逆向工程论文逆向工程技术.doc

1、目 录前言1第一章 绪论21.1 引言21.2 课题提出的背景和意义21.3 研究内容41.31逆向工程的设计制作过程41.32逆向工程的流程框图41.33原型（样品）51.4 本文的结构5第二章 原型（人脸）外壳点云的获取62.1测量方法62.2测量方法一72.21测量设备（三坐标测量仪）简介72.3测量方法二122.31测量设备二简介122.32方法二测量过程（影像仪）132.4测量结果分析14第三章 原型(人脸)点云的预处理及曲面重构153.1 处理软件介绍153.2点云数据的预处理163.21 点云163.22噪声识别与去除163.23 数据补全173.24数据的平滑和光顺173.25

2、点云的重新定位和整合183.3曲面重构的理论基础和具体过程183.31曲线数学基础183.32曲面数学基础183.3.3曲线构建技术193.3.4模型的曲面重构的具体过程193.4模型误差分析及修正23第四章 实体建模及加工254.1实体建模软件介绍254.2数控设备介绍264.21加工中心介绍264.22 MasterCAM软件介绍274.3模型实体化274.4加工模拟及自动编程284.41进入UG加工模块284.42创建父节点组294.43创建加工344.44后处理并输出NC程序384.5数控加工38第五章 质量评估与检测405.1误差的分类405.2数据采集过程中的误差影响因素405.3

3、 影响数控加工误差的因素415.4样件测量与检测425.5总结44第六章 结论45致谢47参考文献48- II - 前言随着经济社会的快速发展，各式各样的新兴学科不断涌现，并且已经在社会生产制造和实际生活中得到了大量应用。逆向工程技术正是如此，在仅十年之前，这个词语还是很陌生的，而现在已经广为人知，基于逆向工程设计思路的3D打印机（快速成型机）更是火遍大江南北。逆向工程技术的概念是相对于传统的正向工程的设计思路而言，逆向设计是基于原型的再设计，不是单纯的复制，而是对原型的一种升华。传统的工业产品的开发均是遵循着序列严谨的开发流程，从功能和规格的确定开始，构思产品零部件的性能要求，到部件的组装，

4、性能测试等1。而逆向工程的出现颠覆了这一固定不变的形式，直接通过采集目前已有产品的数据，建立数字模型后，直接加工出产品。逆向工程技术大大缩短了产品技术开发的时间，为新产品提前抢占市场赢得了宝贵的时间。近年来逆向工程的发展领域也变得越来越广，不单局限于模具制造行业，更是拓宽到了医学和文物复原等新兴领域。从逆向工程技术出现至今已经有数十年了，逆向工程的设备也伴随着制造技术的的发展而提高，数据采集系统（测量仪）已经发展为多个系列数十个型号的成熟设备；软件技术经过多年的更新换代，也已经基本完善。但是在金属加工方面，快速成型加工的成本过高，未来还需要再研究开发。逆向工程的技术也存在一些问题，囿于现在的工

5、业制造水平以及过程中的一些人为操作带来的误差，使得应用逆向工程方法制造的模型在精度上还不能够满足产品日益增长的精度要求。本文同以往的研究有所不同，不再只讲究理论研究，而是侧重于实际设计制造中的一些问题。通过本文的研究，不但可以了解整个逆向工程的流程，更能从中学习如何使用一些专业设备或软件。通过设备的实际操作，更好的理解设计的实际意义和内涵，发现一些理论研究无法发现的问题。当前产品设计越来越追求个性化，市场上小批量产品呈现增长趋势，所以逆向工程的技术应用在未来会更广。我国长期以来是一个制造大国而却不是一个制造强国，通过逆向工程技术吸纳国外先进的设计技术将变成一种快速发展的好方法，相信在不久的将来

6、，我国的工业设计水平将会有大的飞越。第一章 绪论1.1 引言逆向工程，又称为反求工程，实际就是一种产品技术的再现过程。在科学技术发展日新月异的今天，缩短研发周期，是提高企业竞争力的一个重要办法。通过逆向工程的方法可以实现对市场上已有产品的二次开发，快速消化关键技术，并在原有基础上不断提高，为新产品快速投入市场赢得时间，大大提高了企业的市场竞争力，正因此逆向工程技术得到了广泛的应用。1.2 课题提出的背景和意义 （1）逆向工程的发展历史“逆向工程”作为学术术语的提出，出现在上个世纪六十年代。但在此之前，其实逆向工程的思维和人类历史的发展是同步的。早期人类通过模仿动物而制作拥有一些类似特点的工具甚

