數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造-范例4.doc

數(shù)字化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)數(shù)字化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)學(xué) 院：機(jī)械電子工程學(xué)院 指導(dǎo)教師：魯 聰 學(xué) 生：汪 洋 201222080108朱新朝 201222080604于海濤 201222080614目錄前言3第一章 鞋子傳統(tǒng)加工工藝31.1材料介紹31.2男士涼鞋有限元分析31.2.1受熱分析31.3女式?jīng)鲂邢拊治?1.3.1受力分析31.3.2熱分析3第二章 鞋底原形件表面逆向工程研究32.1引言32.2逆向工程技術(shù)32.2.1概述32.2.2逆向工程系統(tǒng)32.2.3逆向工程研究現(xiàn)狀32.2.4逆向工程技術(shù)的應(yīng)用32.2.5相關(guān)軟件的介紹32.3鞋底原形件的逆向工程研究32.3.1測(cè)量方法研究32.3.2測(cè)量設(shè)備及測(cè)量方法32.3.3鞋底三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)的獲取以及曲面的重構(gòu)32.4本章小結(jié)3第三章 仿生類比信息的提取與仿生改形鞋底試件的快速原型制造33.1非光滑形態(tài)選取的仿生學(xué)基礎(chǔ)33.2仿生類比信息的提取33.3快速原型制造技術(shù)33.3.1概述33.3.2基本原理33.3.3主要分類33.4仿生改形鞋底試件的加工33.4.1快速原型制造設(shè)備的選擇與介紹33.4.2計(jì)算機(jī)三維改形建模33.4.3仿生改形鞋底試件加工33.5本章小結(jié)3參考文獻(xiàn)3數(shù)字化設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)前言近些年來，隨著人們生活水平的提高，人們對(duì)鞋子的要求也越來越高了。為了滿足人們既對(duì)外觀款式的要求，又對(duì)舒適度的要求，對(duì)鞋子的快速研發(fā)漸漸受到企業(yè)的重視?，F(xiàn)代制造業(yè)也正是在這種背景下如雨后春筍般得到了蓬勃發(fā)展。它要求現(xiàn)代信息技術(shù)與傳統(tǒng)制造業(yè)相結(jié)合，采用CAD/CAE/CAM/CAPP技術(shù)，充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)點(diǎn)，從而滿足現(xiàn)代制造業(yè)的需求。鞋子的快速研發(fā)與制造也是在此前提下得以實(shí)現(xiàn)的。第一章 鞋子傳統(tǒng)加工工藝1.1材料介紹1、乙烯醋酸乙烯共聚物和聚氯乙烯乙烯醋酸乙烯酯共聚物（又稱乙烯乙酸乙烯酯共聚物），是由乙烯（E）和乙酸乙烯酯（VA）共聚而制成，英文名稱為：Ethylene Vinyl Acetate，簡(jiǎn)稱為EVA，或E/VAC。2、特性乙烯醋酸乙烯酯共聚物的特點(diǎn)是具有良好的柔軟性，橡膠一樣的彈性，在-50仍能具有較好的可繞性，透明性和表面光澤性好，化學(xué)穩(wěn)定性良好，抗老化和耐臭氧強(qiáng)度好，無毒性。與填料的摻混性好，著色和成形加工性好。它在常溫下為固體，加熱融熔到一定程度變?yōu)槟芰鲃?dòng)，并具有一定黏度的液體。3、用途一般情況下，乙酸乙烯酯含量在5%以下的EVA，其主要產(chǎn)品是薄膜、電線電纜、LDPE改性劑、膠黏劑等；乙酸乙烯酯含量在5%10%的EVA產(chǎn)品為彈性薄膜等；乙酸乙烯酯含量在20%28%的EVA，主要用于熱熔黏合劑和涂層制品；乙酸乙烯酯含量在5%45%，主要產(chǎn)品為薄膜（包含農(nóng)用薄膜）和片材，注塑、模塑制品，發(fā)泡制品，熱熔黏合劑等。乙酸乙烯共聚物，高分子材料。常用于慢跑、慢步、休閑鞋、足訓(xùn)鞋中底。優(yōu)點(diǎn)：輕便、彈性好、柔韌度好、不易皺，有著極好的著色性、適于各種氣候。缺點(diǎn)：易吸水，不易腐蝕不利環(huán)保、易臟。4、EVA屬性表1 材料屬性比熱密度傳熱系數(shù)Eve發(fā)泡橡膠400.691.2男士涼鞋有限元分析鞋有很多不同的材料組成，在本文中主要進(jìn)行鞋的熱分析，而除鞋底外，其他部分在分析中對(duì)結(jié)果影響很小，因而本文分析以鞋底為主，不考慮其他部分。鞋底材料有很多種，現(xiàn)下在涼鞋，休閑鞋類的多用EVA，這種具有材料抗腐蝕性，高彈性，輕柔和良好的著色性能。本文對(duì)鞋底進(jìn)行熱分析，主要是驗(yàn)證運(yùn)用這種材料的鞋，在高溫的地面上行走時(shí)，是否會(huì)因?yàn)閭鳠岬脑?，使得人的腳面應(yīng)長(zhǎng)期接觸而感到不適。本文有限元分析采用ANSYS10.0軟件，在ug中進(jìn)行鞋底的三維建模，然后導(dǎo)入ANSYS中進(jìn)行鞋底的熱分析。在本文中，主要是研究鞋底的熱傳導(dǎo)問題，在分析過程中簡(jiǎn)化鞋底的模型，材料選擇EVA發(fā)泡橡膠，并假設(shè)：（1） 鞋底材料是均勻等向的。（2） 在一定程度上，數(shù)值可能會(huì)有較大的誤差，具體的數(shù)據(jù)結(jié)果可能無法到達(dá)或不夠精確，但可以通過定性來研究。1.2.1受熱分析1.有限元模型建立在整個(gè)有限元分析過程中最重要的環(huán)節(jié)是有限元前處理模型的建立，這過程一般包括幾何模型的建立，網(wǎng)格劃分，載荷與約束的添加和材料的定義等。他對(duì)后期分析求解有著直接的影響，影響仿真的精度和效率。建模的基本原則是保證建模的準(zhǔn)確性。為保證計(jì)算精度，模型必須能夠如實(shí)反映鞋底的幾何特征和力學(xué)性能。為提高模擬計(jì)算的效率，在建模時(shí)還必須考慮單元類型，數(shù)量和質(zhì)量等因素。由于三維建模是在ug中完成的，然后保存為igs文件讓后導(dǎo)入ANSYS的，各種數(shù)據(jù)和模型在前面建模中已有詳細(xì)描述，這里就不多贅言。模型如下圖1-1所示：圖1-1 UG建模建模的原則：（1） 在保證計(jì)算目的和精度條件下，適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化模型；（2） 合理的選擇單元類型，減少輸入數(shù)據(jù)量和計(jì)算時(shí)間；（3） 合理的控制單元大小，相應(yīng)分配模型單元數(shù)。模型導(dǎo)入Ansys中如下圖1-2所示：圖1-2 導(dǎo)入后模型確立分析類型為熱分析：GUI：main menupreferencse在彈出對(duì)話框中選取Thermal項(xiàng)，確定分析類型為熱分析。圖1-3定義分析類型2.單元類型的選擇，單元屬性的定義體單元的選擇應(yīng)該從精度、效率以及對(duì)幾何模型面進(jìn)行離散化時(shí)的方便性和準(zhǔn)確性加以考慮。ANSYS軟件中提供了多種體單元類型，鞋底模型有限元分析采用三角形和四邊形體單元。從幾何模擬角度看，采用三角型單元進(jìn)行空間型面離散話較為靈活、方便、準(zhǔn)確，其易于逼近復(fù)雜的過度面，在許多CAD/CAM軟件中常常采用三角型模單元，用作基本的離散化單元，但在有限元分析中，三角形單元的計(jì)算精度和準(zhǔn)確度較差。對(duì)單元進(jìn)行定義，包括單元類型，實(shí)常數(shù)、材料特性等。一旦建立了單元屬性后就可以指定模型不同的部分的屬性。在Element Types中個(gè)可以定義單元類型。