畢業(yè)設計論文松下手機的逆向造型研究

1、<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1．概 述1</b></p><p>　　1．1逆向工程原理1</p><p>　　1．2逆向工程特點2</p><p>　　1．3逆向建模的一般流程圖3</p><p>　　1．4逆向工程的

2、應用領域3</p><p>　　2．逆向工程一般步驟3</p><p>　　2．1實體三維數據的獲得——掃描3</p><p><b>　　2．2點云處理5</b></p><p><b>　　2．3曲面重構5</b></p><p><b>　　2．4實

3、體建模8</b></p><p><b>　　2．5快速制造9</b></p><p>　　3．逆向工程軟硬件設備10</p><p>　　3．1掃描設備10</p><p>　　3．2點云曲面處理軟件11</p><p>　　3．3實體建模軟件12</p>

4、<p>　　3．4快速成型設備14</p><p>　　4．建立手機外形具體步驟15</p><p>　　4．1松下G60手機外形逆向開發(fā)的流程15</p><p>　　4．2模型分析15</p><p><b>　　4．3掃描16</b></p><p>　　4．4點云數據清

5、理錯誤!未定義書簽。</p><p>　　4．5曲面造型16</p><p>　　1．建立對稱平面16</p><p>　　2．建立上表面17</p><p>　　3．建立下表面18</p><p><b>　　4．建立側面19</b></p><p>　　5．

6、曲面初次裁剪20</p><p>　　6．建立倒角面21</p><p>　　7．建立棱角曲面22</p><p>　　8．曲面再次裁減22</p><p>　　9．建立按鍵曲線23</p><p>　　10．整體鏡像操作23</p><p>　　11．曲面連續(xù)性處理24</

7、p><p>　　12．誤差分析25</p><p>　　13．數據精簡26</p><p>　　14．數據轉化導出通用格式26</p><p>　　4．6實體造型26</p><p><b>　　1．數據導入26</b></p><p>　　2．曲面縫合及模型實體化

8、27</p><p>　　3．建立手機按鍵28</p><p><b>　　5．結 論31</b></p><p><b>　　6．謝 辭32</b></p><p>　　松下手機的逆向造型研究</p><p>　　摘 要：隨著計算機技術的迅速發(fā)展，計算機三維造型技術

9、特別是逆向工程技術在工業(yè)上已經得到了廣泛的應用。為了解決手機外形設計周期長的困難，本文研究了手機外形的逆向工程造型方法，并對逆向工程概念、方法進行系統(tǒng)的闡述，同時又以松下G60手機為例詳細介紹了對手機外形進行逆向工程的步驟。</p><p>　　關鍵詞：逆向工程，點云，快速制造，STL</p><p>　　Abstract: With the rapid development of co

10、mputer technique, the technology of 3D computer-aided prototyping, especially the Reverse Engineering, has been more widely used in industry. In order to solve the problem of long time on the mobile phone’s shape-design

11、, a method based on the integrated reverse engineering is discussed in the paper. Furthermore, the concept and method of the Reverse Engineering is also illustrated, and the step of the integrated reverse engineering of

12、 mobile phone’s sh</p><p>　　Keywords: Reverse Engineering , Point Cloud , Rapid Manufacturing , STL</p><p><b>　　1．概 述</b></p><p><b>　　1．1逆向工程原理</b></p&

13、gt;<p>　　在瞬息萬變的產品市場中，能否快速地生產出合乎市場要求的產品就成為企業(yè)成敗的關鍵。由于各種原因往往我們都會遇到只有一個實物樣品或手工模型，沒有圖紙或CAD數據檔案，有時，甚至可能連一張可以參考的圖紙也不存在，沒法得到準確的尺寸，這就為我們在后續(xù)的工作中采用先進的設計手段和先進的制造技術帶來了很大的障礙，制造模具也就更為煩雜。但是逆向工程技術很好的解決了這一問題。</p><p>　　

14、隨著計算機技術的飛速發(fā)展，三維的幾何造型技術已被制造業(yè)廣泛應用于產品及工模具的設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物（產品原型或油泥模型）轉化為計算機上的三維數字模型，在CAD領域，這就是所謂的逆向工程。</p><p><b>　　1．2逆向工程特點</b></p><p>　　傳統(tǒng)的復制方法是用立體雕刻機或

15、液壓三次元靠模銑床制作出一比一成等比例的模具，再進行量產。這種方法屬稱類比式（Analog type）復制，無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改。這為后續(xù)的改進設計造成很大程度上的麻煩。</p><p>　　傳統(tǒng)的復制方法時間長而效果不佳，已漸漸為新型數字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。逆向工程系統(tǒng)就專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的三維制造路線。并給出一個一體化的解決方案：從樣品→數據→產品。</p>

16、;<p>　　逆向工程通常是以專案方式執(zhí)行一模型的仿制工作。往往制作的產品沒有原始設計圖檔，而是委托單位交付一件樣品或模型，如木鞋模、高爾夫球頭、玩具、電氣外殼結構等，請制作單位復制（Copy）出來。因為長期專門從事逆行工作，所以工作效率很高，三維模型也很專業(yè)。</p><p>　　逆向工程是由高速三維激光掃描機對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數據，配合逆向軟件進行曲向重構，并

17、對重構的曲面進行在線精度分析、評價構造效果，最終生成IGES或STL數據，據此就能進行快速成型或CNC數控加工。</p><p>　　IGES數據可傳給一般的CAD系統(tǒng)（如：UG、MDT等），進行進一步修改和再設計。另外，也可傳給一些CAM系統(tǒng)（如：UG、MASTERCAM、SMART-CAM等），做刀具路徑設定，產生數控代碼，由CNC機床將實體加工出來。STL數據經曲面斷層處理后，可以直接由激光快速成型方式將實

