反求工程的教案

反求工程的教案第1頁/共80頁5.1.1光順的概念對平面曲線：1）曲線C2階連續(xù)；2）沒有多余拐點；3）曲率變化均勻；對空間曲線：1）曲線C2階連續(xù)；2）沒有多余拐點、變撓點；3）曲率與撓率變化均勻；

5.1車身曲線曲面光順第2頁/共80頁曲面光順準則：1）關(guān)鍵曲線光順；2）網(wǎng)格線沒有多余拐點；3）主曲率變化均勻；4）高斯曲率變化均與。高斯曲率：曲面論中最重要的內(nèi)蘊幾何量。設(shè)曲面在P點處的兩個主曲率為k1，k2，它們的乘積k＝k1·k2稱為曲面于該點的總曲率或高斯曲率。它反映了曲面的一股彎曲程度。

5.1車身曲線曲面光順第3頁/共80頁5.1.2車身曲線光順第4頁/共80頁5.1.2車身曲線光順第5頁/共80頁5.1.3車身曲面光順包括：網(wǎng)格線光順、能量法P103檢查方法：基于曲率(顏色映射、繪制等曲率線、主曲率線等)；

基于光照（等照度線、反射線）P103-105第6頁/共80頁7幾何造型技術(shù)是一項研究在計算機中，如何表達物體模型形狀的技術(shù)。描述物體的三維模型有三種:

線框模型、曲面模型和實體模型。

教材P1065.2車身CAD建模5.2.1車身CAD模型分類第7頁/共80頁81、建模步驟（P107）前期準備。二維效果圖。三維CAD曲面造型。實體結(jié)構(gòu)分析。實物模型。5.2.2車身CAD的曲面模型與實體模型第8頁/共80頁92、車身曲面建模的一般過程（P108）利用三坐標測量機測量數(shù)據(jù)點。生成三維光順曲線。由曲線生成曲面。裁剪和過渡（橋接）。評價、檢查。5.2.2車身CAD的曲面模型與實體模型第9頁/共80頁103、A級曲面（P108）G2連續(xù)。特征網(wǎng)格均勻分布。曲率方向一致。橋接后的階數(shù)一致。5.2.2車身CAD的曲面模型與實體模型第10頁/共80頁11汽車的設(shè)計過程A從腦到手：草圖B初步定稿：草圖＋說明5.3車身逆向工程第11頁/共80頁12第12頁/共80頁13五、汽車設(shè)計過程C理念表達：效果圖D內(nèi)部設(shè)計：內(nèi)廂效果圖第13頁/共80頁14第14頁/共80頁15E1/5油泥模型F1：1油泥模型第15頁/共80頁16第16頁/共80頁17G測量階段：三維坐標測量

H最后階段：電腦設(shè)計

第17頁/共80頁18風洞實驗第18頁/共80頁19路試模擬及實車碰撞實驗第19頁/共80頁20第20頁/共80頁21戴姆勒在奧地利維也納的全球最大氣候?qū)嶒瀳龅?1頁/共80頁22喬治亞羅與親手設(shè)計的大宇Lacetti

韓版克魯茲第22頁/共80頁定義:根據(jù)產(chǎn)品預定的功能需求進行開發(fā),繪制出產(chǎn)品設(shè)計圖,制造并進行裝配,得到功能完整的產(chǎn)品的開發(fā)模式。過程確定功能與規(guī)格。構(gòu)思零部件需求。零部件設(shè)計制造。零部件組裝檢驗。整機組裝檢驗。性能測試。正向工程第23頁/共80頁逆向工程

