秀时，你是否在低下头想想自己的不足;反省使人明朗，使你认清一个真实的自己。

反求工程 篇3

关键词：折叠器,逆向工程,数据点云,螺旋曲面

0 引言

逆向工程技术多用于零件实物几何形状的反求,即利用测量数据进行实物的CAD三维模型的重新构造,使之能够利用CAD、CAM等先进技术进行处理或管理,进而对其进行改进设计和制造[1,2]。

烟草包装机的折叠器,是烟草包装机械中重要零件之一,在国内外的烟草包装机产品中有着广泛的应用。折叠器主要由螺旋曲面构成,它可以让通过它的包材发生90的旋转,实现折叠过程。以往对这种零件加工主要采用失蜡铸造和人工挫修方法,对钳工要求高,效率低,工作强度大。随着五轴五联动数控机床的应用,自由曲面NC加工更加灵活,而且加工效率和加工精度都比较高[3]。但这种加工方法需要折叠器螺旋面的设计参数或三维加工模型。在引进G. D和Focke等公司的包装机产品时,厂商未提供折叠器设计参数和三维模型,而导致对该零件的进口依赖。通过对进口件的反求,建立三维加工模型,为数控加工提出加工数据模型[4],既提高了工作效益,又改善了零件质量。

1 复杂曲面零件的反求方法

反求此类零件最主要就是反求出复杂曲面的几何数据。通过合适的测量方法来获得该零件复杂曲面的三维数据云,通过对数据云的处理建立曲面模型,再建立完整的零件三维模型。

如图1 所示,首先利用三坐标测量仪测量出实体零件的曲面几何尺寸,获得其曲面的横向点云数据和纵向点云数据。通过Imageware软件对纵向点云数据进行曲面插值[5,6],构建该曲面模型。在Imageware环境中对已构建的曲面进行横向点云误差分析和曲面可加工分析,并判断是否达到误差要求和加工要求,否则返回到对纵向点云数据进行处理,消除奇异数据点,再返回到创建曲面模型和误差分析等。如此循环处理分析,直到反求出的曲面满足误差要求和加工要求。最后,利用Solidedge三维建模软件建立该零件的三维模型,并提供给CAM软件分析加工和NC编程。

2 复杂曲面零件反求方法的应用

以某型包装机的折叠器为例,通过对折叠器的螺旋面反求,建立了其加工模型,实现该零件的数据化加工,提高加工效益和零件的质量。

2. 1 折叠器的螺旋面建模

图2 为该折叠器的实体零件,通过三坐标测量仪测绘该折叠器螺旋曲面,获得螺旋曲面横向点云数据和纵向点云数据,其中横向点云数据包括19 段共5 234 个数据点,纵向点云数据包括40 段共4 854 个数据点,并将数据导入Imageware软件中,如图3 所示。

在Imageware环境中,通过点到线,再线到面的建模方式,对折叠器螺旋面进行建模。在纵向方向上,根据40段的4 854 个数据点,建立40 个B样条曲线,如图4; 再通过这些样条曲线,进行曲面放样,构建此螺旋面的模型。如图5。在此过程,若原始测量数据存在较大的误差,通过控制离散点精度来删除误差大的离散点,提高反求精度。

2. 2 反求螺旋面的合理性分析

根据测量螺旋面的横向数据点云对折叠器螺旋面模型进行误差分析和可加工分析,必要时对螺旋面模型重新建模或修改,使其曲面模型的误差控制在规定的范围之内,并满足该螺旋面的加工要求。

如图6 所示,该折叠器螺旋面的横向数据点云与构建的螺旋面模型的误差最大为0. 073 mm,其中超过90% 的点误差控制在0. 02 mm以内。如图7 所示,探针半径从左到右有连续性的降低,满足曲面曲率的连续性,并求出螺旋面最大刀具半径为9. 6 mm,可以满足加工刀具要求。

2. 3 折叠器三维加工建模

通过测绘方法,对折叠器其他常规形状尺寸进行测绘,并在Solidedge软件中建立折叠器三维初模型,如图所示; 再将反求出的螺旋面模型导入到初模型中,进行布尔运算,最终得到折叠器的加工模型,如图9 所示。

3 结语

通过逆向工程原理,探讨了复杂曲面反求方法,并通过该方法在螺旋折叠器上的应用,解决了折叠器螺旋面的几何数据点云采集和该曲面的重建,并重建螺旋折叠器的三维加工模型。结果显示: 反求出的螺旋面最大误差为0. 073 mm,其中超过90% 的点误差控制在0. 02 mm以内螺旋面曲率是连续的,最大加工刀具半径为9. 6 mm。因此,该方法可以比较准确地反求出较复杂曲面的数据模型,为其加工等提供可靠的加工数据。

参考文献

[1]高国军,陈康宇,张申生.用接触式坐标测量进行自由曲面反求的方法研究[J].机械科学与技术,2000,19(1):94-96.

[2]柯映林.反求工程CAD建模理论、方法和系统[M].北京:机械工业出版社,2005.

[3]梁铖,刘建群.五轴联动数控机床技术现状和发展趋势[J].机械制造,2010,(1):5-7.

[4]周济,周艳红.数控加工技术[M].北京:国防工业出版社,2002.

[5]王华侨,李玉丰,盛学斌.基于UGNX/lmageware产品逆向工程技术及其应用研究[J].CAD/CAM与制造业信息化,2007,(5):110-114.