7、至机械，这些都可以理解为逆向工程。现代逆向工程技术实际萌芽于二十世纪八十年代，这段时间内，欧美很多国家的学校和工业设计方面的专家开始关注该领域。九十年代以后，逆向工程的研究如雨后春笋，甚至包括台湾，日本和韩国在内的亚洲国家及地区，各国学术界团队大量投入到逆向工程的研究中并取得了显著的成果2。当下，有关逆向工程技术的研究倍受企业的关注。尤其是随着计算机技术和测量技术的快速发展，利用CAD/CAM或者快速成型机（3D打印机）实现快速高效的设计制造，已经使得其成为一个热点。（2）逆向工程结构的组成逆向工程技术的硬件条件数据信息的提取是逆向工程设计的重要内容。目前较常采用的是较为先进的三坐标测量机和激

8、光扫描仪。在实际测量时，应根据测量对象的特点以及设计工作的要求选择合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如材质硬度较大且形状简单的应用接触式扫描仪，但在对一些较软且薄的模型时，应当选非接触式测量方法。加工制造也是逆向工程的重要单元，目前最常用的是采用数控机床或者快速来完成。具体的选择要根据产品的要求，例如模型外形较为简单但是对硬度有一定要求，一般采用数控加工，因为可以轻松制造金属为原材料的模型，相比3D打印，成本较低。但是形状较为复杂时，则一般用快速成型的方法。逆向工程技术的软件条件全球四大逆向工程软件分别是，由美国的EDS和RainDrop公司分别出品的imageware 和Gemagic

9、Studio ，英国DELCAM公司出品的CopyCAD和韩国Inus公司出品的的RapidForm。用户可以根据各自的设计特点选择不同的软件。（3） 逆向工程的应用领域随着逆向工程技术的发展，其应用领域大大拓宽。但最主要的应用还是在模具行业，逆向工程技术大大加快了模具的开发时间，给相关企业快速抢占市场提供了宝贵的时间。逆向工程技术最近也应用于生物医学领域，例如借助工业CT技术可以为病人制造头部模型，为医生手术作参考，大大提高了复杂手术的成功率。逆向工程还广泛用于修复破损的文物、艺术品等。（4）逆向工程的发展方向 数据测量方面：开发逆向工程的专用测量设施，能够快速、准确的实现产品几何外形的三维

10、数字化，并能实现自动测量和规划路径。 数据的预处理方面：针对不同测量设施得到的不同种类的数据，开发一种通用的数据软件，改进当下的数据处理算法，提高数据的处理能力。 曲面拟合：能实现对曲面的光顺性和光滑的桥接的控制，提高曲面的拟合质量。 集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术的逆向工程。（5）课题的目标及意义本课题通过制作人脸模型这一过程，加深对逆向工程的理解。探寻逆向工程技术目前还是存在一些问题，通过实际操作寻找这些问题产生的原因，思考解决的方法，使得这项技术日臻完善。1.3 研究内容1.31逆向工程的设计制作过程(1) 原型的数据化采用三坐标测量机来采集

11、原型表面的空间坐标值。(2) 从采集的数据中分析物体的几何特征根据数据的特征来区分、再通过几何特点和甄别方法来分析原型的设计及加工特征。(3) 原型的三维模型实体化通过逆向工程软件实现曲面重构，通过UG软件实现三维模型实体化。(4) 模型实物的加工首先利用CAD/CAM软件生成加工程序，然后通过CF存储卡将程序直接导入加工中心，接着直接执行程序。如果程序过大，也可进行DNC加工。(5) 检测实体模型的精度利用三坐标测量机或者光学测量仪进行表面的扫描测量，并导入逆向工程软件，使用相应功能进行分析，得到相应的对比图。1.32逆向工程的流程框图图1.1 流程框图1.33原型（样品）样件（人脸原型）是