18、體制作出來。</p><p>　　1．3逆向建模的一般流程圖</p><p>　　圖1.1逆向建模一般流程</p><p>　　模型曲面分析——〉確定掃描方案——〉進行實體點云掃描——〉進行點云數據處理</p><p>　　——〉建立需要的曲線——〉建立曲面——〉進行實體建模(如圖1.1)</p><p>　　1．4逆

19、向工程的應用領域</p><p>　　逆向工程應用領域相當廣泛，有軍工，模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、鞋業(yè)、高爾夫球業(yè)、藝術業(yè)、醫(yī)學工程及產品造型設計等方面。</p><p>　　2．逆向工程一般步驟</p><p>　　2．1實體三維數據的獲得——掃描</p><p>　　在進行逆向工程時，三維掃描是最基本的一步。它是獲得原始點云數據

20、的最直接的方法，也是最理想的方法。原始點云數據是后面進行逆向處理的根本依據，因此三維掃描得到點云數據的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。</p><p>　　三維掃描是集光、機、電和計算機技術于一體的高新技術，主要用于對物體空間外形和結構進行掃描，以獲得物體表面的空間坐標。它的重要意義在于能夠將實物的立體信息轉換為計算機能直接處理的數字信號，為實物數字化提供了相當方便快捷的手段。</p><p

21、>　　高速三維掃描及數字化系統(tǒng)在逆向工程中發(fā)揮著巨大作用。三維掃描技術能實現非接觸測量，且具有速度快、精度高的優(yōu)點。而且其測量結果能直接與多種軟件接口，這使它在CAD、CAM、CIMS等技術應用日益普及的今天很受歡迎。在發(fā)達國家的制造業(yè)中，三維掃描儀作為一種快速的立體測量設備，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用。用三維掃描儀對手板，樣品、模型進行掃描，可以得到其立體尺寸數據，這些數據能直接與CAD/

22、CAM軟件接口，在CAD系統(tǒng)中可以對數據進行調整、修補、再送到加工中心或快速成型設備上制造，可以極大的縮短產品制造周期。</p><p>　　三維掃描設備是以三次元測量系統(tǒng)為主?；旧弦越佑|式〈探針式〉和非接觸式（激光、照相、X光等方式）兩大類。在早期是以探針式為主，雖然價格較便宜，但速度較慢，而且以探針與物體接觸會有盲點并且使軟件物體容易變形，影響掃描精度。激光掃描速度快、精確度適當，并且可以掃描立體的物品獲得

23、大量點云數據，以利曲面重建。</p><p>　　三維掃描技術從產生以來，到目前已經發(fā)展了很多掃描原理，一般來講分為以下幾種技術，見下圖（圖2.1）：</p><p>　　圖2.1 三維掃描技術分類</p><p>　　從三維數據的采集方法上來看，非接觸式的方法由于同時擁有速度和精度的特點，因而在逆向工程中應用最為廣泛。</p><p>&

24、lt;b>　　2．2點云處理</b></p><p>　　通常掃描后得到的測量數據是由大量的三維坐標點所組成，根據掃描儀的性質、掃描參數和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等，這些大量的三維數據點稱為點云（Point Cloud）。</p><p>　　掃描得到的產品外形數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍

25、的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟：</p><p>　　1．去掉噪音點，常用的檢查方法是將點云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動的光順方法對點云數據進行檢查調整；</p><p>　　2．數據插補，對于一些掃描不到的區(qū)域，其數據只能通過數據插補的方法來補齊，這里要考慮兩種曲面造型技術，基于點的樣條曲面逆向造型和基于點的曲面擬合技術。

26、</p><p>　　3．數據平滑，數據平滑的目的是為了消除噪音點，得到精確的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法處理方法，應力求保持待求參數所能提供的信息不變。</p><p>　　4．數據光順，光順泛指光滑、順眼，但由于精度的要求，不允許對測量的數據點施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點（邊界折拐點）必須予以保留，而不能被視為“壞點”。

27、</p><p>　　5．點云的重定位整合，在重新裝夾后多次掃描形成的數據要進行重定位整合，目前一般的CAD軟件還都沒有此項功能，需要手工“縫合”，在測量件上選取兩次定位狀態(tài)下的基準點，在兩次定位測量的過程中，分別測量兩次定位狀態(tài)下的基準點的坐標值，然后以一定的判斷規(guī)則判別出各基準點的測量精度，最后在CAD系統(tǒng)中顯示定位下的測量數據，并移動某一定位下的數據，使該定位下的所有測量數據整合到另一定位下。</p&

28、gt;<p><b>　　2．3曲面重構</b></p><p>　　曲面重建可以說是逆向工程的另一個核心及主要的目的，是依據掃描得到的點云數據恢復曲面形狀建立CAD數學模型的過程。在得到產品的數據后，以逆向工程軟件進行點數據的處理，經過分門別類、群組分隔、點線面與實體誤差的比對后，再重新建構曲面模型，產生CAD數據、制造或NC加工。目前在點云生成曲面的過程中，主要有三種曲面構

29、造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面為基礎的曲面構造方案；其二是以三角Bezier曲面為基礎的曲面構造方案；其三是以多面體方式來描述曲面物體。</p><p>　　在逆向工程的技術發(fā)展中重要的是建立產品的CAD 模型，并由此可再進一步的到CAM處理和快速成型制造，而仿制出產品的外形。一般而言，CAD模型是由許多不同的幾何形狀所組合而成，而每一種幾何形狀都有其特性。因此若要將產品應用逆向工程的技術，反

30、求出此產品的原CAD 模型，并非單純的使用一種方法即可完成，而須視此產品外形的幾何特性，選擇適當的處理方法，方可得出良好的幾何形狀，以滿足產品外形的幾何特性。由此可知，在曲面重建的過程中了解其曲面的特性及其曲面的數學模式，在對于我們重新建構曲面時可以幫助我們節(jié)省很多的時間以及提高將效率。</p><p>　　由于CAD/CAM系統(tǒng)的發(fā)展，各種自由曲線與自由曲面的理論因應而生，如Bezier曲線、B-Spline曲