反求诸己的成语故事 篇4

【出处】《孟子·离娄上》：“行有不得皆反求诸己;其身正而天下归之。”

【解释】求：追究，寻求;诸：“之于”的合成词。反过来追究自己。指从自己方面找原因。

【用法】动宾式，作宾语、定语，含褒义。

【近义词】引咎自责、反躬自问、严于律己、闭门思过、反躬自省

【反义词】怨天尤人、怨天怨地、苛求于人

【年代】古代

反求工程 篇5

在现代设计和制造已经广泛采用数字化三维技术的今天, 仍然有很多企业还在使用二维CAD进行设计, 并利用二维环境下绘制的工程图样保存零件的结构信息, 这就需要根据工程图样对原有的零件进行数字化建模。利用二维工程图反求三维几何造型的过程是现代设计和制造的重要技术手段, 它缩短了从设计到制造的周期, 在机械、电装、消费品等设计领域已得到了广泛的应用。

SolidWorks三维设计软件, 不仅为设计者提供了参数化和特征建模技术, 还具有丰富的软件接口, 而且具有在人工干预下将二维工程图转换为三维实体的功能。笔者通过对二维工程图 (*.dwg) 反求三维模型实例的研究, 对反求过程出现的问题进行分析, 寻找解决问题的办法, 总结出了一种较为实用和可行的方法。

1 反求准备工作

1.1 输入工程图

图1是在二维软件AtuoCAD中绘制的支架三视图, 其文件名为zj.dwg。在SolidWorks软件环境下, 选择“文件”→“打开”, 在“打开”对话框中将文件类型改为“*.dwg”, 按照保存路径打开zj.dwg, 在“DXF/DWG输入”对话框中选择“输入到新零件”在“工程图图层映射”对话框中输入此图纸为:model在“文件设定”对话框中输入此图纸为:到2D草图。确定后, 工程图被作为零件草图输入。

1.2 工程图→草图

将工程图中的三视图分别转成草图, 转换主视图的具体操作方法为:用窗口选择法选中主视图后单击“2D到3D”工具栏中的“前视” (添加所选草图实体到3D零件的前视草图) 图标。全部转成草图后, 草图自动投影到未展开的投影空间中。

将各草图按照需要进行对齐操作:按住Ctrl键在要对齐的草图上选择一点或直线, 在要与之对齐的另一草图中选择一点或直线, 单击“2D到3D”工具栏中的“对齐草图”图标。支架三视图分别转换并对齐后的结果如图2所示。

2 工程图中的线条分析

利用零件的工程图反求造型时分清图中线框的含义, 并处理好图形信息是反求的关键。

2.1 线条分类

工程图中的线条反映零件的相应特征, 其特征通常分为基本特征、辅助特征和基准特征3类。基本特征是零件的主要部分, 具有独立特性, 不受其他特征的影响;辅助特征依附于其他形状特征, 如过渡圆角、倒角等;基准特征主要指基准轴线、基准面、对称线等, 在工程图中通常以点画线形式出现。

2.2 特征分析

工程图中的视图是将物体向投影面投影所得的图形。从特征建模角度看, 每一个封闭的线框代表一个特征运算实体, 每一个复杂的零件都可以看作由多个简单的形状特征组成。支架按形体分析法可分解为6个基本体:即直立空心圆柱、底板、水平空心圆柱、耳板、肋板和底面空心圆柱。

根据三维建模的特点和视图形成的投影规律, 该零件通过相应线条为形状特征的识别方法建模, 即一个视图由线条组成多个封闭区域, 各视图通过封闭区域间的对应关系识别特征的深度, 相邻特征有“并”或“差”的逻辑关系, 并由与其他视图的对应投影关系确定其“拉伸”或“切除”。

机械工程图是利用正投影法得到的, 根据正投影特性可知, 视图中的部分线条有重叠的图形信息存在, 许多线条有多个特征共用。

2.3 取先原则

基本特征是建模确定方向和位置的依据, 在零件上有许多辅助特征, 使零件的投影变得复杂, 所以建模应遵循基本特征线条框取先。不同建模顺序对建模的难易程度有一定影响, 利用封闭的线条框进行造型时应遵循以下原则:

(1) 特征视图取先。反映零件和零件某一部分结构特点的视图称为该零件或该部分的特征视图, 按照从特征视图建模可省去许多不必要的麻烦。

(2) 先大后小, 先外后内。视图中有多个封闭线框, 应以最大的、最外面的取先, 这通常也是零件主要的实体特征。

(3) 先实后虚。视图中的虚线代表不可见的部分, 反映实体的内部或零件的背面位置, 所以应先将实线部分进行特征建模, 再对虚线部分进行分析后造型。

(4) 其他处理。剖视图、断面图应在原来的二维绘图时将剖面线去掉。剖视是假想的剖切面, 因此必须恢复其原形。半剖视图半剖处的轮廓线是非自行封闭的, 因此可先将该结构的轮廓图形对称处理后再建模。回转体结构可以用旋转特征建模, 断面图应用于断面形状较复杂的零件, 可用扫描、放样等特征进行建模。

3 反求造型

3.1 利用草图直接建模

分别选中各草图进行拉伸或切除, 可通过选择另一草图上的起始点及终止点确定其深度, 即在特征树中选择“从→顶点 (选项) ”→在草图中选择起始点, 在特征树中选择“方向1→成形到一顶点 (选项) ”→在草图中选择终止点。

3.2“转换实体引用”到草图面上建模

对某一基本视图进行特征造型, 在已建好的特征面上定义新的草图面, 将对应到投影空间的草图“转换实体引用”至新的草图面上, 而后进行特征造型。

4 支架造型的具体步骤

按照上述诸原则对对齐后的支架三视图进行造型, 具体步骤如下: (1) 对直立空心圆柱进行拉伸操作, 在俯视图中对其轮廓与耳板的共用部分进行由虚到实的处理后并选择其轮廓, 在主视或左视图中选点或直线作为拉伸起始、终止以确定其深度; (2) 对底板进行拉伸操作, 在俯视图中对其轮廓被水平空心圆柱遮住部分进行恢复后并选择其轮廓, 在主视或左视图中选点或直线作为拉伸起始、终止以确定其深度; (3) 对耳板进行拉伸操作, 在俯视图中选择其轮廓, 在主视图中选点或直线作为拉伸起始、终止以确定其深度; (4) 对底面空心圆柱进行拉伸操作, 在俯视图中对其轮廓进行由虚到实的处理并选择该轮廓, 在主视图中选点或直线作为拉伸起始、终止以确定其深度; (5) 对水平空心圆柱造型须分为拉伸和切除进行, 拉伸时在主视图中选择大圆柱轮廓, 在左视图或俯视图中选择起始点, 终止选择成形到一面 (直立空心圆柱外面) , 切除时在主视图中选择小圆柱轮廓, 切除起始从曲面 (直立空心圆柱内面) , 终止选择成形到一面 (水平空心圆柱顶面) ; (6) 对肋板的造型可以用“筋”特征, 也可以用拉伸, 但是用“筋”操作较复杂, 须建立新的基准面并转换实体引用, 用拉伸操作较为简单, 在主视图中选择肋板轮廓, 在左视图中选择其拉伸起始及终止即可完成。完成后的支架造型如图3所示。