12、采用快速成型的方法加工得到的，材料为纸类。外形特征为人脸，如下图1.2所示。图1.2 人脸原型1.4 本文的结构本文以逆向工程研发工程课题作为应用背景，对模型复制技术进行了设计，全文共分为六章，各章主要内容如下：第一章扼要地介绍了逆向工程的概念、特点与相关研究背景；第二章研究了如何获取原型的点云；第三章对点云的处理和曲面的重构进行了研究，给出并讨论了处理方法；第四章主要研究了实体的建模及加工的方法；第五章主要是对制造出的模型的质量评估；第六章总结了全文的研究工作，给出了存在的问题和进一步研究的方向。 第二章 原型（人脸）外壳点云的获取2.1测量方法数据采集是指通过某种测量方式和测量设施获取实物

13、原型表面的几何坐标的方法，测量方法可分为接触式和非接触式，而测量系统与物体的作用不外乎光、声、机、电、磁等方式3。数据采集时要特别注意测量精度、测量方式、数据测量点的分布和数量以及测量过程中的人工失误对后续CAD模型重构的影响。接触式测量，是利用测头上的传感器与样件表面接触并记录它的位置信息。传统的三坐标测量机是接触式测量的典型三维数据采集设备，在逆向工程应用的初期，CMM是实物三维数据获取的主要方法；采用非接触式方法测量时测头不需要接触样件表面，它是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象来获取物体表面的三维信息4。最常见的设备是光学测量仪。接触式包括基于力变形的触发式和连续式数据采集；而非

14、接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光法、图像分析法等5。接触式和非接触式测量方法，因其原理的差别，表现出不同的特点，因而自然他们有各自的优缺点，所以应用的范围也有很大差异。接触式测量方法的优点:(1)因接触式测头机械结构与电子系统已相当成熟，固有较高的准确性。(2)与样件表面的反射特性、曲率、颜色关系不大(3)可精确的测量出物体的特定几何形状接触式测量方法的缺点:(1)需逐点测量，所以测量速度较慢。(2)测量前还要做半径补偿(3)接触力大小会影响测量精度(4)不当的人为操作容易影响重要部分的表面精度(5)无法测量较小的内孔或者凹槽。非接触式测量方法的优点:(1)不必做探头半

15、径补偿(2)测量速度快，曲面获得容易(3)无接触力，不会损害重要表面精度非接触式测量方法的缺点:(1)测量精度相对较差(2)易受样件表面颜色和曲率的影响(3)陡峭面不易测量(4)边界及凹坑不易测量综上所述，不难看出，接触式测量适合规则的几何体，且表面不容易损坏的物体。而非接触式，则适合比较复杂的不规则曲面，但是最好没有陡峭面。本次课题的样件应当是属于复杂的曲面显然是后者更适合，但由于样件(人脸)的鼻尖部分较为陡峭，也为了更好的了解两种测量方法的特性，所以最终决定，采用两种测量方法各采集一次，进行比较后，选择较为合适的点云，来进行下一步的曲面建模。2.2测量方法一2.21测量设备（三坐标测量仪）

16、简介 仪器名称：三坐标测量仪 仪器厂商：美国 BROWN&SHAPE 技术指标：扫描测量范围 700*700*500 仪器型号：MISIRAL775 仪器用途：用于零件测量三坐标测量机简称CMM，是二十世纪六十年代才发展起来的一种新型、高效的机电一体化设备，近几年来发展更是迅速。三坐标测量机的基本原理，就是把所要测量的物体放于三维坐标测量的空间，能得到所测样件上各测点的坐标位置，通过这些点的三维坐标值，把这些点的坐标数值通过计算机进行处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥和曲面等，经过数学计算的方式得出它的形状及位置公差及其他几何数据6。图2.1三坐标测量机外观图2.22方法一测量过程(

17、1)启动三坐标测量机三坐标测量机是由测量机和计算机两部分组成，测量机还附属有一个气动装置来为测量机提供所需动力。具体步骤：摁下计算机和测量机电源按钮，打开测量机、计算机旋转气动阀门开关，气动装置开始供气。摁下遥控上的“加电”按钮，测量机启动。(2)正式测量前的准备工作具体步骤：将样件（人脸）用双面胶固定在平整的金属板上。将板块平行置于测量机的大理石工作台上并将其固定好。双击计算机桌面上的PC_DMIS快捷方式，打开该程序。设置其名称为5555，单机【确认】，如图2.2所示。图2.2 新建程序对话框设置测头文件，如下图2.3所示。图2.3 测头对话框在手动状态下，通过测量机手柄遥控使探头与校验球