31、面、NURBS曲線、掃描曲面(Sweep Surface)、Loft曲面(Loft Surface)、標準曲面(Construct Surface) 、旋轉曲面(Revolved Surface) 、網格曲面(Net Surface)等。一般CAD/CAM系統(tǒng)較常用到的曲線、曲面作以下特點介紹：</p><p>　　Bezier 曲線 </p><p>　　1962年時法國雷諾(Renau

32、lt)汽車公司的工程師P.Bezier發(fā)展的一種完全用控制點坐標來定義的曲線(如圖2. 2)。</p><p>　　圖2. 2 不同控制點建構的Bezier曲線</p><p>　　Bezier 曲線有以下的特點：</p><p>　　(1) 控制點多角形(control point polygon)</p><p>　　(2) 凸面被覆(c

33、onvex hull property)</p><p>　　曲線被包含在自由控制點所構成的多角形內，此性質對于處理曲線相交時相當有用。</p><p>　　(3) 控制點末點與曲線末點重合(end points meet polygon end points)</p><p>　　Bezier 曲線有以下的缺點：</p><p>　　Bez

34、ier曲線無法做區(qū)域性的控制(no local control)。 </p><p>　　其曲線的次數和控制點的數目直接相關，定義比較復雜的曲線形狀時，曲線的次數也跟著提高。 </p><p><b>　　NURBS曲線 </b></p><p>　　相較于Bezier曲線而言，NURBS曲線除了保有Bezier曲線的優(yōu)點外，由于節(jié)點向量與加權

35、數的加入，對曲線有更好的控制性，對于區(qū)域性的控制也能藉由改變節(jié)點向量與加權數而有更好的結果。對于NURBS曲線(non-uniformrational B-spline curve)方程式我們描述如下： </p><p><b>　　其中Pi：控制點</b></p><p>　　N(u )：(P-1)階B-Spline基函數</p><p>&

36、lt;b>　　w：加權數</b></p><p><b>　　u：參數值</b></p><p>　　Ri,p( u ) 為有理基函數(rational basis function)。由于加權值的加入，使得控制點對曲線/曲面的控制產生不同比例的影響力，當加權值修改時會使得曲線遠離或接近控制多角形(control polygon)，使得曲面的控制有更

37、大的空間。在逆向工程中的大部分時間會用到它。</p><p>　　B-spline 曲面 </p><p>　　B-spline 曲面乃由U、V參數方向二維的基底函數(basis function)及控制點所組成，基底函數是由多階參數曲線組合而成，而控制點則在曲面的U、V參數方向上。在擬合B-spline 曲面時，方法是獲得曲面U、V參數方向的控制點坐標值，以建立B-spline曲面。 &

38、lt;/p><p>　　對B-spline曲面以數學模式方程式表示如下：</p><p>　　Loft曲面(Loft Surface)</p><p>　　Loft曲面的擬合方式則不同于B-spline曲面，首先將其中一個參數方向的測量點數據擬合出最佳化的B-spline曲線，此時每條曲線的控制點數目必須相同。接著在另一個參數方向上用先前所得的曲線控制點，擬合出該參數方

39、向最佳化的B-spline曲線，并得到另一組新的控制點。由此兩組先后得到的U、V參數方向點，即可建立Loft曲面。因此Loft曲面的擬合方式是由兩組一維的B-spline曲線擬合所組成。 </p><p>　　基本上基底函數的階數、節(jié)點向量(knot vector)、控制點的數目或控制點坐標值等的改變，都會影響曲面的形狀。因此在擬合曲面時，為了降低曲面偏差量，在使用最佳化方法時，或提高基底函數的階數，或增加控制點

40、的數目，以調整U、V參數方向的控制點坐標值，最后使得曲面偏差量在容許曲面偏差量的范圍內。此種曲面擬合法對于自由曲面造型或有突點等曲率變化比較大的曲面，都可以擬合出很好的結果。然而對于平滑或有規(guī)則性，對稱性的曲面，這種曲面擬合法會對產品在加工制造及量測上的誤差明顯的顯現出來，以至于無法擬合出具有上述特性的曲面。</p><p>　　由三維掃描儀所得到的點云數據來建立曲面的方式一般可以分為兩種：一種是以近似的方式、另

41、一種是以插補的方式來將順序的點數據建立成為曲面，以下分別就這兩種方法做一簡單介紹：</p><p>　　近似法(approximation) </p><p>　　以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個容許誤差值(tolerance)，并在U、V方向建立控制點的起始數目，以最小平方法來擬合出(fit)一個曲面后將量測之點投射到曲面上并分別求出點到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值內以

42、完成曲面的建立，如果量測的數據很密集或是指定的容許誤差很小，則運算的時間會相當的久。以近似法來擬合曲面的優(yōu)點是擬合的曲線不需要通過每個量測點，因此對于量測時的噪聲將有抑除的作用。所述，使用近似法時通常是點云數據點多且含噪聲較大的情況下。 </p><p>　　插補法(interpolation)</p><p>　　以插補的方式來進行曲面的建立，則是將每個截面的點數據，分別插補得到通過這些

43、點的曲線，再利用這些曲線來建立一個曲面。以插補的方式進行曲面數據建立，其優(yōu)點在于得到曲面一定會通過量測之數據點，因此如果數據量大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因為如此，如果量測時點數據含大量的噪聲則在重建曲面時大量的噪聲將被含入而產生相當大的誤差。所述，以插補法來重建曲面較佳的使用時機是對于數據量少且所含入噪聲較小的點群數據。 </p><p>　　由以上的分析我們可以知道對于少量的點而言，我們可以

44、使用插補法來得到一較近似的曲面，然而對于激光掃描所得到的大量數據點若以插補法來重建曲面，則有在掃描時所夾帶的噪聲點與誤差將隨著曲面的建立而被包含在曲面之中的缺點。</p><p>　　因此對于掃描點數據而言，由于點數據量大以近似法來重建曲面將會較插補法節(jié)省控制點的儲存空間，而且對于掃描時所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會耗費大量的計算機內存及較多時間在曲面的計算上，因此我們在建立曲面的過程中

