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玩具汽车的逆向造型研究.rar

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    编号:20180802233207263    类型:共享资源    大小:2.52MB    格式:RAR    上传时间:2018-08-02
      
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    玩具 汽车 逆向 造型 研究
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    南昌航空大学科技学院学士学位论文毕业设计(论文)题目 玩具汽车的逆向造型研究专 业 名 称 机械设计制造及其自动化班 级 学 号 078105303学 生 姓 名 陈 江 波指 导 教 师 于 斐南昌航空大学科技学院学士学位论文1目 录第一章 绪论1.1 逆向工程简介………………………………………………………………………31.1.1 逆向工程的概念…………………………………………………………………31.1.2 逆向工程的现状及应用…………………………………………………………41.1.3 逆向工程的一般步骤……………………………………………………………41.2 测量工具 ATOSⅠ介绍………………………………………………………………51.3 软件 Pro/E 介绍……………………………………………………………………61.4CATIA 软件介绍……………………………………………………………………71.5 本课题的意义和内容………………………………………………………………9第二章 逆向工程中的测量技术2.1 测量方式…………………………………………………………………………112.2 零件扫描过程……………………………………………………………………122.3 本章小结…………………………………………………………………………15第三章 逆向工程的后处理及三维建模3.1 逆向工程的后处理………………………………………………………………153.1.1 逆向工程后处理的要求………………………………………………………153.1.2 曲线与曲面的连续性…………………………………………………………153.1.3 曲线的拟合……………………………………………………………………153.1.4 曲线的构建……………………………………………………………………163.1.5 点数据处理……………………………………………………………………173.1.6 曲线的构建和分析……………………………………………………………183.1.7 曲面构建与分析………………………………………………………………193.2 基于 CATIA 软件下逆向后处理…………………………………………………213.2.1 CATIA 曲面重构工具介绍……………………………………………………213.2.2 平面特征………………………………………………………………………223.3 曲面重构具体过程[4][5][6]…………………………………………………223.4 曲率分析…………………………………………………………………………303.5 本章小结…………………………………………………………………………32第四章 基于 Pro/E 的玩具汽车结构设计及虚拟装配4.1 各个零部件的设计……………………………………………………………32南昌航空大学科技学院学士学位论文24.1.1 规则实体重构方法…………………………………………………………324.1.2 零件设计的一般步骤………………………………………………………334.2 虚拟装配………………………………………………………………………384.3 本章小结………………………………………………………………………41第五章 结论参考文献…………………………………………………………………………43致 谢………………………………………………………………………………44南昌航空大学科技学院学士学位论文3第一章 绪论1.1 逆向工程简介1.1.1 逆向工程的概念逆向工程(反求工程) 是利用对实物测量的数据重新构造实物的计算机模型,然后利用 CAD/CAE/CAM 等计算机辅助技术进行分析、再设计、数控编程等操作,而后进行加工。逆向工程现己发展为 CAD/CAM 中一个相对独立的范畴。通过实物模型产生 CAD 模型,可以使产品设计充分利用 CAD 技术的优势,并适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换。实施逆向工程可以充分发挥先进的测量设备的优越性,使其既可以作为 CAD/CAM 系统所需要的三维输入装置,又可以作为CAD/CAM 系统处理后的误差检测评估装置,从而提高工业产品的设计,制造自动化程度,缩短产品的试制开发周期,降低生产成本。将逆向工程技术定义为没有工程图纸的情况下,对物体的物理模型进行测量,通过对测量信息的分析和处理来反求其 CAD 模型的过程。在这一意义下,逆向工程可以定义为:是将实物转变为 CAD模型相关的数字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程是综合性很强的术语,它是以设计方法学为指导,以现代设计理论、方法、技术为基础,运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维,对己有新产品进行解剖、深化和再创造,是对己有设计的设计,特别强调再创造是反求的灵魂。从工程应用的目的出发,将反求工程的研究领域拓宽到工艺、材料、原理等方面的反求,是广义上的反求。