(ReverseEngineering),又稱為,反求工程等定義:逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù),幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱,是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計模型和概念模型,在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行解剖,深化和再創(chuàng)造的過程逆向工程定義第24頁/共80頁汽車造型油模外形測量第25頁/共80頁設(shè)計草圖油土石膏模型測繪特征線三角嵌片涂彩細膩涂彩第26頁/共80頁第27頁/共80頁正向工程設(shè)計從實現(xiàn)某一功能的概念開始要對產(chǎn)品進行功能分析,在滿足功能要求的前提下選擇合適的結(jié)構(gòu)組合成產(chǎn)品雛形,再根據(jù)約束條件來修正,直至產(chǎn)品定型.難點/關(guān)鍵在于充分了解產(chǎn)品的使用要求,找到合理的物化過程和物化結(jié)構(gòu)逆向工程與正向工程的區(qū)別第28頁/共80頁逆向工程幾何實現(xiàn)的設(shè)計過程,產(chǎn)品設(shè)計是從模型數(shù)字化的實現(xiàn)過程開始的,對已有產(chǎn)品的仿制或僅局部修改,對產(chǎn)品的功能不做主要因素考慮,難點/關(guān)鍵在于模型的重構(gòu)技術(shù)(對已有模型進行合理幾何表達的方法)逆向工程與正向工程的區(qū)別第29頁/共80頁正向工程概念設(shè)計詳細設(shè)計數(shù)字化模型的實現(xiàn)數(shù)字化模型的物化成品功能需求設(shè)計人員功能尺寸信息設(shè)計標準設(shè)計人員設(shè)計標準詳細結(jié)構(gòu)信息設(shè)計人員設(shè)計標準CAD/CAM系統(tǒng)工藝標準操作人員工藝清單操作規(guī)程NC機床NC程序功能導向(Functionally-oriented)對象導向(Object-oriented)預定模式(Prescriptivemodel)第30頁/共80頁逆向工程初始數(shù)據(jù)獲得數(shù)字化模型實現(xiàn)數(shù)字化模型的物化成品設(shè)計人員操作人員技術(shù)要求測量方案操作規(guī)程CMM測繪工具點云模型/測量數(shù)據(jù)模型/樣件設(shè)計標準工藝標準設(shè)計人員CAD/CAM系統(tǒng)工藝清單操作規(guī)程操作人員NC機床NC程序功能導向(Functionally-oriented)描述模式(Descriptivemodel)系統(tǒng)仿造(Systemas-is)第31頁/共80頁針對一現(xiàn)有工件(樣品或模型),利用3D數(shù)字化量測儀器準確快速地獲得輪廓坐標,并加以建構(gòu)曲面編輯修改后傳至一般的CAD/CAM系統(tǒng),將CAM產(chǎn)生的NC加工路徑送至CNC加工機,制作所需模具或者送到快速成型機(Rapidprototyping)將樣品模型制作出來。基于幾何反求的逆向工程第32頁/共80頁逆向工程步驟了解要求(客戶,產(chǎn)品性能要求等)，這將決定設(shè)計工作量了解設(shè)計條件，含測量手段、生產(chǎn)條件產(chǎn)品測量。獲取重構(gòu)電子模型所需數(shù)據(jù)，最常用三視圖的2D輪廓和特征輪廓（曲面）第33頁/共80頁逆向工程過程