18、的顶端接触，然后按下遥控手柄上的【DONE】按钮。测量机按设置的测头文件，校验测头。(3)建立样件的坐标系要在零件上建立三轴垂直坐标系，测量仪软件首先要利用面元素确定第一轴，因为面元素的方向矢量始终垂直于该平面的，当我们利用投影到该平面上的一条线来建立第二轴时，第一轴和第二轴绝对是垂直的，至于第三轴你就不用再建了，由软件自动生成垂直于前两轴的第三轴。建立坐标系的方法有两种，第一种是“3-2-1”建坐标系法，第二种是迭代法建坐标系法。两种方法适合不同的场合，此步骤我们采用第一种方法。具体步骤：在手动状态下，手动遥控探针依次选择探头选择样件的垫块（金属板）上端面的三个点(不要过于集中)。选择垫块侧

19、面上的两个平行的点。选择与刚才所侧面相连的侧面上的一点。建立坐标系，单机【插入】【坐标系】在如下图2.4界面，设置相关参数。图2.4 坐标系对话框(4)开启扫描扫描的方法有多种，根据不同需求可自由选用，此步我们选择闭合路径和片区两种。具体步骤如下：单机 【插入】【扫描】【闭合路径】打开DCC模式手动选择样件侧面上的一点，按下【DONG】键再在侧面上选择方向点，按下【DONG】键测量机探针自动开始测量样件轮廓测量结束后，选择【片区】选项，并手动在样件表面选择4个位置点和一个方向点，如下图2.5所示。 图2.5 扫描对话框重复上述操作，直到完成整个样件表面的扫描（5）导出扫描后所得的点云三坐标测量

20、机无法编辑处理点云数据，所以必须导出到相关软件（此文为IMAGEWARE）进行进一步处理 具体步骤如下：选择文件菜单导出，打开导出数据对话框，在“数据类型”中选择IGES,在“文件名”中输入5555.igs，然后单击 确定 图2.6 导出数据对话框弹出转化iges数据对话框 选择A0坐标系 ，单击 处理 ，单击 确定图2.7 数据对话框在相应目录下，查找文件名为5555.iges的文件2.3测量方法二2.31测量设备二简介仪器名称：3DFAMILY仪器厂商：台湾 智泰集团仪器指标：X：600 Y：800 Z：400仪器型号：LSH800仪器用途：用于零件测量影像仪又名影像测量仪、影像式精密测绘

21、仪、光学测量仪。它是在测量投影仪的基础上进行的一次质的飞跃，它将工业计量方式从传统的光学投影对位提升到了基于数位影像时代而产生的计算机屏幕测量。影像测量仪使用本身的硬件(CCD，目镜，物镜数据线)将所能捕捉到的图象通过数据线传输到电脑的数据采集卡中，之后由软件在电脑显示器上成像，由操作员用鼠标在电脑上进行快速的测量。以上的工序基本在几万分之一秒完成，所以可以把他看作是实时检测设备，或者狭隘一点可以称为动态测量设备。如果配置合乎要求，设备绝对不会产生图象滞后现象。因工件大小而议，工作台可以选择不同行程。光源亮度可调，可以在各种光线条件下选择最合适的光源亮度7。图2.8测量仪外观图2.32方法二测

22、量过程（影像仪）(1)启动影像仪电源(2)测量前的准备工作具体步骤如下：将样件用自喷漆涂抹成白色（利于光的反射），但是一定要提前涂，避免粘连，而且要尽量均匀，也不能太厚。用双面胶将样件固定在工作台上。一定要注意投射角度如图2.9所示。打开测量软件Easson 2D。清除所有测量资料，可选取档案建立新的专案，清除系统自动询问是否储存目前专案。单位切换，按下 【mm】。影像校正，线性校正。按下功能表，【校正处理】。再按下功能表【校正处理】【影像校正】。设置镜头使用的放大倍率，并调节焦距图2.9 测量场景(3)具体工作流程具体步骤：首先分析样件，确定需要测量的元素。确认样件放置水平，包括所有被测元素

