逆向工程之畢業(yè)設(shè)計(jì).doc

1、西南科技大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)( (論論文）文）題目名稱：風(fēng)扇葉片的非接觸測(cè)量和三維建模研究題目名稱：風(fēng)扇葉片的非接觸測(cè)量和三維建模研究年年 級(jí)：級(jí)：20042004 級(jí)級(jí) 本科本科 專科?？茖W(xué)生學(xué)號(hào)：學(xué)生學(xué)號(hào)：2004565920045659學(xué)生姓名：都方軍學(xué)生姓名：都方軍 指導(dǎo)教師：樂莉指導(dǎo)教師：樂莉?qū)W生單位：制造科學(xué)與工程學(xué)院學(xué)生單位：制造科學(xué)與工程學(xué)院 技術(shù)職稱：副教授技術(shù)職稱：副教授學(xué)生專業(yè)：機(jī)械學(xué)生專業(yè)：機(jī)械 04080408 教師單位：制造學(xué)院教師單位：制造學(xué)院西西 南南 科科 技技 大大 學(xué)學(xué) 教教 務(wù)務(wù) 處處 制制風(fēng)扇葉片的非接觸測(cè)量和三維建模研究風(fēng)扇葉片的非接觸測(cè)量和三維建模

2、研究摘要: 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，計(jì)算機(jī)三維造型技術(shù)特別是逆向工程技術(shù)在工業(yè)上已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。為了解決風(fēng)扇葉片難以精確測(cè)量的問題，本文研究了風(fēng)扇葉片外形的逆向工程造型方法，并對(duì)逆向工程概念、方法進(jìn)行系統(tǒng)的闡述。通過光學(xué)掃描儀的非接觸測(cè)量獲取風(fēng)扇葉片表面的云狀數(shù)據(jù)，并利用Imageware和geomagic軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,且基于NURBS曲面重構(gòu)理論進(jìn)行葉片造型表面重構(gòu),最終實(shí)現(xiàn)了風(fēng)扇的曲面重構(gòu)，產(chǎn)生風(fēng)扇的三維模型及二維圖。與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)方法相比，該方法提高了工作效率,縮短了新產(chǎn)品的開發(fā)周期。關(guān)鍵詞: 逆向工程; 非接觸測(cè)量； 點(diǎn)云； 建模Fan Blade nonconta

3、ct measurement and 3D Modeling Abstract： With the rapid development of computer technology, Three-dimensionalcomputer modeling technology, especially the reverse engineering technology in the industry，has been widely used。 Fan Blade difficult to solve the issue of accurate measurement, Thispaper stu

4、dies the shape of the fan blade reverse engineering modeling method， And reverseengineering concepts, methods and systematic elaboration. By optical scanners access to thenon-contact measurement of the fan blade surface cloud of data, with Imageware andgeomagic, the measurement data is processed and

5、 NURBS surface reconstruction based onthe theory blade shape surface reconstruction， The ultimate realization of a fan surfacereconstruction, Being designed with the traditional method， The method improves theworking efficiency, Shorten the development cycle of new products。Key words： Reverse Engine

6、ering; Noncontact measurement； Point Cloud； Modeling目錄第 1 章 緒論。.。 。.。 。.。.。 。.。.。.。.。 。.。.。.。 。.。 。.。 。 。 。.。.。.。.。.。.。.11.1 引言.。 。 。.。 。.。 。.。 。 。 。.。 。 。 。 。 。.。 。.。 。.。.。.。.。.。.。.。 。 。.。11.2 課題提出的背景及意義.。.。 。 。.。 。 。 。.。.。.。 。.。 。 。 。 。.。.。.。 。 。 。 。.。.。 。11。21 逆向工程在國(guó)內(nèi)外研究狀況。.。.。.。 。 。 。 。.。.。 。.。.

7、。.。 。 。 。.11.22 逆向工程的原理及特點(diǎn).。 。 。 。.。 。 。.。.。 。 。.。 。 。.。 。.。 。 。21。23 逆向工程的流程及應(yīng)用領(lǐng)域.。 。 。.。 。.。 。 。.。 。 。.。 。 。 。.。 。 。.。 。.。 。.。31.24 課題的目的及意義。.。.。.。 。 。.。.。 。 。.。.。.。.。.。 。.。.。5 1.3 研究?jī)?nèi)容.。.。 。.。.。.。 。 。.。.。 。 。 。 。.。.。.。 。.。 。.。 。.。 。.。.。 。.。5第 2 章 逆向工程軟硬件設(shè)備及過程。.。 。.。.。.。.。.。.。.。.。 。 。 。 。 。.。 。.。5

8、2.1 掃描設(shè)備.。.。.。.。.。.。 。 。 。.。.。.。 。.。 。 。 。.。.。.。.。 。 。.。 。52.2 點(diǎn)云處理軟件.。 。.。.。 。.。 。.。 。 。.。 。 。.。.。 。.。 。 。.。.。 。.。 。.。.82.3 曲面處理軟件。.。 。 。.。.。 。.。.。 。.。 。 。 。 。.。.。 。 。.。.。 。.。 。 。.82.4 實(shí)體建模軟件。.。 。 。.。 。.。.。.。.。.。.。.。.。.。 。 。 。 。 。 。.。 。 。.。.。 。.。 。 。10 2.5 實(shí)體三維數(shù)據(jù)的掃描。.。 。 。.。.。 。.。 。.。 。.。 。 。 。 。 。

9、.。 。 。 。 。.。 。.。 。.。12 2。6 點(diǎn)云處理。.。.。 。.。.。 。.。.。.。.。.。 。.。 。.。 。.。 。.。 。.。.。.。13 2.7 曲面重構(gòu).。 。.。 。 。.。.。.。.。.。 。 。.。 。 。.。 。.。.。 。 。 。.。 。.。 。 。14 2。8 實(shí)體建模.。.。 。.。 。.。.。 。 。 。.。 。 。 。.。.。 。.。 。.。 。 。 。.。.。.。19 2。9 后續(xù)加工處理。.。.。 。.。 。.。.。.。.。 。 。 。 。.。 。 。 。 。.。.。.。 。 。.20第 3 章 建立風(fēng)扇葉片數(shù)模的具體步驟。.。.。.。 。 。.