第34頁/共80頁合并調(diào)整點云曲率濾波點45,000,000100,000劃網(wǎng)格后處理合并反求輸出劃網(wǎng)格濾波掃描幾何逆向工程第35頁/共80頁逆向工程注意事項在反求CAD模型過程，出現(xiàn)扭曲現(xiàn)象時，要使用虛構(gòu)方法進行重建，捕捉原作品的設(shè)計思想，反求原始曲面，再進行修剪，保證所需曲面的光順產(chǎn)品精度要求高時，需對設(shè)計結(jié)果與原件比較，檢測手段:在電腦上作比較輪廓打印制造模型快速成形最終產(chǎn)品還要考慮縮水或回彈及其它一些工藝問題第36頁/共80頁鞋揎的掃描和反求汽車造型的掃描和反求復雜曲面的反求逆向工程的應(yīng)用第37頁/共80頁骨骼的掃描及反求第38頁/共80頁牙頜的點云和反求第39頁/共80頁顱骨的點云和反求狗頭部的點云和反求人面部部的點云和反求第40頁/共80頁表面重建應(yīng)用于影視動畫技術(shù)第41頁/共80頁點云網(wǎng)格藝術(shù)品的點云和反求第42頁/共80頁逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)實物（產(chǎn)品）尺寸的三維測量技術(shù)測量數(shù)據(jù)的前處理技術(shù)。包括：測量數(shù)據(jù)的壞點、測量誤差的去除，多視圖測量數(shù)據(jù)的整體拼接，冗余數(shù)據(jù)的去除，測量數(shù)據(jù)的簡化和優(yōu)化，等等測量數(shù)據(jù)的CAD反向建模技術(shù)。包括：測量數(shù)據(jù)的分割和曲面擬合，被測實物的CAD模型重構(gòu)技術(shù)等。逆向工程的接口技術(shù)。包括：測量數(shù)據(jù)與快速成形系統(tǒng)的接口（STL文件），測量數(shù)據(jù)與CNC設(shè)備的接口（DXF、IGES、點云文件），測量數(shù)據(jù)與CAD/CAM系統(tǒng)的接口（DXF、IGES、STEP文件），以實現(xiàn)與現(xiàn)有的制造設(shè)備、CAD/CAE/CAM等軟件的數(shù)據(jù)交換。第43頁/共80頁逆向工程的應(yīng)用舉例第44頁/共80頁前期準備:如貼參考點、物體表面噴涂顯像劑和儀器與軟件校準等。掃描過程:葉輪的整個外形都需要掃描，無法一次掃描完成。根據(jù)葉輪的形狀，把其分成上下2部分，分別掃描。然后在ATOS軟件中，通過公共參考點把分別掃描所得的兩個文件合并為一個整體。水泵葉輪實物照片

逆向工程用于水泵葉輪測量和加工第45頁/共80頁葉輪外形尺寸為φ370×85。對掃描系統(tǒng)校準后，即可對水泵葉輪上下部分多個角度的不同方位進行掃描掃描軟件依據(jù)參考點，把每幅掃描照片自動進行拼合，最終完成整個葉輪外形的掃描掃描完成后，經(jīng)過點云對齊、三角化、光順和稀化，得到的葉輪外形點云文件。輸出STL文件，以便Imageware軟件對點云進行后序處理

ATOS掃描儀掃描的水泵葉輪原始點云水泵葉輪掃描過程第46頁/共80頁對點云進行處理Imageware軟件調(diào)入點云文件，依據(jù)其特征做出一些輔助基準，進行方位對齊，為提取截面線做準備。過濾點云數(shù)據(jù)中的雜點，對其進行優(yōu)化，刪除不必要的點，適當降低點云密度，可加快計算機處理速度。特征線的提取第47頁/共80頁特征線的提取根據(jù)葉輪外形特點，劃分出二次曲面的區(qū)域。對點云進行分割，把這些二次曲面擬合構(gòu)造平面、圓柱面或球面，或直接做出特征。葉輪與軸連接部位是內(nèi)螺旋槽，測量十分困難。關(guān)鍵是做出螺旋線，測量出螺距，最后構(gòu)造標準螺旋線。以孔中心為圓點作圓并投影在螺旋面點云上，產(chǎn)生螺旋截面線點云，擬合產(chǎn)生螺旋線，裁剪螺旋線得到半圈的螺旋線，通過兩頭端點計算得出螺旋線的螺距為(29.86mm)。為求得更精確的螺距，可多做幾個大小不同的圓，求其均值。第48頁/共80頁特征線分析為了確保重構(gòu)特征線的精度，在任何一條特征線的構(gòu)建過程中，都要隨時檢測點云和曲線之間的偏差。確保特征線在偏差允許范圍內(nèi)，以保證與原型的一致性。螺旋線偏差分析結(jié)果如圖所示。第49頁/共80頁構(gòu)建曲面模型

在UGNX中直接讀取Imageware軟件的*.IMW格式文件把在Imageware中構(gòu)建好的特征曲線導入到UGNX中，并保證坐標系的一致性。對調(diào)入的曲線進行分析，并對曲線進行光順處理，或?qū)η€進行重構(gòu)和編輯。使用UGNX的特征造型和曲面造型功能，最終完成水泵葉輪的三維造型。第50頁/共80頁構(gòu)建曲面模型