GUI：main menupreprocessorelement typeadd/edit/delete在elements Types中選中Thermal Solid/Brick 8node 70圖1-4定義單元屬性GUI：main menupreprocessormaterial propsmaterial models在material models available中選中Thermal/Conductivity/isotropic在temperature kxx中填入材料的傳熱系數(shù)0.69.圖1-5定義材料屬性3.網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分，由于鞋底模型結(jié)果簡(jiǎn)單，并且在熱分析中鞋底面約束面積較大，可以直接采取自動(dòng)分網(wǎng)。GUI：main menupreprocessormeshingmesh tool在mesh tool中直接點(diǎn)擊mesh鍵選取整個(gè)模型進(jìn)行自動(dòng)分網(wǎng)。圖1-6網(wǎng)格劃分4.施加載荷有限元分析的主要目的是檢查結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對(duì)一定載荷條件的響應(yīng)。因此，在分析中指定合適的載荷條件是關(guān)鍵的一步。在ANSYS程序中，可以用各種方式對(duì)模型加載，而且借助于載荷步選項(xiàng)，可以控制在求解中載荷如何使用。熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其它熱物理參數(shù)如熱量的獲取或損失、熱梯度、熱流密度熱通量等。熱分析在許多工程應(yīng)用中扮演重要角色如內(nèi)燃機(jī)、渦輪機(jī)、換熱器、管路系統(tǒng)、電子元件等本文進(jìn)行穩(wěn)態(tài)傳熱：系統(tǒng)溫度場(chǎng)不隨時(shí)間變化。ANSYS熱分析基于能量守恒原理的熱平衡方程用有限元法計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度并導(dǎo)出其它熱物理參數(shù)。本文分析模型主要運(yùn)用熱傳導(dǎo)進(jìn)行熱的傳遞。熱傳導(dǎo)：熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能的交換。熱傳導(dǎo)遵循付里葉定律：，式中q”為熱流密度（W/m2），k為導(dǎo)熱系數(shù)W/m-， “-”表示熱量流向溫度降低的方向。本文中，鞋底與地面接觸，晴朗夏日一般水泥路面溫度大概在60度左右，本文中取60度。環(huán)境溫度選取30度。GUI:main menusolutiondefine loads applythermaltemperatureon areas選擇溫度TEMP，輸入溫度60圖1-7溫度施加GUI：main menusolutiondefine loadsapplyconvectionon areas選擇行定義外表面和設(shè)置對(duì)流系數(shù)為0.56和流體的溫度調(diào)到30。求解：GUI：main menusolutionsolvecurrent ls圖1-8 對(duì)流載荷5.結(jié)果分析顯示溫度分布云圖GUI：main menugeneral postprocplot resultscontour plotnodal solu選擇DOF solution/Nodal temperatuue圖1-9 溫度分布云圖顯示熱流量分布圖GUI：main menugeneral postprocplot resultsvector poltpredfinde選擇flux&gradientthermal flux圖1-10熱流量分布圖從圖1-9、1-10可以得出，在環(huán)境溫度為30度、地表溫度為60度時(shí)，人穿這這種鞋的鞋底在路面上行走是不會(huì)對(duì)些本身和人的腳造成損害的。1.3女式?jīng)鲂邢拊治?.3.1受力分析下面介紹女士涼鞋的分析過程，其過程與男士涼鞋基本相同。由于一般涼鞋所用材料為pvc（聚氯乙烯）,其為塑性材料，所以只能進(jìn)行非線性分析。1、結(jié)構(gòu)非線性分析概述當(dāng)載荷引起結(jié)構(gòu)剛度的顯著改變時(shí)，則結(jié)構(gòu)是非線性的。在日常生活中，經(jīng)常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)非線性。例如，如果你在一個(gè)木架上放置重物，隨著時(shí)間的推移木架將越來越下垂。當(dāng)在汽車或卡車上裝載貨物時(shí)，它的輪胎和下面路面間接觸面將隨貨物重量而變化。如果將上述例子的載荷變形曲線畫出來，用戶將發(fā)現(xiàn)它們都顯示了非線性結(jié)構(gòu)的基本特征結(jié)構(gòu)剛度改變。引起結(jié)構(gòu)非線性的原因很多，它可以被分成三種主要類型：狀態(tài)改變、幾何非線性、材料非線性。（1）狀態(tài)變化(包括接觸)許多普通結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出一種與狀態(tài)相關(guān)的非線性行為。例如，一根只能拉伸的電纜可能是松的，也可能是繃緊的。軸承套可能是接觸的，也可能是不接觸的。凍土可能是凍結(jié)的，也可能是融化的。這些系統(tǒng)的剛度由于系統(tǒng)狀態(tài)的改變而變化。狀態(tài)改變也許和載荷直接有關(guān)(如在電纜情況中)， 也可能由某種外部原因引起(如在凍土中的紊亂熱力學(xué)條件)。 接觸是一種很普遍的非線性行為。接觸是狀態(tài)變化非線性中一個(gè)特殊而重要的子集。（2）幾何非線性如果結(jié)構(gòu)經(jīng)受大變形，它幾何形狀的變化可能會(huì)引起結(jié)構(gòu)的非線性響應(yīng)。一個(gè)例子是 圖10所示的釣魚桿。隨著垂向載荷的增加，桿不斷彎曲以致于力臂明顯地減少，導(dǎo)致桿端顯示出在較高載荷下不斷增長(zhǎng)的剛性。幾何非線性的特點(diǎn)是大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)。圖1-11 釣魚竿非線性示例（3）材料非線性非線性的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系是結(jié)構(gòu)非線性行為的常見原因。許多因素可以影響材料的應(yīng)力應(yīng)變性質(zhì)，包括加載歷史(如在彈塑性響應(yīng)情況下)、環(huán)境狀況(如溫度)、加載的時(shí)間總量(如在蠕變響應(yīng)情況下)。由于所建模型在Ansys經(jīng)典界面中無法生成體，也就是說由于ug所建模型與Ansys無法實(shí)現(xiàn)很好的銜接，所以采用Workbench進(jìn)行有限元靜態(tài)受力和穩(wěn)態(tài)受熱分析。在Mechanical模塊下，其求解步驟包括：1、建立有限元模型，設(shè)置材料屬性。2、對(duì)于組建需要定義接觸區(qū)域。3、定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格。4、施加載荷和邊界條件。5、對(duì)問題進(jìn)行求解。6、進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和分析。具體步驟如下：1、啟動(dòng)Ansys Workbench進(jìn)入主界面。設(shè)置模型單位。2、選取靜力分析模塊。把實(shí)體模型導(dǎo)入Workbench中，導(dǎo)入后模型如下圖1-12所示圖1-122、添加模型材料屬性（1）設(shè)置材料參數(shù)雙擊A項(xiàng)目中的A2欄Engineering Data項(xiàng)，進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置界面，在該界面下即可進(jìn)行材料參數(shù)設(shè)置。