23、。设定测量方式，单机 影像测量栏的【自动测量】选项。单机 快速工具列【开始测量】，如图2.9所示。按下影像仪测量，开始测量。测量完毕后，将结果存储。图2.9 软件操作界面2.4测量结果分析采用两种方法测量分别获得了样件（人脸）点云，如下图2.10,2.11所示。 图2.10 方法一 图2.11方法二从上述两张图不难可以看出，方法二所得的点云相较方法一，密度高很多，但是噪声点较多。方法一的密度虽然不高，但也基本足够。综合考虑后，选择方法一所获得的点云，因为在满足要求的条件下，工作量较小。第三章 原型(人脸)点云的预处理及曲面重构3.1 处理软件介绍Imageware由美国的EDS公司出品，是著名

24、的四大逆向工程软件之一。因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构造能力而被广泛应用于汽车、航空、模具、家电及计算机配件等设计制造领域。软件包含的主要模块：（1）基础模块基础模块主要包括文件的存取以及数据结构（2）点处理模块点处理模块包括点云数据采样组合点云点云数据的排序与拼接点云的平滑处理截取点云数据（3）曲线和曲面编辑模块本单元模块主要给出了完整的曲面和曲线的编辑功能，可以通过直接编辑控制点实现对曲面的编辑。本软件具有强大的的曲面桥接能力，提供了丰富的选项，保证了曲面的桥接精度。（4）检测模块Imageware检验模块是针对检测，尤其是复杂数字形状或物理样机的检验。常用于点云与CA

25、D模型的比较。（5）评估模块包含定性和定量的评定样件的各种功能。由于该软件在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有无可匹敌的强大功能，使他当之无愧的成为逆向工程的领导者。与另一款重要的逆向工程软件Gemagic相比,Imageware倾向于构造要求较高的几何曲面，这也是本次设计选用该软件的原因。Imageware软件的优势还表现在扩展了曲线的造型以，模型的动态编辑和保持了数据的兼容性。3.2点云数据的预处理3.21 点云一般把立体空间中的点集称为“点云”，通常最小的“点云”只包含一个点，而高密度的“点云”可达数百万个点。为方便观察，imageware提供了点云的五种显示方式，也叫模态

26、。以下是具体介绍。（1）离散点离散点是点云在Imageware中默认的显示方式，以离散点的方式显示点云能降低计算机的负担，提高显示速度，在打开海量点云时，这种方式具有优势。（2）折线按点的顺序用直线连接，用于检查点是有序还是无序。 （3）高洛德着色目前较为流行的着色方法，比平面着色更先进，它为物体的每个顶点提供了一组单独的色调值，并对各点的颜色进行平滑、融合处理。它渲染的物体具有丰富的颜色和平滑的变色效果。（4）三角网格以三角网格的方式显示点云，常用来判断点云的形状。（5）平面着色平面着色是最简单也是最快速的着色方法，每个多边形都会被指定一个单一且没有变化的颜色。这种方法效果不够真实，不过它非

27、常适用于侧重细致度的场合8。3.22噪声识别与去除通过测量设备来，来获取外形数据，无论是接触式或非接触式，不可避免的会引入数据误差。通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化产生噪声点，对于人工手动测量，还会由于操作误差如探头接触部位数据失真。另外，在对目标的测量过程中设备很可能错误地对其他物体的表面进行了采样并将获取的采样点混入了样件的测量数据，这些噪声点对于后续建模都是相当不利的，因此有必要在建模前有必要去除噪声点9。 此次测量的点云属于扫描线点云，一般的检测方式是把它显示在计算机上，采用半交互、半自动的光顺方法对数据进行仔细检测。（1）直观检查法通过图形终端，用肉眼直接将与截面

28、数据点集偏离较大的点，或存在于屏幕上的孤点剔除。这种方法适合于数据的初步检查（2）曲线检查法通过截面数据的首末数据点，用最小二乘法拟合得到一条样条曲线，曲线的阶次根据曲面截面的形状设定，然后计算中间数据点到样条曲线欧式距离，如果大于给定的允差，则为坏点，应予剔除。（3）弦高差方法连续检查前后两点，计算检查点到弦的距离，如果大于给定的允差，则认为坏点，应剔除10。3.23 数据补全 由于实物拓扑结构以及测量机的限制，实物数字化时会存在一些探头无法探测到的区域，目前应用于逆向工程的数据补全的方法主要有三种，实物填充法，造型设计法，曲线、曲面插值方法，我们在这一步采用的是第二种11。采用造型设计法，

