逆向工程在塑料玩具生产的应用设计

广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 1 毕业设计说明书 (论文 ) 设计 (论文 )题目 :逆向工程在塑料玩具生产的应用 专 业 : 班 级 : 学生姓名 : 学 号 : 指导教师 : 上交时间 : 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 2 目 录 摘要 . 2 第 1章 逆向工程应用简述 . 3 1.1 逆向工程的结构 . 3 1.2 逆向工程的社会背景 . 4 第 2章 模型数据采集 . 5 2.1 坐标数据采集方法 . 5 2.2 激光 三坐标扫描仪介绍 . 5 第 3章 逆向工程应用关键环节 . 6 3.1 Pro/ENGINEER 软件介绍 . 6 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 . 6 3.3 玩具产品建模方法 . 7 第 4章 塑料玩具生产设计简介 . 9 4.1 Surfacer 软件应用 . 9 4.2 Pro/ENGINEER 软件应用 . 11 结束语 . 13 参考文献 . 14 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 3 摘 要 塑料 玩具的发展主 要是从玩具的造型和智能化两个方向，逆向工程在玩具快速成型和曲面造型构建得到广泛应用。 本文 介绍逆向工程在塑料玩具生产设计的流程和实现方法。着重从模型来源，模型数字化， Pro/ENGINEER 曲面建模等方面入手，强调逆向工程在塑料玩具生产中应用的 现实意义 。 关键词 ： 逆向工程； Surfacer； Pro/ENGINEER；塑料玩具 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 4 第 1 章 逆向工程应用简述 在塑料玩具产品的设计过程中，为了使产品更为美观或实现某些特殊的性能要求，要求其外表面光顺而富于变化，通常此类产品是由复杂的自由 曲面拼合而成的，由于在概念设计阶段很难用严密统一的数字语言来描述，故而许多塑料玩具产品的初始模型必须通过对事先造出的泥制或木制的模型进行测量，再以此为依据，反求出实物模型。这种以实物模型为依据来生成几何模型的设计方法即为逆向工程。 1.1 逆向工程的结构 随着测量仪的普及、精度的提高，以及工业越来越强调美学、效率、个性化设计，逆向工程以其先进的技术、快捷的方式、完美的造型而广泛应用于众多的领域，如在汽车、航空、家电、雕塑等行业，随处可见造型优美的反求产品。现在反求技术正被越来越多的人看好，而且已由贵族技术转向 平民化，表现出了巨大的经济前景。 如 图 1-1 所示， 给出了一个比较完 整的逆向工程的结构示意图。 图 1-1 逆向工程的结构示意图 模型数字化 数据预处理 特征提取 数据分割 曲面重构 三角形网格 快速成型 数控加工系统 CAD/CAM 系统 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 5 1.2 逆向工程的社会背景 进入新世纪以来， 世界范围内的竞争将日趋激烈，尤其 是工业领域的竞争更加白热化，市场对产品设计的要求也发生了根本的变化，多品种，小批量替代了少品种大批量的传统生产模式，这就导致了要求降低产品、缩短设计和生产周期、提高产品质量。 反求设计方法在与传统设计方法相结合的同时，还与计算机辅助测量技术、 CAD技术等紧密地联系在一起。反求设计中往往 会遇到一些复杂的零部件，一般不能直接建立 CAD 模型，必须借助于先进的计算机辅助测量技术（三维扫描技术）来获取零部件的 3D 数据，并经过计算机处理之后，进行 CAD 建模，然后在此基础上进行创新设计。 反求工程作为对已有产品进行数据测量拟合、分析、改进设计，实现新产品开发的一种最佳手段，比从设计概念完成产品的开发的路要捷径的多，因而有效地支持了新产品响应市场的速度。可以输出快速原型制作及模具加工的多种数据格式，支持客户的不同用途。 