由于材料庫(kù)中沒有PVC，所以首先新建材料PVC。需要設(shè)置的參數(shù)有材料密度Density，各向同性彈性Isotropic Elasticity和彈性模、泊松比以及應(yīng)力應(yīng)變的關(guān)系表。設(shè)置后的結(jié)果如下圖1-13：圖1-13（2）為模型添加材料1） 雙擊項(xiàng)目管理區(qū)項(xiàng)目A中的A4欄Model項(xiàng)，進(jìn)入Mechanical界面，在該界面下可以進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、分析設(shè)置、結(jié)果觀察等操作。2）選著Mechanical界面左側(cè)分析樹中的solid，在參數(shù)列表中修改模型的材料為聚氯乙烯。3、劃分網(wǎng)格1）選中分析樹中的Mesh，單擊Mesh工具欄中的網(wǎng)格控制選項(xiàng)的Sizing命令和Method命令，進(jìn)行網(wǎng)格尺寸和單元類型的選擇。2）求解載荷步數(shù)的設(shè)置。這是非線性分析不同于線性分析的地方。4、施加載荷和約束（1）選中分析樹中的Static Structural(B5)項(xiàng)，單擊約束中的固定約束命令，為模型添加固定約束，如下圖1-14：圖1-14（2）在鞋底上面上施加載荷，假設(shè)前端和后端面壓力都為，中間部分壓力為100pa。施加壓力后的受力圖為圖1-15和圖1-16：圖1-15圖1-165、結(jié)果后處理（設(shè)置求解項(xiàng)）分別單擊選取等效彈性應(yīng)變、總變形、等效應(yīng)力作為輸出結(jié)果。6、求解并顯示結(jié)果（1）等效彈性應(yīng)變?nèi)鐖D1-17：圖1-17（2）總變形如圖1-18：圖1-18（3）等效應(yīng)力如下圖1-19：圖1-19由圖可知最大等效彈性應(yīng)變?yōu)?，發(fā)生在鞋跟最后面的下部。最大總變形發(fā)生在鞋跟最后面的上部，大小為0.0034454mm。最大等效應(yīng)力發(fā)生在鞋跟最后面的下部，大小為0.13431mpa。因此，可以得出結(jié)論，女式?jīng)鲂幨切枰鼋Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的，可以把鞋跟的上下部柱體做得相差不大，不過，由于此變形很小，所以對(duì)鞋跟的強(qiáng)度影響不大，并且考慮到當(dāng)人踩到鞋子后鞋子要有一定的變形才能使人感覺著不至于太硌腳，所以不進(jìn)行優(yōu)化也行。1.3.2熱分析熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射三種傳熱方式。1、熱傳導(dǎo)熱傳導(dǎo)可以定義為完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換。2、熱對(duì)流熱對(duì)流是指固體的表面與它周圍接觸的流體之間，由于溫差的存在引起的熱量交換。熱對(duì)流可以分為兩類：自然對(duì)流和強(qiáng)制對(duì)流。3、熱輻射熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬臒崃拷粨Q過程。物體溫度越高，單位時(shí)間輻射的熱量就越多。熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流都需要有傳熱介質(zhì)，而熱輻射無須任何介質(zhì)。熱分析大致可以分為一下步驟：1、建立有限元模型，設(shè)置材料特性。2、施加熱載荷和邊界條件。3、定義接觸區(qū)域。4、定義網(wǎng)格控制并劃分網(wǎng)格。5、 對(duì)問題進(jìn)行求解。6、 進(jìn)行結(jié)果評(píng)價(jià)和分析。針對(duì)本問題的具體步驟如下：1、運(yùn)行Ansys Workbench并建立熱分析項(xiàng)目。2、導(dǎo)入幾何體，并生成所分析幾何體。檢查幾何體是否有導(dǎo)入數(shù)據(jù)丟失，若有則需對(duì)幾何體進(jìn)行修改，否者返回主頁(yè)面。3、雙擊項(xiàng)目A中的A2欄Engingeering Data項(xiàng)，進(jìn)入材料參數(shù)設(shè)置面，在該界面下即可進(jìn)行材料參數(shù)的設(shè)置。這里也是需要建立PVC的材料特性參數(shù)，有熱導(dǎo)率。設(shè)置后的界面如圖1-20：圖1-204、添加模型材料屬性雙擊項(xiàng)目管理區(qū)中項(xiàng)目B的B4欄中的Model項(xiàng)，進(jìn)入Mechanical界面，在該界面下即可進(jìn)行網(wǎng)格的劃分、分析設(shè)置、結(jié)果觀察等操作。在該界面下首先設(shè)置分析單位。而后為模型添加材料PVC。5、劃分網(wǎng)格選中分析樹中的Mesh項(xiàng)，進(jìn)行網(wǎng)格尺寸控制和單元類型的設(shè)置，之后進(jìn)行網(wǎng)格劃分。劃分后的網(wǎng)格模型如下圖1-21：圖1-216、施加載荷和邊界條件為模型施加溫度載荷Temperature和熱交換條件Convection。7、求解并顯示求解結(jié)果溫度分布云圖如下圖1-22：圖1-22總熱通量分布云圖如下圖-23：圖1-23由上圖可以看出鞋底上表面溫度最高為35度左右，不太適宜穿著，因此再加厚此鞋的鞋底，經(jīng)再次分析得出結(jié)果基本符合要求。45第二章 鞋底原形件表面逆向工程研究為了完成對(duì)優(yōu)選出的鞋底原形件進(jìn)行仿生改形工作，需要首先對(duì)其進(jìn)行逆向工程處理，本章主要介紹了逆向工程的總體研究情況以及鞋底復(fù)雜曲面的逆向重構(gòu)建模過程。2.1引言傳統(tǒng)的工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)都遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)程序,從功能的確認(rèn)與規(guī)格的制定開始，來構(gòu)思產(chǎn)品的零部件需求，再由各個(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造以及檢驗(yàn)零部件組裝、整機(jī)檢驗(yàn)、性能測(cè)試等程序來完成。這種開發(fā)的模式即為順向工程(Forward Engineering)。對(duì)某一產(chǎn)品的開發(fā)來說，其順向工程的流程，如圖2-1所示。圖 2-1 順向工程開發(fā)流程圖然而，當(dāng)在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，需要按照現(xiàn)有零件的模型(稱為零件原形)，利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造原形CAD模型，這時(shí)就需要進(jìn)行逆向工程(Reverse Engineering)建模過程。逆向工程技術(shù)廣泛應(yīng)用于飛機(jī)、汽車、模具等制造領(lǐng)域。特別是一些復(fù)雜型面零件的設(shè)計(jì)和加工，例如，輪船和潛水艇的推進(jìn)螺旋槳、汽車的外殼和柴油機(jī)的進(jìn)排氣道等。對(duì)于一些只有產(chǎn)品原形或?qū)嵨锬Ｐ停鴽]有產(chǎn)品圖紙資料的情況下進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，有著特別重要的價(jià)值。2.2逆向工程技術(shù)2.2.1概述從實(shí)物模型建立三維計(jì)算機(jī)模型稱為逆向工程1郭朝勇.自由曲面的一種逆向工程方法J.太原重型機(jī)械學(xué)院報(bào),1999,20(1):7-11.