29、主要因为在被测模型中的缺失区域难以填充。这时候可以在模型的重构过程中运用逆向工程的曲面编辑功能，如延伸、连接和插入等功能，根据被测模型外形的几何特征，设计出相应的曲面，再通过裁剪，离散出需要插补的曲面，得到所测量点云。3.24数据的平滑和光顺常用的平滑处理的方法有平均法、样条函数法和五点三次平滑法。平均法相对比较简单，滤波效果比较差。样条函数用样条逼近采样点的方法，效果比较好。五点三次法利用多项式的最小二乘逼近采样点来实现，效果也比较好。数据平滑处理的一项原则是既要消除数据中的干扰成分，又要保持原有曲线的变化特性12。光顺是指在曲面满足光滑条件基础上，给予一定的约束或满足一定条件，使其曲面形状

30、变化在允许的条件范围内。通过对曲面光顺有两种处理方式：一是将曲面的广顺转化为对参数网格的光顺，二是根据曲面特有的一些量对曲面进行光顺处理。3.25点云的重新定位和整合 应用软件的数据对齐功能把点云的坐标位置调整好。之所以要将点云对齐，是因为输入计算机初始点云的坐标系是三坐标测量机给予其的局部坐标系，这个局部坐标系通常与imageware系统坐标系通常不一致，这就导致了点云缺乏合适的坐标位置信息。3.3曲面重构的理论基础和具体过程3.31曲线数学基础样条曲线和曲面是逆向建模技术的核心，通常被称为自由曲线。可以用插值和逼近两种方法设计，这两种方法共同的已知条件是：P0,P1,P2.,Pn共n+1个

31、点，而这些点确定了曲线的类型。如果所求曲线经过已知点，则曲线为插值曲线，反之只是靠近则为逼近曲线。其实逆向建模大部分的造型功能都是用逼近方法，如贝塞尔函数和B样条曲线13。曲线在几何建模过程中主要用于建立实体建模的轮廓线，通过拉伸、旋转等操作构造三维实体和薄壳特征，同时，在特征建模过程中，曲线也常用作建模的辅助线。曲线的连续性，一般情况下，样条曲线都是由多段样条曲线组合而成的，曲线段之间连续的光顺性一般称为连续性，有几何连续和参数连续两种不同类型。按连续性的次数不同可分为，位置连续，切线连续，曲率连续。曲线的阶次和段数，曲线的阶次用于判断曲线的复杂程度，而不是精确程度。曲线的阶和次越高，曲线越

32、复杂，计算量越大。低阶曲线，更加灵活，更靠近极点，运行速度也快。所以一般最好用低阶多项式。3.32曲面数学基础曲面的表示可以看作曲线表示的拓展和延伸。曲线可以用单参数向量函数来表示，而曲面可以用双参数向量函数来表示。通常的曲面有三种，分别是Coons曲面，Bezier曲面，B样条曲面和Loft曲面。Coons曲面是用其四个角点处的位矢、切矢和扭矢等信息来控制曲面形状的12。 Bezier曲面是通过给定的空间网格点来控制的，控制点控制了曲面的形状。B样条曲面可以由B样条曲线推广而来。Loft曲面的拟合方式则不同于B-spline曲面，首先将其中一条曲线参数方向的测量点数据拟合成最适当的B-spl

33、ine曲线，此后每条曲线的控制点数目必须与之相同。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曲线拟合所组成14。 曲面的光顺性，对曲面进行光顺处理有两种方式。（1）将曲面的光顺性转换为网格线的光顺性问题进行处理，即网格光顺。（2）根据曲面所具有的一些量对曲面进行光顺处理，而不仅仅曲面的网格线。3.3.3曲线构建技术曲线是构建曲面的基础，通常构建模型的方法是，先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，再利用造型工

34、具，完成曲面片造型，再通过延伸，裁剪和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型15。曲线拟合，本次我们所采用的是逼近法。首先指定一个允许的误差值，并设置控制点数目，基于所有的测量数据点，用最小二乘法求出一条曲线，计算曲线到测量点的距离，若最大的距离大于误差值，则需增加控制点数目。数据点的参数化，其实就是对一组有序的数据点决定一个参数分割。对数据点的参数化应尽可能反应曲线的性质。参数化方法有均匀参数化法，积累弦长参数化法，向心参数化法和修正弦长参数化法。3.3.4模型的曲面重构的具体过程（1）将经过预处理的点云在imageware13.1中打开。如图3.1所示。 图3.1 导入点云后的界面（2）将视图