应该看到:逆向工程有其独特的共性技术和内容,还是一门新兴的交叉学科分支。现行产品中的各种复杂高新技术,在逆向工程中都会遇到如何消化吸收并加以改进和提高。所以对于新兴技术的理解、消化和推广上,逆向工程作用十分巨大。现代人们通称的设计一般均指正向设计。它根据市场需要提出目标和技术要求,使设计意图变为产品。如何合理利用他人的设计思想,加快自身产品更新换代的能力,是在市场竞争日益激烈的今天站稳脚跟,持续发展的关键。实际上,在设计制造领域,任何产品的问世,包括创新、改进和仿制,都蕴含着对已有科学、技术的应用和借鉴改进。可以看出,反求思维在工程中的应用己源远流长,然而提出这种术语并作为一门学问去研究,则出现于 60 年代,逆向工程是各国技术进步、发展,尤其是发展中国家迅速改变技术落后状况,提高综合设计、决策水平、制造水平,赶超世界先进水平的迅捷之路。战后日本工业恢复的需要使其首先对逆向工程进行了较早的研究,日本提出“第一台引进,第二台国产化,第三台出口”的口号,用了近二十年时间迅速崛起成为世界经济强国就是一个生动的历史证明 [1]。南昌航空大学科技学院学士学位论文41.1.2 逆向工程的现状及应用逆向工程是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合,其主要目的是为了改善技术水平,提高生产率,增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中,应用逆向工程消化吸收先进技术经验,给人们有益的启示。据统计,各国百分之七十以上的技术源于国外,逆向工程作为掌握技术的一种手段,可使产品研制周期缩短百分之四十以上,极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术,对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高,具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况:(1)在产品仿制中的应用有时,拟合制作的产品没有原始的设计图档,而是由委托单位交付样品或实物模型,请制作单位复制。传统的复制方法是用立体雕刻机或三轴仿形铣床以 1: 1 的比例制作模具,再生产产品。这种方法属于模拟型复制,其缺点是无法建立工件尺寸图档,因而也无法用现有的 CAD 软件对其进行修改,故已渐为新型的数字化逆向工程系统所取代。在这种情况下,在对零件原形进行三维反求的基础上形成零件的设计图纸或 CAD 模型,并以此为依据生成数控加工的 NC 代码,加工复制出一个相同的零件。(2)在新产品设计中的应用随着工业技术的发展以及经济的发展,消费者对产品的要求越来越高。为赢得市场竞争,不仅要求产品的功能先进,而且要求外形美观。而在造型中针对产品外形的美学设计,已不是传统训练下的机械工程师所能胜任的。一些具有美工背景的设计师们可利用 CAD 技术构想创新的美观外形,再以手工方式塑造出模型,如木模、石膏模、粘土模、胶模、工程塑胶模、玻璃纤维模等,然后再以三维测量的方式建立曲面模型。在美学设计特别重要的领域,例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果,而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法,此时需用逆向工程的设计方法。(3)在旧产品改进中的应用在对旧产品改进时,有时并没有零件的 CAD 模型,因此需要利用逆向工程技术建立产品的几何模型,然后再利用传统的 CAD 软件对原设计进行改进。当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时,通常采用逆向工程的方法。比如航天航空领域,为了满足产品对空气动力学等要求,首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)建立符合要求的产品模型,这类零件一般具有复杂的南昌航空大学科技学院学士学位论文5自由曲面外型,最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。(4)在 RPM (Rapid Prototyping Manufacturing,快速原型制造) 中的应用快速原型制造(又称 RP 技术)是 80 年代后期兴起的一种基于材料累加法的高新制造技术,被认为是近 20 年来制造领域的一次重大突破。RPM 综合了机械、CAD,数控、激光以及材料科学等各种技术,可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造零件,用以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短了产品的研制周期。而以 RP 系统为基础的快速工装模具制造(Quick Tooling/Molding)和快速精铸技术(Quick Casting)等则可实现零件的快速制造(Quick Manufacturing)。为应用该项技术,首先应该有产品的三维几何模型。尽管己经出现了许多成功的三维 CAD 软件,但运用这些软件建立一个复杂的零件模型,仍相当费时。有时工程界提供的是实物,需要由实物制造模具或作设计上的改进,因此在 RPM 中经常利用逆向工程技术来建立产品的几何模型。此外,在计算机图形和动画、工艺美术和医疗康复工程等领域,也经常需要根据实物快速建立物体的三维几何模型。另一个重要的应用如修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等,此时不需要对整个零件原型进行复制,而是借助逆向工程技术抽取零件原形的设计思想,指导新的设计.