完成三維造型后，反過來可利用UGNX軟件重構(gòu)的三維模型讀入Imageware軟件中，比較分析重構(gòu)的三維模型和掃描的點云之間的偏差。用彩色云圖將差異顯示出來，可直觀地了解曲面與點云間的差異，并且可指定一個可接受的公差帶，求出在公差帶內(nèi)點的數(shù)量，檢測逆向掃描測量的精確性。

第51頁/共80頁利用逆向工程進行產(chǎn)品檢驗

利用傳統(tǒng)的檢測手段很難準確檢測，因此同樣可利用逆向工程技術(shù)對零件進行準確、高效率的檢測。首先對加工零件進行掃描，然后把掃描所得的點云和原始設(shè)計的三維數(shù)字模型一起調(diào)入逆向工程軟件Imageware中，分析比較二個模型間的偏差，用彩色云圖將差異顯示出來，從而檢測零件的加工精度。逆向工程技術(shù)不但在單件加工上可以很方便地對復雜零件進行檢測，而且在批量生產(chǎn)和流水化生產(chǎn)中對產(chǎn)品的抽檢也顯得十分方便。如注塑件手機的外殼，就可以利用逆向工程技術(shù)很快地完成檢測工作。第52頁/共80頁汽車試制車間用逆向工程系統(tǒng)進行質(zhì)量檢測汽車試制子公司有大量的零件要進行檢測,利用逆向工程系統(tǒng)可對零件進行全尺寸質(zhì)量檢測,并自動生成質(zhì)檢報表,大大提高了效率

實測鈑金點云的STL文件點云與CAD數(shù)據(jù)的比對結(jié)果第53頁/共80頁精細件—上海阿爾卡特手機反求點云第54頁/共80頁精細件—上海阿爾卡特手機曲面重構(gòu)第55頁/共80頁逆向工程技術(shù)(RE)：該技術(shù)采用三角光學法、光柵投影法、數(shù)字照相系統(tǒng)、層切法、計算機斷層掃描CT（ComputedTomography）等方法獲得已有產(chǎn)品原型的表面CAD數(shù)據(jù)，可以快速實現(xiàn)產(chǎn)品的改型設(shè)計。

RE技術(shù)在汽車研制過程中的應(yīng)用第56頁/共80頁福萊爾轎車車燈設(shè)計第57頁/共80頁轎車內(nèi)飾結(jié)構(gòu)設(shè)計第58頁/共80頁客車內(nèi)飾儀表盤設(shè)計第59頁/共80頁軟件：Pro/E、UG、Cetia、Solidwork、SolidEdge、Ideas、ANSYS、Nastran、AUTOFORM、DYNAFORM、SURFACER、DELCAM等正版軟件人員：專業(yè)反求人員硬件：LSH600光切反求設(shè)備——汽車內(nèi)飾件外形測量Faro大場景反求設(shè)備——汽車外覆蓋件測量SL350層切法反求設(shè)備——汽車零件復雜內(nèi)型腔表面測量逆向工程工作基礎(chǔ)第60頁/共80頁汽車車型反求工程流程圖第61頁/共80頁激光掃描反求設(shè)備——LSH系列適合于汽車內(nèi)飾件外形測量第62頁/共80頁Faro移動式反求測量設(shè)備一臺——適合于汽車外覆蓋件測量第63頁/共80頁Faro移動式反求測量設(shè)備測量汽車發(fā)動機外形結(jié)構(gòu)與CAD建模第64頁/共80頁汽車門的三維掃描采用多次掃描拼合的方法，整個車門分成14次掃描，拼合誤差約為0.1mm。點距約0.5mm,點云均勻，邊界清楚車門三維點云（采樣后）散亂點顯示渲染后的點云第65頁/共80頁發(fā)動機罩測量點云拼合后發(fā)動機罩測量點云拼合前新款汽車發(fā)動機罩反求測量第66頁/共80頁轎車車身模型——掃描測量第67頁/共80頁云狀數(shù)據(jù)點處理第68頁/共80頁車身頂部平面掃描結(jié)果多視拼接結(jié)果第69頁/共