45、應配合所測量得的數據點數目及精度來決定曲面重建所使用的方法。</p><p><b>　　2．4實體建模</b></p><p>　　近年來，運用AutoCAD軟件進行二維圖形的設繪已經得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準確地體現出設計者的設計思想，而且，二維圖紙無法對設計對象進行后續(xù)的結構有限元分析、運動分析、公差分析、以及數控加工代碼的生成，而這些分析往往

46、是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設計軟件如MDT,Solid Works、ProE、UG等，都得到了廣泛的應用。</p><p>　　建立三維模型，有助于理解零件的特征，更加直觀方便，而且對于快速制造很必要。</p><p><b>　　2．5快速制造</b></p><p>　　快速原型技術是九十年代發(fā)展起來的一

47、項高新技術，它無需準備任何模具、刀具和工裝卡具，快速成型設備可直接接受產品設計（CAD）數據，快速制造出新產品的樣件、模具或模型，對促進企業(yè)產品創(chuàng)新、縮短新產品開發(fā)周期、提高產品競爭力有積極推動作用。傳統(tǒng)制造業(yè)的戰(zhàn)略是規(guī)模效益第一，九十年代以來，已發(fā)展為市場響應第一。在制造業(yè)日趨國際化的狀況下，縮短產品開發(fā)周期和減少開發(fā)新產品投資風險，成為企業(yè)賴以生存的關鍵。近年來，制造業(yè)市場的制造戰(zhàn)略重點正在發(fā)生從成本與質量到時間與響應的重大轉移?？?/p>

48、速將多樣化的產品推向市場是制造商把握市場先機而求生存的重要保障?？焖俪尚渭夹g是集機械、電子、光學、材料等學科為一體的先進制造技術之一。</p><p>　　20世紀80年代末、90年代初發(fā)展起來的快速成形（Rapid Prototyping&Manu facturing：RP）技術，突破了傳統(tǒng)的加工模式，是近20年制造技術領域的一次重大突破。它與科學計算可視化和虛擬現實等技術相結合，為設計者、制造者與用戶

49、之間提供了一種可測量、可觸摸的新手段?？焖俪尚渭夹g可以自動、快速、直接、精確地將設計思想轉化為具有一定功能的原型或直接制造零件（模具），有效地縮短了產品的研發(fā)周期，是提高產品質量、縮減產品成本的有力工具。它的核心是基于數字化的新型成形技術。</p><p>　　RP系統(tǒng)可分為兩大類：基于激光或其它光源的成形技術，如：立體光造型（Stereo lithography：SL）、迭層實體制造（Laminated Obj

50、ect Manufacturing：LOM）、選擇性激光燒結（Selected Laser Sintering：SLS）、形狀沉積制造（Shape Deposition Manufacturing：SDM）等等。</p><p>　　快速成形術已經廣泛應用于家電、汽車、航空航天、船舶、工業(yè)設計、醫(yī)療等領域。藝術、建筑等領域也已開始使用RP設備。隨著RP技術本身的發(fā)展和完善，其應用領域在不斷拓展。</p>

51、;<p>　　快速制造技術的優(yōu)越性和特點：</p><p>　　1、制造原型所用的材料不限，各種金屬和非金屬材料均可使用；</p><p>　　2、產品制造過程幾乎與零件的復雜性以及幾何形狀無關，在加工復雜曲面時更顯優(yōu)越，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的；</p><p>　　3、加工周期短，成本低，成本與產品復雜程度無關，一般制造費用降低50%，加工周期節(jié)約7

52、0%以上；</p><p>　　4、產品的單價幾乎與批量無關，特別適合于新產品的開發(fā)和單件小批量零件的生產；</p><p>　　5、整個生產過程數字化，與CAD模型具有直接的關聯，零件可大可小，所見即所得，可隨時修改，隨時制造；</p><p>　　6、與傳統(tǒng)方法結合，可實現快速鑄造，快速模具制造、小批量零件生產等功能，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力。</p&g

53、t;<p>　　快速制造技術周期短、工藝簡單、易于推廣、制模成本低、精度和壽命能滿足某種特定的功能需要，綜合經濟效益良好，是一種快捷、方便、實用的制造技術，特別適用于新產品開發(fā)試制、工藝驗證和功能驗證以及多品種小批量生產。</p><p>　　目前，大多數的快速成形制造系統(tǒng)中，3D的CAD模型首先要轉化為標準STL格式模型，即采用所謂面型化(Tessellation)處理方法對實體曲面進行近似處理，

54、用平面三角面片近似模型的表面。這樣處理的優(yōu)點就是大大地簡化了CAD模型的數據格式，以便于后續(xù)的分層處理，為制造過程準備數據。STL文件格式是由美國3D System公司于1987年提出的，由于它在數據處理上較簡單，而且與CAD系統(tǒng)無關，所以很快發(fā)展為快速成形制造領域中CAD系統(tǒng)與快速成形機之間數據交換的準標準格式。表達一個三維實體模型的STL文件是用大量的空間小三角形面片來表示實體模型的表面，如圖2. 3所示，對每一空間小三角形面片用三

55、角形的3個頂點坐標及三角形面片的法向量來描述，法向量由實體的內部指向外部，3個頂點的次序與法向量滿足右手規(guī)則，如圖2. 3所示。此外，STL文件中兩個相鄰的三角形只能有一個公共邊。</p><p><b>　　圖2. 3</b></p><p>　　3．逆向工程軟硬件設備</p><p><b>　　3．1掃描設備</b>

56、</p><p>　　三維激光掃描技術，它能夠完整及高精密度的重建實物或實景、三維實體模型及原始測繪數據。最大特點就是：精度高、速度快、逼近原形。</p><p>　　法國KREON 系列三維激光超高精密度掃描儀，（KREON KZ 50）具有很多優(yōu)質：掃描精度極高，這利于將重建內容更逼近原形。掃描密度極高，掃描速度極快，這利于快速原形化目標、實時掃描、同步移動操作等。具有一對CCD同時同