，指基于一個(gè)可以獲得的實(shí)物模型來構(gòu)造出它的設(shè)計(jì)概念，進(jìn)而通過調(diào)整相關(guān)參數(shù)來達(dá)到對(duì)實(shí)物模型的逼近和修改。主要包括四個(gè)步驟2張宇,范宇,初學(xué)豐.逆向工程技術(shù)原理及其關(guān)鍵技術(shù)J.昆明理工大學(xué)學(xué)學(xué)報(bào)報(bào),1999,24(4):42-46. 3劉影.反求工程與現(xiàn)代設(shè)計(jì)J.機(jī)械設(shè)計(jì),1998,2:1-4.：1、對(duì)象數(shù)字化(Object Digitalization)。利用相關(guān)測(cè)量設(shè)備，根據(jù)產(chǎn)品模型測(cè)量得到空間拓?fù)潆x散點(diǎn)數(shù)據(jù)，并將測(cè)量結(jié)果以文件方式存儲(chǔ)。2、對(duì)象的模型重構(gòu)(Object Modeling)。根據(jù)空間拓?fù)潆x散點(diǎn)數(shù)據(jù)反求出產(chǎn)品的三維CAD模型，并在產(chǎn)品對(duì)象分析和插值檢測(cè)后，對(duì)模型進(jìn)行逼近調(diào)整和優(yōu)化。3、對(duì)象分析(Object Analysis)。將模型和設(shè)計(jì)表征用于產(chǎn)品的面分析、有限元分析和工藝分析，并將分析結(jié)果以文件等方式存儲(chǔ)，以備其它模塊檢索調(diào)用。4、對(duì)象加工(Object Manufacturing)。指根據(jù)分析結(jié)果生成加工代碼，并在具體的加工設(shè)備上將對(duì)象加工出來。對(duì)某一產(chǎn)品來說，其逆向工程開發(fā)包括逆向建模階段和產(chǎn)品功能創(chuàng)新設(shè)計(jì)階段，流程如圖2-2所示。圖2-2逆向工程開發(fā)流程圖2.2.2逆向工程系統(tǒng)逆向工程首先必須使用精密的測(cè)量系統(tǒng)將樣品輪廓三維尺寸快速測(cè)量出來，然后再以取得的各點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行曲面處理及加工成型。建立一套完整的逆向工程系統(tǒng)，需要有下列基本配備：1、測(cè)量探頭。有接觸式（觸發(fā)探頭、掃描探頭）和非接觸式（激光位移探頭、激光干涉儀探頭4許智欽,孫長(zhǎng)庫(kù)編著.3D逆向工程技術(shù)M.北京:中國(guó)計(jì)量出版社出版,2002,2-10.5金國(guó)藩,李景鎮(zhèn).激光測(cè)量學(xué)M.北京:科學(xué)技術(shù)出版社,1998.、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描探頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描探頭）兩種。2、測(cè)量機(jī)。有三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、多軸專用機(jī)、多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂及激光追蹤站等6孫長(zhǎng)庫(kù),葉聲華編著.激光測(cè)量技術(shù)M.天津:天津大學(xué)出版社,2001.。3、點(diǎn)群數(shù)據(jù)處理軟件。由坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的外形點(diǎn)數(shù)據(jù)，在進(jìn)行CAD模型重建之前必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、細(xì)線化、曲線建構(gòu)、曲面建構(gòu)、曲面修改、內(nèi)插值補(bǔ)點(diǎn)等數(shù)據(jù)處理。4、模型重建軟件（CAD/CAM）。模型重建軟件包括三類，一是用于正向設(shè)計(jì)的CAD/CAE/CAM軟件，如Solidworks、Grade等，但數(shù)據(jù)處理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件，如集成有Scan-Tools模塊的Pro/Engineer、集成有點(diǎn)云處理和曲線、曲面擬合、快速造型功能的UG NX3.0等；三是專用的逆向工程軟件，如Imageware、Raindrop Magic等。除此以外，有較高要求的還包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等軟件7金濤,童水光等編著.逆向工程技術(shù)M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2003,(8):26-56.，以及支撐軟件的硬件平臺(tái)。2.2.3逆向工程研究現(xiàn)狀逆向工程技術(shù)，是20世紀(jì)80年代末期由美國(guó)3M公司等提出并研制開發(fā)成功的。進(jìn)入90年代以來，隨著全球市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，逆向工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)能力的重要地位上來。逆向工程的專題研究始于1992年，在第一屆IERC(Industrial Engineering Research Conference)會(huì)議上，美國(guó)匹茲堡大學(xué)的BopayaBidanda博士做了有關(guān)逆向工程與工業(yè)工程關(guān)系的專題報(bào)告，分析了逆向工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)，世界各地研究機(jī)構(gòu)的專家學(xué)者亦發(fā)表了論文。此后美國(guó)制造工程師學(xué)會(huì)每年召開一次快速原型制造會(huì)議，在每次會(huì)議上都對(duì)逆向工程技術(shù)進(jìn)行了分組專題討論。據(jù)統(tǒng)計(jì)，逆向工程作為掌握技術(shù)的一種手段，可使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上，極大提高生產(chǎn)率8馬淑梅,張曙,陳彬.以逆向工程為技術(shù)支撐的模具數(shù)控加工J.數(shù)控技術(shù)專欄,2001,4:11-14.。世界各國(guó)在經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展中都不同程度地應(yīng)用了逆向工程技術(shù)，尤其是日本9梅田干雄.日本機(jī)械學(xué)會(huì)論文集(C編)C,1999,56:125-128.，在引進(jìn)技術(shù)的消化、吸收與創(chuàng)新方面具有典型性。根據(jù)日本政府的推算，成功的技術(shù)引進(jìn)和逆向工程研究使日本節(jié)省了大約2/3的研究時(shí)間和9/10的研究經(jīng)費(fèi)10劉陽(yáng),唐羅生,吳琦等.逆向工程技術(shù)及其在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,1999,1:26-28.。目前，世界各國(guó)對(duì)逆向工程技術(shù)都給予高度重視。在國(guó)外，如美國(guó)、日本、英國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)逆向工程技術(shù)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。