逆向工程在复杂零件中的应用毕业论文

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目录

第二章基本理论 (6)

2.1三坐标测量设备 (7)

2.1.1三坐标测量原理 (7)

2.1.2种类和特点 (8)

2.2三坐标测量的重定位和对称 (8)

2.3数据转换 (9)

2.4逆向工程的基本理论 (9)

2.5逆向工程的基本流程 (10)

2.6曲面造型的现状 (10)

2.7 UG的简介 (11)

第三章饮料搅拌器桶体三坐标测量 (13)

3.1有关设备 (13)

3.2硬件系统的建立 (13)

3.3实验系统的确定 (13)

3.4三坐标测量系统软件 (14)

3.4.1常用三坐标测量划线系统的构成 (14)

3.4.2 LMS 主菜单 (14)

3.4.3问题及测量方案 (18)

第四章具体零件模型制作过程的过程 (19)

4.1 UG勺用户界面及操作及制作工程 (19)

4.2 UG的逆向造型遵循 (24)

4.3搅拌器桶体整个制作过程 (27)

结束语 (36)

谢辞 (37)

参考文献 (38)

第二章基本理论

2.1 三坐标测量设备及测量原理

三坐标测量机（Coordi nate Measuri ng Mach in es ，简称CMM是一种三维测量设备，能将各种复杂零件表面几何形状数字化。三坐标测量机初始是作为零件加工的误差评定的一种测量工具，随着计算机技术的发展，三坐标测量机的测试过程已完全实现计算机控制，可以根据被测零件的几何外形，自动生成测量路径，特别是

CAD/CAM技术在制造业的广泛采用，三坐标测量机和CAD/CAM系统的一体化。

它有机地结合了数字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构技术，并使之完美结合。它顺应了硬件软件化的技术发展方向，使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。

2.1.1 测量原理

根据测量要求，可把测量对象分为两类：规则几何形状和复杂形面结构。本设计中要求测量的是复杂形面结构，因此用轮廓测量，其方法为：沿表面顺序采集一系列测量点，作为描述该形面的依据。通过曲面、曲线数学处理模型，计算出该形面上任意一点的几何特性参数。三坐标测量机可同时测量尺寸和形状，三坐标机测量时，把被测对象作为离散点的集合，对不同的被测量对象和要求，通过测量从该集合中采集数目不等的若干离散点以代替该被测对象，经过计算确定被测对象的尺寸和形状。

由上述可得出工件测量的一般步骤：如图2-1

对工件表面采点＞利用数学模型进行数据＞结果输出

图2-1工件测量的一般步骤

2.1.2三坐标测量测量的种类和特点

三坐标测量的种类：包括手动测量的三坐标测量，全自动的三坐标测量，三维激光扫描仪器、激光跟踪仪等等。其在精度方面激光扫描仪和激光跟踪仪比前两个要高，价格也高。随着社会的进步，现在大多数大中型企业都采用的是全自动三坐标测量和激光扫描仪，其目的是为你提高精确度，保证质量，给顾客带来

【4]

更大的方便。

三坐标测量机的特点：接触式数字化设备的典型代表，它具有噪声低、精度

高（可达土0.5um）、重复性好等优点。但测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度、低密度。

2.2三坐标测量重定位和对称

测量数据重定位方法：对于一些较大零件，在逆向测量时一次扫描通常不能完成对整个零件的测量，需要分区进行。这样就会导致多次测量所得数据的坐标不统一，即所谓测量数据的多视拼合问题。

在测量系统中，由不同次装夹位置测量得到的数据用不同的坐标系统描述，这些坐标系之间和装夹位置有严格的坐标换算关系，据此变换关系可以将不同次测量的数据点进行坐标归一，因此采用“多重点法”进行对数据的拼合。多重点法数据拼合要求的分次测量数据至少有三个可识别点。它使用方便、适用范围广, 在各类系统中应用极为广泛。

多重点法的基本原理是利用重合的三个（或多个）对应点，计算坐标变换矩阵，再用该变换矩阵将某次测量数据变换到另一次测量数据的坐标系中，从而实

现数据的拼合

[5]

