逆向工程在塑料玩具生產(chǎn)的應(yīng)用設(shè)計

廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 1 畢業(yè)設(shè)計說明書 (論文 ) 設(shè)計 (論文 )題目 :逆向工程在塑料玩具生產(chǎn)的應(yīng)用 專 業(yè) : 班 級 : 學(xué)生姓名 : 學(xué) 號 : 指導(dǎo)教師 : 上交時間 : 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 2 目 錄 摘要 . 2 第 1章 逆向工程應(yīng)用簡述 . 3 1.1 逆向工程的結(jié)構(gòu) . 3 1.2 逆向工程的社會背景 . 4 第 2章 模型數(shù)據(jù)采集 . 5 2.1 坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集方法 . 5 2.2 激光 三坐標(biāo)掃描儀介紹 . 5 第 3章 逆向工程應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié) . 6 3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 . 6 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 . 6 3.3 玩具產(chǎn)品建模方法 . 7 第 4章 塑料玩具生產(chǎn)設(shè)計簡介 . 9 4.1 Surfacer 軟件應(yīng)用 . 9 4.2 Pro/ENGINEER 軟件應(yīng)用 . 11 結(jié)束語 . 13 參考文獻(xiàn) . 14 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 3 摘 要 塑料 玩具的發(fā)展主 要是從玩具的造型和智能化兩個方向，逆向工程在玩具快速成型和曲面造型構(gòu)建得到廣泛應(yīng)用。 本文 介紹逆向工程在塑料玩具生產(chǎn)設(shè)計的流程和實現(xiàn)方法。著重從模型來源，模型數(shù)字化， Pro/ENGINEER 曲面建模等方面入手，強(qiáng)調(diào)逆向工程在塑料玩具生產(chǎn)中應(yīng)用的 現(xiàn)實意義 。 關(guān)鍵詞 ： 逆向工程； Surfacer； Pro/ENGINEER；塑料玩具 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 4 第 1 章 逆向工程應(yīng)用簡述 在塑料玩具產(chǎn)品的設(shè)計過程中，為了使產(chǎn)品更為美觀或?qū)崿F(xiàn)某些特殊的性能要求，要求其外表面光順而富于變化，通常此類產(chǎn)品是由復(fù)雜的自由 曲面拼合而成的，由于在概念設(shè)計階段很難用嚴(yán)密統(tǒng)一的數(shù)字語言來描述，故而許多塑料玩具產(chǎn)品的初始模型必須通過對事先造出的泥制或木制的模型進(jìn)行測量，再以此為依據(jù)，反求出實物模型。這種以實物模型為依據(jù)來生成幾何模型的設(shè)計方法即為逆向工程。 1.1 逆向工程的結(jié)構(gòu) 隨著測量儀的普及、精度的提高，以及工業(yè)越來越強(qiáng)調(diào)美學(xué)、效率、個性化設(shè)計，逆向工程以其先進(jìn)的技術(shù)、快捷的方式、完美的造型而廣泛應(yīng)用于眾多的領(lǐng)域，如在汽車、航空、家電、雕塑等行業(yè)，隨處可見造型優(yōu)美的反求產(chǎn)品?，F(xiàn)在反求技術(shù)正被越來越多的人看好，而且已由貴族技術(shù)轉(zhuǎn)向 平民化，表現(xiàn)出了巨大的經(jīng)濟(jì)前景。 如 圖 1-1 所示， 給出了一個比較完 整的逆向工程的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖 1-1 逆向工程的結(jié)構(gòu)示意圖 模型數(shù)字化 數(shù)據(jù)預(yù)處理 特征提取 數(shù)據(jù)分割 曲面重構(gòu) 三角形網(wǎng)格 快速成型 數(shù)控加工系統(tǒng) CAD/CAM 系統(tǒng) 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 5 1.2 逆向工程的社會背景 進(jìn)入新世紀(jì)以來， 世界范圍內(nèi)的競爭將日趨激烈，尤其 是工業(yè)領(lǐng)域的競爭更加白熱化，市場對產(chǎn)品設(shè)計的要求也發(fā)生了根本的變化，多品種，小批量替代了少品種大批量的傳統(tǒng)生產(chǎn)模式，這就導(dǎo)致了要求降低產(chǎn)品、縮短設(shè)計和生產(chǎn)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量。 