57、步工作，可無死角的實時掃描任何復雜目標，減少重復性工作，目前國際同類技術都是一個CCD，雙CCD技術還利于實時檢測監(jiān)測工作,KREON可以與目前各種三坐標測量機、數控加工中心、機械關節(jié)臂等配接,KREON掃描頭可以與現有的很多設備互換使用,KREON激光掃描技術不同于傳統(tǒng)的光學照相三維成像技術，KREON保證了所有掃描云點的實測性、實時性及真實性，而光學照相技術做不到，它是基于少數測量點并經過后處理三維數學推算后得到點云。本次選用的KR

58、EON 系列中的KZ 50是近距三維激光掃描系統(tǒng)。分辨率可達5μm，速度：30000點/每秒，(可借助機械臂或數控機械平臺掃描任何大小的物體）。實體如下圖：</p><p>　　圖3. 1 三維激光掃描儀</p><p>　　3．2點云曲面處理軟件</p><p>　　目前市面上常用的逆向工程軟件系統(tǒng)采用的基本都是NURBS曲面，從它們的功能或操作方法來看，其共同特

59、點是先構造曲線，或者是利用曲線直接構造曲面，或者是通過曲線界定曲面擬合區(qū)域，先生成曲面片，然后通過拼接構成完整的曲面模型。其優(yōu)點是NURBS曲面的應用在CAD/CAM領域內相當廣泛，因而，這些系統(tǒng)與其它CAD/CAM系統(tǒng)的通信、交流就十分方便。特征曲線的構造在其中起著重要的作用。然而，通過交互定義特征線費事費力，而自動提取的方法在目前仍相當有限。Imageware12主要用來做逆向工程，它處理點云數據的流程遵循，點——曲線——曲面的原則

60、，整個流程簡單清晰明了，而且軟件操作容易，對系統(tǒng)性能要求也不高。</p><p>　　(一) 點云處理功能</p><p>　　1．讀入點云數據,將分離的點云對齊在一起（如果有需要）。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點云。Imageware12軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點云

61、對齊。</p><p>　　2．對點云進行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具及測量方式的限制，有時會出現一些噪音點， Imageware12軟件有很多工具來對點云進行判斷，去掉噪音點，以保證結果的準確性。</p><p>　　3．通過可視化點云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據特性判斷用用什么方式來構成，例如，如果曲面可以直接

62、由點的網格生成，就可以考慮直接采用這一片點云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。</p><p>　　4．根據需要創(chuàng)建點的網格或點的分段。 Imageware12軟件能提供很多種生成點的網格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。</p><p>　　(二) 曲線創(chuàng)建功能 </p><p&

63、gt;　　1．判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確通過點云的、也可以是很光順的（捕捉點云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。</p><p>　　2．創(chuàng)建曲線。根據需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。 </p><p>　　3．診斷和修改曲線?？梢酝ㄟ^曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變

64、曲線與其他曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。 Imageware12軟件提供很多工具來調整和修改曲線。 </p><p>　?。ㄈ┣鎰?chuàng)建功能 </p><p>　　1．決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面，或兩者兼顧。根據產品設計需要來決定。 </p><p>　　2．創(chuàng)建曲面。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面（Fi

65、t free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結合點云和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其他例如圓角等生成曲面。</p><p>　　3．診斷和修改曲面。比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續(xù)性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構等處理。</p><p>　　Imagew

66、are12是著名的逆向工程軟件，其廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領域。而且擁有以上專業(yè)的點云到曲面的造型功能，在進行逆向工程時是一個不錯的工具。</p><p><b>　　3．3實體建模軟件</b></p><p>　　Autodesk公司在AutoCAD軟件包的基礎上，開發(fā)出了三維實體造型軟件Mechanical Desktop 簡稱MD

67、T，在微機上，實現了快捷、精確的三維實體造型。與別的三維設計軟件不同的是，它基于以被廣大的中國用戶所熟知的AutoCAD平臺。對于有AutoCAD二維繪圖軟件使用經驗的用戶，學習和使用MDT十分容易。利用它，設計者在設計初期能夠很方便地進行概念設計，將主要精力集中在零件的選型、相關結構的關系以及零件的使用功能上，設計者們能最大限度的發(fā)揮聰明才智，這一過程在整個設計過程中，占據極為重要的作用。完善概念設計之后，輸出立體效果圖、零件施工圖及

68、系統(tǒng)裝配圖很方便，而且節(jié)約了大量的繪圖時間。</p><p>　　MDT軟件包包括零件造型、零件裝配、曲面造型及二維出圖等部分。MDT軟件的零件造型模塊是基于二維平面特征的三維實體造型工具，能夠非常方便地創(chuàng)建任何復雜形狀的實體。</p><p>　　基于特征的參數化零件造型模塊可用已經存在的AutoCAD二維圖形，作為平面草圖，然后通過拉伸、旋轉、掃掠等方法建立三維實體外形?？蓪Υ藢嶓w的各

69、個特征用智能化、參數化的尺寸進行約束，通過建立參數化表來建立零件族。功能如下：</p><p>　　1)草圖特征：由草圖生成實體，支持拉伸、旋轉和掃掠。</p><p>　　2)圓角特征：對每一邊可進行常值倒圓、變半徑倒圓、可以表示非常復雜的造型及圓角過渡。</p><p>　　3)孔特征：可鉆沉孔、階梯螺孔、螺紋孔。</p><p>　　4

70、)倒角特征：包括等邊、不等邊及邊長和夾角。</p><p>　　5)切割特征：用曲面可以切割實體。</p><p>　　6)全參數化特征陣列：可以用數值和等式及參變量表示陣列特征，并且可隨時對其進行修改。</p><p>　　7)參變量技術：參變量使零件之間建立尺寸連接關系，具有尺寸連接關系的所有零件將自動變化更新。</p><p>　　8)