10、。 。.。.。 。 。 。 。.。.。 。 。.。 。.。 。 。22 3。1 風(fēng)扇葉片逆向開發(fā)的流程.。 。 。 。 。.。.。.。.。.。.。 。 。 。 。.。 。.。.。 。22 3.2 模型分析.。 。.。 。.。.。 。.。.。.。.。 。 。.。.。.。 。 。 。 。.。 。 。.。 。 。 。 。.。.22 3。3 掃描.。 。.。.。.。 。.。.。 。.。.。 。 。 。 。 。 。 。 。.。 。 。.。 。.。.。 。22 3.4 點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理。.。.。.。 。 。.。.。 。 。.。 。 。.。.。.。 。.。.。 。.。 。34 3.4。1 清除噪點(diǎn).。 。.。.

11、。 。.。 。 。.。 。 。.。 。.。 。 。.。 。 。.。 。 。 。 。.。.。.。.。.343.4。2 手動(dòng)注冊(cè)。 。.。.。 。.。.。.。 。 。.。 。 。.。.。.。 。 。 。.。.。 。.。 。 。.353。4。3 全局注冊(cè).。.。.。.。 。 。.。.。.。 。 。.。 。.。.。 。.。.。 。.。 。 。 。363.4。4 合并。.。.。 。.。.。 。.。 。.。.。.。 。.。 。.。.。 。 。.。 。 。.。.。 。.363。4.5 補(bǔ)洞.。 。 。 。.。 。.。.。 。 。 。 。.。.。.。.。.。 。 。 。 。.。 。.373.4。6 邊界優(yōu)化.

12、。 。 。.。.。 。.。 。.。.。 。 。 。.。 。 。 。.。 。 。.。 。 。.。.。 。 。 。 。 。.。.373.4.7 簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)及保存.。.。.。 。 。 。.。.。 。.。 。.。 。 。 。 。 。.。.。.。.。.373.5 曲面造型。.。.。.。.。 。.。.。 。.。.。.。 。 。.。.。 。 。 。 。 。.。 。.。 。.。.。.。 。 。 。.。.。38 3。5。1 對(duì)齊點(diǎn)云.。.。 。 。.。.。 。 。.。 。 。 。.。 。.。 。 。 。.。 。 。 。.。 。 。 。.。.。 。.39 3.5。2 建立圓柱面.。 。.。.。.。 。.。 。 。.

13、。 。.。 。 。 。 。.。 。 。 。.。.。.。.。.。40 3.5.3 建立球面。 。 。 。.。 。 。.。.。 。.。.。.。 。.。 。.。 。 。.。.。.40 3。5.4 建立球底面.。.。 。.。 。 。 。.。 。.。 。 。 。.。 。 。 。.。 。 。 。 。 。 。.。 。.。 。.。40 3.5.5 偏移球面及上下底面.。.。 。.。.。 。.。 。 。 。 。.。 。.。 。.。.。.。 。.。 。 。 。 。 。41 3.5。6 剪切中間凹槽及洞。.。 。.。 。 。 。.。 。 。 。 。 。 。.。 。 。.。.。 。.。 。41 3.5.7 建立小圓柱

14、及洞.。.。 。.。 。.。 。.。.。.。 。 。 。.。.。 。.。.。 。.42 3.5.8 提取一個(gè)葉片及建立曲面。.。 。 。.。 。.。 。 。 。.。 。 。.。.。 。.。 。 。 。.42 3。5。9 偏移扇葉曲面并倒角.。.。.。.。.。.。 。 。.。.。.。 。.。.。 。.。.。.43 3。5.10 建立另外 2 個(gè)葉片面。.。.。.。 。.。.。.。.。 。.。.。 。 。.。.。 。 。43 3。5。11 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)出通用格式。.。 。.。 。.。 。 。.。.。 。 。 。.。 。 。.。.。44 3。6 實(shí)體造型.。.。 。.。 。 。 。 。 。 。.。 。

15、.。.。 。 。.。.。 。 。.。.。 。 。.。.。.。 。 。 。44 3.6。1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入。 。 。.。.。 。.。 。 。.。 。.。 。.。 。 。.。.。 。.。.。 。 。.。.45 3.6.2 曲面縫合及模型實(shí)體化。.。 。 。 。 。 。 。 。 。 。 。.。 。.。 。.。 。 。 。.。.。.。 。.46 3.6.3 產(chǎn)生風(fēng)扇葉片的二維圖.。 。 。 。.。.。 。.。 。.。.。 。 。.。.。 。.。 。.。.46結(jié)論.。.。.。 。 。.。.。.。 。 。 。.。.。.。.。.。.。.。.。 。 。 。 。 。.。.。.。 。 。 。 。 。.。.。.。 。 。

16、48參考文獻(xiàn).。 。 。 。 。.。.。 。.。 。 。.。.。.。 。.。.。.。 。 。 。 。.。 。 。 。.。 。 。.。 。 。 。.。.53致謝。. .。.。.。.。 。.。 。 。.。.。.。 。.。 。.。 。.。 。.。.。.。.。 。 。.。.。.。 。.。 。 。54第 1 章 緒 論1.1引言 反求工程（Reverse Engineering）是根據(jù)現(xiàn)有實(shí)物模型的測(cè)量數(shù)據(jù)演繹出零件的設(shè)計(jì)概念和CAD模型，其目的就是消化吸收并改進(jìn)國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)，快速趕上或超過世界先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)水平、贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)作為近年來迅速發(fā)展的快速設(shè)計(jì)制造技術(shù)的重要分支，可大大縮短產(chǎn)品制造周期，因而在