目前，与这种从实物样件获取产品数学模型相关的技术，已发展为 CAD/CAM 系统中的一 个相对独立的研究领域，即 “ 反求工程 ”(Reverse Engineering) ，或称反向工程、逆向工程等 。 如图 1-2 所示，为 其示意图 。 图 1-2 逆向工程的结构示意图 三维扫描仪 (三坐标测量 ) 点云数据 (三坐标数据 ) 反求工程软件或其他 CAD 三维实体数据 进一步设计修改 NURBS 曲面数 CAM 加工 STL 数据 快速成型 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 6 第 2 章 模型数据采集 2.1 坐标数据采集方法 坐标数据采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础。现有的数据采集方法大概可以分为以下面几类： 1）简单工具的手工测量； 2）机械三坐标测量机测量的有序点数据； 3）激光、数字成像的三坐标测量数据，即大批量、无序的点云数据。 2.2 激光三坐标扫描仪介绍 目前最流行的模型数据 采集方法是激光三坐标扫描仪测量数据。 三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。 它的 重要意义在于 能够将实物的立体 信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了 相当方便快捷的 手段。 高速三维扫描及数字化系统在 反求 工程中发挥 着巨 大作用，该系统提供了从模型或实物扫描到加工出期望的模型所需的诸多功能 ,大大缩短了模具的研制制造周期。 三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在 CAD、 CAM、 CIMS 等技术应用日益普及的今天很受欢迎。 三维扫描仪 作为 一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触 ，使用方便等优点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对 手板， 样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与 CAD/CAM 软件接口，在 CAD 系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加 中心 或快速成型设备 上 制造 ，可以极大的缩短产品制造周期 。 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 7 第 3 章 逆向工程应用关键环节 3.1 Pro/ENGINEER 软件介绍 Pro/ENGINEER 是一套涵盖了由设计至生产的机械自动化软件 ，是新一代的产品造型系统，是一个参数化、基于特征的实体造型系统，并且具有单一数据库功能。PTC 的系列软件已经深入工业设计和机械设计等各项领域，包括对大型装配体的管理、功能仿真、制造和产品数据管理，并提供了最全面、集成最紧密的产品开发环境。 Pro/ENGINEER 高级曲面扩展功能提供了逆向工程的设计规范管理、参数化曲面建模和直接曲面建模等高性能工具。 Pro/ENGINEER 的交互式曲面设计扩展功能 (ISDX)定义了新一代曲面处理技术。这一新工具具有独特的自由形状曲线和曲面建模功能，并具有高级的互用 性和灵活性。它能让设计人员和工程师在一种完全自由式参数化建模环境中工作，这样就能保证设计和工程的真正集成。通过在Pro/ENGINEER 的参数化建模基础内建立复杂的自由形状几何体， ISDX 能让设计人员和工程师在一种具有极大设计灵活性、独特的环境中工作。 3.2 Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模是逆向工程应用的关键环节。在玩具产品的开发建模中，通常采用三坐标扫描仪测量的数据，经过 Surfacer 软件对采集的数据处理成三维线圈框架，保存为 IGS 格式，然后把处理完的文件导入 Pro/ENGINEER 作为参考几何。