71、約束類型：幾何形狀、尺寸、參變量約束。</p><p>　　9)工作特征：工作軸、工作點和工作平面。</p><p>　　10)約束技術：對約束可操作</p><p>　　裝配造型模塊及工程分析模塊能容易地創(chuàng)建和管理包括成百上千個零部件的裝配和子裝配，它使用參數化的關系，模擬實際的裝配過程。內建的分析工具可計算零件質量特性，如質心、回轉半徑、慣性矩等。能自動地開發(fā)全

72、參數化的零部件的關聯明細表等，具體功能如下：1)智能化的裝配約束。2)裝配文檔管理。3)材料特性分析。4)干涉檢查。</p><p>　　與模型關聯的工程出圖模塊能通過零件造型和繪圖雙向的關聯。MDT智能地連接三維造型和二維視圖，簡化了工程圖紙的生成過程，從三維造型自動地生成詳細的二維視圖—— 軸測、正交投影、剖視等。當改變模型尺寸時，所有關聯的二維視圖自動地更新，或當更改一個二維視圖時，將使得關聯的模型及其它的

73、二維視圖也更新。這部分功能包括：</p><p>　　1)完整的模型—— 圖紙雙向關聯；</p><p>　　2)借助AutoCAD繪圖環(huán)境；</p><p><b>　　3)自動消隱；</b></p><p>　　4)支持ANSI、ISO、DIN、JIS繪圖標準；</p><p>　　5)提供各

74、種工程符號、形位公差、表面粗糙度、焊接符號等；</p><p>　　6)參數化的標注功能；</p><p>　　7)視圖生成包括正交投影、軸測圖、輔助視圖、剖面圖、局部剖視圖、平移剖面圖、斷開圖及用戶自定義圖等。</p><p><b>　　3．4快速成型設備</b></p><p>　　本次使用的快速成型機是新加坡的Z

75、IPPY 1系統(tǒng)，它的可成型件最大尺寸為380*280*340。完全滿足我們的要求。實體如下圖：</p><p>　　圖3. 2 快速成型系統(tǒng)</p><p>　　ZIPPY是首家采用三坐標精密伺服電機驅動、精密滾珠絲杠傳動、精密滾珠直線導軌導向，機械空運行重復定位精度為±0.01mm。采用獨特技術保證工件Z方向精度。采用激光切割速度與切割功率的自動匹配控制技術，硬件實現速度跟蹤

76、，反應速度快。采用自動開發(fā)的軟件技術，具有模擬成型過程、預算加工時間、STL文件檢查、缺陷自動修補、切片、CLI、SSL輸出、誤差校正、鏤空、分隔、組合的功能。采用激光切口寬度的自動補償軟件技術。采用輪廓線內外自動識別軟件技術。采用美國著名品牌SYNARAD生產的金屬管CO2激光器，功率高、速度快，無需充氣，維護保養(yǎng)容易，費用低。采用三級除塵裝置，兩級纖維過濾，一級高壓靜電除塵，徹底消除環(huán)境污染。采用獨特的卸料裝置，使用方便。ZIPPY

77、系統(tǒng)采用了高質量的傳感監(jiān)控系統(tǒng)和元器件，有完善的安全保護和斷紙報警裝置，因此能長時間連續(xù)無人看管運行，可靠性高，故障率低。采用獨特的均勻加熱方式，保障系統(tǒng)可平衡地加熱到最高400℃，可兼容其它供應商提供的成形材料。</p><p>　　KINERGY公司自行開發(fā)的多種高性能紙基薄材，在中國設有材料生產廠，不必進口，供貨方便、周期短。</p><p>　　4．建立手機外形具體步驟</p

78、><p>　　4．1松下G60手機外形逆向開發(fā)的流程</p><p>　　模型分析→掃描方案確定→進行掃描→數據轉換→點云處理→點云數據過濾→點云分割→曲線建立，曲面建立→曲面鏡像→按鍵曲線建立→曲面連續(xù)處理→精簡數據→數據轉換→曲面兩兩縫合→曲面整體縫合→按鍵建立。</p><p><b>　　4．2模型分析</b></p><

79、;p>　　針對松下G60手機的外形觀察，發(fā)現其實體表面主要分為四個曲面圍成。它們分別是上表面，下表面，側面和倒角面。而且每個上表面，下表面，側面都有共同的曲面特征，都可以使用放樣的方法來生成所需要的曲面。然后分別進行裁剪，就得到了想要得曲面大小。</p><p>　　仔細觀察松下G60手機，會發(fā)現它擁有比較高的對稱性，左右對稱，包括按鍵、屏幕在內。因此可以考慮使用對稱面來建立整個曲面模型。上表面，下表面，側

80、面的曲面建模方法剛才已經形成，只需要把其建立半個曲面，然后再作一個鏡像操作，就可以使其建立手機的整個基本曲面模型。</p><p><b>　　4．3掃描</b></p><p>　　此處省略 NNNNNNNNNNNN字。如需要完整說明書和設計圖紙等.請聯系 扣扣：九七一九二零八零零 另提供全套機械畢業(yè)設計下載！該論文已經通過答辯</p>

81、;<p>　　圖4. 4測量兩點之間的距離</p><p><b>　　4．5曲面造型</b></p><p><b>　　1．建立對稱平面</b></p><p>　　建立對稱平面，可以使后來的建模對稱精度更高。建立一個平面有很多種方法，如三點式，在視角平面上，平面偏移，中心法向式。綜合考慮，使用中心法向式

82、比較方面。在手機點云上有兩個掃描時特意粘貼上去的鋼球的點云，由于球裝點云擬合時精度比較高，而且球心比較好捕捉，因此可以建立一條過兩球心的線段，然后建立過該線段中心點，且平面法向為該線段方向的對稱平面。</p><p>　　其具體步驟為：首先使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令圈選球形點云數據，把球形點云數據分別分割出來，然后使用Construct ——〉Sur

