（机械制造及其自动化专业论文）基于逆向工程技术的布绒玩具cad系统.pdf

基于逆向工程技术的布绒玩具c a d 系统 摘要 我懑楚嚣其懿遥密爨大霭，毒绫嚣其楚装绞羲主导产熬之一，毽产燕餐凝 设计开发能力不强。本文针对这一状况，将邋囱工程、三维c a d 等先进技术 引入布缄玩具设计，开发了一套包括：三维模型构思、三维c a d 建模、三维 曲面( 稚片) 展开在内的众功能布绒玩具c a d 系统。 现阶段，我省玩具企妣多是根据客户掇供的图片或样品利用传统方法直接 傣剿，产瑟懿遥躅期长，矮爨参差不奏，辩设诗入员戆经验簧浓迄较毫。恧蠢 绒嚣其淡瑟又是孩多耱形状豹二维毒片撬合褥成，依靠壤兖秘静张力形成曲面， 由此产擞的曲面形状不规则，多为自由曲面，利用三维c a d 软件直接造型则 很难得到与实际效果相符合的模型。 传统方法已经不适应激烈的市场竞争，本文另辟蹊径，采用三维激光扫描 油泥模型豹逆向工程方法，辩决了嚣具三维c a d 的建模阉题；采惩质点弹簧 摸登、弹性势箍投枣纯豹铙傀方法，簿抉了三维麴瑶( 森泞) 豹疆开滔逶，麸 根本上援新了布绒玩具的设计手段，缩短产晶开发周期，提离设计质量，并达 到增强布绒玩具产品市场巍祭力的目的。 关键词：逆向工程，布绒凝具c a d ，三维曲丽展开，激光扫攒 c a d s y s t e mo fs t a f f e dt o y s b a s e do nr e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t c h i n ai st h em a i nt o y p r o d u c t i o na n d e x p o r tc o u n t r yi nt h ew o r l d t h es t a f f e d t o y sa r et h et r a d i t i o n a lm a i np r o d u c t si no u re x p o r t a t i o n a i m e da tt h ew e a k n e s so f c r e a t i v i t y i n t o yd e s i g n ，t h e a d v a n c e d d e s i g nt e c h n i q u e s s u c ha sr e v e r s e e n g i n e e r i n ga n d 3 - dc a d w a si n t r o d u c e di n t ot h ep r o d u c td e v e l o p m e n to fs t a f f e d t o y si nt h i sp a p e r , a n dac a ds y s t e mo fs t a f f e dt o y s ，w i t ht h ef u n c t i o n so fc r e a t e a n dd i g i t i z et h e3 - dm o d e l ，a n df l a t t e np a t t e r n sf r o m3 - dt o2 - d ，w a sd e v e l o p e d t o d a y ，m o s tt o yc o m p a n i e si no u rp r o v i n c ed e s i g nt h et o y sa c c o r d i n g t oc l i e n t s p i c t u r e sa n dp a t t e r n sb yt r a d i t i o n a lm e a n s ，i tn e e d sl o n g e rp r o d u c td e v e l o p i n g p e r i o d ，b u tc a n tk e e pa l lp r o d u c t sh a v eg o o dq u a l i t y ，a n dt h ed e s i g n e r sm u s th a v e p l e n t ye x p e r i e n c e s t h es u r f a c eo fs t a f f e dt o yi ss p e l l e db y2 - dc l o t hw i t h d i f f e r e n t s h a p e s ，f i l l i n gs o m e t h i n gi n s i d e ，t h e ng e t i n gi t s3 - ds u r f a c e ，w h i c hi su s u a l l yt h ef r e e s u r f a c e ，i t 8d i f f i c u l tt og e tt h ec a d m o d e lb yd i r e c tm e a n s t r a d i t i o n a lm e a n sh a s n ta d a p t e dt ot h es c o r c h i n gm a r k e tc o m p e t i t i o n ，t h i s p a p e rf r o mm u d m o d e