1788_汽車輪轂盤的反求造型研究,汽車,輪轂,造型,研究,鉆研 畢業(yè)設計（論文）開題報告題目 汽車輪轂盤的反求造型研究專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化班 級 學 號 078105305學 生 姓 名 陳 榮指 導 教 師 于 斐填 表 日 期 2011 年 4 月 9 日說 明開題報告應結合自己課題而作，一般包括：課題依據及課題的意義、國內外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述） 、研究內容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內容。以下填寫內容 各專業(yè) 可根據具體情況適當 修改 。但每個專業(yè)填寫內容應保持一致。一、課題的背景及意義反求工程包含有實物反求、軟件反求和影像反求三個方面 【2】 。反求工程也稱為反求工程、反向工程，是對已有的零件或實物原型，利用 3D 數字化設備準確、快速的測量出實物表面的三維坐標點，并根據這些坐標點通過三維幾何建模方法重建實物的 CAD 模型的過程。實物原型經反求工程技術建立 CAD 模型之后，可進一步利用CAD／CAE，CAM 以及 CIMS 等先進技術進行處理，復制出實物的樣品模型。圖l—l 所示為反求工程技術與快速成型制造技術(Rapid Prototyping Manufacturing)相結合的工作流程圖。圖 1—1 反求工程流程圖反求工程是當前用于產品開發(fā)和仿真加工制造的一種理想的并行設計、開發(fā)的最先進的手段，是制造業(yè)中消化吸收先進技術、縮短產品再設計與制造周期的重要支撐技術，是集三維內外輪廓測量、激光技術、粉末冶金及快速模具制造等技術為一體的高新技術，是快速原型、快速模具制造的核心技術之一 【3】 。隨著新的反求工程原理和技術的不斷引入，反求工程已經成為聯(lián)系新產品開發(fā)過程中各種先進技術的紐帶，在新產品開發(fā)中居于核心地位，被廣泛地應用于摩托車、飛機、汽車、家用電器、模具等產品的改型與創(chuàng)新設計，成為消化、吸收先進技術，實現新產品開發(fā)的重要技術手段。具體來說，反求工程技術的應用主要集中在以下幾個方面 【4,5】 ：①在諸如飛機、汽車、摩托車、家用電器等產品開發(fā)中，產品的空氣動力學性能和美學設計顯得特別重要。新產品的設計可以應用反求工程對現存產品進行 CAD 建模、CAE 分析，進而對 CAD模型修改，在電腦中進行全方位的動態(tài)觀察，三維有限元分析，三維動態(tài)仿真，基本合格后，在進行三維立體打印、樹脂快速激光成型或 CAM 技術進行實物的數控加工，再得到遠程真實的三維立體打印模型、快速激光模型或數控加工的真實產品后，再進行美學及力學的最后評審及實驗試證,完全能達到對同類產品的引進、消化、吸收與創(chuàng)新。②由于工藝、美觀、使用效果等方面的原因，人們經常要對已有的構件做局部修改。在原始設計沒有三維 CAD 模型的情況下，若能將實物零件通過數據測量與處理產生與實際相符的 CAD 模型，對CAD 模型進行修改以后在進行加工，將顯著提高生產效率。因此，反求工程在改型設計方面可以發(fā)揮正向設計不可替代的作用。③在缺乏二維設計圖紙或原始設計參數情況下，需要將實物零件轉化計算機表達的 CAD 模型，以便于充分利用現有的計算機輔助分析（CAE） 、計算機輔助制造（CAM）等先進技術，并進行產品創(chuàng)新設計。④某些大型設備，如航空發(fā)動機、汽輪機組等，經常因為某一零件的損壞而導致整機停止運行，通過反求工程技術，可以快速生產這些零部件的替代零件，從而提高設備的利用率并延長使用壽命。⑤一些特殊領域，如藝術品、考古文物的復制，醫(yī)學領域中人體骨骼、關節(jié)等的復制、假肢制造，特種服裝、頭盔的制造時需要首先簡歷人體的幾何模型出發(fā)得到 CAD模型。⑥借助于工業(yè) CT 技術，反求工程不僅可以產生物體的外形而且可以快速發(fā)現、定位物體的內部缺陷，從而成為工業(yè)產品無損探傷的重要手段。反求造型的過程包括以下幾部分：① 產品定位設計規(guī)劃：開發(fā)新產品，必須要首先進行產品的定位。產品定位是基于充分、徹底的市場調研以得到的設計要求和其他方面比如廠方的一些要求，基于對已有產品、設計方案和同類產品的評價分析，從而得到產品的設計定位。因此在這一階段要進行大量的調研工作和資料收集，進行設計評價，進行設計目標的確定和設計規(guī)劃的制定。