数据的对称：如果存在两个实体或几何特征，它们对一个平面互为镜像，则定义这两个实体具有对称关系，几何特征为对称特征，同作镜像的平面称为对称平面（也可称为镜像平面）。

根据对称形式，零件对称关系有形状几何完全对称和局部几何对称，对称具有下列性质：整体几何现状的物体的质心位于对称平面上；对称特征到对称平面部分区域, 量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍的距离相等；对称特征在对证平面上的投影完全重合。

在逆向工程的模型重建中，根据实物对称几何特征的组成，可以将模型分为两类：具有平面对称几何特征的模型和非平面对称的几何特征（二次曲面、自由曲面等）的模型，具有平面对称特征的产品，其对称平面的建立较容易，可通过测量造型得到对称面的法矢方向和位置：而由二次曲面和自由曲面构成的对称特征模型，其对称面的建立应根据对称特性建立数学模型，通过计算求出对称面的方向位置。

2.3 数据格式转换

每个CAD/ CAM系统都有自己的数据格式,目前流行的CAD/ CAM软件的产品数据结构和格式各不相同, 不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接, 而且直接影响了CMM与CAD/CAM系统的数据通讯。经过三坐标测量仪测量后的数据点并不能直接用UG中，因为格式不相符合。每个CAD/CAM R统都有自己的数据文件，数据文件格式与每个CAD/CAI系统自己的内部数据模式密切相关。而UG对应的是IGES格式（UG还以对应其他很多格式），IGES是最通用的格式，出错机率比较少，即使转换成相应的图形有错误，也能修改，因此必须将数据点进行格式转换。

2.4 逆向工程的基本理论

逆向工程可以简单的定义为这样一个过程: 在没有工程图纸的情况下，对实际的物体模型进行测量，通过对测量信息的分析和处理来构造其CAD模型的过程，由实际模型反求出设计模型来。所谓逆向（或反求），是相对传统的从设计图纸（或模型）加工出实际产品来的正向过程而言的。逆向工程与传统的正向设计

的根本区别在于：正向设计是由抽象的较高层次概念或独立实现的设计过渡到设计的物理实现，从设计概念到CAD莫型有一个明确的过程；而逆向工程是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念，并且可以通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改的目的，以满足生产要求。

在制造领域，逆向工程的过程是：首先测量一个已存在的零件或原型，得到它的测量数据，然后重构其CAD模型。这个CAD模型描述了原始物体的几何特征和其他的一些特性，并且可以用于许多其他的用途，例如分析、修改、制造和测试等。传统的正向设计与逆向工程主要差别在于，前者是从高级抽象概念到设计的明晰的物理执行过程；而后者是通过调整和修改特征参数形成物体模型的推理过程。

2.5逆向工程的基本流程

逆向工程的一般步骤如下：实物样件的数据采集、CAD模型重构、CADI模型

分析、数控加工等。图2-2

图2-2逆向工程的一般步骤

2.6 UGII 介绍

UG由美国UGS(Unigraphics Solutions )公司开发经销，不仅具有复杂造型和数控加工的功能，还具有管理复杂产品装配，进行多种设计方案的对比分析和优化等功能。UG在航空航天、汽车、通用机械、工业设备、医疗器械以及其它高科技应用领域的机械设计和模具加工自动化的市场上得到了广泛的应用。

该软件不仅具有强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配和产生工程图等设计功能；而且，在设计过程中可进行有限元分析、机构运动分析、动力学分析和仿真模拟，提高设计的可靠性；同时，可用建立的三维模型直接生成数控代码，用

于产品的加工，其后处理程序支持多种类型数控机床。另外它所提供的二次开发语言

UG/OPen GRIP，UG/open API 简单易学，实现功能多，便于用户开发专用

CAD系统。具体来说，该软件具有以下特点：

l ）具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CA等各模块之间的无数据交换的自由切换，可实施并行工程。

2）采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

3）用基于特征（如孔、凸台、型胶、槽沟、倒角等）的建模和编辑方法作为实体造型基础，形象直观，类似于工程师传统的设计办法，并能用参数驱动。

4）曲面设计采用非均匀有理B样条作基础，可用多种方法生成复杂的曲面，特别适合于汽车外形设计、汽轮机叶片设计等复杂曲面造型。

5）出图功能强，可十分方便地从三维实体模型直接生成二维工程图。能按ISO 标准和国标标注尺寸、形位公差和汉字说明等。并能直接对实体做旋转剖、阶梯剖和轴测图挖切生成各种剖视图，增强了绘制工程图的实用性。