5 结论

二维工程图反求三维造型, 与新建一个三维模型相比, 省去了绘制草图的步骤, 同时各特征之间的相对位置在对齐草图中已经对齐, 可以直接“转换实体引用”到已构建的模型上, 省去了寻找特征之间位置关系的步骤。将人工读图思维方式的形体分析法引入软件建模中, 以视图中封闭线框为形状特征的识别和建模方法, 为二维转三维软件功能的充分利用奠定了理论基础。在具体的操作过程中, 对线条的取先原则和对剖视图等建模方法的总结, 有利于顺利完成三维建模。

利用先进的三维技术解决工程领域亟待解决的实际问题, 并以理论研究成果为基础来拓展、延伸这一先进技术, 这是一项在生产实践中非常有实际意义的工作。

参考文献

[1]赵罘, 杨晓晋, 张云杰.SolidWorks基础设计教程[M].北京:清华大学出版社, 2008.

反求工程 篇6

关键词：设计,Solidworks,反求,研究,开发

0 引言

反求工程 (Reverse Engineering) 是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量, 根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物CAD模型过程。在目前日趋激烈的市场竞争下, 反求工程在产品研发过程中, 通过借鉴、继承已有的知识和技术并在此基础上发展新的产品, 能够缩短产品的研发设计周期, 促进技术的革新。是目前工业产品开发的一种常用手段。

反求工程的第一步就是得到实物外形数据, 这些数据可以通过一些先进的测量装置进行收集, 也可以采用人工测量的方式得到。目前市面上有许多以提供实体模型数字化的工程公司。他们依靠图像采集设备得到实物的三维基本模型, 再通过少量的人工修补, 得到达到一定精度, 另用户满意的数字化模型。这种方式简单高效, 然而, 在实践中发现其存在以下问题:

1) 进行数字化建模的参考实物是经过加工制造得到, 其本身存在着加工误差、加工缺陷、变形等问题, 而三维数字化建模设备得到的三维模型并不能排除加工误差, 更不能将加工缺陷从特征中去除, 同时也无法判断实物是否发生过变形, 得到的三维数字化模型完全是对实物的拷贝, 对此类零件进行虚拟装配无法达到预期装配结果, 对此类零件进行加工生产也无法实现其预期功能。

2) 对数字化建模设备直接得到的三维模型和实体进行测量比较, 可以发现设备数字化建模过程本身存在误差, 且部分误差远超过其预期的误差范围。这样, 为了保证关键部位的建模精度, 我们需要进行反复的人工校对和重新建模。

3) 高精度的数字化建模设备成本高昂等。

同样, 人工直接测量的方式也存在一些问题:

1) 无法准确测绘不规则曲面。

2) 难以实现大型零件的精准测绘。

3) 从测量到建模完成花费时间较长, 工作效率比较低。

但是, 人工测绘的方式存在着数字化设备建模无法取代的智能、灵活、分析的优势而在一些企业中得到应用。其优势在于测绘人员在对零件测绘的过程中能够反复琢磨、理解、分析产品的设计思想, 有利于在原始设计的基础上进行改进设计。同时, 在测绘过程中, 测绘人员能够理解产品的设计意图, 人为地排除因加工零件或安装变形产生的误差等不利因素。

Solidworks具有功能强大、易学易用和技术创新等特点, 可以实现零件建模、虚拟装配、仿真、工程图绘制等从设计到仿真的一系列功能, 因此在机械设计领域得到了广泛的应用。特别是家电行业、塑料模具行业, 是一种首选的工具平台。本文以ATM机中某功能模块为例, 对Solidworks在反求设计中的应用开展相关的研究。

1零件建模

从零件绘制难易角度出发, 将ATM机中的零件划分为以下几类:钣金件, 塑料件, 轴和轮类零件, 齿轮和皮带。

其中以钣金件和塑料件的结构最为复杂, 就总体结构而言, 钣金件通常承担着支撑、定位等功能, 其上分布大量孔、槽、折弯等特征, 在绘制的过程中, 除了要保证特征的完整之外, 更要保证特征位置的准确度;塑料件大部分为走钞通道板, 为了实现走钞的流畅, 塑料件往往形式多样, 包含大量曲面以及不规则特征。下面对这几类零件的绘制分别说明。

1.1钣金件的绘制

Solidworks中有专门的钣金绘制工具, 包含基体法兰, 转换到钣金, 放样折弯, 边线法兰, 斜接法兰, 褶边, 转折, 折弯等功能。钣金件上特征多且复杂, 因此按照一定的绘制顺序能够使钣金件的绘制事半功倍。首先, 绘制基体法兰, 选取钣金件中的主干部分进行绘制。然后, 在主干的基础上, 绘制折弯特征, 主要通过钣金工具栏中的边线法兰和斜接法兰实现。在这里值得一提的是, 边线法兰在生成折弯时, 只能够形成平面类折弯 (图1) , 而斜接法兰则可以通过绘制特征横断面 (图22) 来形成包含曲面或具有复杂结构的折弯 (图3) 。最后, 通过拉伸切除等工具, 对钣金件上的孔、槽类特征进行绘制。按这样的顺序可以避免特征的遗漏, 同时便于特征的查找和修改。

1.2 塑料件的绘制

为保证塑料件的强度, 在设计时, 通常增加筋板类特征, 这也是导致塑料件 (图4) 特征复杂的原因之一。因此, 在绘制塑料件时, 首先通过拉伸工具绘制出塑料件的最大外形轮廓。然后, 通过拉伸切除, 去除多余材料, 形成准确的外形轮廓特征, 并利用抽壳等工具, 完成筋板类特征的绘制。最后, 利用拉伸切除等工具, 进行孔类和槽类特征的绘制。

1.3 轴和轮类零件的绘制

轴和轮类零件一般为回转体, 特征简单, 形状规则。一般利用拉伸的方式就可生成。特殊的, 直径变化的滚轮, 可通过旋转工具, 先生成旋转轮廓曲线 (图5) , 再使其绕轴旋转360°即可 (图6) 。