17、制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。1。2課題提出的背景及意義1。2.1逆向工程在國(guó)內(nèi)外研究狀況（批注:闡述的文字沒有數(shù)據(jù)和事實(shí)作為證明支撐和依據(jù).)美國(guó)在其國(guó)內(nèi)已經(jīng)建立了集測(cè)量、設(shè)計(jì)、快速成型、數(shù)控加工于一體的逆向工程中心,在英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、日本、韓國(guó)、臺(tái)灣等許多國(guó)家和地區(qū)已有商品化的逆向工程設(shè)備和系統(tǒng)軟件相繼投入使用，有效地提高了企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)了生產(chǎn)力的發(fā)展，反求工程在國(guó)外已取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步.中國(guó)是制造大國(guó)，制造業(yè)在世界上排第四，但我們的制造水平還比較落后，大多數(shù)產(chǎn)品都還用外國(guó)提供的技術(shù)。隨著我國(guó)工業(yè)的不斷進(jìn)步中，吸收國(guó)外先進(jìn)產(chǎn)品技術(shù)并進(jìn)行改進(jìn)是重要的產(chǎn)品設(shè)計(jì)手段.逆向工程技術(shù)為產(chǎn)品的改進(jìn)設(shè)計(jì)

18、提供了方便的工具，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)新產(chǎn)品,縮短開發(fā)周期，可以使企業(yè)適應(yīng)小批量的生產(chǎn)要求，從而使企業(yè)在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中處于有利的地位。在國(guó)內(nèi)反求工程還處于一個(gè)初級(jí)階段。在我國(guó)東西部的逆向工程的水平不一樣,在東部沿海大多數(shù)設(shè)計(jì)開始使用逆向設(shè)計(jì)而在西部基本還處于原始的正向設(shè)計(jì)階段，因此中國(guó)的反求水平還是一個(gè)落后的階段，逆向設(shè)計(jì)還有很大的發(fā)展空間.通過對(duì)風(fēng)扇葉片的反求，認(rèn)識(shí)反求的方法和過程，了解逆向工程的用途。1。2.2 逆向工程的原理及特點(diǎn)逆向工程的原理就是一個(gè)“從有到無的過程，根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，通過各種測(cè)量手段及三維幾何建模方法，將原有實(shí)物轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)上的三維數(shù)字模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)

19、數(shù)據(jù)的過程。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。在瞬息萬(wàn)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，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，制造模具也就更為煩雜。但是逆向工程技術(shù)很好的解決了這一問題。傳統(tǒng)的復(fù)制方法時(shí)間長(zhǎng)而效果不佳

20、，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:從樣品數(shù)據(jù)產(chǎn)品.從樣品（實(shí)物，圖片等）直接反求出 cad 數(shù)據(jù),然后用快速成型或 CNC 數(shù)控直接加工出產(chǎn)品（模具） ，因此逆向工程具有快速,高效等特點(diǎn)。1.2。3 逆向工程的流程及應(yīng)用領(lǐng)域逆向工程的流程由以下幾步組成,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進(jìn)行實(shí)體建模。逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為消化、吸收先進(jìn)技術(shù).實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：（1）對(duì)產(chǎn)品外形美學(xué)有

21、特別要求的領(lǐng)域，由于設(shè)計(jì)師習(xí)慣于依賴3D 實(shí)物模型對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD 軟件直接設(shè)計(jì)的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或粘土模型或比例模型,然后利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型。(2）當(dāng)設(shè)計(jì)需要實(shí)驗(yàn)才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法.例如航天航空、汽車等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，需進(jìn)行風(fēng)洞等實(shí)驗(yàn)建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終借助逆向工程，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD 模型及其模具。(3)在模具行業(yè)，常需通過反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面。這將實(shí)物通過數(shù)據(jù)測(cè)量與處理產(chǎn)生與實(shí)際相符的產(chǎn)品數(shù)字化模型，對(duì)模型修改后再進(jìn)

22、行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此,逆向工程在改型設(shè)計(jì)方面可發(fā)揮正向設(shè)計(jì)不可替代的作用。（4)逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品、或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。（5）借助于工業(yè)CT技術(shù)，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形狀,而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷.1.2。4 課題的目的及意義采用三維光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)對(duì)葉片進(jìn)行反求,建立風(fēng)扇葉片的三維模型，并轉(zhuǎn)化為二維生產(chǎn)圖，以解決風(fēng)扇葉片難以精確測(cè)量的問題，此方法有效地解決了風(fēng)扇葉片難以精確測(cè)量的問題。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)認(rèn)識(shí)逆向工程，在以后的設(shè)計(jì)中考慮逆向工程，因?yàn)樗s短了開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品開發(fā)成本。如果將逆向工程與已有的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(cad） ，計(jì)算機(jī)輔

23、助制造(cam）等技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起,將有效地提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的水平。對(duì)設(shè)計(jì)人員來講，將傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法與逆向工程相結(jié)合，提高設(shè)計(jì)人員的整體水平；對(duì)國(guó)家而言,具有縮小發(fā)展中國(guó)家與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距具有重要意義。1。3研究?jī)?nèi)容熟悉風(fēng)扇的結(jié)構(gòu)，了解三維測(cè)量?jī)x器的操作，拼接技術(shù)的研究，總結(jié)掃描技巧。了解風(fēng)扇（一類的）點(diǎn)云的處理方法，通過風(fēng)扇葉片的掃描知道反求工程的大概掃描過程.學(xué)習(xí) IMAGEWARE 和 geomagic 軟件。通過原物的掃描后，得到其形狀，根據(jù)需要改變其形狀參數(shù),逆向設(shè)計(jì)后再進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。介紹完題目的背景和意義，以及逆向的基本原理和流程,下面介紹逆向工程的軟硬件設(shè)備。第 2 章