反求設(shè)計方法在與傳統(tǒng)設(shè)計方法相結(jié)合的同時，還與計算機(jī)輔助測量技術(shù)、 CAD技術(shù)等緊密地聯(lián)系在一起。反求設(shè)計中往往 會遇到一些復(fù)雜的零部件，一般不能直接建立 CAD 模型，必須借助于先進(jìn)的計算機(jī)輔助測量技術(shù)（三維掃描技術(shù)）來獲取零部件的 3D 數(shù)據(jù)，并經(jīng)過計算機(jī)處理之后，進(jìn)行 CAD 建模，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計。 反求工程作為對已有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測量擬合、分析、改進(jìn)設(shè)計，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一種最佳手段，比從設(shè)計概念完成產(chǎn)品的開發(fā)的路要捷徑的多，因而有效地支持了新產(chǎn)品響應(yīng)市場的速度?？梢暂敵隹焖僭椭谱骷澳＞呒庸さ亩喾N數(shù)據(jù)格式，支持客戶的不同用途。 目前，與這種從實物樣件獲取產(chǎn)品數(shù)學(xué)模型相關(guān)的技術(shù)，已發(fā)展為 CAD/CAM 系統(tǒng)中的一 個相對獨立的研究領(lǐng)域，即 “ 反求工程 ”(Reverse Engineering) ，或稱反向工程、逆向工程等 。 如圖 1-2 所示，為 其示意圖 。 圖 1-2 逆向工程的結(jié)構(gòu)示意圖 三維掃描儀 (三坐標(biāo)測量 ) 點云數(shù)據(jù) (三坐標(biāo)數(shù)據(jù) ) 反求工程軟件或其他 CAD 三維實體數(shù)據(jù) 進(jìn)一步設(shè)計修改 NURBS 曲面數(shù) CAM 加工 STL 數(shù)據(jù) 快速成型 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 6 第 2 章 模型數(shù)據(jù)采集 2.1 坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集方法 坐標(biāo)數(shù)據(jù)采集是逆向工程中的第一個環(huán)節(jié)，是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎(chǔ)?，F(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法大概可以分為以下面幾類： 1）簡單工具的手工測量； 2）機(jī)械三坐標(biāo)測量機(jī)測量的有序點數(shù)據(jù)； 3）激光、數(shù)字成像的三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，即大批量、無序的點云數(shù)據(jù)。 2.2 激光三坐標(biāo)掃描儀介紹 目前最流行的模型數(shù)據(jù) 采集方法是激光三坐標(biāo)掃描儀測量數(shù)據(jù)。 三維掃描是集光、機(jī)、電和計算機(jī)技術(shù)于一體的高新技術(shù)，主要用于對物體空間外形和結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描，以獲得物體表面的空間坐標(biāo)。 它的 重要意義在于 能夠?qū)嵨锏牧Ⅲw 信息轉(zhuǎn)換為計算機(jī)能直接處理的數(shù)字信號，為實物數(shù)字化提供了 相當(dāng)方便快捷的 手段。 高速三維掃描及數(shù)字化系統(tǒng)在 反求 工程中發(fā)揮 著巨 大作用，該系統(tǒng)提供了從模型或?qū)嵨飹呙璧郊庸こ銎谕哪Ｐ退璧闹T多功能 ,大大縮短了模具的研制制造周期。 三維掃描技術(shù)能實現(xiàn)非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點。而且其測量結(jié)果能直接與多種軟件接口，這使它在 CAD、 CAM、 CIMS 等技術(shù)應(yīng)用日益普及的今天很受歡迎。 