1.4 齿轮和皮带类零件的绘制

齿轮有标准齿轮和变位齿轮, 在绘制的时候, 可以在Solidworks中利用公式绘制出齿轮的渐开线齿廓, 通过圆周阵列对单个齿廓进行复制, 生成所需齿数, 最后经过拉伸就可绘制出齿轮立体模型。但是这种方法较为复杂。利用Solidworks插件geartrax软件 (图7) , 通过定义齿轮的模数、齿数、变位系数等参数, 可以快速准确的实现标准齿轮或变位齿轮的绘制 (图8) 。皮带的绘制是在装配体中, 当皮带轮的位置确定后, 在装配体中, 通过“插入———装配体特征———皮带/链”, 出现皮带/链设计的工具框, 选择皮带轮与皮带接触的表面, 选择生成皮带零件并确定, 即可生成皮带轮廓, 在装配体的设计树中打开生成皮带零件, 对草图轮廓进行拉伸, 生成薄壁特征, 完成皮带绘制 (图9) 。

除此之外, 在零件绘制中还需注意的几个问题:1) 草绘基准面的选择。对于结构对称的零件 (例通道板、传动轴等) , 尽量以右视面作为其对称面, 便于装配;对于不对称的零件 (例支架板) , 尽量根据其在装配体中的位置, 选择与装配体中整体基准相同的基准面作为草绘基准面。2) 草绘的完全定义。Solidworks软件不同于其他软件的特点之一就是当草绘欠定义时 (图10) , 仍然可以退出草绘并对该草绘进行拉伸等操作。这样产生的后果就是:当完成建模后, 若对模型中某一特征的草绘进行修改, 其他特征会由于其自身草绘欠定义而在修改时同时发生变化, 最终导致整体的建模失败。因此, 在草图绘制后, 应对草图中的每个线条增加尺寸标注或约束, 使其完全定义 (图11) , 然后再对草图进行拉伸等操作。

2 虚拟装配

ATM机结构复杂, 在装配时, 通常需要注意以下问题:

1) 装配顺序:从制造、加工的角度看, 任何机械都是由若干单独加工制造的单元体———零件组装而成。但是从机械实现预期运动和功能的角度来看, 并不是每个零件都独立起作用。每一个独立影响机械功能并能独立运动的单元体称为构件。构件可以是一个独立运动的零件, 但有时为了结构和工艺上的需要, 常将几个零件刚性地联接在一起而组成构件。因此在虚拟装配时, 通常是先进行构件的装配, 然后再将构件安装到功能模块中, 最后在实现由功能模块到整机的装配。这样装配的好处在于各部分的装配关系一目了然, 便于查错和修改。

2) 配合参考的选择: (1) 机架类零件是固定的, 因此在装配时, 应首先确定机架类零件的位置, 选择配合参考时, 尽量选择虚拟基准面 (即前视, 右视, 上视基准面) 。 (2) 构件装配时, 通常要根据该构件与机架或其他构件产生的配合关系, 选择运动副中相接触的实体表面 (例如面、孔等) 作为配合参考。

3) 测绘基准选择:测量零件的基准, 尽量和装配基准一致, 这样一是可以比较方便的测量大部分尺寸, 再就是避免测绘基准与安装基准不同而导致的误差。

4) 干涉检查:完成一个组件的装配后, 要进行干涉检查。在command manager中, 选择“评估”栏目中的“干涉检查”, 可以检测出装配体是否发生干涉以及干涉区域的大小。干涉检查可以迅速准确发现零部件实体在装配时结构上相互冲突的地方, 便于设计人员对零部件修改, 同时可以避免实际生产加工时因干涉问题造成的安装问题。

3 工程图绘制

Solidworks可以实现直接由三维图到工程图的转换。选择“文件”中“从零件制作工程图”或“从装配体制作工程图”可以进入工程图绘制, 同时还可进行尺寸的标注等一系列操作。在保存工程图文件时, 选择不同的保存格式 (例:dwg, dxf等) 还可实现测绘数字模型与其他制图软件或分析软件之间的数据交换。

4 结论

利用Solidworks软件可以很好地实现从零件建模到虚拟装配再到虚拟样机的检查分析等一系列功能, 提高了设计质量, 为样机的制造提供保障, 减少资源浪费, 缩短了产品的研发周期。

利用人工测绘与数字化建模设备测绘的混合工作模式, 可以提高工作效率, 和测绘精度。让设计、测绘人员将更多的精力放在基准分析、精度要求、误差设定、材料选择与性能指标要求、制造工艺过程选择等技术核心工作。而不是重复的测量基础工作。

参考文献

[1]蔡勇.反求工程与建模[M].北京:科学出版社, 2011.

[2]胡仁喜, 刘昌丽, 等.Solid Works 2013中文版从入门到精通[M].北京:机械工业出版社, 2013.

[3]北京兆迪科技有限公司.Solid Works钣金件与焊件教程[M].北京:机械工业出版社, 2013.

纺织机械共轭凸轮反求设计研究 篇7

关键词：共轭凸轮,设计,分析,优化,运动

0 引言

凸轮作为许多机械设备中的关键零部件,其优点主要表现在可实现分度运动、间歇运动、较大运动升程要求或其他任意复杂反复循环运动要求等,且机构紧凑、性能可靠同时适应能力强。剑杆织机是利用机械引纬方式的无梭织机,自从剑杆织机问世以来,提高剑杆织机的速度始终是设计者追求的目标之一,特别是针对剑杆织机引纬和打纬共轭凸轮机构的优化以及改进设计直接影响剑杆织机性能,因此研究织机打纬和引纬对织机高速化具有重要意义[1]。剑杆织机中广泛采用共轭凸轮式打纬机构,它是两组完整的凸轮机构,构件间相互刚性连接,分别控制同一从动件运动规律中的推程和回程,实现打纬机构中将纬纱推向织口与经纱交织从而形成织物的过程。国内的凸轮设计和制造技术水平与国外相比还有一定的差距,特别是对于共轭凸轮的轮廓曲线设计以及凸轮轮廓曲面的制造。共轭凸轮应根据剑杆的运动特性和动作配合要求来设计,本设计采用逆向设计的思维进行凸轮轮廓的设计,然后进行曲线和曲面的功能优化分析,对于提高凸轮设计与制造的效率、质量,缩短凸轮研制的周期,降低凸轮零配件的成本加强技术改造和创新起到了积极的作用。