我國(guó)也在逐步重視逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，如在實(shí)施安徽省“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目“提高汽車綜合性能的關(guān)鍵技術(shù)研究”中，運(yùn)用逆向工程原理，對(duì)安徽某大型汽車制造廠的1.5噸貨車的汽車覆蓋件探討了從數(shù)據(jù)采集到產(chǎn)品CAD造型的整個(gè)過程，取得了良好的效果。國(guó)防科技大學(xué)模具CAD/CAM中心成功地將逆向工程技術(shù)應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐中11劉陽(yáng),唐羅生,吳琦等.逆向工程技術(shù)及其在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用J.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,1999,1:26-28.，為一摩托車集團(tuán)制造摩托車沖壓模具的過程中，充分應(yīng)用了逆向工程技術(shù)，在很短時(shí)間內(nèi)，根據(jù)油箱實(shí)物模型，高質(zhì)量地制造出了油箱模具，大大降低了開發(fā)成本，得到廠家的高度評(píng)價(jià)。逆向工程的研究和開發(fā)工作也在其他很多單位內(nèi)展開，如吉林大學(xué)、上海交通大學(xué)、浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)、廣東省機(jī)械研究所等。但是，目前國(guó)內(nèi)對(duì)逆向工程的研究還僅局限于CAD模型的三維重構(gòu)，尚處于逆向工程研究的初始階段。充分發(fā)揮逆向工程的優(yōu)勢(shì)，通過模型重構(gòu)實(shí)現(xiàn)消化和吸收、修改和再設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的目的，這是逆向工程的高級(jí)階段。2.2.4逆向工程技術(shù)的應(yīng)用目前，逆向工程技術(shù)在以下領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。1、在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對(duì)零件原形進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼，加工復(fù)制出一個(gè)相同的零件。2、當(dāng)要設(shè)計(jì)需要通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測(cè)試(如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等)，建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外型，最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計(jì)這類零件及其模具的依據(jù)。3、在美學(xué)設(shè)計(jì)領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計(jì)廣泛采用真實(shí)比例的木制或泥塑模型來評(píng)估設(shè)計(jì)的美學(xué)效果，而不采用在計(jì)算機(jī)屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時(shí)需用逆向工程的設(shè)計(jì)方法。4、在人體生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，逆向工程也得到了很大的發(fā)展。例如和人體外形緊密相關(guān)的物品，比如人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造，以及特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需要首先建立人體的三維幾何模型。5、藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制。6、借助于層析X射線攝像法（CT技術(shù)），逆向工程不僅可以產(chǎn)生生物體的外部形態(tài)，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、度量和定位物體的內(nèi)部缺陷，從而成為工業(yè)產(chǎn)品無損探傷的重要手段。2.2.5相關(guān)軟件的介紹關(guān)于復(fù)雜曲面產(chǎn)品逆向工程研究的軟件，目前已經(jīng)有很多?，F(xiàn)介紹最常用的逆向工程軟件之一Imageware V11.0。Imageware軟件，是一種逆向工程的專用軟件。它是將已有的物理樣件通過CMM或激光掃描取得點(diǎn)數(shù)據(jù)，再將點(diǎn)數(shù)據(jù)傳入到Imageware中，通過對(duì)點(diǎn)的處理形成曲線，對(duì)曲線再處理形成曲面的過程。當(dāng)然，這些工作的前提是在保證所要求精度條件下進(jìn)行的。在點(diǎn)的處理、曲線處理、曲面處理的整個(gè)過程中，Imageware提供了各種診斷方法來保證精度。Imageware軟件逆向工程的處理過程分為點(diǎn)處理、線處理和面處理三個(gè)階段。一、點(diǎn)處理過程1、讀入點(diǎn)陣數(shù)據(jù)。Imageware與眾多的掃描設(shè)備廠商有著合作伙伴關(guān)系，所有現(xiàn)有的掃描設(shè)備幾乎都可以使用。同時(shí)，Imageware還可以接受STL、VDA等其它格式的數(shù)據(jù)。2、點(diǎn)云對(duì)齊。由于有些零件形狀復(fù)雜或體積較大，一次掃描無法獲得全部數(shù)據(jù)，多次掃描則會(huì)獲得多個(gè)獨(dú)立的點(diǎn)云。Imageware可以對(duì)讀入的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析是一個(gè)點(diǎn)云還是多個(gè)點(diǎn)云，并利用一些特殊點(diǎn)信息，例如圓柱面、球面、平面等將各點(diǎn)云準(zhǔn)確對(duì)齊，創(chuàng)建一個(gè)完整的點(diǎn)云。3、去除噪音點(diǎn)。由于測(cè)量工具及測(cè)量方式的限制，有時(shí)侯會(huì)出現(xiàn)一些噪音點(diǎn)（即誤差測(cè)量點(diǎn)），Imageware有很多工具來對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行判斷，并去掉噪音點(diǎn)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性和精確性。二、曲線創(chuàng)建過程1、判斷和決定生成哪種類型的曲線。Imageware提供了多種通過點(diǎn)來生成曲線的方法。其中有精確通過每一點(diǎn)的，有保證一定公差范圍的，有保證曲線控制點(diǎn)而達(dá)到光順的。用戶可以根據(jù)自己的需要選擇方法選擇參數(shù)。2、創(chuàng)建曲線。根據(jù)需要?jiǎng)?chuàng)建所需曲線，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。曲線一旦生成，Imageware提供了包括顯示法向、曲率半徑、控制點(diǎn)的比較等多種診斷方法來判斷曲線的光順性。還可以通過多種方法對(duì)曲線進(jìn)行修改，改變曲線與其它曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)），還可以對(duì)曲線進(jìn)行延展連續(xù)。