24、逆向工程軟硬件設(shè)備在這章重點(diǎn)介紹這次畢業(yè)設(shè)計(jì) 所需要的軟硬件設(shè)備，主要是掃描設(shè)備，點(diǎn)云處理軟件，曲面處理軟件，實(shí)體建模軟件，后續(xù)加工的設(shè)備。2.1掃描設(shè)備在進(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。掃描設(shè)備根據(jù)其測(cè)量方式可分兩類：（1)接觸式測(cè)量：根據(jù)測(cè)頭的不同。可分為觸發(fā)式和連續(xù)式.應(yīng)用最為廣泛的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型高效精密測(cè)量?jī)x器，是有很強(qiáng)柔性的大型測(cè)量設(shè)備。(2)非接觸式測(cè)量：根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)

25、光法、計(jì)算機(jī)視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測(cè)量法、MRI 測(cè)量法、超聲波法和層析法等。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。這次的風(fēng)扇葉片測(cè)量也是用非接觸式測(cè)量的三維光學(xué)測(cè)量?jī)x 。 圖圖21 三維光學(xué)掃描儀三維光學(xué)掃描儀2。2點(diǎn)云處理軟件Geomagic 和 Imageware 都可以處理點(diǎn)云。 Geomagic 能更好地進(jìn)行點(diǎn)云進(jìn)行拼接，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)，如果用 Imageware 處理點(diǎn)云，則會(huì)耗內(nèi)存過多，顯示延遲，不存在拼接模塊等缺點(diǎn),所以使用 Geomagic 進(jìn)行點(diǎn)云的處理. Geomagic(美國(guó) RainDrop

26、 公司的）逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。Geomagic Studio 可根據(jù)任何實(shí)物零部件自動(dòng)生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型。作為全球首選的自動(dòng)化逆向工程軟件，Geomagic Studio 還為新興應(yīng)用提供了理想的選擇，如定制設(shè)備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動(dòng)重造。只有 Geomagic Studio 具有下述所有特點(diǎn):確保完美無缺的多邊形和 NURBS 模型處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時(shí)，生產(chǎn)率比傳統(tǒng) CAD 軟件提高十倍 自動(dòng)化特征和簡(jiǎn)化的工作流程可縮短培訓(xùn)時(shí)間,并使用戶可以免于執(zhí)行單調(diào)乏味、勞動(dòng)強(qiáng)度大的任務(wù) 可與所有主要的三

27、維掃描設(shè)備和 CAD/CAM 軟件進(jìn)行集成 能夠作為一個(gè)獨(dú)立的應(yīng)用程序運(yùn)用于快速制造，或者作為對(duì) CAD 軟件的補(bǔ)充。2。3曲面處理軟件Geomagic 和 Imageware 都可以處理曲面。Imageware 能更好進(jìn)行曲面擬合,誤差的分析，如果 Geomagic 處理曲面，則會(huì)顯示出曲面的精度不高以及處理時(shí)間過長(zhǎng)等缺點(diǎn)。Imageware 作為UGNX 中提供的逆向工程造型軟件。具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能.可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面（CLASSA）具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware 的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)

28、造曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。自由形狀產(chǎn)品設(shè)計(jì)、快速曲面、高質(zhì)量曲面、逆向工程、計(jì)算機(jī)輔助校驗(yàn)、多邊形建模、快速原型等,使客戶能夠在很短的時(shí)間內(nèi)精確地設(shè)計(jì)建立和全面檢驗(yàn)高質(zhì)量的自由形狀產(chǎn)品。基本模塊Imageware Surfacing是一個(gè)功能強(qiáng)大的、直觀的曲面創(chuàng)建工具,可以直接創(chuàng)建由測(cè)量點(diǎn)、曲線、曲面形成的自由曲面。柔性設(shè)計(jì)環(huán)境支持Bezier和NURBS曲面。動(dòng)態(tài)曲面修改工具能夠交互檢測(cè)和變更設(shè)計(jì),實(shí)時(shí)表現(xiàn)設(shè)計(jì)的含義和美感.建立工具提供從快速到高質(zhì)量曲面的任意形狀的功能，包括汽車Class A需要的高精確和平滑的曲面。有效的連續(xù)和約束管理工具使曲面到曲面

29、連接的曲率連續(xù)。實(shí)時(shí)診斷提供全面的質(zhì)量分析工具,這些工具是鑒別表面曲率的儀器，加亮顯示檢測(cè)到的曲面瑕疵、偏離和不完整。Imageware數(shù)字檢驗(yàn)工具包括加工性檢查、分離線和曲面間隙,能夠在數(shù)據(jù)提供給后續(xù)過程之前鑒別出設(shè)計(jì)缺陷。第 2 個(gè)基本模塊 Imageware Inspection 是一個(gè)通用和容易使用的 3D 測(cè)量系統(tǒng)，用于比較物理零件和相應(yīng)的理想 CAD 模型。偏離檢查用圖形和文字報(bào)告方式表現(xiàn)結(jié)果，報(bào)告可以用 PDF 格式在企業(yè) web 網(wǎng)頁(yè)上共享。此外，還提供工具處理光學(xué)檢測(cè)點(diǎn)和離散的 CMM 測(cè)量數(shù)據(jù)。點(diǎn)處理使用戶可以清除、采樣、過濾、合并、交叉截面、偏置、投影點(diǎn)集、提取點(diǎn)和計(jì)算臨

30、界特征及邊的尺寸。這在目前通過光學(xué)掃描儀采集的數(shù)百萬(wàn)點(diǎn)數(shù)據(jù)的處理時(shí)非常有效。曲線創(chuàng)建功能： 1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。2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.控制點(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線較為光順。 3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. 曲面創(chuàng)建功能: 1決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準(zhǔn)

31、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. 2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。3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。2。4實(shí)體建模軟件實(shí)體建模軟件UG和Pro/ENGINEER同樣的優(yōu)秀，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)中主要用Pro/ENGINEER進(jìn)行模型的修改，用UG產(chǎn)生