② 概念設計階段：在明確了設計要求、設計目標之后，就可以進行初步的設計，可利用諸如頭腦風暴法、反求發(fā)明法、缺點列舉法進行方案的創(chuàng)新設計。③ 數據采樣：數據采樣是反求工程的最基本的、必不可少的步驟，它從已有的實物獲取產品數據。若已有產品設計的三維數據，可直接采集。但通常是只有前代產品，這時可采用三維激光掃描儀，三維數字化儀，物體多角度照片等數字化方法來快速、準確地獲取數據。④ 數據分析及 CAD 建模的構建：在數據采集階段得到的數據如果是較完整的三維數據，就可以直接進入CAD 模型的構建階段。當得到采樣數據僅為二維數據，那么必須通過三維模型的方式構建出來，得到直觀簡略的產品結構外形。在這一過程中，設計師要考慮部件在本次設計中用到的可能性，以決定其是否進行模型構建。⑤ 數據恢復和修補、原始部件的分解：在采樣過程中，物體的某些細節(jié)的丟失是是不可避免的。通過對采樣數據的三維顯示及結構分析，能夠發(fā)現哪些數據丟失了。實際上以上所得數據是不完整的，不妨成為粗糙數據。要得到完整數據必須進行數據修復，它是反求工程的一個必不可少的步驟。反求工程要解決的關鍵問題是一個設計方案能不能最終變成產品，而通常的產品是由不同部件組裝而成。分解是將一個物體分解成若干個標準部件的過程。再分解過程中，必須區(qū)分每一部分的尺寸位置，不同部件之間的連接關系及連接方式以及物體表面該如何分割。通過以上幾個數據處理步驟，得到了較完整的產品數據，產品的三維模型以構建出，這時可對產品進行二次分析和評價，以得到更加準確、細致完整的工程信息和設計信息。⑥ 設計綜合：考慮原產品的風格、色彩、功能、結構、加工等信息，結合初步方案和設計要求，對多個方案進行比較分析，從全局、整體綜合考慮、權衡一確定最終的最佳方案。其確定以后還可以對它做進一步細化。細節(jié)的設計實際上體現設計師設計工作的細致性、設計理念的嚴密性，而且在后面的效果處理中，細節(jié)又往往成為一個設計亮點，所以應足夠重視。⑦ 仿真設計：產品的功能、設計的零部件裝配、加工工藝等的分析和檢測，可利用仿真技術，快速、準確、有效的進行。在虛擬裝配完成以后，在虛擬環(huán)境中隊產品的各項功能進行模擬。在這個過程中，可以事先建立產品評價系統(tǒng)，通過計算自動判斷產品設計的優(yōu)劣或通過交互方式，一設計師的經驗，通過觀察局部細節(jié)，可以知道物體的尺寸大小是否協(xié)調，物體的表面是否光順，以及物體表面的顏色紋理是否滿足設計的要求。同時，也可以進行有限元分析、加工工藝分析等，為設計的可靠性及以后的生產提供保障 【6】 。二、國內外研究概況及發(fā)展趨勢1.國外的研究概況作為一種新產品開發(fā)的重要手段，反求工程技術的研究正在受到廣泛的重視，研究的領域除包括傳統(tǒng)的機械行業(yè)外，還包括醫(yī)學、考古和地理等領域的圖像處理和模型恢復。反求工程技術是 20 世紀 80 年代分別由美國 3M 公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國 UVP 公司提出并研制開發(fā)成功的 【7】 。從已發(fā)表的文獻和會議記錄來看，國內外已形成了一批長期從事反求工程研究的單位和個人，反求工程已經發(fā)展成為 CAD/CAM 系統(tǒng)中一個相對獨立的研究分支，其相關的領域包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型等 【8】 。目前，世界各國對反求工程技術都給與高度重視，在國外，如美國、日本、英國等發(fā)達國家對反求工程技術方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果問世，他們對反求工程技術的研究有許多值得我們借鑒的地方。美國 UGS 公司提供的反求工程軟件 Imageware【9】 ，具有強大的數據處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數據，根據這些點云數據構造的 A 級曲面具有良好的品質和曲面連續(xù)性。另外，Imageware 在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它成為反求工程軟件的領導者。Imageware 采用的是 NURBS 曲面模型，與 UG、Pro/E、CATIA 等通用 CAD/CAM 軟件采用的曲面描述方法相同，可方便的溝通。CATIA 是法國達索系統(tǒng)公司的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM 領域中處于領先地位。