逆向工程中曲线及曲面的参数化设计.doc

毕业设计题目逆向工程中曲线及曲面的参数化设计学院机械工程学院专业机械工程及其自动化班级机自0702学生刘双源学号20070403112指导教师王玉增二〇一一年五月三十日济南大学毕业设计--前言1.1课题背景我国制造业在国民生产中占据着举足轻重的重要作用。但是制造业总体水平与发达国家还有很大差距。随着科学技术迅猛发展，产品更新迭代速度加快，为了占领市场优势维持生存发展，企业必然要具备一定的新产品研发能力。为此，加速产品开发进程，具有重要的经济价值和现实意义。逆向工程技术在新产品的快速设计方面优势显著,其开发速度快，设计周期短，在实现产品的再设计上表现优异[1-3]。逆向工程技术广泛涉及计算机图像处理、计算机图形学、计算几何、微分几何、数据结构、概率统计、软件工程等交叉专业和学科，是CAD领域最活跃分支之一，尤其是伴随计算机、测量和数控技术的飞速发展，逆向工程技术逐渐成为船舶、飞机、汽车领域最主要的数字化设计方法之一[4]。在企业实际生产中，对车轮的逆向设计，需要对车轮零件的尺寸参数进行详尽的测量，最终并以此进行的模具设计。整个过程不仅需要专门技术人员进行测量，而且由此绘制出的工程图纸也存在着精度不高和信息缺失。本课题为了解决生产中的以上问题，基于测量点云数据来提取产品设计参数，进行特征重构运算，最终实现产品三维模型重建。1.2国内外研究现状逆向工程（RE）也被称为反求工程，其主要任务是针对现有产品，在其基础上发掘深化结构特征信息，并以此设计出同类或更为高级的产品[4]。逆向工程正如其名，与传统设计制造过程相反，是先有实物后有设计参数。而传统设计制造过程是先有设计图纸然后生产出实物。20世纪80年代，欧美国家首先对逆向工程研究，并取得了一定的成果，90年代后，各国开始对逆向工程研究投入大量精力。逆向工程最早的用途是仿制加工设备，随着精确测量技术的发展，使设备仿造精度极大提升，因此，逆向工程研究的内容变得越来越广泛，涵盖了几何形状与结构反求、制造工艺反求、管理反求、材料反求等等方面[5-7]。逆向工程的关键技术主要包括：测量、数据处理、图形处理和加工等技术[8-10]。逆向工程技术提供了一种新的产品设计方法，大大缩短了产品的设计周期，加速了新产品的开发进度。数据采集是由测量设备和一定的测量方法获取产品表面上离散点几何坐标，由所得点云数据进行曲面建模。因此精准可靠的测量技术，是逆向工程的基础。因此，逆向工程技术的一项关键技术是数据采集技术[11-12]。曲面重建技术是逆向工程的又一关键技术[13]。恰当准确的曲面重建技术可以得到精度很高的曲面模型，目前应用广泛的曲面重建技术有以下几种：基于神经网络技术曲面重建、基于断层数据表面重建方法、基于测量点曲面重建方法和基于边曲面重建方法。逆向工程技术经过多年发展，出现了许多逆向软件。美国Raindrop公司的Geomagic软件，EDS公司的Imageware软件，英国DELCAM公司的CopyCAD软件，韩国INUS公司的RapidForm软件等，这些专业软件能够轻易由点云数据生成光滑连续NURBS曲线曲面。1.3研究目的及意义未来企业生产规模会持续增大，需要生产的产品品种也会持续增多，与此同时对车轮设计每次都要对不同产品进行测量获取数据，随后在CAD软件里绘制图纸。这样不仅耗时费力，而且某些尺寸会因不便测量而丢失。在机械产品设计制造方面，逆向工程主要任务是针对现有产品，在其基础上发掘深化结构特征信息，并以此设计出同类或更为高级的产品。另外一方面，随着网络通讯的发展，世界各国制造企业会需要根据客户提供的样品进行产品再设计。从企业方面来说，逆向工程技术是一种很好的科研技术，既能缩短科研周期，又能开发出适应市场的产品。同样也加快技术更新速度。逆向工程技术成功实现产品的快速设计，其关键是设计参数。但目前的逆向工程的曲面重建技术，只能提供位置数据的描述，却不能捕捉到高层次对象结构，因此更新产品设计困难，求解轮廓线尺寸参数比较困难。为提高建模质量，使参数化车轮模型有利后续修改设计，本文采用基于图元方法对车轮轮廓线实行参数化。1.4论文完成的任务本课题的车轮快速设计系统分为两个子系统：数据处理系统和模型重建系统。数据处理系统DataExplor实现了对三坐标测量仪采集的点云数据的处理，生成了轮辋和轮辐的点云和图形数据库。造型软件DataMining根据上一步数据处理的结果，在SolidWorks中插入点云和图形数据，实现车轮的三维建模。课题利用面向对象程序设计完成软件开发。本课题完成的任务是：1)对车轮快速设计系统的技术难题进行系统的分析总结。2)点云测量方案设计，针对数据处理要求对测量方案设计。3)数据处理系统设计，对点云数据文件读取，实现回转零件求解。4)轮廓线识别算