83、face From Cloud ——〉Fit Sphere命令分別選中剛分割出來的球行點云數據，然后擬合成球。使用Create ——〉3D Curve ——〉3D B-Spline命令，分別使用中心捕捉選兩球的球心，建立線段。使用Create ——〉Plane ——〉Center / Normal命令，分別使用中心捕捉線段的中點，選平面法向為沿直線方向，建立對稱平面。使用Create ——〉Coordinate System ——〉Cr

84、eate命令，使中心點為線段的中點，Z向為平面的法向。</p><p>　　圖4. 5建立的對稱平面</p><p><b>　　2．建立上表面</b></p><p>　　在前面對曲面建模思路分析的基礎上，進行手機外形上表面的模型建立。由于上表面接近放樣曲面的特征，并且使用放樣得到的曲面質量比較好，因此主要的曲面建立方法還是使用放樣。首先把上

85、面的點云分割出來，再在分割出來的點云上再分割出一部分邊上的點云，然后在建立的點云上建立3D曲線，再把該曲線投影到以前建立的對稱面上，再在z向建立鏡像曲線，然后放樣得到曲曲。</p><p>　　具體步驟：首先使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令圈選手機外形上表面點云數據，再把選中的點云數據分割出來，然后再使用Modify ——〉Extract ——〉Circl

86、e Select Points命令在剛才分割出來的點云數據中圈選沒有洞的連續(xù)點數據，然后把選中的點云數據分割出來。使用Create ——〉3D Curve ——〉3D B-Spline命令，使用點云捕捉建立一條3D曲線。此時在Z方向上看，這條空間曲線是比較光滑，走向也接近手機外形上表面的曲面走向。接著使用Construct——〉Curve On Surface ——〉Project Curve to Surface命令把該空間曲線沿對稱

87、平面的法線方向上投影到對稱平面上。使用Modify ——〉Extend命令把該對稱平面上的曲線進行延伸，使用相切連續(xù)，所有方向上延伸18mm。然后使用Modify ——〉Orient——〉Mirror命令進行曲線鏡像操作，z向距離-15mm。</p><p>　　在進行曲面放樣操作時，必須首先對要放樣的曲線進行匹配，否則會出現扭曲等影響曲面質量的問題。曲線匹配包括曲線的階次、方向、段數。使用Modify ——〉P

88、arameterization——〉Reparameterize命令，選擇將要放樣的曲線，參數4階8段。然后使用Construct ——〉Surface——〉Loft進行放樣操作，依次選擇要放樣的曲線。然后觀察曲面是否符合預計的形態(tài)，使用Shift+D快捷健組合，調出曲顯示狀態(tài)描述對話框，使用Shaded選項。此時曲面將顯示著色狀態(tài)，而不是構造線形態(tài)。默認曲面法向顯示的是紅色，背面是灰色。這對曲面的觀察和后面的實體化有影響。我們理想的情

89、況是手機外表面是正向，這里顯示的是灰色，因此需要調整。使用Modify ——〉Direction——〉Reverse Surface Normal命令使曲面法向反向。 </p><p>　　圖4. 6手機外形的上表面曲面</p><p><b>　　3．建立下表面</b></p><p>　　曲面的下表面擁有和上表面相同的特性，因此還是使用放樣

90、的方法建立手機的下表面。具體步驟：首先使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令圈選手機外形下表面點云數據，再把選中的點云數據分割出來，然后再使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令在剛才分割出來的點云數據中圈選連續(xù)的點數據，然后把選中的點云數據分割出來。使用Create ——〉3D Curve ——〉3D B-Spline命令，使用點云捕

91、捉建立一條3D曲線。接著使用Construct——〉Curve On Surface ——〉Project Curve to Surface命令把該空間曲線沿對稱平面的法線方向上投影到對稱平面上。使用Modify ——〉Extend命令把該對稱平面上的曲線進行延伸，使用相切連續(xù)，所有方向上延伸18mm。然后使用Modify ——〉Orient——〉Mirror命令進行曲線鏡像操作，z向距離-15mm。對要放樣的曲線進行匹配。使用Modi

92、fy ——〉Parameterization——〉Reparamet</p><p>　　圖4. 7手機外形的下表面曲面</p><p><b>　　4．建立側面</b></p><p>　　手機外形側面的也擁有和上表面較相似的特征，因此還是采用相同的方法，放樣建立曲面。不過此時曲面建立的方向有差別。此時的投影變?yōu)閤z坐標平面，而且要進行兩次曲

93、線鏡像操作，這樣才可以使建立的側面曲面足夠大，可以進行上下表面的裁剪操作。</p><p>　　具體步驟：首先建立XZ坐標平面，使用Create ——〉Plane ——〉Center / Normal命令，分別使用中心捕捉坐標原點，選平面法向為Y方向， 建立XZ坐標平面。再次使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令圈選手機外形側面點云數據，再把選中的點云數據分割出

94、來，然后再使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令在剛才分割出來的點云數據中把選中的點云數據分割出來。使用Create ——〉3D Curve ——〉3D B-Spline命令，使用點云捕捉建立一條3D曲線。接著使用Construct——〉Curve On Surface ——〉Project Curve to Surface命令把該空間曲線沿對稱平面的法線方向上投影到XZ坐標平面上。使

95、用Modify ——〉Extend命令把該對稱平面上的曲線進行延伸，使用相切連續(xù)，所有方向上延伸18mm。然后使用Modify ——〉Orient——〉Mirror命令進行曲線鏡像操作，Y向距離-15mm，然后再次執(zhí)行相同的鏡像操作，只是距</p><p>　　對要放樣的曲線進行匹配。使用Modify ——〉Parameterization——〉Reparameterize命令，選擇將要放樣的曲線，參數還是使用4