1 共轭凸轮反求设计方法

在凸轮逆向设计的过程中,通过测量得到反求凸轮的三维点云数据,然后将测量数据转换为数模,设计完成后对凸轮机构进行运动规律分析从而在虚拟环境下得到凸轮机构的运动规律曲线,凸轮曲面在复制的过程中凸轮曲面本身的表面缺陷和测量点的误差都会完全复制到新产品上,对产品的性能产生影响,甚至造成逆向设计的产品不能满足实际的运动要求,造成产品逆向设计的失败[2]。在凸轮逆向设计的过程中通过运动规律判定凸轮机构设计的缺陷,改进凸轮机构的轮廓曲线并修正设计的缺陷,以满足共轭凸轮原型所具有的设计与加工特征,结合运动规律反求的数学模型得到共轭凸轮机构的真实运动规律,凸轮逆向设计后将实际运动规律曲线转化为无量纲运动规律曲线,从而判断出运动规律类型。

2 共轭凸轮点云处理与曲线构建分析

三维点云数据采集通常采用专用的数据采集设备来测量得到产品实物模型表面离散点。常用的三维点云数据采集方法有接触式和非接触式。由于本课题研究的共轭凸轮对产品外轮廓曲线精度要求较高,其他表面均为规则曲面,本设计采用接触式三坐标测量机进行共轭凸轮模型表面数据的采集,再使用逆向设计软件提供的曲面造型与分析功能完成共轭凸轮曲面模型重构、评价、改进,最后实现共轭凸轮的再制造。利用三坐标测量机进行共轭凸轮数据采集,如图1所示。测量所得到的数据不可避免地引入设备误差和测量误差,尤其是尖锐边和边界等,本课题的共轭凸轮是剑杆织机打纬机构的关键部件,对精度要求较高,因此,还需要对测量得到的点云数据进行预处理主要包括:去除噪声点、去除冗余数据、数据插补、数据光顺等[3],从而实现把凸轮的反求设计误差从它的原始数据中分离出来,再通过曲线、曲面质量分析可以及时发现缺陷、偏差、瑕疵等,使复制后的凸轮机构的工作性能不低于原设计的工作性能指标。测量后预处理后得到的共轭凸轮点云数据,如图2所示。

由于剑杆织机打纬机构共轭凸轮长时间高速运转,受到工况条件以及外界振动等因素影响会引起磨损,使凸轮轮廓曲率不连续,影响纺织产品的质量精度,因此需要对磨损的共轭凸轮进行再设计。但是,凸轮轮廓的磨损会造成反求设计的共轭凸轮与原始设计的共轭凸轮之间存在偏差,再加上凸轮的加工误差,精度不足将造成凸轮机构啮合不良,间隙过大或过小都将造成磨损,引起凸轮机构的异常振动与噪声,减少了机械有效的使用周期,磨损后的共轭凸轮经过反求设计后得到磨损后的凸轮轮廓曲线,在逆向设计软件中对该曲线进行曲率分析,共轭凸轮前后两个凸轮的轮廓曲线曲率分析,如图3所示,从图中可以看出凸轮轮廓曲率不连续,需要对该轮廓曲线进行优化设计,使反求设计后的凸轮轮廓满足原设计的功能。

3 共轭凸轮优化处理与机构分析

利用MATLAB工具对曲线上各测绘点的数据进行拟合,对碰撞力曲线中突变处的对应点数据进行样条插值,可对突变处进行修正,最后得到比较理想的共轭凸轮曲线。凸轮片进行光顺处理后的曲率分析,曲率分布有明显的改变,且基本符合光顺要求,优化后凸轮曲率半径曲线比优化前要平坦,凸轮片经光顺处理后的曲率分布,如图4所示。

凸轮经光顺处理后导入到Pro/E软件后进行凸轮机构装配,装配是运动仿真的前提保障,装配关系的正确与否直接影响着运动仿真的结果。装配前首先要确定各构件之间的运动副关系,然后通过选择构件和运动副组成机构,最后由各机构组成整机。本凸轮机构的元件只有两个凸轮片和推杆,而且各元件之间的约束关系相对比较简单,因此确定连接关系比较方便,确定好各构件间的运动副后添加凸轮副与伺服电机后进行机构模拟[4]。系统提供了完善的仿真和机构分析功能,产品导入Pro/E软件仿真模块后,确定好元件之间的装配关系,即可模拟模型的运动过程,可以动态地观察机构的运动状况,分析机构的运动轨迹、位移以及运动构件是否发生干涉等问题,验证机构设计的合理性,以便能够尽早发现设计中存在的问题,可以提高产品设计的成功率减少设计周期,凸轮机构装配结果如图5所示,在运动环境中,通过定义连杆、添加运动副对凸轮机构进行运动仿真和运动分析,通过仿真过程判断凸轮机构的运动结果是否与设计要求相一致,进而修改或完善凸轮的结构方案。如果机构比较复杂则应根据运动副中零件或组件的构成情况确定约束关系,然后进行正确的连接。

为适应高速运转的要求,共轭凸轮应具有精确的共轭精度,在凸轮高速运转时减少磨损与发热,进行产品制造前的机构运动分析是必不可少的。Pro/E机构运动分析功能模块系统提供的装配功能进行机构的装配,然后可以进入机构运动分析模块进行机构仿真与运动模拟。在该模块中,根据设计意图首先定义好机架并确定好构成运动副的零件或组件之间的连接,然后定义伺服电机,伺服电机在该机构中提供施加力或力矩,为机构提供指定的运动[5]。研究其机构的运动和动态性能,获得较好的特性参数,在满足凸轮机构原有整机运动学和动力学特性的前提下,对打纬机构进行优化再设计,可以很方便的对凸轮机构的动力学特性做进一步分析。最后执行运动,并对运动结果进行分析,针对本设计的凸轮机构升回程位移曲线如图6所示,凸轮连接轴的速度曲线如图7所示,打纬摆杆机构角加速度曲线如图8所示。通过分析共轭凸轮机构的位移、连接轴速度以及角加速度更有利于整机性能的提高,从而提升织机的工作效率。