32、風(fēng)扇的二維圖，用AUTOCAD對(duì)二維圖進(jìn)行修改。UG是美國(guó)EDS公司（現(xiàn)已經(jīng)被西門子公司收購(gòu)）的集 CAD/CAM/CAE功能于一體的軟件集成系統(tǒng)。UG CAD：曲線的建立、曲線的操作與編輯、三維實(shí)體建模與編輯、草圖的建立及約束管理、表達(dá)式、工程圖的建立、工程圖的編輯與注釋、組件裝配、組件爆炸視圖、組件克隆及明細(xì)表、自由形狀特征的建立與編輯等。UG的計(jì)算機(jī)輔助制造( CAM）模塊包括數(shù)控銑加工編程、車加工編程、電火花線切割編程，UGCAE主要是對(duì)模型的分析。UG是目前市場(chǎng)上功能最極致的產(chǎn)品設(shè)計(jì)工具。它不但擁有現(xiàn)今CAD/CAM軟件中功能最強(qiáng)大的Parasolid實(shí)體建模核心技術(shù)，更提供高效能的

33、曲面建構(gòu)能力，能夠完成最復(fù)雜的造型設(shè)計(jì)。UG提供工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)之人機(jī)接口，不但易學(xué)易用,更有無限次數(shù)的undo功能、方便好用的彈出窗口指令、快速圖像操作說明、自定操作功能指令及中文化操作接口等特色,并且擁有一個(gè)強(qiáng)固的檔案轉(zhuǎn)換工具，能轉(zhuǎn)換各種不同CAD應(yīng)用軟件的圖文件，以重復(fù)使用原有資料。 Unigraphics(UG)是一套復(fù)雜產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的最佳系統(tǒng)，從概念設(shè)計(jì)到生產(chǎn)產(chǎn)品,UG廣泛的軍用在汽汽車業(yè)、航天業(yè)、模具加工及設(shè)計(jì)業(yè)、醫(yī)療器材產(chǎn)業(yè)等等，近年來更將觸角深及消費(fèi)性市場(chǎng)產(chǎn)業(yè)中最復(fù)雜的領(lǐng)域工業(yè)設(shè)計(jì)。運(yùn)用其功能強(qiáng)大的復(fù)合式建模工具,設(shè)計(jì)者可依工作的需求選擇最適合的建模方式；關(guān)聯(lián)性的單一數(shù)據(jù)庫(kù)，使大量零件

34、的處理更加穩(wěn)定。除此之外，組立功能、2D出圖功能、模具加工功能及與PDM之間的緊密結(jié)合，使得UG在工業(yè)界成為一套無可匹敵的高階CAD/CAM系統(tǒng).Pro-e: 1985年，PTC公司成立于美國(guó)波士頓，開始參數(shù)化建模軟件的研究。1988年，V1.0的Pro/ENGINEER誕生了。經(jīng)過10余年的發(fā)展，Pro/ENGINEER已經(jīng)成為三維建模軟件的領(lǐng)頭羊。目前已經(jīng)發(fā)布了Pro/ENGINEER2000i2。PTC的系列軟件包括了在工業(yè)設(shè)計(jì)和機(jī)械設(shè)計(jì)等方面的多項(xiàng)功能，還包括對(duì)大型裝配體的管理、功能仿真、制造、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等等。Pro/ENGINEER還提供了目前所能達(dá)到的最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)

35、環(huán)境。下面就Pro/ENGINEER的特點(diǎn)及主要模塊進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 全相關(guān)性:Pro/ENGINEER的所有模塊都是全相關(guān)的。這就意味著在產(chǎn)品開發(fā)過程中某一處進(jìn)行的修改，能夠擴(kuò)展到整個(gè)設(shè)計(jì)中，同時(shí)自動(dòng)更新所有的工程文檔,包括裝配體、設(shè)計(jì)圖紙，以及制造數(shù)據(jù)。全相關(guān)性鼓勵(lì)在開發(fā)周期的任一點(diǎn)進(jìn)行修改，卻沒有任何損失,并使并行工程成為可能，所以能夠使開發(fā)后期的一些功能提前發(fā)揮其作用. 基于特征的參數(shù)化造型:Pro/ENGINEER使用用戶熟悉的特征作為產(chǎn)品幾何模型的構(gòu)造要素。這些特征是一些普通的機(jī)械對(duì)象，并且可以按預(yù)先設(shè)置很容易的進(jìn)行修改.例如：設(shè)計(jì)特征有弧、圓角、倒角等等，它們對(duì)工程人員來說是很熟

36、悉的，因而易于使用。 裝配、加工、制造以及其它學(xué)科都使用這些領(lǐng)域獨(dú)特的特征。通過給這些特征設(shè)置參數(shù)（不但包括幾何尺寸，還包括非幾何屬性）,然后修改參數(shù)很容易的進(jìn)行多次設(shè)計(jì)疊代，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品開發(fā)。 數(shù)據(jù)管理：加速投放市場(chǎng)，需要在較短的時(shí)間內(nèi)開發(fā)更多的產(chǎn)品.為了實(shí)現(xiàn)這種效率，必須允許多個(gè)學(xué)科的工程師同時(shí)對(duì)同一產(chǎn)品進(jìn)行開發(fā)。數(shù)據(jù)管理模塊的開發(fā)研制，正是專門用于管理并行工程中同時(shí)進(jìn)行的各項(xiàng)工作,由于使用了Pro/ENGINEER獨(dú)特的全相關(guān)性功能,因而使之成為可能。 裝配管理：Pro/ENGINEER的基本結(jié)構(gòu)能夠使你利用一些直觀的命令，例如“嚙合” 、“插入” 、 “對(duì)齊等很容易的把零件裝配起來，同時(shí)保

37、持設(shè)計(jì)意圖.高級(jí)的功能支持大型復(fù)雜裝配體的構(gòu)造和管理,這些裝配體中零件的數(shù)量不受限制. 易于使用:菜單以直觀的方式聯(lián)級(jí)出現(xiàn)，提供了邏輯選項(xiàng)和預(yù)先選取的最普通選項(xiàng),同時(shí)還提供了簡(jiǎn)短的菜單描述和完整的在線幫助，這種形式使得容易學(xué)習(xí)和使用。個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途個(gè)人收集整理，勿做商業(yè)用途 根據(jù)全面的分析決定使用3個(gè)軟件，geomagic主要用于點(diǎn)云的處理,而imageware主要用于曲面的重構(gòu)，proe主要用于三維實(shí)體的修改，UG主要用二維圖的生成。選完軟硬件設(shè)備后，介紹逆向工程的一般過程。2。5實(shí)體三維數(shù)據(jù)的掃描在進(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)的最直接的方法，也是