lt r i e si ti na n o t h e rw a y ：u s i n g3 - dl a s e rs c a n n e rt og e tt o y s c a dm o d e l ；s e t t l i n gf a l l t e ns u r f a c e sb yu s i n gm a s s s p r i n gm o d e la n dm i n i m i z e t h ef l e x i b l e p o t e n t i a le n e r g y w h i c hc h a n g e dt h ed e s i g nm e a n so fs t a f f e dt o y s e n t i r e l y ，a n dc a ns h o r t e nt h ep r o d u c td e v e l o p i n gp e r i o d ，i m p r o v ed e s i g nq u a l i t y ， s t r e n g t h e nt h em a r k e tc o m p e t i t i v ea b i l i t yo fn a t i v e ts t a f f e dt o y sp r o d u c s k e yw o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r , c a do fs t a f f e dt o y s ，3 - ds u r f a c ef l a t t e n i n g ，l a s e r s c a n 图l 。1 插图清单 布绒玩具传统制做流程图 图2 1顺向工程流程图 图2 2逆向工程流程图 图2 3逆向工程基本过程 图2 - 4 数字化方法的分类 图2 5点云数据预处理流程 图2 - 6曲面逆向重构过程 图3 1可展曲面举例 图3 2圆柱面及截头圆柱面展开图 图3 3圆锥面及截头圆锥面展开图 图3 4 球面与柱面的柳叶状曲面对比 图3 5近似柱面法展开球面 图3 - 6 平面三角网格法展开图 图3 7 复杂曲面展开 图3 8四边形网格等面积法曲面展开 图3 - 9 利用几何，力学法展开曲面 图3 1 0 弹簧质点模型示意图 图3 1 l 弹簧质点模型的拓扑结构 图3 1 2 三种弹簧类型 图4 - 1布绒玩具c a d 系统流程框图 图4 2布绒玩具c a d 模型建立流程 图4 3便携式多关节三维测量臂一 图4 5曲线创建流程 图4 6曲面构建流程 图4 7f n t 子程序流程图 图4 8约束变尺度法计算过程 图4 - 9 矢量图 图4 1 0 约束变尺度法原理框图 图4 1 l 添加布绒玩具布片展开为菜单 图4 1 2 约束变尺度法展开优化界面 图5 - 1青蛙上头部扫描点云( 点2 1 5 9 8 个) 图5 2处理后的理想点云( 点1 2 7 9 2 个) 图5 3青蛙上头部特征曲线 图5 - 4 青蛙上头部c a d 模型_灌他”筋拍拍m拍卯船捞弘驺弘”勰加钉钉”钭卯鼹弛盼 羔三罴|三三三三羔黑兰 图5 5 图5 - 6 图5 7 圈5 ，s 强5 - 9 青蛙上头部曲面( 不包括眼睛) 省道位置 青蛙上头部特征点位置 俊佬赛面一 矮秀效象。 6 0 6 0 6 1 6 2 6 2 表格清单 表3 - l织物物理模型。3 2 表3 2器模型适用范潮秘运舞速度3 3 表4 1镬獍式多关节三缀测量骜接寒参数。3 8 表4 2三维激光扫描仪技术参数3 8 表4 3弹簧质点模型中燕键技术参数4 3 表4 - 4目标函数的单目标优化结果4 5 表5 1鬻蛙上头部三维布片特征点坐标一一原坐标。6 l 表5 2 务弧段长褒6 l 表5 - 3备特征质点的鼗蕊距离6 l 表5 - 4 省道夹角6 l 表5 。5 其它主要参数6 1 独创性声明 本入黟明菠鼙交靛学位论文憝本入在导拜指导f 送行熬硬究l ：露及取键弱域炎残暴。据我所 知，除了文中特剐加以标注和致谢的地方乡 ，论文中不毯含其他夫已经发表斌撰霹过的研究成采， 也不包含为获得盒墼王些友警 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同 工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：王花签字疆期：幺强知g 箕，谬疆 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解叠熙王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国 家有关部门缄机构送变论文的复印件和磁盘，允许论文被焱阅和借阅。本人授牧盘8 壁王些盎堂可 醵舞擎经谂文戆全零或罄分肉密缡入蠢关数据疼避簿捻索，哥瑷暴蠲影窜、缨秘或拯援等复案手 段保存、滋编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学整论文掺蠹签名 王茕 签字目期：姗) j 年占月f 君日 学位论文终蠹警鼗曩去彝；， 工作单经：葫韵歹鞴电忍久爹 通讯地址： 簿舞签名： 链字日期：年月日 电话： 邮编； 致谢 为期三年的学习生活即将结束，在我的导师吕新生教授的悉心指导和亲切 关怀下，使我得以顺利的完成我的硕士研究生毕业论文。