它的數字化外形編輯器由于解決數字化數據導入、壞點剔除、勻化、截斷面、特征線、外形和帶實時診斷的質量檢查等問題。該模塊用于反求工程周期的開始階段?？焖偾嬷亟ǎ≦uick Surface Reconstruction）模塊可以根據數字化數據方便地重建曲面。它用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用戶可以方便地在有關曲面區(qū)域中創(chuàng)建多邊形線段【10】 。另外還有英國 DELCAM 公司的 CopyCAD 在國內也擁有了相當的客戶群。數字化制造針對三位散亂數據測量點的表面重建，國內在此領域的研究也很熱烈，并以取得一系列的成果 【11】 。進入 20 世紀 90 年代以來，反求工程技術被放到大幅度縮短新產品開發(fā)周期和增強企業(yè)競爭力的主要位置上。1998 年，全球反求工程技術系統(tǒng)加工中心達到 331 個，擁有快速成型機 660 臺套，同時有 27 個快速成型設備公司，12個大的材料供應商，15 個專業(yè)軟件公司，再加上從事該項目的 51 個教育和研究機構以及 227 個提供贊助的基金會以及大量的激光設備應用者和真空鑄造機制設備，形成了一個強大的集成體。在經過了初期 50％的高速增長后，世界快速制造業(yè)正步入穩(wěn)定增長期，年增長率保持在 17％左右。在越來越激烈的市場競爭中，反求工程技術在先進工業(yè)國家中被有遠見的企業(yè)采用，特別是在家電、汽車、玩具、輕工、建筑、醫(yī)療、航空航天、兵器等行業(yè)得到推廣，并取得重大的經濟效益。2.國內的研究概況國內在反求工程技術領域的表面重建方面做了大量的探索研究工作，并取得一批十分可喜的成果。但同國外相比，國內研究起步晚經費投入少，限制了高水平研究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學術領域還沒有形成較大影響力。較早從事反求研究工程研究的單位多為高等院校，如浙江大學、清華大學、華中科技大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等，取得了非?？上驳某晒?，并逐步向市場推廣 【12】 。浙江大學開展了對反求工程中曲面造型技術的研究，并推出了 RE-Soft 反求工程系統(tǒng)軟件。在 RE-Soft 系統(tǒng)軟件中，首先對數字化點建立三角形網格模型。利用這一模型對曲面的特征進行辨識，然后利用辨識的結果和用戶給定的誤差多三角形網格進行必要的簡化和調整，使得網格表示的曲面模型與實物一致，最后在三角形網格的網孔內構造三角 Bezier 曲面的去面片，各個相鄰曲面片間要實現 G1 連續(xù) 【13】 。華中科技大學開發(fā)了是三維激光彩色掃描系統(tǒng) 3DLCS95，1995 年獲得了國家專利。清華大學激光快速成型中心進行了照片反求、CT 反求研究。照片反求是通過提取實物照片的幾何信息，重構實物的 STL 模型。有了 STL 模型，就可以用 RPM 系統(tǒng)制造出該物體的原型。CT 反求是利用人體器官或工業(yè)零件的 CT 切片掃描文件，通過圖像處理，提取物體的平面輪廓線，并通過層片間的插值，得到可以被 CAM 系統(tǒng)接受的層片文件格式。西安交通大學 CAD/CAM 研究所開發(fā)的 Jade 系統(tǒng)是基于實體的三維重建方法處理斷層數據的三維模型反求系統(tǒng)軟件 【14】 。該系統(tǒng)包含有 3 個功能模塊：層析數據處理、特征識別、三維實體重構。數據是通過層去測量得到的，避開由于 CT、MRI 等設備造價昂貴，且測量精度不高的不足。層析數據處理就是通過圖像處理技術提取邊界輪廓以得到斷面輪廓數據環(huán)?？傮w來講，由于缺乏自主的 CAD/CAE/CAM 軟件的支撐，以及反求工程的上游測試設備和下游應用(CAD/CAE/CAM)基本為國外產品，使得國產軟件產品在設備接口、數據轉換和應用上一直滯后與世界上相關產品，開發(fā)的軟件顯得勢單力薄，與國外軟件相比處于競爭劣勢，因此，如何將反求工程系統(tǒng)地應用于工業(yè)產品創(chuàng)新設計，如何根據工業(yè)設計的需求來開發(fā)合適的反求工程系統(tǒng)，還處于摸索階段 【15】 。3.反求工程技術發(fā)展趨勢反求工程是一門發(fā)展十分迅速的新興學科，覆蓋了許多技術領域。