这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。因此,逆向工程技术在这些领域中也具有重要的应用价值。1.1.3 逆向工程的一般步骤逆向工程一般可分为四个阶段:1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。2.从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割,采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。3.零件原形 CAD 模型的重建将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合,并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的 CAD 模型。 4.重建 CAD 模型的检验与修正采用根据获得的 CAD 模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的 CAD 模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求,对不满足要求者重复以上过程,直至达到零件的设计要求。1.2 测量工具 ATOSⅠ介绍德国 GOM 公司独家研制的 ATOS 流动式光学扫描仪是目前市场上最为先进的南昌航空大学科技学院学士学位论文6非接触式三坐标扫描设备。该设备采用可见光,将特定的光栅条纹投影到测量工件表面,借助两个高分辨率 CCD 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照,利用光学拍照定位技术和光栅测量原理,可在极短的时间获得复杂工件表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术,使扫描不需要借助于机床的驱动,扫描范围可达 12m,而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制,甚至可实现直接加工。ATOS 系统作为第三代逆向工程用数字化系统中最杰出的代表,他的工作原理在硬件结构及软件功能方面极具有领先性。ATOS 系统采用结构光测量的方式,利用光栅投影单元将一组具有相位信息的光栅条纹投影到测量工件表面,利用左右两个高分辨率数码相机进行同步的测量,利用立体相机测量的原理,可以在极短的时间内获得物体表面大量的三维数据。 ATOS 每次所得到数据是一幅类似照片状的三维点云数据,对于扫描一个整体零件来讲,ATOS 系统利用首创的参考点技术将每幅点云拼接起来,以得到一个完整的点云数据模型。为防止利用参考点技术拼接点云数据造成累计误差,超出技术要求,故 GOM 公司最先发明了数码相机定位技术 ,即 TRITOP 系统,利用特有的数码点和参考点来构建一个完整的座标定位系统,而扫描头所扫描的数据则会自动根据参考点的位置而自动粘贴上去,利用这样的方法,从而使扫描大到 10 米的汽车及汽车内外饰件而成为可能,且精度也可以达到 0.1mm/m。ATOS 扫描仪的技术优势: (1)高质量的扫描点云 ATOS 采用高分辨率 CCD 数码相机采集数据,可在短时间内获得任何复杂表面的密集点云(点距 0.03~0.5mm) ,并可根据表面的曲率变化生成完美的网格面,便于后期的曲面重建和直接加工。可清晰获得细小特征,并可方便提取工件表面特征(圆孔、方孔、边界线、黑胶带线等) 。测量的综合精度<0.1mm/m。 (2)结构简单,便于携带 整个测量系统由扫描头、三角架、控制器及电脑组成,可放置在两个手提箱内随处携带,设备安装、标定工作可在 10min 完成,无需预热即可扫描,可在任何环境下进行测量。 (3)测量效率高 单幅扫描时间只需 1 或 8 秒,6 小时即可完成 1:1 整车的外表面扫描。 (4)测量范围大 南昌航空大学科技学院学士学位论文7扫描头的单幅测量范围可以通过调整镜头, 实现多种测量范围,单幅测量范围从 50×40mm 到 2000×2000 mm;扫描点云的密度为 0.03mm ~ 1mm,适合测量不同尺寸零件:10mm ~ 12m。 (5)具有自我监测功能 采用双 CCD 测量方式,可以实现系统的自我监测,实现系统测量精度的实时监测,同时可以监测扫描过程中由于振动和环境光线变化对测量精度的影响,保证扫描精度。 (6)方便使用、性能稳定 系统软件和硬件均采用模块化设计,性能稳定。设备操作简单,经过两天的培训即可熟练的操作,软件提供完善的在线帮助和批处理功能,可适用于生产线检测。(7)首创的参考点拼合技术 不同视角的测量数据依靠粘贴在工件表面公共的三个参考点,可自动拼合在统一坐标系内,从而获得完整的扫描数据。可根据工件尺寸选择不同直径的参考点(1mm~8mm) ,对于被参考点覆盖而在工件表面留下的空洞,软件可根据周围点云的曲率变化进行插补。 (8)先进的数码相机定位技术 对于复杂的大型工件,采用数码相机拍照和整和定位计算,可迅速测量出全部参考点的空间三坐标值,从而建立统一的参考点的坐标框架,再利用 ATOS 扫描头进行测量,获得完整的扫描点云。通过这种方式,消除了积累误差,提高大型工件的扫描精度。1.3 软件 Pro/E 介绍 Pro/ENGINEER 软件由美国参数技术公司开发而成,是机械 CAD/CAM 软件的后起之秀,它采用统一的数据库,集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、饭金设计、加工和装配工艺过程。