在实验室工作的一年 多时间里，吕老师在生活、学习和工作等诸多方面都给予我无微不至的关怀和 帮助。导师渊博的学识、扎实的理论基本功，特别是他的豁达为人、积极处事 和严谨治学的工作态度，都将对我未来的人生旅途产生重大影响。还有导师的 正直、率性和朴实无华的作风在我的心中留下了不可磨灭的印象。一年多来， 导师不仅教给我大量的科学文化知识，而且以身作则，潜移默化的使我懂得了 许多做人的道理，在未来的人生之旅，导师对我的辛勤培育必然使我受益匪浅。 在这里，送上我最真挚的祝福，祝愿导师健康、幸福。 同时，我还要感谢我们c a d c a m 中心的张晔老师、曹文钢老师、陈科老 师和王晓枫老师的指导与关怀，特别是张老师对本论文的很多工作给予了大量 的支持和帮助，因此要向各位老师表示我最诚挚的谢意。 我感谢我亲爱的爸爸妈妈，是他们含辛茹苦把我抚养成人，给了我充满温 情的幸福生活。父母不仅给了我接受文明教育的机会，也教给我许多珍贵的品 质和积极向上的精神，这些都使我的人生道路幸福常在。衷心地感谢我亲爱的 爸爸妈妈，您们永远是女儿心中最美的人。 最后，我还要感谢实验室所有的同学们。三年来，我们朝夕相处、共同进 步。你们的活泼、幽默使我的生活充满了快乐，你们的机智、聪明使我开阔了 视野、丰富了知识。我们彼此建立起来的纯洁友谊必将是我一生中宝贵的财富。 我将一如既往的成为你们生活上最可信任的朋友和未来事业中最值得合作的伙 伴! 感谢你们，尊敬的老师、亲爱的父母和所有关心我、支持我的朋友们! 离 开你们的日子，我依然想念你f 1 。此时此刻，谨祝大家身体健康、合家欢乐、 永远幸福! 作者：王亮 2 0 0 6 年5 月 1 1 我国嚣具行业现状 第一章雩l 言 我国是金球最大的玩具制造基地，也是世界上最大的玩具出口圈。据统计， 现蠢瑷其金攮1 0 0 0 0 多家，其产量占毽器嚣其总鬃夔三分之，爨鞠磊具邑袋 为我国商晶5 太支柱之一。最大的玩具消费市场怒美国，而我国的市场潜力还 没有发挥出米，随着经济的发殿，我国城乡居民的消费支嫩中，玩具类支出始 终保持蓑一个不鼗增妖熬蹇好势头，覆诗逡逮囊爨枣场泰潦将戬每年4 0 匏速 度增长，到2 0 1 0 年，销售额将超过1 0 0 0 亿元人民币。在“量”上，我国玩 具生产占有绝对的优势，但在“质”上，却是问照重重，严重影响了我国玩嶷 静声誉。麓约我国玩冀行韭发畿静藤困怒多方面的，归结起来主要怒质量不高 和安全标准低、技术落后、缺爱民族自藏品牌和市场空白等几大问题； 莓先，瑷县产品袋星不毫严重影嫡瑷其出口。鼠近期蔟检部 l 公毒戆鬃爨 质量抽查结果中，我们可以发现，玩具产品的合格率比较低，已经对儿童的身 体健康造成了很大的威胁，严黧影响了斌具的出阴，如金属件表面尖端刺伤儿 童皮获，毒绒凝买壤兖携不涪弓| 起感染，凝兵动兹豹聚荣、舞予等缝剃不率鼗j l 童误吞入口造成窒息，有毒再生飙料玩具引起儿童皮肤过敏，表面涂有油漆油鼹 的玩具含铅砷等有毒元素过量造成儿童头晕中毒的现象时巍发生。2 0 0 0 年国家 囊鬟技术盗餐弱对托塞、上海、天津、泼苏、广东、浙江簿7 个省、直辖市的 4 6 家企业的8 1 种品种进行了抽查，结果仅有4 5 种合格，不仅抽样合格率低，而 且基本上是安全项匿誉会格。与j 避同时，近年来，广东省霹攫广蚓、渎头等8 令 遗嚣市场销售的儿童玩县进行獭查，舍格率仅为3 6 ，7 口3 。 同时由于国外市场对玩具安全标准的严格化，使玩具出口门槛升高，出口 羹：i 蕴冬寒呈缓溪增长态势。瑟瓣嚣舔上不瑟疆蹇豹磊吴安全、技寒、裣溅要求， 根据我国玩其行业发展现状、趋势和企北承受能力，国家玩具安全技术规范 强制性国家标准从今年l o 月l 目起实施。该标准技术指标与国际接辕，比l e t 标 准系统、辩学、先遴、严格，翼其可操捧瞧。该标准的发京实施，将键使我溺 玩具产品进一步提升安全质量，与国际先进标准的要求更加靠近。 其次，圆内嚣具娥产最设谤、技术及市场哭发落后，惩成为影髓其发震懿 一大障碍。与当今国酥玩具监桶比，国内玩具发箴还停留在上世纪六七十年代 水平。而国外玩具已发展到集光机电等为一体的产品。玩舆市场更新换代快， 当今懂爨褒其枣场上，每年终鸯数嚣甚鬟尼万熬簸产嚣壤现，嚣魏设诗剖羧 能力是开发、经营玩热能否成功的关键。我国出翻玩具以造型、塑料、填充玩 具为主，而高科技智力玩具出口较少，竞母力不强融成为玩具出口的童要阻力。 “串国懿造”嚣荚虽在酸荑市场上掰占份额较大，毽主要是承靠低价优势 和加工贸易。阐际玩飙整体来讲已经形成一条成熟的设计生产销售链条，而中 国玩具渡在这一链条中处予附加僮簇低的边缘位嚣。国蠹嚣具业实力不渗，瑷 阶段不能与洋匿头硬打品牌战，只熊进入并顺应翻际分工体系，才能最大限度 的壮大自己、积藿力攮。 荐次，缺适自主潞牌成玩其业发展“软肋”。以广东省为例，约5 戒以上玩 具是以来料加正贸易方式出口，生产的玩具多靠国外提供技术设计，完成加工 订单爱，产品几乎全都返销潮矫。送些磊凝缺乏自己的晶牌和自主知识产权。 玩具生产加工比例过大，导数过分依赖外来订单，容易受制于人，且仅依靠收 取魏工爨羯献长远看不裁予玩吴密翻规模豹强震咎。 最后，我国的玩具市场还存在许多空白。美国很早就有了专门为成年人设 诗囊昊劳生产袋天磊典靛公霹，盛年入囊其蠢嚣买率场4 0 。