38、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。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。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(guó)家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速

39、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。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。三維光學(xué)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)，以利曲面重

40、建。2.6點(diǎn)云處理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(wàn)點(diǎn)不等，這些大量的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云測(cè)量數(shù)據(jù)處理在反求工程 CAD 建模過程中占有重要地位是關(guān)鍵技術(shù)之一；由三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)或激光掃描儀所測(cè)得的數(shù)據(jù)點(diǎn)之間,通常沒有相應(yīng)的顯示拓?fù)潢P(guān)系。只是一大群空間散亂點(diǎn)。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,所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，在進(jìn)行 CAD 模型重建之前需要對(duì)其進(jìn)行預(yù)處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括:多視拼合、噪聲處理、精減數(shù)據(jù)點(diǎn)云

41、、數(shù)據(jù)點(diǎn)云分割與重組、特征抽取、對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的排序矢量化。（1）多視拼合：用于將多次測(cè)量獲得數(shù)據(jù)融合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，即進(jìn)行坐標(biāo)歸一化處理。（2）消除噪聲:由于實(shí)際測(cè)量中受到各種人為和隨機(jī)因素的影響，使得測(cè)量結(jié)果包含噪聲，有必要對(duì)測(cè)量的點(diǎn)云進(jìn)行平滑濾波,通常采用高斯、平均或中值濾波,提高點(diǎn)云的光順程度。(3)精減點(diǎn)云：測(cè)量中的高密度點(diǎn)云，由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，會(huì)影響后期建模的光滑度，并影響加工質(zhì)量.不同類型的點(diǎn)云可用不同的精減方式:對(duì)散亂點(diǎn)云可用隨機(jī)采樣法；對(duì)掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云可用等間距縮減、倍率縮減、等量縮減、弦偏差等方法；對(duì)網(wǎng)格化點(diǎn)云可用等分布密度和最小區(qū)域法。(4)點(diǎn)云的排序：將原始測(cè)

42、量點(diǎn)云按一定規(guī)則排序，使之在存儲(chǔ)方向上具有方向性；多邊形的點(diǎn)云經(jīng)過排序后，可按排序方向判斷輪廓的內(nèi)外關(guān)系。本文中，同樣要對(duì)各個(gè)“新云”進(jìn)行排序操作，這樣建立出來的曲面才有可能光順.（5)點(diǎn)云的分割：點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割是對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)按照一定原則劃分為特征單一、互不重疊的區(qū)域,使每一塊點(diǎn)云都能用一個(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來描述，是反求工程CAD建模的關(guān)鍵。通常可用數(shù)學(xué)捕述的曲面類型有：解析曲面f平面、圓錐面、圓柱面、球面等）和自由曲面兩種。對(duì)自由曲面分塊的原則要求是：區(qū)域內(nèi)的點(diǎn)云曲率沒有突變，或是曲率雖有變化,但是沿某一方向上的變化情況一致。點(diǎn)云數(shù)據(jù)分割的關(guān)鍵是找到塊的邊界，分塊時(shí)應(yīng)注意塊的數(shù)量要盡可能較少,以減少曲面

43、拼接帶來的困難.（6)特征抽?。簩?duì)分塊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，構(gòu)造出能表現(xiàn)曲面形狀的空間曲線根據(jù)曲率變化，尋找點(diǎn)云中的邊界、尖角、棱邊、孔等突變特征再投影到點(diǎn)云,求出給定空間范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，選取一定方式f插值或者擬合）建立邊界線、特征線、截面線，根據(jù)這些已建立的大量曲線建立曲面的特征網(wǎng)格模型,形成模型框架。2。7曲面重構(gòu)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)、制造或 NC 加工。目前在點(diǎn)云

44、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 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。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

45、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。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因應(yīng)而生，如 Bezier曲線、B-Spline 曲面、NURBS 曲線、掃描曲面（Sweep Surface)、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.一般 CAD/CAM 系統(tǒng)較常用到的曲線、曲面作以下特點(diǎn)介紹:1. Bezier 曲線 1962 年時(shí)法國(guó)雷

46、諾（Renault)汽車公司的工程師 P.Bezier 發(fā)展的一種完全用控制點(diǎn)坐標(biāo)來定義的曲線(如圖 2-2） 。圖圖 22 不同控制點(diǎn)建構(gòu)的不同控制點(diǎn)建構(gòu)的 BezierBezier 曲線曲線Bezier 曲線有以下的特點(diǎn)：（1) 控制點(diǎn)多角形（control point polygon)(2） 凸面被覆（convex hull property）曲線被包含在自由控制點(diǎn)所構(gòu)成的多角形內(nèi),此性質(zhì)對(duì)于處理曲線相交時(shí)相當(dāng)有用。（3) 控制點(diǎn)末點(diǎn)與曲線末點(diǎn)重合(end points meet polygon end points)Bezier 曲線有以下的缺點(diǎn)：A. Bezier 曲線無法做區(qū)域性的

47、控制(no local control） 。 B. 其曲線的次數(shù)和控制點(diǎn)的數(shù)目直接相關(guān),定義比較復(fù)雜的曲線形狀時(shí)，曲線的次數(shù)也跟著提高。 2. NURBS 曲線 相較于 Bezier 曲線而言,NURBS 曲線除了保有 Bezier 曲線的優(yōu)點(diǎn)外,由于節(jié)點(diǎn)向量與加權(quán)數(shù)的加入，對(duì)曲線有更好的控制性,對(duì)于區(qū)域性的控制也能藉由改變節(jié)點(diǎn)向量與加權(quán)數(shù)而有更好的結(jié)果.對(duì)于 NURBS 曲線(non-uniformrational Bspline curve）方程式我們描述如下： 其中 Pi:控制點(diǎn) N(u )：（P-1)階 BSpline 基函數(shù)w:加權(quán)數(shù) u:參數(shù)值Ri,p( u ) 為有理基函數(shù)(ra