最重要的是對(duì)曲線的控制點(diǎn)或曲線本身進(jìn)行編輯，編輯的方法靈活多樣，而且可實(shí)時(shí)顯示效果。三、曲面創(chuàng)建過程1、決定生成哪種曲面。與曲線一樣，生成曲面前要決定精度與光順性?？梢愿鶕?jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要來決定生成更準(zhǔn)確的曲面、更光順的曲面（如Class 1曲面），或兩者兼顧。Imageware提供創(chuàng)建曲面的方法多達(dá)30多種，其中包括由點(diǎn)形成面、由點(diǎn)和曲線形成曲面、由線形成面、由曲面形成面及構(gòu)建基本面等。2、靈活的曲面創(chuàng)建工具。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點(diǎn)陣直接生成曲面，可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個(gè)邊界曲線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點(diǎn)陣和曲線的信息來創(chuàng)建曲面，還可以通過其它曲面來生成。Imageware支持貝塞爾（Bezier）和非均勻有理B樣條（NURBS）曲面這兩種方法，用戶可以選擇適合的曲面方法來獲得更好的結(jié)果。3、實(shí)時(shí)的曲面診斷工具。Imageware提供了任意截面的連續(xù)性、曲面反射線情況、高亮度線、光譜圖、曲率云圖、點(diǎn)與曲面的比較和圓柱型光源照射下的反光圖等近20種診斷工具，在設(shè)計(jì)的任何時(shí)候都可以隨時(shí)檢查曲面的準(zhǔn)確性、光順性、連續(xù)性等方面的瑕疵，為用戶判斷和修改曲面提供了依據(jù)。4、動(dòng)態(tài)的曲面修改工具。用戶可以對(duì)曲面進(jìn)行動(dòng)態(tài)的修改，并且以交互方式下達(dá)到設(shè)計(jì)主題，能夠動(dòng)態(tài)地看到設(shè)計(jì)是否美觀以及是否符合工程設(shè)計(jì)觀念。在整個(gè)過程中，嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)、工程分析和制造標(biāo)準(zhǔn)，所以當(dāng)每次修改曲面時(shí)無需重新校核標(biāo)準(zhǔn)。5、曲面連續(xù)性管理。Imageware具有高效的曲面連續(xù)性管理工具，在復(fù)雜的曲面縫補(bǔ)等情況下，即使曲面進(jìn)行了移動(dòng)修改等操作，也能保證曲面之間的拼接可以達(dá)到曲率連續(xù)，避免了乏味的手工再調(diào)整過程。6、強(qiáng)大的處理掃描數(shù)據(jù)的能力。Rainbow圖、曲率變化云圖等，這些方法能夠?qū)呙钄?shù)據(jù)分開，很快捕捉出產(chǎn)品的主要特征，并快速建立各個(gè)相應(yīng)的曲面，避免了費(fèi)事的分析和處理。2.3鞋底原形件的逆向工程研究2.3.1測(cè)量方法研究數(shù)據(jù)獲取又稱數(shù)據(jù)點(diǎn)群的采集，是指采用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)出實(shí)物各表面的若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，是逆向工程中必須和關(guān)鍵的操作。數(shù)據(jù)點(diǎn)群測(cè)量的方法有多種，按其特性及應(yīng)用，一般可分為兩大類：接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量。一、接觸式測(cè)量接觸式數(shù)據(jù)采集方法，包括使用基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)掃描數(shù)據(jù)采集、磁場(chǎng)法、超聲波法等。1、觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法，最早用于長(zhǎng)度量檢測(cè)，其原理很簡(jiǎn)單。當(dāng)采樣測(cè)頭的探針剛好接觸到樣件的表面時(shí)，探針尖的受力產(chǎn)生微小的變形，觸發(fā)采樣中的開關(guān)，使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針尖（測(cè)球中心點(diǎn)）的即時(shí)坐標(biāo)，逐點(diǎn)移動(dòng)，就能采集到樣件表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。在觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集過程中，由于探針必須偏移一個(gè)固定數(shù)值才會(huì)觸發(fā)開關(guān)，而且一旦接觸到樣件的表面后，探針需要法向退出以免過量而導(dǎo)致折斷，因此，數(shù)據(jù)采集速度較低。2、連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法。連續(xù)式數(shù)據(jù)采集采用模擬量開關(guān)采樣頭，它的原理是利用懸掛在三維彈簧系統(tǒng)中的探針的位置偏移所產(chǎn)生的電感或電容的變化，進(jìn)行機(jī)-電模擬量的轉(zhuǎn)換，當(dāng)采樣頭的探針沿著樣件表面以某一切向速度移動(dòng)時(shí)，就發(fā)出對(duì)應(yīng)各坐標(biāo)位置偏移量的電流或電壓信號(hào)。由于數(shù)據(jù)采集過程是連續(xù)進(jìn)行的，速度比接觸式觸發(fā)采樣頭快許多倍，采樣精度也較高。此外，由于接觸力較小，允許用小直徑的探針去掃描具有細(xì)微部分或由較軟材料制作的模型。由于采樣速度快，連續(xù)式數(shù)據(jù)采集可以用來采集大規(guī)模的數(shù)據(jù)。3、磁場(chǎng)法。是將被測(cè)物體置于被磁場(chǎng)包圍的工作臺(tái)上，手持觸針在物體表面上運(yùn)動(dòng)，通過觸針上的傳感器感知磁場(chǎng)的變化來檢測(cè)觸針位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)樣件表的數(shù)字化，其優(yōu)點(diǎn)是不需要象坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一類的設(shè)備，但不適合用于導(dǎo)磁材料的樣件。二、非接觸式測(cè)量非接觸式數(shù)據(jù)采集方法，主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，常用的方法有激光三角形法、激光測(cè)距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。1、激光測(cè)距法。激光三角測(cè)距法是逆向工程中曲面數(shù)據(jù)采集運(yùn)用最廣泛的方法，其基本原理為：激光二極管所發(fā)出的激光，經(jīng)過透鏡聚焦投射到樣件表面，被表面反射或漫反射，反射或漫反射的激光通過收集透鏡聚焦，就成了位置測(cè)量器（如攝像機(jī)）上的小光點(diǎn)，采樣頭和模型之間的距離可以根據(jù)反射光點(diǎn)的位置計(jì)算出來，如RENISHAW公司的OP3M型光學(xué)采樣頭等。2、距離方法。利用光束的飛行時(shí)間來測(cè)量被測(cè)點(diǎn)與參考平面的距離，主要有脈沖波、調(diào)幅連續(xù)波、調(diào)頻連續(xù)波等工作方式，由于激光的單向性好，多采用激光為能量源，這種方法的精度也較高。