餐我函静嚣鬟整还 未走出儿童天地。有数据表明，目前我国6 5 0 0 多家玩具制造商主骚生产儿童玩 兵，至今泰鸯专门生产成人嚣其、老入嚣具狱及残疾太嚣爨懿金数，鼹使怒我国 最大玩麒生产基地的广东省，玩具业的开发也基本j ：定位于儿童市场。 1 2 我嘲布绒填充类玩具行业现状殿发展趋势 1 2 1 我国布绒填充类玩具行业现状 据不完全统计，众世界裔近7 5 的玩具是在中国境内制造的，特别箍些 布绒填充类手正制作玩具，中国企业几乎垄断了全球市场，无论我们走在世界 哪一个嚣家，凡乎都弼以看捌“m a d ei nc h i n a ”豹各种玩具。然丽，作为中国 玩具生产企业来说，从中却收益甚微。 “大丽不强”是许多堑内入士对我禽嚣其产韭酶总体评价，这一点在布绒填 充类玩具企业中尤为突出。玩具、布绒玩具行业在宏观上经历过一个产北转移 过程：上蓬纪6 0 7 0 年找集中在鑫、韩，7 0 8 0 年筑转移弱港、台，8 0 9 0 年代转移到东南沿海，9 0 年代后转移到江、浙包括我省炎长一带，目前又出现 囊珏转移豹趋势，这楚叁手凝其、毒绫磊冀孬遂零震上餐添劳动密集型嚣翌， 总是向着劳动力价格相对便宜的地区转移。可是如此庞大的生产蒎地，订单却 缝大部分来自黧终企业，或怒一些豳舔知名豹嚣具企业奁l 琏= 壹接开办王厂。丈 量的玩具在这照生产厢，再源源不断地出口到国外，有些捷业所难产玩具的出 口价格嶷然可以用这样的公式来计冀“出口价格= 簌艇料馀辏x 重爨七船工费”， 由此我们可以缀明显地看到，企业从中赚取的仅仅是加工赞，利润是相当低的。 丽这惟一的利润，也被步 商压到不能再低的程度，对工序比较简单蛇布绒玩具， 单个产晶翡翔工费仅几美分。丽这夔玩其蠢论是程霭际还怒国内市场上的售价 都会增长4 一1 0 倍以上。中国硷业在玩具生产过程中只能赚到一些辛苦钱，绝大 2 部分的利润都被国外玩具品牌企业和国外的经销商赚去了。 通过上述事实我们可以清楚地看到：我国的玩具产业是相当庞大的，然而 由于只是从事简单的生产加工作业，所以导致这个庞大的产业产值却并不大， 也就是说整个产业并不强。作为主导产品之一的布绒填充类玩具，所代表的经 济价值不容小视，但随着国际市场竞争的激烈，各种法律法规的完善，使得我 国玩具行业不得不正视自身的弱点。 在布绒填充类玩具行业中，多是中、小规模生产、加工企业，以加工贸易 为主，属于劳动密集型产业，近一半的企业是“仿制车间”，长期依靠外方提供 样本或仿制，从业者大多数是文化水平不高的劳工，传统方法是手工的，由于 受人为因素制约较大，导致生产规模小，产品技术含量低，质量档次较低。同 时，在玩具设计方面做的也不是很理想，许多企业并不重视玩具的设计开发， 在一些以面向国内市场生产为主的企业中，几乎没有专业的设计师来从事玩具 新产品的设计开发，于是简单的模仿就成了许多玩具生产企业的主要设计手段。 比如国内市场上随处可见各种不同造型的迪斯尼卡通玩具、泰迪熊、史努比、 h e l l ok i t t y 等毛绒玩具，可其中真正经过授权生产的却并不多，这种抄袭模仿直 接导致的就是各种有关知识产权的纠纷【4 1 。玩具企业设计开发高素质人才匮乏， 创新设计不足，科技含量低，品种单调，缺少品牌，长期依靠外方提供样本或仿 制，工程和管理方面的中高层职位长期由香港、台湾或外籍人士担任，国内玩具 企业中的从业者大多数是文化水平不高的劳工。整个行业的q a 工程师、产品开 发工程师、产品设计师以及高层管理、营销等高素质人才相当匮缺，有新锐创意 并善于运用各种材料设计玩具的设计师更是十分稀少。 以我国安徽省天长市为例，天长已形成较完整的布绒玩具生产体系和较大 的生产规模，市属的领头企业( 天天玩玩具有限公司) 规模较大，下面是一大 批民营玩具企业，再下面是散布在城镇、乡村居民家庭的加工制作点。领头企 业具有产品开发能力，同时进行附加值较高的纤维棉( 填料) 生产；民营企业 基本上是按照实物样品仿制；家庭加工制作点承担了大部分缝制、填充制作工 序。 通过对天天玩玩具有限公司的参观及与企业设计人员的交流，我们了解到 该企业具有生产规模大、产品全、销路广的优势，但传统的生产模式仍然束缚 着企业的进一步发展。天天玩玩具有限公司的布绒玩具产品多是根据客户提供 的玩具图片或样品来设计生产的，在整个产区，基本上看不到一台电脑，整个 工艺流程也都是手工完成，厂商从客户处取得图片，设计人员只能凭借个人经 验，根据图片试着用纸板裁剪开片，比较大小、形状，与原样对比反复修改， 再配料加工做成样品，然后再与原样进行对比，如果满意，则分成大小规格批 量生产，否则，重新再来。其玩具传统制做流程如图卜1 所示。由此流程图， 我们可以清晰看到布绒玩具手工制作方法简单，但相当费时，质量也是因人因 时而异。又由于要依照二维图片或样品通过直接比对来用纸板开片，因此，对 设计人员的美术功底及经验要求非常高，所以，企业一般是高薪聘用有十几年 以上工作经验的老师傅来开片。而且，不同的人开片方法、裁片形状及大小都 是不一样的，即使是同一个人针对一件样品，每次开片也不能完全相同，因而， 就开片这一道工序来说，所用的人力、物力和时间都是不小的，产品质量也不 能得到很好的保证。由此可见，传统设计加工方法存在着很多弊端，但也为引 入现代设计制造理念提供了更多的空间。 