从这些图形中可以看出,转轴速度曲线符合正弦曲线运动规律,打纬摆杆机构角加速度曲线在开始和终止的位置存在跃变,因此,该曲线的运动规律一般应在两端可做进一步的修正工作以更好地满足产品设计要求。该方法基于凸轮从动件的运动规律进行控制,在判断凸轮机构整体性能时较直观且操作方便,在机构运动分析中,可以选择机构中关键的运动对象来加以分析,本设计主要分析连接轴速度和摆杆角加速度,看其运动是否符合设计要求[6]。分析凸轮机构运动规律可以研究其上各点的轨迹、位移、速度、加速度等运动参数,不仅可以评价从动件的运动规律是否满足工作要求,还可以通过仿真结果,修改凸轮轮廓曲线或相应曲线参数来改变从动件的运动规律,测量出相关构件的位移曲线、加速度曲线、凸轮压力角的变化曲线等,为进一步的设计或改进提供直观的依据,作为凸轮设计的辅助手段,具有很强的实用价值。

4 结论

在三坐标测量机中获得的共轭凸轮原始测量点云数据进行处理分析,从检测的点云数据中提炼出来,生成凸轮外形轮廓进行优化处理,才能更好地保证反求设计的凸轮满足工作性能,为进一步研究凸轮机构的动力学提供理论依据。在进行机构运动仿真时通过对机构进行优化设计,更新装配模型,可以有效保证在生产凸轮之前使各项指标符合用户要求,保证了机构设计的可靠性,振动和噪声明显有所下降,达到了优化的目的。

参考文献

[1]王盛,张秋菊,李国良,等.剑杆织机打纬共轭凸轮机构分析及优化[J].机械研究与应用,2009,(04):107-110.

[2]李磊,张胜文,徐江敏.基于逆向工程的柴油机气道造型技术研究[J].制造业自动化,2011,(18):141-144.

[3]冯兰芳,夏兆义,王宏晓,等.白车身逆向造型及强度分析[J].制造业自动化,2012,(04):53-55.

[4]罗军,何勇,陈明,等.剑杆织机凸轮引纬机构运动分析与优化[J].纺织机械,2009,(02):13-16.

[5]闫向彤.基于Pro/E的凸轮机构的三维建模和运动仿真[J].组合机床与自动化加工技术,2009,(07):12-15.

反求工程 篇8

反求工程(Reverse Engineering，简称“RE”)。反求工程是以先进产品设备的实物、软件(图纸、程序、技术文件等)或影像(图片、照片等)作为研究对象，应用现代设计理论方法和有关专业知识进行系统深入分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发出同类先进产品。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺反求、管理反求等方面。在机械工程中，反求工程主要是指设计反求，它所面对的对象大部分还是实物，反求工程就是在现有实物到产品的过程，即对实物样件进行仿形测量，对样件进行数字化处理，得到其数据模型，然后将其数据模型传给反求软件进行CAD模型构建和修改，最后通过CAM生成NC代码，借助数控机床或快速成型制造出产品。

（二）测量工具

1. 常用的三坐标测量机：

触发式三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine，简称“CMM”) 是一类使用最为广泛的接触式测量设备，它是一种高效率的新型精密测量仪器，可以进行零件和部件尺寸、形状和相互位置的检测。有“测量中心”之称，其工作原理是：将被测工件放入其测量空间内，通过测头的检测，获得一系列与被测几何元素有直接关系的测头控制点坐标。在测得这些点的坐标位置后，再由软件按一定的评定准则算出这些几何元素的尺寸、形状、相对位置等。

2. 激光扫描测量：

激光扫描特点是速度快和不接触零件表面，数据采集点密集，适用于测量大尺寸的具有复杂外部曲面的零件。不足之处是激光照射的地方测量不了，对于突变的台阶和深孔结构易于发生数据丢失，同时对零件表面的色泽和粗糙度有敏感性。由于测量数据量大，因此数据处理要借助专门反求数据处理软件才能建立曲面模型。

（三）探测模式

1. 点位探测模式：

所谓点位探测，指的是由人工操作或由计算机控制，使测头逐点探测被测物体表面的方式，这种探测模式，即适用于触发式开关测头，也适用于测微式模拟测头，是三坐标测量机使用最多的探测模式。

2. 连续扫描模式：

所谓连续扫描探测，就是测头沿被测工件表面按照预先确定的速率运动并自动获取测量数据的一种测量模式。扫描测量的最大特点是数据采集率高，即在短时间内可以获取工件表面的大量数据。它适合于测量工件的表面的轮廓形状。

（四）模型的获得

由测量得到的点状数据得到CAD模型，根据不同的情况、要求以及采用的技术、软件，可以有多种途径：(1)对点状数据进行简单的简化及除杂处理后，直接进行三角化处理。(2)在二维数据上直接进行切片处理，用于快速成型等分层制造方法。(3)在通用CAD软件中进行重构操作。(4)用专用的曲面重构软件来完成曲面模型的重构工作

（五）其基本流程

（六）反求工程应用实例

图1为某车型车门内板，大体尺寸为1000mm×590mm×140mm，该零件的特点为多岛、多坑、尺寸大、多处为混合的复杂曲面以及曲面形状变化多样。

1. 测量工具

龙门式三坐标测量机，型号：G-90C 6-5-4;

主要性能：行程X=610mm, Y=508mm, Z=406mm，精度R=2.0μm。

2. 测量方式

考虑到汽车内板的多岛、多坑、尺寸大、多处为混合的复杂曲面的特点，采用点位探测模式。首先为了使得所测点数据明确，方便造型时点数据的处理，对所测点进行了逐点编号。见图2，测量时按照所编顺序测量，而且考虑测量机的行程不够，在测量时要对零件进行移动。为了保证零件相对于原基准准确移动的坐标只有X、Y方向的变化，采用三根螺栓把零件支撑，见图3，从而保证了高度方向移动前后无变化，最后进行测量。

3. 数据的获得与处理

(1)数据的获得：测量机采用的是LK公司的LK-DIMS测量软件，共对零件表面测量了534个关键数据点，点位探测模式所测的点只能以记事本的报告形式输出三维坐标值。