三維掃描儀 作為 一種快速的立體測量設(shè)備，因其測量速度快、精度高，非接觸 ，使用方便等優(yōu)點而得到越來越多的應(yīng)用。用三維掃描儀對 手板， 樣品、模型進(jìn)行掃描，可以得到其立體尺寸數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)能直接與 CAD/CAM 軟件接口，在 CAD 系統(tǒng)中可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)整、修補(bǔ)、再送到加 中心 或快速成型設(shè)備 上 制造 ，可以極大的縮短產(chǎn)品制造周期 。 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 7 第 3 章 逆向工程應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié) 3.1 Pro/ENGINEER 軟件介紹 Pro/ENGINEER 是一套涵蓋了由設(shè)計至生產(chǎn)的機(jī)械自動化軟件 ，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。PTC 的系列軟件已經(jīng)深入工業(yè)設(shè)計和機(jī)械設(shè)計等各項領(lǐng)域，包括對大型裝配體的管理、功能仿真、制造和產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理，并提供了最全面、集成最緊密的產(chǎn)品開發(fā)環(huán)境。 Pro/ENGINEER 高級曲面擴(kuò)展功能提供了逆向工程的設(shè)計規(guī)范管理、參數(shù)化曲面建模和直接曲面建模等高性能工具。 Pro/ENGINEER 的交互式曲面設(shè)計擴(kuò)展功能 (ISDX)定義了新一代曲面處理技術(shù)。這一新工具具有獨特的自由形狀曲線和曲面建模功能，并具有高級的互用 性和靈活性。它能讓設(shè)計人員和工程師在一種完全自由式參數(shù)化建模環(huán)境中工作，這樣就能保證設(shè)計和工程的真正集成。通過在Pro/ENGINEER 的參數(shù)化建模基礎(chǔ)內(nèi)建立復(fù)雜的自由形狀幾何體， ISDX 能讓設(shè)計人員和工程師在一種具有極大設(shè)計靈活性、獨特的環(huán)境中工作。 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模是逆向工程應(yīng)用的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在玩具產(chǎn)品的開發(fā)建模中，通常采用三坐標(biāo)掃描儀測量的數(shù)據(jù)，經(jīng)過 Surfacer 軟件對采集的數(shù)據(jù)處理成三維線圈框架，保存為 IGS 格式，然后把處理完的文件導(dǎo)入 Pro/ENGINEER 作為參考幾何。這種建模方式比較特別，它沒有傳統(tǒng)畫圖的提供的圖紙，只是以三維線圈尺寸為基礎(chǔ)，以構(gòu)圖手板為基準(zhǔn)。 構(gòu)圖手板是玩具產(chǎn)品的原型，三維線圈是構(gòu)圖手板的數(shù)字化模型。三維線圈保證 Pro/ENGINEER 曲面設(shè)計時不會發(fā)生大的尺寸偏差，構(gòu)圖手板反映的是產(chǎn)品的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，在 Pro/ENGINEER 曲面設(shè)計時提供造型要求，在此基礎(chǔ)上優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)，保證達(dá)到模具設(shè)計的要求和玩具造型的要求。 玩具產(chǎn)品的建模主要是用 Pro/ENGINEER 曲面建模的高級功能。如可變截面掃描，其中縱截面可以由用戶自定 義圖表或數(shù)學(xué)函數(shù)控制；混合曲面，曲面偏距，扭曲里面的特殊功能也充分地應(yīng)用。 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 8 Pro/ENGINEER 玩具曲面建模，首先要合理把模型分割成幾部分，考慮處理好曲面間的連接，其次要確定參考平面，然后定基準(zhǔn)點，構(gòu)造基準(zhǔn)曲線，用邊界或掃描的方式建立基礎(chǔ)曲面。合理連接 ,處理好碎曲面。 3.3 玩具產(chǎn)品建模方法 玩具產(chǎn)品的外觀形狀多由自由型曲線曲面組成，其共同點是必須保證曲面光順。