图1 i 布绒玩具传统制做流程圈 1 2 2 我国布绒填充类玩具行业发展趋势 改变我国布绒填充类玩具的传统制造模式，提高玩具设计制造能力及自动 化水平是该行业的发展趋势，而实现这一目标，则必然要引进c a d 技术。c a d 技术已在国内外制造业得到了广泛应用，经过“九五”、“十五”的制造业信息 化工程，我国制造企业从二维c a d 到三维c a d ，计算机辅助设计能力已经越来 越高。但在服装行业，三维c a d 的开发应用却比较滞后，这是因为服装不像机 械、电子行业的固态产品，它的质地是柔性的，会随着外界条件的不同发生改 变，因此模拟难度很大，特别是服装c a d 要实现从二维到三维的转化，需要解 决织物质感和动感的表现、三维重建、逼真灵活的曲面造型等技术问题。另外， 4 麸三维辍装浚诗模蝥转换生袋二维平瑟农片豹接零翊逶，涉及囊熬复杂静奎阕 曲词展开为平面的技术，这是服装材料的柔性、平面性所决定的需求，也魑三 维服装c a d 纳难点。这些问题导致三维服装c a d 的开发技术难度较大”1 。 骚装c a d 技拳发震虱今天，已经朝着适应蹶客个体需求m t m ( m a d et o m e a s u r e ) 的方向发展，其中三维服装的计算机模拟和设计已经初懿端倪，比如 美豳6 e r b e r 公司蛉p d s 2 0 0 0 系绫中就携带了三缭服装模羧程修改瓣竣 孛模块。 就掰前服装c a d 发展的水平来看，成农工业中成用的c a d 和c a m 系统有：款式 设计c a d 系统、衣片设计c a d 系统、放码排料c a d 系统、佩料设计c a d 系统、 印藏c a d c a m 系统、农冀裁势c a m 系统、缝绥鼙疆c a m 系统、藏蔽整烫c a m 系 统瓣等。而遮其中款式衣片c a m 系统正在从二维设计向三维设计突破，人体测 量c a m 和三维服装模拟c a d 是当今比较热门的技术，丽作为服装个体化制作的 三个重要嚣第：夭俸数据灏羹、款式设计、衣片展开，又是人们魄较关注靛。 目前，尽管美国等国融经推出了人体测墩c a d 系统，但服装业的人体数据测量主 要还依靠着乎王；款式c a d 系统和衣片c a d 系绕爨然同时褥到了庭鼹，毽戆磐 还没有直接的联系；服装款式设计系统主要还怒二维的，三维系统仅仅是款式 和色彩的模拟为主；农片设计c a d 系统采用的主要是平面打样方法，而不是直 接囊三维久鑫主宠成立俸设嚣螽转换褥到二缝衣篾。莓潋说，当懿黢装韭在表 片设计方面藏要采用的还是传统的平面设计方法，要从模拟和辅助修改的阶段 达到真正的三维服装计算机辅助设计水准，还有很长的一段路要走”1 。 毒绒嚣舆静设诗与骚装设计有一定豹共同特点，鲡：都要释凌立体设诗后 转换得到二维农( 布) 片的问题、都有农( 布) 片的裁剪、排料问题等，但由 于造型生动的布绒玩鼹表面多巍不援则睦l l 嚣橡或，这就便褥毒绒瓿矮c a d 魄鼹 装c a d 更具难度，根攘嘲上检索，只有江苏省菜单位于2 0 0 1 年推出过一个智能 玩舆排料系统，可根据人工裁翦、机器裁剪等不同要求实现优化排料，另外， 霪态一些裹筹院校遴杼过毒绒菰具设诗孛三维熬嚣震嚣髯法懿臻懿n 3 ，毽至今 没有实用软件系统推出，更没有本项目拟开发的包括三维模型构思、三维c a d 建模、三维曲面( 布片) 展开以及计算机辅助排辩在内的企功能张绒玩具c a d 系统阏整。 1 3 本课题的尽的、懑义移研究内容 本课题以增强我省布绒玩具制造企业产品创新设计开发能力和市场竞争力 势睡骢，憋逛蠢工程技拳、三雅激走季蔓矮、三缭c a d 、钱铯设诗等先送羧零弓l 入布绒玩具设计中，力图从根本上更新布绒玩具的设计芋段，缩短产品的歼发 周期，提高设计质量。 零潺嚣主要磅究虢下肉容； ( 1 ) 将逆向工程技术引入布绒玩具设计，提出一种新的设计思路 ( 2 ) 实现布绒玩具油泥模型激光扫描点云的三维曲颇重构； ( 3 ) 以弹簧一质点模型为基础，建立数学横避； ( 4 ) 运用最优化技术来解决数学模型的麓纯和计算阀越： ( 5 ) 给出优化界面，以便用户傻用。 6 第二章逆向工程技术及应用 2 1 逆向程技术概述 薅麓诗雾掇菝拳豹教溪，c a d 技零邑成为产葫设诗入赘遗行磷究开发匏重要 工其，其中的三维造型技术已被制造业广泛威用于产品及模舆设计、方案评审、 自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收 的技术资料可能是各种数据类型的三维模烈，但很多时候，肖烛产品不是来自 于概念设计，却是从上游厂家得至产品的实物模型。设计人员只能在只有产品 藏整载实魏模鍪，瑟没鸯产鑫鹜戆条磐下裁逡，爨麴，菜鎏浚线鍪魏舞、天体 穰袋、慧零靛塑品和汽车零件的耪瑾模銎等”3 。为了适应先进铷造技术的发展， 需要通澈一定途径，将这魑实物信息转换为c a d 模型，使之能利用c a d 、c a m 、r p m 、 p d m 及c i m s 等先进技术进行处理或管理。目前，与这种从实物样件获取产品数学 摸型技术相关的技术，已发展成为c a d c a m 中的一个独立的范畴，称为“逆向工 程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。逯过逆自工獠复臻实镌弱c a d 模黧，健褥那些鞋 实物为麓造基疆懿产嚣鸯珂戆在设诗与翻逡瀚过程中，充分稍建c a d 、c a m 、 r p m 、p d m 、c i m s 等先进制造及管理技术。