3、結(jié)構(gòu)光法。將一定模式的光照射到被測(cè)樣件表面，然后攝得反射光的圖像，通過對(duì)不同模式之間的差別來獲取樣件表面的點(diǎn)的位置。它的特點(diǎn)是不需要坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等精密設(shè)備，造價(jià)比較低，但是精度也較低，操作復(fù)雜。4、圖像分析法。圖像分析法與結(jié)構(gòu)光法的區(qū)別在于它不采用投影模板，而是通過匹配確定物體從一點(diǎn)在兩幅圖像中的位置，由視覺計(jì)算距離。由于匹配精度的影響，圖像分析法對(duì)形狀的描述主要是用形狀上的特征點(diǎn)、邊界線與特征描述物體的形狀，故較難精確描述復(fù)雜曲面的三維形狀。5、工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法。工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層成像（簡(jiǎn)稱ICT）是對(duì)產(chǎn)品實(shí)物經(jīng)過ICT層析掃描后，獲得一系列的斷面圖像切片和數(shù)據(jù)，這些切片和數(shù)據(jù)提供了工件截面輪廓及其內(nèi)容結(jié)構(gòu)的完整信息，不僅可以進(jìn)行工件的形狀、結(jié)構(gòu)和功能分析，還可以提取產(chǎn)品工件的截面，并由工件系列截面數(shù)據(jù)重建工件的三維幾何模型。6、逐層切削照相測(cè)量法。逐層切削照相測(cè)量法是一種新興的斷層測(cè)量技術(shù)，它以極小的厚度去逐層切削實(shí)物，并對(duì)每一斷面進(jìn)行照相，獲取截面圖像數(shù)據(jù)，其輪廓測(cè)量精度可高達(dá)0.0254 m，是目前斷層測(cè)量精度最高的方法，而且成本較低，但它的突出缺點(diǎn)是損傷實(shí)物。2.3.2測(cè)量設(shè)備及測(cè)量方法由于非接觸式測(cè)量具有測(cè)量速度快、無接觸力、測(cè)量點(diǎn)多等優(yōu)點(diǎn)，本研究采用非接觸式測(cè)量中的激光測(cè)量方法測(cè)量鞋底原形件的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)。使用的三維數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備是吉林大學(xué)地面機(jī)械仿生技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的3D SCANNERS激光掃描儀，圖2-3為3D SCANNERS激光掃描儀系統(tǒng)的外觀照片。其主要參數(shù)為，最大掃描體積550mm450mm450mm，掃描精度0.2mm。圖2-3 3D SCANNERS激光掃描儀系統(tǒng)2.3.3鞋底三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)的獲取以及曲面的重構(gòu)鞋底原形件三維逆向工程重構(gòu)過程，包括：著色、掃描、點(diǎn)云處理、線處理、面處理、體重構(gòu)等過程。一、著色針對(duì)鞋底原形件的顏色為黑色，對(duì)激光掃描來說屬于吸光表面，反射效果差，而三維激光掃描儀必須采集到樣件表面的反射光線才能形成點(diǎn)群，白色、亞光表面對(duì)激光的反射效果最佳。因此，本研究使用著色滲透探傷劑-顯像劑(DPT-5)進(jìn)行噴涂著色處理。二、掃描本試驗(yàn)在3D SCANNERS激光掃描儀上進(jìn)行，掃描過程包括確定坐標(biāo)形成、改變步長(zhǎng)、掃描三個(gè)步驟。首先，確定X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸的行程。該過程要將紅色的激光亮線移到所要掃描物體的最高點(diǎn)上，將Position設(shè)為零，確定Z方向的最高點(diǎn)，根據(jù)物體大致高度，分層進(jìn)行掃描，X及Y方向掃描是從左向右，從上向下進(jìn)行的。對(duì)于X方向，先把紅色的激光亮線移動(dòng)到物體的左側(cè)，將Position設(shè)為零，然后再移到其右側(cè)，將TO設(shè)為零，這樣可以通過計(jì)算機(jī)的顯示確定X方向的行程，同樣的方法也可以確定Y方向的行程。其次，進(jìn)行快速直線掃描。可以通過改變步長(zhǎng)來得到不同密集程度的點(diǎn)云。最后，進(jìn)行實(shí)物三維掃描?？梢垣@取鞋底原形件的三維坐標(biāo)信息點(diǎn)云數(shù)據(jù)。三、點(diǎn)處理讀入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用Imageware軟件進(jìn)行點(diǎn)處理。由于經(jīng)過掃描獲取的點(diǎn)群，包含許多的噪聲點(diǎn)，如實(shí)驗(yàn)臺(tái)底面以及由于光線散射等原因形成的毛刺，這些噪聲在進(jìn)行各種點(diǎn)、線、面處理之前必須去掉。點(diǎn)群的噪聲去除是利用軟件中的Modify/Extract/Circle-Select Points以及Modify/Scan Line/Pick Delete Points對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)，如圖2-4和圖2-5所示。經(jīng)過去噪聲點(diǎn)處理，得到鞋底原形件的點(diǎn)云模型，如圖2-6所示。圖2-4環(huán)繞區(qū)域選擇刪除方法 圖2-5選取刪除點(diǎn)刪除圖2-6 Scatter形式顯示的點(diǎn)云圖四、線處理去除噪聲點(diǎn)的點(diǎn)云模型，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)太多，不利于線模型的創(chuàng)建，要進(jìn)行點(diǎn)云的精簡(jiǎn)過程，然后根據(jù)要?jiǎng)?chuàng)建曲線的類型，創(chuàng)建所需要的曲線模型。本研究使用軟件中的Construct/Curve From Cloud/Interpolate Curve等對(duì)話框來實(shí)現(xiàn)，曲線模型如圖2-7所示。圖2-7鞋底原形件的線模型圖五、面處理經(jīng)過線模型的數(shù)據(jù)，利用軟件中的Constrct/Surface/Loft等對(duì)話框，通過一系列的切片數(shù)據(jù)擬合等過程，重構(gòu)生成原形鞋底的三維曲面模型，如圖3-8所示。a.主視圖b.俯視圖圖2-8鞋底原形件的曲面模型六、體模型的建立把建立的曲面模型，轉(zhuǎn)存格式為*.iges，倒入U(xiǎn)G NX3.0軟件中，進(jìn)行體模型的建立，最終體模型如圖2-9所示。如需再進(jìn)一步進(jìn)行有限元分析，可將實(shí)體模型導(dǎo)入到ANSYS或其它有限元分析軟件中進(jìn)行分析。圖2-9鞋底原形件的體模型2.4本章小結(jié)本章主要是從逆向工程學(xué)的角度出發(fā)，研究鞋底原形件的三維幾何態(tài)，建立其三維實(shí)體模型，為以后進(jìn)行鞋底的仿生改形工作做準(zhǔn)備。具體進(jìn)行了如下工作：1、介紹了逆向工程的概念、總體研究情況以及應(yīng)用領(lǐng)域。2、介紹了逆向工程的處理過程、逆向工程系統(tǒng)的組成，以及逆向工程的專用軟件Imageware的處理過程。3、針對(duì)鞋底樣件，介紹了逆向工程常用的測(cè)量方法，選擇了適合本試驗(yàn)研究的非接觸式測(cè)量手段，在3D SCANNERS激光掃描儀上對(duì)鞋底原形件表面進(jìn)行了三維測(cè)量，獲取了表面的三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)。