35、调整到适当位置。（3）单机【测量】【间距】【点间】测量前行间距和总长，测量结果为行间距2.5，总长250 如图3.3所示。 图3.2 测量距离界面（4）单机【构建】【剖面截取点云】【平行点云截面】弹出【平行点云对话框】设置参数如下图3.4所示。图3.4 平行点云截面对话框(5)单机【应用】后得到如图3.5所示。 图3.5 完成剖切后的界面（6）隐藏点云，单击【构建】【由点云构建曲线】【公差曲线】弹出【按公差拟合直线对话框】，如图3.6所示。单击【应用】 图3.6拟合公差曲线对话框（8）单击【修改】【参数化控制】【重新参数化】选择最上面的一行曲线，重新参数化窗口如下图3.9所示。 图3.9 参数

36、化曲线对话框（9）单机【根据曲线】 选项 按顺序选择剩余的曲线，【应用】后得到如图3.10所示。 图3.10参数化完成后的界面 （10）单机【构建】【曲面】【放样】依次选择曲线 跳出窗口下图3.11。 图3.11放样曲线对话框（11）单机【显示】【曲面着色】，并且隐藏不必要显示的元素，如图3.12所示。 图3.12 着色后的界面3.4模型误差分析及修正曲面重构完成后，必须验证其误差，进行点云和曲面的对比。(1)单击【测量】【曲面】【点云和曲面的误差】，得到分析图3.13所示 图3.13 点云与模型误差对比图(2)总体误差0.8大于0.5 所以必须修改，单机【测量】【点云】【点到曲面的距离】，窗

37、口如下图3.14所示。图3.14 距离对话框(3)单机【编辑曲面】，手动通过改变控制点，来减小误差。控制窗口如下图3.15所示，过程如下图3.16所示。 图3.15 编辑曲面对话框（4）调节控制点，直至误差小于0.5时，退出【编辑曲面】，并再次打开【点云和曲面】对话框，进行对比，得到下图3.17所示，误差小于0.5。 图3.17 模型与点云误差对比图第四章 实体建模及加工4.1实体建模软件介绍UG是Siemens Plm Software公司出品的一个软件。它是一个CAD/CAM交互式系统，它功能强大。可以轻松实现复杂实体及造型的结构。随着PC硬件的发展，和个人用户的迅速增长，它已经成为三维设

38、计的一个主流，该软件有多个版本，本文使用的是NX8.0。常用功能模块包括：（1）基本环境该模块是基本模块，UG运行后的第一个模块。用于打开文档的文件或者创建新文件，储存更改文件。同时支持用户显示部件，分析部件，调用帮助文档，使用绘图机输出图纸等。（2）建模该模块主要用于样件的三维实体建模，是软件的核心模块。它不但能生产和编辑各种实体特征，还具体丰富的曲面编辑功能。选择 应用建模 进入该单元（3）工程制图该模块从三维造型直接生产图纸。它具有剖视图，各向视图，尺寸及行为公差的标注，汉字输入，爆炸图等生产工具。选择 应用制图 进入该单元（4）装配该模块提供了并行的自上而下和自下而上的两种开发设计方法

39、，还能够迅速的访问任何组件。选择 应用装配 进入该单元（5）钣金设计该模块提供了基于参数、特征方式的钣金功能。选择 应用钣金 进入该单元（6）数控加工该模块用于数控加工模拟及自动编程。可以根据加工机床的控制功能不同，定制后处理程序，使其生产指定程序。选择 应用加工 进入该单元（7）注塑模向导该模块采用向导技术来优化模具设计流程。选择 应用注塑模向导 进入该单元。4.2数控设备介绍4.21加工中心介绍设备名称：加工中心 设备厂商：德西数控新技术有限公司设备电压：380V 设备型号：MCV 850出厂编号：1012-MCV850F-26 图4.1 加工中心外观图加工中心（数控铣床）是由铣床为基础发