曲面光順從直觀上可以理解為保證曲面光滑而且圓順，不會引起視覺上的凹凸感。要保證構(gòu)造出來的曲面既光順又能滿足一定的精度要求，就必須掌握一定的曲面 造型技巧。 3.3.1 化整為零，各個擊破 用一張曲面去描述一個復(fù)雜的玩具外形是不切實際和不可行的，這樣構(gòu)造的曲面往往會不光順，產(chǎn)生大的變形。這時可根據(jù)應(yīng)用軟件曲面造型方法，結(jié)合產(chǎn)品的外形情況，將其劃分為多個區(qū)域來構(gòu)造幾張曲面，然后將其縫合，或用過渡面與其連接。 3.3.2 建立光順的曲面片控制線 曲面的品質(zhì)與生成它的曲線即控制線有密切關(guān)系。因此，要保證光順的曲面，必須有光順的控制線。曲線的品質(zhì)主要考慮以下幾點： 1） 滿足精度要求； 2） 曲率主方向盡可能一致； 3） 曲線曲率要大于將做圓角過渡的半徑值。 3.3.3 將輪廓線刪繁就簡再構(gòu)造曲面 我們看到的曲面輪廓往往是已經(jīng)修剪過的，如果直接利用這些輪廓線來構(gòu)造曲面，常常難以保證曲面的光順性，所以造型時在滿足零件的幾何特點前提下，可利用延伸、投影等方法將 3d 輪廓線還原為 2d 輪廓線，并去掉細(xì)節(jié)部分，然后構(gòu)造出“原始”曲面，在利用面的修剪方法獲得曲面外輪廓。 3.3.4 從模具的角度考慮 產(chǎn)品的三維造型的最終目的是制造模具。因此，在三維造型時，要從模具的角度去考慮，在確定產(chǎn)品出模方向后，應(yīng)檢查曲面能否出模，是否有倒扣現(xiàn)象（即拔廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 9 模角為負(fù)角），如發(fā)現(xiàn)有倒扣現(xiàn)象，應(yīng)對曲面的控制線進(jìn)行修改，重 構(gòu)曲面。這一點往往被忽略，但卻是非常重要的。 3.3.5 曲面光順評估 在構(gòu)造曲面時，要隨時檢查所建曲面的狀況，注意檢查曲面是否光順、是否扭曲、曲率變化情況等，以便及時修改?？娠@示曲面上的等高斯曲率線，進(jìn)而顯示高斯曲率的色彩光柵圖像，從等高斯曲率線的形狀與分布、色彩光柵圖像的明暗區(qū)域及變化，直觀地了解曲面的光順性情況。 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 10 第 4 章 塑料玩具生產(chǎn)設(shè)計簡介 目前市面塑料玩具的生產(chǎn)品種繁多，玩具產(chǎn)品的造型和智能化成為市場競爭的關(guān)鍵。 玩具產(chǎn)品的造型 是玩具開發(fā)和設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。目前的玩具模型開發(fā)主要是通過已 有的產(chǎn)品模型優(yōu)化或 者手工手板 造 型 實現(xiàn)的 。 無論哪種方式，都需要將模型數(shù)字化。 模型的數(shù)字化主要是通過三坐標(biāo)掃描儀 實 現(xiàn)的。 Surfacer 軟件是三坐標(biāo)掃描儀（測量儀）的配套軟件，是 專門用于 處理 數(shù)字化模型（點云數(shù)據(jù)）的。 Pro-E軟件 是將 Surfacer 軟件處理后的數(shù)字模型（線圈模型）作為參考基準(zhǔn)的。下面以玩具小車車殼模型的例子介紹建模過程。 4.1 Surfacer 應(yīng)用 現(xiàn)在市場上較為流行的反求軟件比較多， Imageware 公司開發(fā)的 Surfacer 以其強(qiáng)大的功能，受到眾多消費者的青睞。 它具有友好的輸入輸出接口，可以接受幾十種數(shù) 據(jù)格式，方便的與同類軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交流。它主要包括四大功能模塊，即點處理、線處理、面處理和快速成型模塊。同時還包括顯示、編輯、檢測等輔助功能?，F(xiàn)在使用 Surfacer 為工具，處理三坐標(biāo)掃描儀處理的點云。三坐標(biāo)掃描儀測量的測量的數(shù)據(jù)點 ,點按照空間的曲面的位置分布 ,類似云的形狀 ,故叫點云。 如 圖 4-1 所示， 為三坐標(biāo)掃描儀的點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Surfacer 軟件的效果圖。 圖 4-1 點云導(dǎo)入 Surfacer 軟件 的效果圖 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 如圖 4-2 所示， 為點云數(shù)據(jù)在 Surfacer 軟件里面的網(wǎng)格處理圖。