48、tional basis function）.由于加權(quán)值的加入，使得控制點(diǎn)對(duì)曲線/曲面的控制產(chǎn)生不同比例的影響力，當(dāng)加權(quán)值修改時(shí)會(huì)使得曲線遠(yuǎn)離或接近控制多角形（control polygon） ，使得曲面的控制有更大的空間。在逆向工程中的大部分時(shí)間會(huì)用到它.3. Bspline 曲面 B-spline 曲面乃由 U、V 參數(shù)方向二維的基底函數(shù)（basis function）及控制點(diǎn)所組成，基底函數(shù)是由多階參數(shù)曲線組合而成，而控制點(diǎn)則在曲面的 U、V 參數(shù)方向上。在擬合 B-spline 曲面時(shí),方法是獲得曲面 U、V 參數(shù)方向的控制點(diǎn)坐標(biāo)值，以建立 B-spline 曲面。 對(duì) Bspline

49、 曲面以數(shù)學(xué)模式方程式表示如下：4. Loft 曲面（Loft Surface)Loft 曲面的擬合方式則不同于 B-spline 曲面,首先將其中一個(gè)參數(shù)方向的測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合出最佳化的 Bspline 曲線,此時(shí)每條曲線的控制點(diǎn)數(shù)目必須相同。接著在另一個(gè)參數(shù)方向上用先前所得的曲線控制點(diǎn)，擬合出該參數(shù)方向最佳化的 B-spline 曲線，并得到另一組新的控制點(diǎn).由此兩組先后得到的 U、V 參數(shù)方向點(diǎn)，即可建立 Loft 曲面。因此 Loft 曲面的擬合方式是由兩組一維的 Bspline 曲線擬合所組成。 基本上基底函數(shù)的階數(shù)、節(jié)點(diǎn)向量（knot vector） 、控制點(diǎn)的數(shù)目或控制點(diǎn)坐標(biāo)值等的

50、改變,都會(huì)影響曲面的形狀。因此在擬合曲面時(shí)，為了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法時(shí)，或提高基底函數(shù)的階數(shù)，或增加控制點(diǎn)的數(shù)目，以調(diào)整 U、V 參數(shù)方向的控制點(diǎn)坐標(biāo)值,最后使得曲面偏差量在容許曲面偏差量的范圍內(nèi)。此種曲面擬合法對(duì)于自由曲面造型或有突點(diǎn)等曲率變化比較大的曲面,都可以擬合出很好的結(jié)果。然而對(duì)于平滑或有規(guī)則性，對(duì)稱性的曲面,這種曲面擬合法會(huì)對(duì)產(chǎn)品在加工制造及量測(cè)上的誤差明顯的顯現(xiàn)出來，以至于無法擬合出具有上述特性的曲面。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(jiǎn)單介紹:1

51、. 近似法（approximation） 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)木谩Ｒ越品▉頂M合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需要通過每個(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。 2. 插補(bǔ)法（interpolation）以插補(bǔ)的方式來進(jìn)行曲面的建立，則是將每個(gè)截面

52、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)。 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)法來得到一較近似的曲面，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)與誤差將隨著曲面的建立而被包含在曲面之中的缺點(diǎn)。因此對(duì)于掃描點(diǎn)

53、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。根據(jù)生成的特征線網(wǎng)格化模型按照一定的曲面擬合算法,進(jìn)行曲面重構(gòu)，連接成完整的光順復(fù)雜曲面。其中技術(shù)難點(diǎn)主要體現(xiàn)在:根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面擬合的算法和曲面重構(gòu)方法兩個(gè)方面.在實(shí)際的產(chǎn)品中，曲面對(duì)象邊界和形狀有時(shí)極其復(fù)雜產(chǎn)品型面往往是由多張曲面混合而成.為了保證曲面模型的整體性能，必須有合理的曲面重構(gòu)方法.從工程角度出發(fā)評(píng)價(jià)曲

54、面重構(gòu)的重要指標(biāo)是模型的精確性、光順性、幾何不變性、對(duì)大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的重構(gòu)能力。由于對(duì)實(shí)物進(jìn)行表面數(shù)字化處理，采用的測(cè)量方法不同，得到的測(cè)量數(shù)據(jù)的組織方式也不同。常用的數(shù)據(jù)組織方式有四種：散亂數(shù)據(jù)；掃描線數(shù)據(jù)；網(wǎng)格化數(shù)據(jù)；多邊形數(shù)據(jù).不同的數(shù)據(jù)組織方式，可以選擇不同的曲面重構(gòu)方法， （1）三角Bezier曲面重構(gòu)法:采用分段三次Bezier三角代數(shù)曲面來逼近大規(guī)模的散亂點(diǎn)，使各三角曲面片之間達(dá)到邊界連續(xù) 角曲面構(gòu)造法對(duì)復(fù)雜邊界形狀曲面的擬合具有很大的靈活性。其中特征線的提取、三角網(wǎng)格的簡(jiǎn)化和多視問題的處理是三角曲面應(yīng)用研究的重點(diǎn)。但是，這種方法生成的三角化網(wǎng)格數(shù)目通常很大，需用專門的算法對(duì)網(wǎng)格