这种建模方式比较特别，它没有传统画图的提供的图纸，只是以三维线圈尺寸为基础，以构图手板为基准。 构图手板是玩具产品的原型，三维线圈是构图手板的数字化模型。三维线圈保证 Pro/ENGINEER 曲面设计时不会发生大的尺寸偏差，构图手板反映的是产品的细节结构，在 Pro/ENGINEER 曲面设计时提供造型要求，在此基础上优化模型结构，保证达到模具设计的要求和玩具造型的要求。 玩具产品的建模主要是用 Pro/ENGINEER 曲面建模的高级功能。如可变截面扫描，其中纵截面可以由用户自定 义图表或数学函数控制；混合曲面，曲面偏距，扭曲里面的特殊功能也充分地应用。 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 8 Pro/ENGINEER 玩具曲面建模，首先要合理把模型分割成几部分，考虑处理好曲面间的连接，其次要确定参考平面，然后定基准点，构造基准曲线，用边界或扫描的方式建立基础曲面。合理连接 ,处理好碎曲面。 3.3 玩具产品建模方法 玩具产品的外观形状多由自由型曲线曲面组成，其共同点是必须保证曲面光顺。曲面光顺从直观上可以理解为保证曲面光滑而且圆顺，不会引起视觉上的凹凸感。要保证构造出来的曲面既光顺又能满足一定的精度要求，就必须掌握一定的曲面 造型技巧。 3.3.1 化整为零，各个击破 用一张曲面去描述一个复杂的玩具外形是不切实际和不可行的，这样构造的曲面往往会不光顺，产生大的变形。这时可根据应用软件曲面造型方法，结合产品的外形情况，将其划分为多个区域来构造几张曲面，然后将其缝合，或用过渡面与其连接。 3.3.2 建立光顺的曲面片控制线 曲面的品质与生成它的曲线即控制线有密切关系。因此，要保证光顺的曲面，必须有光顺的控制线。曲线的品质主要考虑以下几点： 1） 满足精度要求； 2） 曲率主方向尽可能一致； 3） 曲线曲率要大于将做圆角过渡的半径值。 3.3.3 将轮廓线删繁就简再构造曲面 我们看到的曲面轮廓往往是已经修剪过的，如果直接利用这些轮廓线来构造曲面，常常难以保证曲面的光顺性，所以造型时在满足零件的几何特点前提下，可利用延伸、投影等方法将 3d 轮廓线还原为 2d 轮廓线，并去掉细节部分，然后构造出“原始”曲面，在利用面的修剪方法获得曲面外轮廓。 3.3.4 从模具的角度考虑 产品的三维造型的最终目的是制造模具。因此，在三维造型时，要从模具的角度去考虑，在确定产品出模方向后，应检查曲面能否出模，是否有倒扣现象（即拔广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 9 模角为负角），如发现有倒扣现象，应对曲面的控制线进行修改，重 构曲面。这一点往往被忽略，但却是非常重要的。 3.3.5 曲面光顺评估 在构造曲面时，要随时检查所建曲面的状况，注意检查曲面是否光顺、是否扭曲、曲率变化情况等，以便及时修改。可显示曲面上的等高斯曲率线，进而显示高斯曲率的色彩光栅图像，从等高斯曲率线的形状与分布、色彩光栅图像的明暗区域及变化，直观地了解曲面的光顺性情况。 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 10 第 4 章 塑料玩具生产设计简介 目前市面塑料玩具的生产品种繁多，玩具产品的造型和智能化成为市场竞争的关键。 玩具产品的造型 是玩具开发和设计的重要环节。目前的玩具模型开发主要是通过已 有的产品模型优化或 者手工手板 造 型 实现的 。 无论哪种方式，都需要将模型数字化。 模型的数字化主要是通过三坐标扫描仪 实 现的。 Surfacer 软件是三坐标扫描仪（测量仪）的配套软件，是 专门用于 处理 数字化模型（点云数据）的。 Pro-E软件 是将 Surfacer 软件处理后的数字模型（线圈模型）作为参考基准的。下面以玩具小车车壳模型的例子介绍建模过程。 4.1 Surfacer 应用 现在市场上较为流行的反求软件比较多， Imageware 公司开发的 Surfacer 以其强大的功能，受到众多消费者的青睐。 它具有友好的输入输出接口，可以接受几十种数 据格式，方便的与同类软件进行数据交流。它主要包括四大功能模块，即点处理、线处理、面处理和快速成型模块。