6）以Parasolid 为实体建模核心，实体造型功能处于领先地位。目前著名

CAD/CAE/CA软件均以此作为实体造型基础。

7）提供了界面良好的二次开发工具GRIP（GRAPHICAILNTERACTIVEPROGRAMI）NG

和UFUN（USER FUNCTION并能通过高级语言接口，使UG的图形功能与高级语言的计算功能紧密结合起来。

8）具有良好的用户介面，绝大多数功能都可通过图标实现；进行对象操作时，

具有自动推理功能；同时，在每个操作步骤中，都有相应的提示信息，便于用户做出正确的选择

2.7 曲面造型的技术曲面造型是计算机辅助几何设计和计算机图形学的一项重要内容，主要研究在计算机图象系统的环境下对曲面的表示、设计、显示和分析。它起源于汽车、

飞机、船舶、叶轮等的外形放样工艺，由Coons、Bezier 等大师于二十世纪六十年代奠定其理论基础。如今经过三十多年的发展，曲面造型现在已形成了以有理

B样条曲面参数化特征设计和隐式代数曲面表示这两类方法为主体，以插值、拟合、逼近这三种手段为骨架的几何理论体系。曲面造型在目前是最难解决的一个问题之一。问题是在

怎么样去处理好曲面的光滑. 曲面造型是复杂物体型面造型表达的最有效工具。从飞机、汽车、船舶的外形覆盖件和结构件的设计，家用电器、轻工产品的工业造型设计和模具设计到服装、皮鞋的三维打样和款式设计，无不需要强有力的曲面造型工具。因此，曲面造型与实体造型技术融合后功能的强弱就决定了三维数字化设计系统造型能力的强弱。三维数字化设计系统的曲面造型包括基本曲面造型、高级曲面造型、公式曲面造型和曲面编辑造型等。

基本曲面造型，包括直纹面、旋转面、扫描面和裁剪平面等；高级曲面造型，包括导动面、边界面、放样面、网格面、复杂实体表面和逆向工程曲面等；公式曲面造型，包括等距面、椭球面、双曲面、抛物面以及具有特殊物理和几何意义的功能曲面等；曲面编辑面延伸和曲面求交等。

曲面造型还包括支持基于特征和曲面混合造型，点云数据的逆向工程设计，从而完成零件的形状设计要求。[6]

对于工业应用中的复杂形状，曲面造型技术还包括以下特殊造型功能：

1）N边域的曲面填补。用N块Gregory曲面片或NURB曲面片填充由N条边界围成的区域，使边界处光滑拼接，并满足一些其它的约束，如曲面插值某些给定的点或线。

2）匹配边界的曲面校正。修改某个曲面，使其某一边界通过一给定曲线（通常为另一曲面的边界），并使修改后的曲面与原曲面的差别最小，必要时还将满造型，包括裁剪面、过渡面、曲面拼接、曲面缝合、曲间的缝合。

3）广义的sweeping曲面。一条轮廓线沿一条脊线或多条脊线运动而生成曲面，轮廓线可以按照某种规律一面变形一面运动。

4）具有边界约束的NURB曲面。最通常的一种是生成一张插值给定边界线的曲面，在此基础上，可以加上边界线上的跨阶导矢、端点处的扭矢等边界约束以增加对生成的曲面的控制能力。

5）两张或多张曲面间的混合曲面生成，用于曲面间的过渡。

曲面逆向建模的关键是准确把握造型师的设计理念，将模型的每一个正确特征，每条折、线、沟、槽、缝、棱，每个圆角、凸台、型孔、突起、凹陷精确地建立起来，使整车协调、统一的风格得到最完美的体现。另外，A 级曲面的理论轮廓线一定要光顺平滑，曲面曲率均匀、连续，反射光、斜率在曲面上光形条纹

要顺畅、均匀无拐点。曲面质量的检验命令一般三维软件都有，如高斯曲率、反射光、矢量斜率、截面梳妆线等。