(2)数据的处理：在测量时，由于测量误差的存在，另外由于偶然误差或者随机误差的出现，有可能使得测出的数据点明显偏离原来的设计意图，即出现坏点，也有可能在用线段对测量的数据点进行连接的过程中，出现重叠现象。这时就需要对测出的数据点进行处理，修正坐标值、剔除坏点及不必要的重叠线，为后续曲线的光顺做准备。 (1) 反求数据过滤：反求数据过滤的常用方法有均分法、间距法、弦长法。均分法需要依据数据点排列的顺序，按照每间隔n (n由用户指定) 个点保留一个数据点的原则进行数据过滤。故它只对有序数据点过滤有效。间距法的原理是过滤掉与某点距离在指定的距离公差内的数据点，此法对各种类型数据都有效。弦长法按最大偏移量和最大跨距两个因素过滤数据点，适用于扫描线类型数据点的过滤，可实现在数据点较平坦的地方过滤较多的点在数据点曲率变化较大的地方保留较多的点，这种过滤方法有利于点云特征自动提取。 (2) 噪声点的滤除：最简单的方法是手工删除，即通过图形界面显示，人工判别明显的噪声点，并将它们从数据系列中删除。 (3) 本次反求数据处理方法：在测量时，由于先选取点，然后再进行测量。所以选取的点都是有效点，无需过滤，而且几乎没有噪声点，处理起来相对容易。

（七）车门内板的曲面建模

1. 软件简介：

UG是美国UGS公司的主导产品，是全球应用最普遍的计算机辅助设计和辅助制造的系统软件之一，它广泛用于机械、汽车、航空航天、电气、化工以及电子等行业的产品设计和制造分析中。UG自由曲面建模模块独创地把实体和曲面建模技术融合在这一组强大的工具中，提供生成、编辑和评估复杂曲面的强大功能.UG 3.0采用的是NURBS曲线曲面造型, 能够方便地对反求特征曲线进行调整，调整特征曲线的局部某个数据点时不会对整条曲线和曲面造成影响，使得对测量数据和特征网格线进行优化的工作可以顺利而快速地进行;UG 3.0中的曲线和曲面分析功能也很强大，能够迅速分析出反求曲线和曲面的曲率变化，判断其大质量;UG3.0提供了很好的曲面边缘约束功能，保证了各反求曲面之间的光顺连接。

2. 数据的读入和处理：

(1)数据的读入：由于测量数据生成报告只是以坐标值输出，所以要用UG的点构造器逐点输入，这些点都是内板边缘轮廓、重要特征位置的点。(2)数据的处理： (1) 点的处理：启动UG造型软件，在主菜单栏上点击数据优化—点云处理菜单，弹出数据优化处理模块界面，选取要处理的点，优化处理后再利用UG进行曲线和曲面的创建。由于零件已被破坏存在误差以及测量时产生误差，使得原来一些在设计意图上共面或平行的特征在实际测量出来后有所偏差，因此要利用UG的投影命令进行处理。 (2) 曲线的处理：从反求工程的角度来讲，曲线的构建是非常重要的。曲线外形构建的好坏，会影响后续曲面模型的重建。曲线构建采用的方式为边界曲线方式，即选取所判定的边界点，并利用这些边界点来重新拟合出曲线，这样在执行点数据曲面重建时获得更佳的重建效果。 (3) 曲面的处理：以边界为中心的曲面重构方法。由于曲面间的连续性主要由边界附近的性质决定，实际重构工作中大量的精力也花费在对边界的处理上，故将该方法命名为“以边界为中心”。采用以边界为中心的方法时，曲面重构的基本步骤是区域划分、曲面拟合和曲面拼接。其中，区域划分生成单独点云区域，曲面拟合生成曲面并保持曲面和区域在边界处空间位置上和曲率特性上的一致性，曲面拼接则针对曲面间连续性做进一步处理。A.在造型时，把曲面分成几部分，然后进行每一部分的造型，最后利用曲面的光顺过渡方法实现片体的联接，如图4示。B.对各部分的曲面进行造型，如图5～图17所示。C.部分曲面创建完后，利用曲面桥接、N边曲面、曲线网格等对片体局部进行修改，完成所有造型，如图18示。

（八）结论

在车门内板的反求过程中，有以下几点是很关键的。

1. 模型特征点的选取。

在测量前，选好特征点，对特征点进行编号，特征点必须方便后面的造型，而且符合模型本身的特征。

2. 在建模时的曲线的重建。

曲线外形构建的好坏，会影响后续曲面模型的重建，边界点的选取就非常重要。

3. 在建模时，各个曲面的桥接。

各个片体分别造型，然后利用曲面的桥接来得到一个完整的模型，那么，在桥接时，要考虑桥接后的形状要符合模型本身的形状特征。

参考文献

[1]李毅.基于的多曲面连接算法及其在二次开发中的实现[J].上海交通大学.

[2]王建才.三坐标测量机在机械反求工程中的理论与实验研究[J].河南工业大学.

[3]齐天鹏.自由曲面反求中的精度问题研究[J].上海交通大学.

[4]唐炳涛.基于反求工程的数据处理与曲面重构[J].山东大学.

反求工程 篇9

1 快速成型技术的基本原理

基于材料累加成型思想的快速成型 (RP, Rapid Prototyping) 技术可以自动而迅速地自接三维CAD模型加工三维实体原型, 基于快速成型技术的快速模具制造 (Rapid Tooling) 技术能使快速成型技术获得真实材料制作的样品。在新产品开发及单件试制、小批量产品生产中, 快速成型技术与快速模具制造技术的集成, 显著地提高了产品的研发效率, 节省研发经费, 有效提高企业的市场竞争力。为了有效的发挥RP技术与RT技术的优越性, 实现CAD/CAM/CAE及RE/RT/RP的系统组合, 创建产品快速研发与生产系统, 其将有效地加快产品的研发与研发质量, 而且有效地降低研发费用。

2 快速成型技术的优点

1) 快速成型作为一种使产品雏形可视化的重要方法, 计算机辅助设计零件的实物模型可以在很短时间内被加工出来, 从而可以很快对加工能力和设计结果进行评估。

2) 由于快速成型技术是将复杂的三维型体转化为两维截面来解决, 因此, 它能制造大量复杂型体的高精度零件, 并且无须任何工装模具。

3) 快速成型作为一种重要的制造技术, 采用适当的材料, 这种原型可以被用在后续实际生产中而获得最终产品。

4) 快速成型操作可以应用于模具制造, 可以高效、低成本地获得生产模具。

5) 产品制造过程几乎与零件的复杂性无关, 可实现自由制造, 这是传统制造方法无法比拟的。

3 反求工程与快速成型技术

快速成型技术是20世纪80年代末期产生和发展起来的一种从三维CAD模型设计到原型、零件加工的新型制造技术, 是计算机辅助设计、计算机辅助制造、计算机数字控制、激光、新材料和精密伺服等多项技术的发展和综合。