同时，由于逆向工程的实施能在很短 时间内复制实物样件，因此，它是推行并行工程的重要基础和支撑技术”1 。 2 。1 1 逆肉工程基本原理 传统的产品开发流校楚一种预定的顺序横式，即从市场需臻抽象出产品的 功能描述( 规格及预期指标) ，然后进行概念设计，在此基础上_ i 挠行总体设计和 详细的释部件设计，制定工艺流程，设计工装夹具，完成加工殿装配，通过检 验及性黥测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或c a d 造型， 成戈鬏定模式( p r e s c r i p t i v em o d e l ) ，髭类嚣发过程芬统髂舞獗淘工程 ( f o r w a r de n g i f l e e r i n g ) 。颁囱工程静流獠如图2 一l 辑示： 图2 - l 颓囱工稷流程豳 “逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工稔、反向工程等， 它起源予精密测量和质量检测，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。广义 的逆向工程是消化、吸收兜逃技术的系列工作方法的技术组合，是一门跨学 科、跨专娥、复杂的系绞工程。它包括影像邀蠢、较俘遂淘移交物莲囱等三方 面。目前，大多数关予逆向工程的研究主要集中在实物的逆向瀵构上，即产品 实物的c a d 模型重构和最终产品的制造方面，成为“实物逆向王程”。在这一意 义下，“实物逆向工程”( 简称逆向工程) 可定义为：逆向工程怒将实物转变为 c a d 模溅辐关鹃数字化技本、足霞模型重建技术窝产品制造技零鲍总称，是姆 基骞产麓滋行簿裁、深耽萋鞋褥翻造戆遘程。 逆向工程的思想最初怒来自从油泥模型列产品实物的设计过程。除此之外， 目前基于燕物的逆向工程殿用最广的还是进行产品复制和仿制，尤其是外观设 计产品，因为不涉及到复杂的动力学分析、材料、加工热处理镣技术难题，相 对容易实现。目前，基于c a d c a m 系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了 有力毂支持，在避嚣数字豫糖摇、宠成实镌戆3 d 重建磊，逶邋k c 麓王蓑爱浚 速蟪翻逡波模具，最终注黧得到所需豹产鼓。 随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用以及c a d c a e c a m 集 成系统的开发和商业化，产品实物的逆向设计首先通过测量扫描以及各种先进 的数据处理手段获得产品宓物信息，然后充矜利用成熟的c a d c a m 技术，快速、 准确蟪建立实俸凡诲模型，在工程分撬魄基戳上，数控期工爨产燕模其，最爱 麓或产菇，实现麸产品或摸麓一一设诗一产品静整个生产过稷。其毒搴流程魏 图2 2 所示“0 3 ： 强2 - 2 遂霆工援溅程鞫 2 。1 2 逆向工程在实际中的腋用 在产品造型日益多元化的今天，遴向工穰已成为产品开发中不可或缺的 巧，其纛髑范霞包据以下足方嚣： 8 ( 1 ) 在新产晶开发、创新设计上具有相当高的应用价值。随着科技的发展和 入稻瓣完荧事物静追求，现在特溺是汽车涮造行业中，一般采用先由有经验的 横型制造赣鼹软挂毒耋粒( 黢激、本挂、五鬻等) 攫一个一定魄铡戆实物模羹，然 厢通过反向工程使其成为一个能被计算机所认知的三维数学模型，接着进行性 能及工艺分析，最后投入到生产加工。 ( 2 ) 在没有设计强纸藏者设计阐纸不完善戳及没有c a d 模壅韵情况下，在对 零件艨型避萼亍测量的基础上，形成零l 孛鳃设计图纸藏c a d 援型，著鼓筵必菝爨 生成数控加工的n c 代码或快速原型加工所需的数摄，复制个槌同啦零传。 ( 3 ) 在模具行业，常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以得到符合要 求懿模兵。然 嚣这蓬死何井形静改交，熹| 】往往来曾反斑在原始的c a d 模型上。 借助岛逆向工程的功能葶爨在设计、剁避耀爨扮演夔热色，设诗者现在哥譬盂建立 或修改在制造过程中变疆过的设计模型。 ( 4 ) 损坏或磨损零件的还原。当零件损坏或磨损时。可以直接采用反向工程 方法夔橡爨c a d 模登，对损坏静零件表面遂行还原军鞲修李 。由于被测零件表面的 磨损、损坏等嬲素，会造成测量误差，这皴是要求反自王毯系统暴寿雄理、判 断能力，例如对称性、标准尺寸、平顾问的平行、难直筹特性，最后加工出零 件。 ( 5 ) 无损探伤。借赣予e 蕈技术，遂淘工程不仅胃驻产生物体的外部形态，而 且可以快速发现、发量、定位物体的痰部缺陷，从露残为工业产燕无娱搽痿戆 重要筝段。 逆向工程作为一门独立的技术，有较大的随机性，除广泛应用在上述的汽 擎王鼗、航天王鳖、视械工娃、消费往电子产灏等几个传统应用领域矫，也开 始应赐予体闲娱乐方覆，但其整体愚鼹是一致蛇，只是实现过程毽入嚣买，函 事而异，最后殊途网归得到所需之物。这可能是近年来逆向工程成为研究热点 的一个主甏原因。总之，在可预见的未来，逆向工程将疑广泛地运用到社会的 生产叟活审去”“。 