40、展起来的一种机床。两者在加工工艺上基本相同，机床结构也类似，数控铣床是在普通铣床的基础上集成了数字控制系统，可以再程序代码的控制下较精确的地进行铣削加工的机床；加工中心的品种规格较多，这里仅从从结构上对其作为分类，具体可分为立式，卧式和龙门式，下面简单介绍下这三种类型的加工中心。（1）立式加工中心，指主轴轴线为垂直状态的加工中心。一般无分度回转功能，适合加工板、盘、套、类零件，立式加工中心装夹方便，易于操作，但加工时切屑不易排出，因此不能加工精度太高的零件17。（2）卧式加工中心，指主轴轴线为水平状态设置的加工中心。通常带有分度回转的工作台。因为它能在一次装夹加工除安装面以外的其他面，所以比较

41、适合加工箱体类零件。但是其结构复杂，占地面积较大，价格较高。（3）龙门加工中心，数控装置功能齐全，适合加工大型和复杂类的零件。加工中心本身的结构分为两部分:一是主机部分，二是控制部分。主机部分主要是机械部分，包括床身、主轴箱、工作台刀库、换刀装置、辅助系统等。控制部分主要包括计算机控制装置，可编程控制器，输出输入设备、主轴驱动装置和显示装置等加工中心较其他数控机床的优点。一，加工工件复杂，工艺流程很长时，能排除工艺流程中的人为干扰因素，生产质量较稳定。二，由于工序集中和具有自动换刀装置，精度较高。三，刀库容量大，加工范围广，加工柔性程度高。4.22 MasterCAM软件介绍Mastercam

42、是美国CNC software lnc公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。它集二维绘图、三维实体造型、曲面设计，体素拼合、数控编程、刀具路径模拟及真实感模拟功能于一身。Mastercam包括4大模块：Design、Lathe、Mill和Wire。Design模块用于被加工零件的造型设计，Mill模块主要用于生成铣削加工刀具路径，Lathe模块主要用于生成车削加工刀具路径，Wire模块主要用于生成线切割刀具路径。这4个模块可单独使用，在Mill模块，Lathe模块和Wire模块中也可以进行Design模块中的完整的造型设计，在其中一个模块中就可以实现造型设计与加工过程的统一，本次设计主要

43、使用的是其MILL功能模块Mastercam包括4大模块：Design、Lathe、Mill和Wire。Design模块用于被加工零件的造型设计，Mill模块主要用于生成铣削加工刀具路径，Lathe模块主要用生成车削加工刀具路径18。4.3模型实体化在Imageware中已经建立起基本封闭的曲面模型。由于曲面模型的修改以及数控加工都比较困难，因此需要把该曲面模型特征转化为实体特征，然后再进行实体模型的修改和数控加工。而UG软件可以实现，由曲面变为实体这一过程。(1)将IMW文件直接导入UG，如下图4.2所示 图4.2 导入UG后的曲面(2)在草图状态下，构建大小合适的椭圆曲线，如图4.3所示。

44、(3)退出草图，选择 草图中的椭圆曲线 单机【拉伸】。(4)选择 【修建体】 以模型上表面为刀片修剪多余部分，得到如下图4.3所示。 图4.3 草图 图4.4 数模4.4加工模拟及自动编程4.41进入UG加工模块（1）打开“RENLIAN”点云 ，单机【加工】进入UG 加工模块，菜单如图4.5所示。（2）得到如图4.6所示【加工环境对话框】 在列表选项中选择【mill_contour】（轮廓铣），单击【 确定】按钮进入加工模块 图4.5 菜单 图4.6 加工环境窗口4.42创建父节点组（1）创建程序单击【操作导航器】工具条中的（程序顺序视图）按钮，切换操作导航器至程序顺序视图。单击【加工创建】工具条中的（创建程序）按钮，弹出如图4.6所示的【创建程序】对话框。图4.6 创建程序菜单在【类型】下拉列表框中选择mill_contour（轮廓铣），在名称文本框中输入RENLIAN，其他设置为默认，单击【确定】按钮，弹出【程序】对话框，单机【确定】。（1）创建刀具单击【操作导航器】工具条中的（机床视图）按钮，切换操作导航器至机床视图。单击【加工创建】工具条中的（创建刀具）按钮，弹出如图4.7所示的【创建刀具】对话框。图4.7 创建刀具菜单在【类型】下拉列表框中选择mill_contour（轮廓铣），在【名