96、階8段。然后使用Construct ——〉Surface——〉Loft依次選擇要放樣的曲線，進行放樣操作。然后觀察曲面形態(tài)，使用Shift+D快捷健組合，調出曲顯示狀態(tài)描述對話框，使用Shaded選項。此時曲面將顯示紅色，背面是灰色。也不需要進行曲面法向的調整。如圖</p><p>　　圖4. 8手機外形的三個表面曲面</p><p><b>　　5．曲面初次裁剪</b&g

97、t;</p><p>　　經過上面基本曲面的建立，手機一半的基本外形已經建立起來了，現在要做的就是把多余的部分裁剪掉。裁剪曲面首先要建立裁剪曲線。該曲線的建立可以通過Construct ——〉Intersection ——〉With Surface命令，分別選擇相交的兩個曲面，然后執(zhí)行。在兩曲面相交處就建立了一條3D曲線。接著使用Modify ——〉Snip ——〉Snip Surface命令，選擇要裁剪的曲面和

98、參考曲線進行曲面的裁剪。裁剪后如圖</p><p>　　圖4. 9修剪三個表面曲面</p><p><b>　　6．建立倒角面</b></p><p>　　已經有了手機外形的基本了，下來就要建立一些小的特征。建立倒角的時候需要動態(tài)觀察，和點云進行比較，找的對合適的參數，建立最接近原始點云的倒角曲面。使用Construct ——〉Fillet——

99、〉Surface命令，選中相鄰兩個曲面，設置基本曲率為2.5。</p><p>　　圖4. 10建立倒角</p><p><b>　　7．建立棱角曲面</b></p><p>　　由于上面建立倒角曲面是由很多小的曲面組成，因此對以后的曲面縫合，會不利。因此需要建立一個整面來代替倒角曲面。該曲面的建立，使用放樣，這樣建立的面質量比較好。使用Con

100、struct ——〉Surface——〉Loft進行放樣操作，依次選擇兩個倒角邊曲線。參數還是使用2.5，這樣可以保證和原始倒角面的基本重合。</p><p><b>　　8．曲面再次裁剪</b></p><p>　　此時，還需要對上表面，下表面，側面進行裁剪。把倒角面以外的部分修剪掉，這樣整個外形看起來會比較連續(xù)。使用Modify ——〉Snip ——〉Snip S

101、urface命令，選擇要裁剪的曲面和參考曲線進行曲面的裁剪。裁剪后得到的外形如圖</p><p>　　圖4. 11再次修建后的曲面</p><p><b>　　9．建立按鍵曲線</b></p><p>　　由于手機的上表面擁有按鍵，因此需要對它進行按鍵處理。現在就進行上表面的按鍵孔處理，會使整個曲面模型不連續(xù)，這對后面的曲面縫合，進一步生成實體

102、的操作，非常不方便。因此在這里只需要把需要打孔的位置，大小，形狀，使用曲線描繪出來，在縫合后，進行實體操作的時候，再根據這些參數建立手機模型的按鍵孔以及按鍵。分析按鍵位置分布，左右是關于對稱面對稱的，因此只需要建立一邊的按鍵就可以。然后鏡像操作，這樣按鍵位置的對稱性也有保證。</p><p>　　具體步驟：首先使用Modify ——〉Extract ——〉Circle Select Points命令圈選手機外形上

103、表面按鍵孔的點云數據，再把選中的點云數據分割出來，剔除不需要的雜點。然后使用Construct ——〉Curve from cloud——〉Fit Circle 和Fit Ellipse命令，來生成擬合點云的曲線圓和橢圓。然后使用鏡像操作，使左右按鍵孔對稱。使用Modify ——〉Orient——〉Mirror命令進行曲線鏡像操作，沿對稱面，距離為0。</p><p><b>　　10．整體鏡像操作&l

104、t;/b></p><p>　　按鍵已經建立，但是曲面還是只有半個，接下來使用鏡像操作把曲面建立完整，使它看起來像個手機外形。對于手機這種注重外形的產品來講，是否對稱直接影響到外形美觀，而且該款手機當初的設計意圖就是左右對稱。</p><p>　　具體操作：使用Modify ——〉Orient——〉Mirror命令進行曲線鏡像操作，沿對稱面，距離為0。如圖</p>&l

105、t;p>　　圖4. 12執(zhí)行鏡像操作后的曲面</p><p>　　11．曲面連續(xù)性處理</p><p>　　曲面是建立起來了，通過鏡像操作，對稱性也已經達到了?？墒歉鱾€曲面間的連續(xù)性還不是很好，有的地方還會出現明顯的縫和孔，這對以后的曲面縫合勢必會造成困難。因此現在進行曲面的連續(xù)性處理是很必要的。曲面連續(xù)性包括位置連續(xù)，相切連續(xù)，曲率連續(xù)。曲率連續(xù)可以獲得比較高的曲面質量。</

106、p><p>　　具體操作：使用Construct ——〉Blend ——〉Surface命令，選中相鄰兩個中間有間隙的曲面。執(zhí)行后就會在這兩個曲面之間再生成一個小的曲面，使他們連續(xù)起來。</p><p>　　圖4. 13曲面連續(xù)</p><p><b>　　12．誤差分析</b></p><p>　　在進行完曲面重構，需要對

107、重構的誤差進行分析。進行曲面和點云的比對，Imageware中提供了這樣的功能。使用Measure——〉Surface to ——〉Cloud Difference命令。比對結果誤差為0.5mm。如下圖：</p><p>　　圖4. 14曲面誤差分析</p><p><b>　　13．數據精簡</b></p><p>　　在曲面模型已經建立起來

108、之后，需要做的就是精簡數據。精簡數據后的文件很直觀，而且對后來在其他3維造型軟件中進行處理是很方便的。</p><p>　　具體操作，刪除在進行曲面造型時所建立的中間過渡幾何，比如點云數據等。然后另外存儲一個文件。另存是為了以后需要修改的時候方便。</p><p>　　14．數據轉化導出通用格式</p><p>　　Imageware類型的文件不能直接在其他三維造型