4、應(yīng)用Imageware軟件，對(duì)得到的三維點(diǎn)群數(shù)據(jù)進(jìn)行去除噪聲點(diǎn)、點(diǎn)處理、線處理、面處理的曲面重構(gòu)。第三章 仿生類比信息的提取與仿生改形鞋底試件的快速原型制造上一章完成了鞋底原形件的逆向工程研究，得到鞋底原形件的三維計(jì)算機(jī)實(shí)體模型，本章將根據(jù)仿生學(xué)的類比分析提取仿生改形的參數(shù)，進(jìn)行仿生改形鞋底的設(shè)計(jì)、加工等問題的研究。3.1非光滑形態(tài)選取的仿生學(xué)基礎(chǔ)仿生學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，許多生物體表具有不同的幾何非光滑形態(tài)。根據(jù)幾何非光滑結(jié)構(gòu)單元的基本特征，生物非光滑體表形態(tài)可分為凸包形、凹坑形、波紋形、鱗片形和剛毛形等類型。生物體表非光滑形態(tài)的形成，不僅與其種屬遺傳因素和各種生活習(xí)性有關(guān)，而且與其生存的特定環(huán)境有直接關(guān)系，是生物為適應(yīng)其生存環(huán)境經(jīng)過億萬年進(jìn)化優(yōu)化而來的。凸包形非光滑形態(tài)多存在于動(dòng)物體表與土壤擠壓、摩擦較嚴(yán)重的部位，如大蜣螂頭部推土板和挖掘足的體表形態(tài)均為凸包形；馬陸在鉆土?xí)r，兩側(cè)面與土壤擠壓、摩擦力較大，其兩側(cè)面體表形態(tài)也為凸包形。凹坑形非光滑多適用于土壤較松散、內(nèi)聚性較差且對(duì)界面接觸壓力低的部位，步甲用大顎切土，其頭及胸甲背板體表形態(tài)為凹坑形分布。蜣螂和步甲等動(dòng)物的腹部存在階梯形波紋非光滑，可有效地減少腹部與土壤接觸面積，減少腹部與土壤摩擦力。穿山甲等動(dòng)物體表形態(tài)為鱗片形分布12叢茜,任露泉,吳連奎等.幾何非光滑生物體表形態(tài)的分類學(xué)研究.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),1992,8(2):7-12.。本研究屬于鞋底與土壤之間進(jìn)行間斷的擠壓和摩擦行為，結(jié)合典型土壤動(dòng)物減粘脫附的研究成果，進(jìn)行仿生類比，選取凸包形非光滑形態(tài)為仿生改形鞋底的仿生單元體結(jié)構(gòu)。3.2仿生類比信息的提取仿生學(xué)研究表明,非光滑表面具有減粘降阻功能，特別是在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，非光滑表面降阻效果尤為明顯。用掃描電鏡觀察土壤動(dòng)物的典型體表形態(tài)，發(fā)現(xiàn)典型土壤動(dòng)物體表存在凸包形等幾何非光滑形態(tài)，圖1-1(a)為蜣螂觸土部位的非光滑形態(tài)。根據(jù)土壤動(dòng)物非光滑體表形態(tài)的特征規(guī)律，進(jìn)行仿生類比，試驗(yàn)試件采用凸包形的仿生非光滑表面進(jìn)行設(shè)計(jì)，考慮了試件的四個(gè)仿生非光滑表面因素，即：球冠的高度、球冠底面圓半徑、球冠間的間距和球冠的分布。采用L9(34)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，因素水平情況詳見表3-1。表3-1因素水平表進(jìn)而設(shè)計(jì)各種形式的仿生非光滑改形表面鞋底，如圖3-2為計(jì)算機(jī)仿生改形表面局部示意圖。1 2 34 5 67 8 90圖3-2計(jì)算機(jī)仿生改形表面局部示意圖3.3快速原型制造技術(shù)3.3.1概述快速原型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)，是將計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)和計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)集成于一體，根據(jù)計(jì)算機(jī)構(gòu)造的三維模型，能在很短時(shí)間內(nèi)直接制造產(chǎn)品樣品的一種先進(jìn)制造技術(shù)。該技術(shù)創(chuàng)立了產(chǎn)品開發(fā)的新模式，使設(shè)計(jì)師以前所未有的直觀方式體會(huì)設(shè)計(jì)的感覺，感性而迅速的驗(yàn)證和檢查所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和外形，從而使設(shè)計(jì)工作進(jìn)入了一種全新的境界，改善了設(shè)計(jì)過程中的人機(jī)交流，縮短了產(chǎn)品開發(fā)的周期，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度，降低了企業(yè)投資新產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)了企業(yè)引導(dǎo)消費(fèi)的力度。其制造的樣品可用于新產(chǎn)品的評(píng)價(jià)，也可用于制造硅橡膠模具和熔模鑄造模具等，從而批量生產(chǎn)塑料及金屬零件。用這種方法制造樣品較傳統(tǒng)法的顯著優(yōu)點(diǎn)是，制造周期大大縮短(由幾周、幾個(gè)月縮短為若干個(gè)小時(shí))，成本大大降低?？焖僭椭圃旒夹g(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的“去除”加工法-部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件，而采用全新的“增長(zhǎng)”加工法-用一層層的小毛坯逐步疊加成大工件，將復(fù)雜的三維加工分解成簡(jiǎn)單的二維加工的組合。因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法的10%-30%的工時(shí)和20%-35%的成本，就能直接制造出產(chǎn)品或模具。3.3.2基本原理快速原型制造技術(shù)，是借助計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)或用實(shí)體反求方法采集到有關(guān)信息或零件的幾何形狀、結(jié)構(gòu)和材料的組合信息，獲得目標(biāo)原型的概念，并以此建立數(shù)字化描述模型，再將這些信息輸出到計(jì)算機(jī)控制的機(jī)電集成系統(tǒng)，通過逐點(diǎn)逐面進(jìn)行材料的三維堆砌成形，最后經(jīng)過必要的處理，使其在外觀、強(qiáng)度和性能等方面達(dá)到設(shè)計(jì)要求，快速準(zhǔn)確地制造原型或?qū)嶋H零件或部件的現(xiàn)代化方法。目前，快速原型制造技術(shù)的原理都是采用分層疊加法，即用CAD造型、生成STL文件及分層切片等步驟進(jìn)行分層處理，借助計(jì)算機(jī)控制成型機(jī)完成材料的形體制造。通俗的講，快速成型技術(shù)就是利用三維CAD的數(shù)據(jù)，通過快速成型機(jī)將一層一層的材料堆積成實(shí)體原型。其技術(shù)原理如圖3-3所示。1、三維CAD構(gòu)建模型或三維掃描系統(tǒng)實(shí)體掃描。設(shè)計(jì)一個(gè)零件，首先要建立一個(gè)三維實(shí)體模型，模型建立后，計(jì)算機(jī)直接生成STL格式文件輸出到快速原型設(shè)備進(jìn)行模型制造。在理論上，RPM技術(shù)可以加工任意復(fù)雜的工件，尤其擅長(zhǎng)加工傳統(tǒng)方法無法加工的復(fù)雜結(jié)構(gòu)的工件。但實(shí)際上對(duì)于十分復(fù)雜的物體，目前CAD軟件很難達(dá)到要求，往往需要借助于逆向工程手段建立物體的數(shù)字化模型74。它是