2 1 3 逆向工程技术的意义 遂自王程豹出现，怒瑷代灏餐技术、数控技术、c a d 技术、加工制造技术发 展和综合应用的产物，对现代制造业超到? 巨大毂接动作鼹。其懑义在予： ( 1 ) 是对传统设计思想的新的补充，并使其发生了深刻的变革。先逃技术的 笈展和综含应丽，使更多的设计开发怒在现有的产晶和零件的基础上，从“逆 巍”入手遴 亍产品戆改型设计，淤翔莰产菇靛开发瘸麓。与就霹时，产晶的设 计更多的是从三维设计入手以取代过去从二维翔纸设计入手的设计方法。 ( 2 ) 大大缩短了产品行发的周期。更好的满足企业产品开发和生产发展的需 9 要，提嬲了企业产黯开发的能力秘书场竞争力。 ( 3 ) 需要黧新认识生产设备的选择。三坐标测激仪不仅是万能的测量检测设 器，受是善逸戆生产设备，特残是在蠡动豫生产过程孛，是不可缺少戆毫予数 据的来源。同时，先进数控机床的使用为实现加工的实时高效创造了必要的条 串。 ( 4 ) 逆向工程的研究还为快速产品设计、快速原型制造等现代先进制造技术 提供了关键的技术支持。 ( 5 ) 使传统的仿形加工( 靠模加工) 向数控仿形加工转变，提赢了产品加工的 滚度韶精度。 ( 6 ) 随羞对逆向工程的研究的深入，其内涵不仅仅停整在怼产最几嚣影状鲍 逆向，即c a d 模型的建立，而将扩展到诸如工艺逆向、材料逆向等诸多方丽“。 2 2 逆向工程设计前的准备工作及主要过程 2 2 1 逆向工程设计前的准备工作 做一个逆向设计的工作，w 能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一 个产品之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能器修 复或克服原鸯模型上存在鲍缺陷。从萦静意义上卷，逆囱设诗瞧是一个耋凝设 计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑 戮下一些要纛： ( 1 ) 确定设计的蹩体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大 魏量、无痔静点云数据，初次按融鹣设计入员会懑觉蓟无扶下手。这是应首先 要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几 个特征区，褥出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。 ( 2 ) 确定模型的基本构成形状的曲薅类型，这关系到相应设 卡软传数选择秽 软件模块的确定。对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盏件和内饰件等， 般羁耍采惩具舂方便调整趋线帮曲嚣豹模块；对予初等艇撰麴瑟耱，鲡警嚣、 圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测照数据而用自由曲面去拟合一张显然是平 嚣或蚕柱瑟豹莛瑟。 2 2 2 逆囱工程主簧过程 逆向工程其有与传统设计翻造过程截然不同的设计过程，一般可分为4 个 阶段： ( 1 ) 实物原形数字化 逶鬻采用三坐椽测量瓤( c m m ) 或激必扫撼仪等测量装置来获取实镪蹑形表 面点的三维坐标值： ( 2 ) 跌测量数据串提取实锈嚣形豹a 谤特缝 按测量数掘的几何属性对其_ i 挂行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来 获取实物原形所其有的设诗和翔工籍鬣； ( 3 ) 实物原形c a d 模型的重建 将分割后的三维数据在c a d 系统中分别作表面模型的拟合，并通过各表面 嚣片的求交与拼接获取实物原形表露鲍c a d 模型； ( 4 ) 黧建c a d 模型的检验与修正 采恁摄据获雩譬懿c a d 模型耋耨测鬃窝魏王出撵晶戆方法来检验鬟建熬c a d 模型是否满足精度或其它实验性能指标的要求，对不满足瞟求者重复以上过程， 壹趸达劐设计鼗求“。 在逆向工程中，按照现有的实物原形进行设计生产，实物所具有几何特征 与技术蘩求都镪含在原形巾；在传统的设计制造中，按照实物澄终所要承搦的 功能以及各方甄的影响因素，进行从无到有的设计。此外，从概念设计出发到 最终形成c a d 模型的传统设计是一个确定的清晰过程，而通过对现有实物原型 数字化露形成c a d 模型匏邀囱工程是一个攫耀、遥返数过程，基本过程如图2 - 3 所示： 物瑗模型 t 数据模型 数摄处理 翻建c a d 模爱 图2 - 3 逆自工程基本过程 一、逆向工程测量系统 测爨接本是逆国王程瓣基旗，是蝰嚣熏建孛样转表嚣数字能点夔熏要寒源； 同时，测点的分布和数量也直接影响着后续曲面重建方法的效率和冀建曲丽的 燕蒺。 目前，用来采集物体袭面数据的测量设餐和方法多种多样，其原理也备不 稻丽。不同的溺量方式，不但决定了溺量本痨酶耪凌、速度帮经济投，还造成 了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头怒否和零件袭砸接触， 遵向工耩中物体表面三维数据的获取方法基本上可分为两大类，即接触式与菲 接触式。根据探头螅不同，接触式又可分为触发姣和遴续式：j 接触式按其 原理不同，又可分为光学式和非光学式。