在 Surfacer軟件中，將點云 數(shù)據(jù)分散，處理成空間線圈。因為整個點云數(shù)據(jù)導(dǎo)入 Pro-E 中，點云數(shù)據(jù)密度大，嚴(yán)重影響軟件的運行速度，和處理效率。 在 Surfacer 軟件的處理方法： 1、 以點云模型的 X 方向拉虛擬截面，設(shè)置截面間距； 2、 隱藏點云模型，將截面截出的點轉(zhuǎn)化成線； 3、 用以上方法分別處理 Y 和 Z 方向的點； 4、 刪除 X、 Y、 Z 三個方向的點數(shù)據(jù)； 5、 將 X、 Y、 Z 三個方向的線圈合并在一起，即為下圖的線圈模型； 6、 保存為 igs 格式文件。 圖 4-2 用 Surfacer 軟件進(jìn)行點云網(wǎng)格處理 的處理圖 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 4.2 Pro-E 軟件的應(yīng)用 （ 1） Surfacer 軟 件處理的網(wǎng)格文件 導(dǎo)入 Surfacer 軟件將三坐標(biāo)掃描儀提供的空間點云數(shù)據(jù)處理成三維網(wǎng)格，保存為igs 格式文件導(dǎo)入 Pro-E 軟件。 如圖 4-3 所示， 為 Surfacer 軟件處理的網(wǎng)格文件 導(dǎo)入 Pro-E 后的效果圖 。 圖 4-3 Surfacer 軟件處理的網(wǎng)格文件 導(dǎo)入 Pro-E 后的效果圖 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 （ 2） Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模在玩具建模的應(yīng)用主要是以 Surfacer 軟件處理的網(wǎng)格數(shù)據(jù)作為參考基準(zhǔn)，合理分割模型曲面，合理處理曲面連接，處理好小碎曲面建立高級圓角。通過一系 列的曲面操作，構(gòu)造玩具模型。 如圖 4-4 所示， Pro/ENGINEER曲面建模在建模完成后的效果圖 。 圖 4-4 Pro/ENGINEER 曲面建模在建模完成后的效果圖 （ 3）應(yīng)用實例 通過以上塑料玩具生產(chǎn)設(shè)計的簡單介紹，我們對塑料玩具設(shè)計的方法和流程比較清晰。靈活地處理曲面模型曲面的分割，合理應(yīng)用好 Pro/ENGINEER 曲面建模 的功能，就可以滿足 客戶的設(shè)計要求，設(shè)計出形式多樣，富有藝術(shù)性的曲面模型。下面以 10 個曲面模型反映逆向工程的應(yīng)用，展示 Pro/ENGINEER 曲面建模的價值。 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 結(jié)束語 通過逆向 工程應(yīng)用流程和應(yīng)用關(guān)鍵環(huán)節(jié)的介紹，我們進(jìn)一步認(rèn)識產(chǎn)品建模的新方法。對 Pro/ENGINEER 的應(yīng)用有新的認(rèn)識?，F(xiàn)在， Pro/ENGINEER 的交互式曲面設(shè)計擴(kuò)展功能 (ISDX)的推出，標(biāo)志著 PTC 已將直觀的自由形狀曲面處理建模工具集成到世界最優(yōu)秀的建模軟件中。這種獨特的設(shè)計功能允許設(shè)計人員和工程師利用強(qiáng)大的參數(shù)化建模工具來建立自由形狀曲面。直觀的建模環(huán)境能讓客戶采用一種清晰的過程方法來完成設(shè)計，從而在提高效率的同時，進(jìn)一步促進(jìn)逆向工程應(yīng)用的發(fā)展！ 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 參考文獻(xiàn) 1林清安 .Pro/ENGINEER 零件設(shè)計 .清華大學(xué)出版社 2楊峰 ,黃效賀 .Pro/E Wildfire 2.0 曲面設(shè)計技巧與實例 .中國鐵道出版社 3劉之生 ,黃純穎 .反求工程技術(shù) .機(jī)械工業(yè)出版社 4 王京美 ,王德斌 ,刑 淵 .逆向工程技術(shù)在模具制造中的應(yīng)用 .上海交大模具技術(shù)研究所 5季勁松 .逆向工程中三坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)的研究與系統(tǒng)開發(fā) .浙大化機(jī)所 廣東機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）評語 學(xué) 生 姓 名 溫國韓 學(xué)號 030809 班