55、進(jìn)行簡(jiǎn)化處理(2)NURBS的曲面造型法:實(shí)際產(chǎn)品中，產(chǎn)品的型面多數(shù)是由多張曲面混合而成。實(shí)際工作中，要將產(chǎn)品型面數(shù)據(jù)分塊處理，首要問題是單矩形域內(nèi)曲面的散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面擬合問題。采用NURBS構(gòu)造曲面的方法中，首先用函數(shù)方法構(gòu)造曲面的數(shù)學(xué)模型,然后在曲面上構(gòu)造拓?fù)渚匦尉W(wǎng)格，交互定義特征線,利用矩形數(shù)據(jù)網(wǎng)格構(gòu)造出曲面。NURBS曲面具有優(yōu)良的局部形狀控制能力和幾何不變性，在復(fù)雜曲面建模技術(shù)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用.選擇合理的曲面造型技術(shù)，進(jìn)行擬合，生成若干個(gè)封閉、光滑的曲面,再將各分塊曲面通過拼接、過渡、延伸、裁剪、光順等技術(shù)處理，最終獲得實(shí)體表面形狀、尺寸精度范圍內(nèi)的曲面模型。該曲面模型必須

56、同時(shí)保證單張曲面的性能和各個(gè)連接曲面之間光滑、平順、封閉和連續(xù)，才能保證曲面模型的整體性能2。8實(shí)體建模近年來，運(yùn)用AutoCAD軟件進(jìn)行二維圖形的設(shè)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，都得到了廣泛的應(yīng)用。進(jìn)行實(shí)體造型，兩方面的良好結(jié)合才能構(gòu)造精確的實(shí)體模型.(1）基于曲面的實(shí)體造型:如果曲面重構(gòu)生成的曲面,其間隙在規(guī)定

57、允許的范圍內(nèi)可將曲面沿著法線方向產(chǎn)生一定的厚度，從而生成實(shí)體。此方法一般用于復(fù)雜自由曲面組成的實(shí)體，也是在反求工程中常用的實(shí)體造型方法.（2）基于體素特征的實(shí)體造型：通常將實(shí)體定義為簡(jiǎn)單的實(shí)體素的組合,采用布爾運(yùn)算交、并、差實(shí)現(xiàn)這種組合此建模方式通常用于規(guī)則表面構(gòu)成的實(shí)體。對(duì)于散亂型、網(wǎng)格型、線型等點(diǎn)云，很難用這種方法生成實(shí)體模型。目前,通常采用反求軟件進(jìn)行點(diǎn)、線處理，得到基本控制線框.然后通過IGES文件導(dǎo)人大型通用CAD軟件進(jìn)行仿形設(shè)計(jì)、改型設(shè)計(jì)、產(chǎn)品的工業(yè)造型設(shè)計(jì)或結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，獲得三維數(shù)字化模型；再根據(jù)新產(chǎn)品的功能要求進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)進(jìn)一步滿足使用要求.2.9后續(xù)加工處理實(shí)體建模后的處理包括

58、CAE 分析，CAM 加工，快速成型。CAE 分析基本概念是用較簡(jiǎn)單的問題代替復(fù)雜問題后再求解.它將求解域看成是由許多稱為有限元的小的互連子域組成，對(duì)每一單元假定一個(gè)合適的（較簡(jiǎn)單的）近似解，然后推導(dǎo)求解這個(gè)域總的滿足條件(如結(jié)構(gòu)的平衡條件)，從而得到問題的解。這個(gè)解不是準(zhǔn)確解，而是近似解,因?yàn)閷?shí)際問題被較簡(jiǎn)單的問題所代替。由于大多數(shù)實(shí)際問題難以得到準(zhǔn)確解，而有限元不僅計(jì)算精度高,而且能適應(yīng)各種復(fù)雜形狀，因而成為行之有效的工程分析手段。 例如用多邊形（有限個(gè)直線單元）逼近圓來求得圓的周長(zhǎng)，但作為一種方法而被提出，則是最近的事。有限元法最初被稱為矩陣近似方法，應(yīng)用于航空器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算,并由于其

59、方便性、實(shí)用性和有效性而引起從事力學(xué)研究的科學(xué)家的濃厚興趣。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）主要用來解決產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)和分析、加工問題，可完成模具產(chǎn)品造型、產(chǎn)品可裝配性檢查、動(dòng)態(tài)流體分析等工作.常用軟件有UG、Pro/Engineer、Mastercam、Cimatron 和 CAXA 等，這些軟件都具有模具設(shè)計(jì)開發(fā)功能。運(yùn)用知識(shí)工程技術(shù)(KBE）,把模具設(shè)計(jì)原理、經(jīng)驗(yàn)、技能和規(guī)范等結(jié)合到系統(tǒng)中，設(shè)計(jì)人員只要輸入工況參數(shù)、工程參數(shù)或應(yīng)用要求,系統(tǒng)就能自動(dòng)推理構(gòu)造出符合要求的數(shù)字化幾何模型。有的設(shè)計(jì)軟件如(UG）還具有數(shù)據(jù)讀入、零件建模、縮放控制、自動(dòng)模型布局、分模等功能，通過使用過程模板和標(biāo)準(zhǔn)件庫(kù),把過

60、程向?qū)Ъ夹g(shù)應(yīng)用于模具的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，使只有最基礎(chǔ)模具設(shè)計(jì)概念的初級(jí)設(shè)計(jì)人員也能設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的模具來,大大提高了模具設(shè)計(jì)工作的效率.快速原型技術(shù)是九十年代發(fā)展起來的一項(xiàng)高新技術(shù),它無需準(zhǔn)備任何模具、刀具和工裝卡具,快速成型設(shè)備可直接接受產(chǎn)品設(shè)計(jì)(CAD)數(shù)據(jù)，快速制造出新產(chǎn)品的樣件、模具或模型，對(duì)促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新、縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力有積極推動(dòng)作用。傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略是規(guī)模效益第一，九十年代以來，已發(fā)展為市場(chǎng)響應(yīng)第一。在制造業(yè)日趨國(guó)際化的狀況下，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產(chǎn)品投資風(fēng)險(xiǎn),成為企業(yè)賴以生存的關(guān)鍵。制造業(yè)市場(chǎng)的制造戰(zhàn)略重點(diǎn)正在發(fā)生從成本與質(zhì)量到時(shí)間與響應(yīng)的重大轉(zhuǎn)移.快速將多