RP技术主要应用离散、堆积原理。任何产品都可以看作是许多等微分的二维平面轮廓沿某一坐标方向累积而成。根据材质及成型方式的不同, 快速成型设备主要有光固化立体造型设备、分层实体制造设备、选择性激光烧结设备、熔融沉积造型设备和三维印刷工艺设备等。快速成型材料主要有树脂类材料、石蜡、金属、陶瓷材料及其复合材料。

在产品的开发和制造过程中, 有许多产品不是由计算机辅助设计模型描述的, 设计和制造者必须从实物样件获取相关参数来建立新的产品的数学模型, 进而研发出同类的先进产品, 这种技术就是逆向工程 (RE, Reverse Engineering) , 又称“反向工程”或“反求工程”。RE技术与传统的产品正向设计方法不同, 它是根据已存在的产品或零件原型构建产品或零件的设计模型, 在此基础上对已有产品进行功能剖析、理念理解, 并进一步进行相应改进, 是对已有产品的消化吸收再创新设计思路。其主要目的是将原有的物理模型转化为工程设计思路或概念并最终创造性的设计出新产品的数字化模型。在制造领域反求工程通过对实物的测量构造出实物的具体几何模型, 得到实物的CAD数据模型, 再根据实物的具体要求进行相关改进和制造数控加工的快速原型。该技术目前被广泛应用于车辆、航空、船舶、模具、铸造等众多领域。反求工程中测量系统应用的主要方法有三坐标测量法、投影光栅法、激光三角形法、核磁共振法、CT扫描或断层扫描法等。

RE在RP中的应用主要是借助于CAD系统来转化成STL文件 (Stereo Lithography File) , 通过反求得到的方向性分层面的轮廓数据并自接至驱动RP设备微分累积而成三维实体;利用反求技术来重新构造出实体模型, 用一种“短平快”设计方法进行新产品研发, 为企业产品革新注入新活力, 特别为重小企业提供很大帮助。

4 系统的基本结构及功能

基于RE/RP技术的产品快速设计与制造系统是集工业设计、三维CAD技术、反求工程、结构设计与优化设计、工艺仿真、快速原型制造、快速模具制造和快速产品制造等为一体的一个集成设计与制造系统。该系统逆向设计与制造的主要流程是产品实体、反求工程、曲而拟介、三维CAD造型、快速原型、结构设计与优化、工艺分析、快速模具制造与快速产品制造。

该基本功能如下:

4.1 基于R E的产品结构快速测绘

产品结构快速测绘是对现有的样品 (实物或模型) , 采用先进的测绘设备测得实物的外形轮廓的几何参数, 并应用CAD软件进行建模、编辑和修改补充, 生成三位而面片文件格式的三维模型。通过对该模型的拟合处理和切片处理, 从而生成数控代码, 加载数控程序到RP系统进行原型的叠层制造。

4.2 基于CAE的产品结构设计与分析

产品结构设计与分析是指应用CAD/CAE等先进计算机技术对产品进行结构设计分析、装配分析与仿真模拟。

4.3 基于R P的产品实物样件快速制造

产品实物样品快速应用, 快速成型设备实现新产品的开发设计、快速评估、功能检验、样件快速制造以及仿真制作等。

4.4 基于R T的小批量产品快速定制

快速模具制造 (RT, Rapid Toolibng) 技术是融介新型材料应用、快速产品实物制造技术、快速翻制工艺以及数控加工等新技术、新工艺的新型技术。快速模具制造主要包括硅橡胶浇注法、金属喷涂法和树脂浇注法、熔模铸造法、电火花加工和陶瓷精密铸造法等。快速模具制造主要的设备有真空注塑设备、电加工成型设备和金属喷涂设备等。

5 产品快速设计与制造系统的构建

产品快速设计与制造系统通过产品数字化设计, 产品的结构分析, 成型工艺仿真, 原型、模具及产品快速制造的集成, 可以快速完成产品设计, 并有效地确保所设计产品具有最优的结构和良好的工艺性, 显著降低产品的研发成本, 压缩了研发周期, 从而获得显著的市场效益。产品造型软件、结构分析软件和工艺仿真软件需要优越的计算机工作站支持, 以满足其对图形处理及运算速度的要求。主要的计算机工作站有IBM公司的M-Pro工作站等。

6 产品快速设计与制造系统的应用

基于RE/PR技术的产品快速设计与制造系统的应用主要有产品实物样件快速制造和小批量产品快速定制。通过对实物反求得到滴头模具CAD模型, 然后通过RP技术实现原型微分累积制造, 从注塑角度分析, 以注射模作比照, 基于SL (Stereo Lithography) 原型的滴头注射有以下特点:原型与蜡模相比, 高温变形温度高;SL原型与型壳焙烧同时进行, SL原型被汽化掉, 小需要脱模。因此RP与精密铸造技术相结合, 产生了快速精密铸造技术。

7 结语

RE/RP/RT技术是产品快速设计与制造系统的核心技术, 同步工程、虚拟技术、快速模具、反求工程、快速成型、网络相结合而组成的快速反应集成制造系统, 将成为设计与制造新技术主要的发展方向。从以上论述可以看出, 快速成型技术及以其为基础的快速模具技术在企业新产品的快速开发中有着重要的作用, 它可以极大地缩短新产品的开发周期, 降低开发成本, 对所有企业都是一个特别有效的研发平台, 特别是对资金紧张, 融资困难的中小企业在产品研发提供了一个有效的技术方法, 它降低研发风险, 是整个市场主体有了进一步创新活力, 该项技术必将得到广阔的应用与发展。

参考文献

[1]刘之江.反求工程[M].北京:机械工业出版社, 1996.

[2]刘伟军.快速成型技术及应用[M].北京:机械工业出版社, 2005.

[3]于哲峰, 张国忠, 赵宇明等.机械设计与制造CJ7, 2005.