设计及模具设计等功能于一体,特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术,精悍、统一的数据库和能支持所有 UN 工 X 平台 Windows,Windows/NT平台,使它成为快速成形技术行业中市场占有率最高的 CAD 软件的核心技术特点:1、基于特征 Pro/ENGINEER 使用用户熟悉的特征作为产品几何模型的构造要素。这些特征是一些普通的机械对象,并且可以按预先设置很容易的进行修改。例如:设计特征有弧、圆角、倒角等等,它们对工程人员来说是很熟悉的,因而易于南昌航空大学科技学院学士学位论文8使用,并以这些简单特征为基础来进行更为复杂的几何形体的构造。装配、加工、制造以及其他学科都使用这些领域独特的特征。通过给这些特征设置参数(不但包括几何尺寸,还包括非几何属性),然后修改参数很容易的进行多次设计叠代,实现产品开发。2、全尺寸约束在 Pro/ENGINEER 的设计过程中,将零件的尺寸和形状结合起来考虑,通过尺寸约束实现对几何形状的控制。几何造型必须以完整的尺寸参数为出发点(全约束),不能漏标尺寸(欠约束) ,也不能多标尺寸(过约束) 。3、尺寸驱动设计修改Pro/ENGINEER 设计过程中是通过编辑尺寸数值来驱动几何形状的改变。Pro/ENGINEER 提供了独特的 Pro/GRAMME,让设计者可以通过简单的编程,来实现设计模型尺寸修改的程序化,从而实现程序化修改产品的几何形状,并可以利用此功能实现产品设计的系列化,建立产品的标准零件等。4、全数据相关为加速投放市场,需要在较短的时间内开发更多的产品。为了实现这种效率,必须允许多个学科的工程师对同一产品进行开发。数据管理模块的开发研制,正是专门用于管理并行工程中同时进行的各项工作,由于使 Pro/ENGINEER 独特的全相关性功能,因而使之成为可能。Pro/ENGINEER 是建立在统一的数据库上的,不像一些传统的 CAD/CAM 系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库,就是工程中的资料全部来自一个数据库,使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作,不管他是哪一个部门的。换言之,在整个设计过程的任何一处发生改动,亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合,使得一件产品的设计开发全过程统一起来。这一优点,使得设计更优化,产品质量更高,产品能更好地推向市场。Pro/ENGINEER 的全相关性保证在开发周期的任一点进行修改,却没有任何损失,并使并行工程成为可能,所以能够使开发后期的一些功能提前发挥其作用。5、装配管理Pro/ENGINEER 的基本结构能够使设计者使用一些直观的命令,例如“啮合” 、 “插入” 、 “对齐”等很容易的把零件装配起来,同时保持设计意图。高级的功能支持大型复杂装配体的构造和管理,这些装配体中零件的数量不受限制。作为世界一流的三维 CAD/CAM 软件, Pro/ENGINEER 不仅提供了复杂的功能而且还为用户提南昌航空大学科技学院学士学位论文9供了开发接口,同时 Pro/ENGINEER 还自带一个 PROGRAM 模块。 6、制造加工 现今加工制造业所面临的加工目标要求多,如工件复杂性、精度要求及生产效率等的门槛越来越高,同行业的竞争也越来越激烈。在众多强劲对手中,需要更进一步提高加工技术的水平,才能在同行业竞争中脱颖而出。在 PRO/E 的 CAD/CAM系列模块中,除了提供用于建立计算机几何模型的辅助工具(CAD),还提供了在设计产品加工制造工艺时所需要的辅助工具(CAM),使用户在产品的设计上更得心应手,加工制造技术更快速,生产程序更具有效率,上市时间更加领先,质量更加可靠。让用户的产品设计、制造、生产流程连贯化,因此更具有竞争力。在产品加工制造的环节上,PRO/E 在设计 NC 加工制造程序上提供了功能强大的辅助工具一 PRO/NC 加工制造模块。使用户可以利用 PRO/NC 将产品的计算机几何模型与计算机辅助制造进行整合,配合 NC 加工制造技术上所需要的各项加工参数:加工所需要的模型、加工坯料、夹具、加工刀具、加工机床及各种加工参数等等,来设计产品的各种加工工艺。PRO/NC 多样化的加工辅助制造程序设计工具,可以分别针对各类型加工机床(两轴半至五轴各型加工中心、两轴及四轴车床、两轴及四轴电火花线切割机等)及各种加工方式(铣、车、钻、电火花加工等等),自动产生适用于加工机床及加工刀具与控制器所需要的加工控制数据。利用输出的加工控制数据可进行实际加工,制造出所设计的产品及零件模型。工程师利用 PRO/NC 设计好加工程序后,产生的加工刀具相对于加工坐标的路径数据称为 CL DATA (CUTTER LOCATION DATA)。所得到的 CL DATA 可以利用 PRO/NC-CHECK 在计算机中模拟所设计的加工程序切削材料时的状况,由此观察废料的产生及避免加工失败。还可以协助制造工程师达到制造流程最佳化的目的,并检验产品在进行切削时的状况。设计加工制造程序所产生的 CL DATA,可经由 PRO/NCPOST 进行数据的转换,得到适用于实际加工所需要的机械控制码(NCCODE)。所产生的 NC CODE配合适当的工具及加工机床,可以实际应用 PRO/NC 所设计的产品加工制造工艺。1.4 CATIA 软件介绍1、CATIA 简介CATIA 应该说是最高档的 CAD/CAM 软件,由法国 Dassault 公司开发,后Dassault 被美国的 IBM 公司收购。该软件原运行于 IBM 的工作站上,驱动系统为VM/CMS,现已成移植至个人 PC,这又使这一功能强大的软件的使用者更加广泛。与 UG、EUCLID 、PRO/E 等相比,该软件在曲面造型方面具有独特的优势,应该说
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