目前這項技術一推廣到設計和新產品的開發(fā)中，它的應用可大大降低產品的開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、增強企業(yè)的競爭力。尤其是反求工程與快速原型、快速模具技術的結合更形成了一套快速響應的制造路線，為企業(yè)提高產品的快速開發(fā)能力?？梢哉f，隨著市場競爭的激烈，此項技術將越來越發(fā)揮出其獨特的作用。當前反求工程的理論和方法研究的重點在如下兩個方面：⑴針對不斷發(fā)展的高速、高精度的測量設備，需要研究和開發(fā)一種智能化的反求工程方法及其理論，能對散亂測量點數據點、多視和補測數據點的幾何、拓撲關系自動確定，能對測量數據“點云”中包含的幾何特征只能提取。⑵將反求工程方法與快速設計、制造環(huán)境有機結合起來，實現產品的快速設計和創(chuàng)新。只有將反求工程中建模部分與整個制造環(huán)境中的設計修改、性能分析、快速原型制造等模塊結合起來，引入并型設計、反饋設計的思想，才能徹底發(fā)揮其在快速設計中的作用。目前反求工程還有許多理論和關鍵技術問題未能得到徹底解決：造型精度需要進一步的提高；測量建模算法的有效性、建模效率，以及所建 CAD 模型的誤差（測量、算法誤差）分析還有待于深入研究；另外，面向 RPM 的反求工程系統(tǒng)在設備價格方面相對來說還比較昂貴；在工作過程中，需要適時的進行人工干預；在快速響應市場方面也有待于加強?？梢灶A計反求工程系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是向自動化、柔性化、快速化方向進一步發(fā)展 【16】 。三、研究的主要內容本文重點研究汽車輪轂盤反求造型的過程及基于 UG 的輪轂盤數控加工編程。研究的主要內容如下：1）反求輪轂盤造型。分析點的組成，創(chuàng)建六個半月形孔和四個小孔特征及繪制標志。2）基于 UG 的輪轂盤數控加工編程。對輪轂盤上下表面進行創(chuàng)建程序、創(chuàng)建加工刀具、創(chuàng)建幾何體、工件創(chuàng)建、創(chuàng)建方法、創(chuàng)建操作、型腔銑切削參數的設置、加工刀具路徑生成及刀具路徑的模擬。四、目標、主要特色及工作進度目標：用過對汽車輪轂盤點云模型數據處理利用 UG 軟件的反求工程原理創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體并對其進行數控加工編程工藝。主要特色：結合汽車輪轂盤設計制造的特點，采用逆向工程技術對汽車輪轂盤進行設計研究，是一項開拓性、實用性和綜合性很強的工作。利用激光跟蹤掃描系統(tǒng)作為空間三維點數據的獲取手段，用逆向工程軟件UG 對獲取的汽車輪轂盤點云數據進行反求處理，其重點難點是曲線的創(chuàng)建和診斷修改。只有滿足曲線光順，曲面才能光順，曲面與點云的吻合精度也主要靠曲線中關鍵特征線的提取和創(chuàng)建精度來保證。采用逆向工程技術，不僅能夠得到原實物的精確的復制品，而且可以進一步修改并生成完整的數學模型和產品圖紙，為產品的更改以及后續(xù)的數控加工帶來了很大的便利，大大地縮短設計開發(fā)周期，提高了產品設計的工作效率。工作進度：1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000 字符 ） 2.21-3.11 （3 周）2. 研究反求造型的基本方法 3.14-4.1 （3 周） 3. 創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體 4.4-4.29 （4 周）4. 汽車輪轂盤的數控加工編程 5.2-5.27 （4 周） 5. 撰寫畢業(yè)論文 5.30-6.17 （3 周） 6. 答辯準備及畢業(yè)答辯 6.20-6.25 （1 周）五、參考文獻1 金濤, 童水光. 逆向工程技術. 北京 機械工業(yè)出版社, 2003.2 蘇文慧,于學兵. 逆向工程——汽車車身設計中的新型開發(fā)方式[J]機械研究與應用, 2005,(01).3 朱東華,陳國富,王建峰. 虛擬造型反求與快速成型[J]機械設計, 2006,(03).4 姜斌,魏琳. 基于逆向工程的工業(yè)設計研究[J]輕工機械, 2005,(02).5 謝金,王文,等.基于激光測量的自由曲面零件逆向工程的實現.組合機床及自動化加 工技術,2002(1) 10 姜元慶, 劉佩軍編譯. 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