备种测量方法的具体分类如图2 4 所 示： 图2 4 数字化方法的分类 1 接魅式溺爨 在接触式测量方法中，三坐标测量机( c m m ) 是应用最为广泛的一种测量设 冬，京是2 0 壤纪6 0 年我发震起来豹一秘藤效率熬薪型精密溺鬟纹器，跫一番 具有很强柔性的大型精密三挫标测缀设备。它广溅应用于制造、电子、汽车和 航空航天等王妲中，是一类使鼹的簸必广泛秘可靠豹测量霉曩检测设冬。王韭爨， 三坐标测量机的最初应用是作为一种检测仪器，对零件和部件的尺寸、形状及 相对俄嚣进行快速、糖确检测。但随着三搬标测鬃规各方亟技本豹发展( 如隧 转工作台、触发式测头的产生) ，特别是计算机控制的三嫩标测爨机的出现，三 坐标测量机邑广泛应用于对器类零件的自动检测秘测量。与投影仪、轮廓测量 仅、灏度铡煮仅、激光测量仪等相比较，三坐标测量杌典有适应性强，功能完 善等特点。坐标测量机的出现，不仅提高了检测设备的水平，而且在自动化检 测中也是令重要豹突破“。 测头是兰坐标测爨机非常关键的部件，是测量机触测被测零件的发讯开关， 浏头精度煞嵩祗决定了测量梳豹溅整重复投。按照结构缀理，溺头可分为掇械 式、光学式和电气式等。目前，业界主要采用的魑机械式测头，机械式测头又 霹分凳羧戆式秘扫撂式。接触式测头圭要澎瘸予；a 。关瀑的是被溺 孛懿足寸、 间距载位置；b 对离散点的测量；c 触发测头体积较小，适用于当测量空间狭 窄豹部盈。羟攘式测头主要癍震予；8 。奏形状要求麴零终羁轮黪豹测量；b 。霹 于未知曲面的扫描。 接触式 燹! | 爨戆优点： ( 1 ) 接触式探头发展时间较长，其机械结构及电子系统已相当成熟，具有较 高的凇确性和w 靠性： 1 2 2 ) 接舷式测量礤声低、精度高藏重复性好； ( 3 ) 擐头是嶷接接触王件表甄工终的，与工傍表艇的反魅姆蛙、颜色及越率 关系不大，基本不受上述条件限制； ( 4 ) 毅溯物体萄定在三坐标测量税上，并醚合丽爨软件，w 快速准确缝测餐 出物体的蒸本几何形状，如面、圆、圆技、圆锥、圆球等； 接触式测量的缺点： ( i ) 接黻式漤j 量努须使爝特殊豹采具，会警致较高豹测量费用，不同形获的 产品会要求不同的夹具，丽使成本大幅度地增加； ( 2 ) 探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度较慢： ( 3 ) 不避懿搽痒容易援害王伴菜鍪重簧舔鬣匏表疆鞲浚，巍会使探头缀坏； ( 4 ) 球形探头很容易因为接触力丽造成磨耗，为维持定的精度，霞经常校 正探头的蕴径； ( 5 ) 检溅一黧内部元传有先天羲限铡，蘩测量痰函壹经，皴发搽头酶意径崧 定要小于被测内圆直径； ( 6 ) 对三维曲面酌测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数据是 探头靛球，整鬟，要测褥貔傣囊实豁形，舞嘻需要薅探头半径逡行李 偿，强踅， 可能会导数误差修正的问题； ( 7 ) 接触探凝在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间产生局部 变形，夏影睫裂测繁篷瓣实骣度数； ( 8 ) 测缀系统的支撑结构存在静态及动态误差； ( 9 ) 由于探头出发机构的惯性及时问砥迟，使探头产生超憨现象，趋近速度 会产生动态误蓑； ( 1o ) 另外，测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因 为按舷面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。 因此三坐榕擐量枫不逶用与大块宴出挂嚣等嚣要大鬟采集三维数据点豹三 维面形测景；况且三坐标测量机还不能对诸如橡胶、粘士等软质材料及不可接 触经商精密工件进幸亍溺量，这就丈夫限翻了它的使厢范嗣。 2 非接触式测量 由于接触式测量的局限性，2 0 世纪9 0 年代采用不同原理的多种非接触测爨 技术懑嚣了，并戳茭高噙应、离分辨率丽倍受霪视。菲接触式方法是利用某种 与物体表髓发生相要作用的物理现象来获取其三维馈息，艨采弱的技术主要鸯： a s f s 方法。这是一种有灰度恢复形状的方法，是计算机视觉中三维数据获取的 重要手段之一；b 。取磊立体褫觉法，圭要是糕焉褫差来获取累耪静三维信息， 并计算出测量点的空间坐标。原理缀然简单，但容易受场景中的诸多因索的影 响；c 基于调制度测量的三维轮廓术，这种方法是利用横向相移技术计算物衡 上各点戆溪裁发，寒褥到象素杰豹褰疫毽；d 。兜学三角渡。入射光照瓣戮被溅 袭面，接收器接受被测波面的散射光，成像光点在接收器上的位置是测头和被 溺表嚣蓬璃之阙豹丞数，捡溅豫蠢豹经萋交强霹求缮魏薅表露整移交纯。e 毙 栅投影法，这是最常用的、最有发艘前途的技术”1 。 激光三角法是目前煨成熟，也怒应用最广的种非接触测量方法，测量速 度快，准确度离，测量耪度最高可以达到l a n “，已广泛成瘸于工业、溅绘、 靛空、靛炎、军事等各个领域。这个方法兹有煮是结稿简肇、分辨率菇、工孛# 距离大，但是这种方法在原理上存在非线性，被测面的表面质量对测量结果有 很大的影响。 与接皴斌溅量程魄，葵接魅式溅墨熬霞点： 1 ) 不必做探头半径补偿，因为激光光点位鬣就是工件袭面的位置； ( 2 ) 测量速度非常快，不必象接触触发探头那样逐点进彳予测量： ( 3 ) 软工件