同时还包括显示、编辑、检测等辅助功能。现在使用 Surfacer 为工具，处理三坐标扫描仪处理的点云。三坐标扫描仪测量的测量的数据点 ,点按照空间的曲面的位置分布 ,类似云的形状 ,故叫点云。 如 图 4-1 所示， 为三坐标扫描仪的点云数据导入 Surfacer 软件的效果图。 图 4-1 点云导入 Surfacer 软件 的效果图 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 11 如图 4-2 所示， 为点云数据在 Surfacer 软件里面的网格处理图。在 Surfacer软件中，将点云 数据分散，处理成空间线圈。因为整个点云数据导入 Pro-E 中，点云数据密度大，严重影响软件的运行速度，和处理效率。 在 Surfacer 软件的处理方法： 1、 以点云模型的 X 方向拉虚拟截面，设置截面间距； 2、 隐藏点云模型，将截面截出的点转化成线； 3、 用以上方法分别处理 Y 和 Z 方向的点； 4、 删除 X、 Y、 Z 三个方向的点数据； 5、 将 X、 Y、 Z 三个方向的线圈合并在一起，即为下图的线圈模型； 6、 保存为 igs 格式文件。 图 4-2 用 Surfacer 软件进行点云网格处理 的处理图 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 12 4.2 Pro-E 软件的应用 （ 1） Surfacer 软 件处理的网格文件 导入 Surfacer 软件将三坐标扫描仪提供的空间点云数据处理成三维网格，保存为igs 格式文件导入 Pro-E 软件。 如图 4-3 所示， 为 Surfacer 软件处理的网格文件 导入 Pro-E 后的效果图 。 图 4-3 Surfacer 软件处理的网格文件 导入 Pro-E 后的效果图 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 13 （ 2） Pro/ENGINEER 曲面建模 Pro/ENGINEER 曲面建模在玩具建模的应用主要是以 Surfacer 软件处理的网格数据作为参考基准，合理分割模型曲面，合理处理曲面连接，处理好小碎曲面建立高级圆角。通过一系 列的曲面操作，构造玩具模型。 如图 4-4 所示， Pro/ENGINEER曲面建模在建模完成后的效果图 。 图 4-4 Pro/ENGINEER 曲面建模在建模完成后的效果图 （ 3）应用实例 通过以上塑料玩具生产设计的简单介绍，我们对塑料玩具设计的方法和流程比较清晰。灵活地处理曲面模型曲面的分割，合理应用好 Pro/ENGINEER 曲面建模 的功能，就可以满足 客户的设计要求，设计出形式多样，富有艺术性的曲面模型。下面以 10 个曲面模型反映逆向工程的应用，展示 Pro/ENGINEER 曲面建模的价值。 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 14 结束语 通过逆向 工程应用流程和应用关键环节的介绍，我们进一步认识产品建模的新方法。对 Pro/ENGINEER 的应用有新的认识。现在， Pro/ENGINEER 的交互式曲面设计扩展功能 (ISDX)的推出，标志着 PTC 已将直观的自由形状曲面处理建模工具集成到世界最优秀的建模软件中。这种独特的设计功能允许设计人员和工程师利用强大的参数化建模工具来建立自由形状曲面。直观的建模环境能让客户采用一种清晰的过程方法来完成设计，从而在提高效率的同时，进一步促进逆向工程应用的发展！ 广东机电职业技术学院毕业设计（论文） 15 参考文献 1林清安 .Pro/ENGINEER 零件设计 .清华大学出版社 2杨峰 ,黄效贺 .Pro/E Wildfire 2.0 曲面设计技巧与实例 .中国铁道出版社 3刘之生 ,黄纯颖 .反求工程技术 .机械工业出版社 4 王京美 ,王德斌 ,刑 渊 .逆向工程技术在模具制造中的应用 .上海交大模具技术研究所 5季劲松 .逆向工程中三坐标测量数据的研究与系统开发 .浙大化机所 广东机电职业技术学院 毕业设计（论文）评语 学 生 姓 名 温国韩 学号 030809 班