自行车鞍座的人机工程设计毕业设计论文.doc

自行车鞍座的人机工程设计毕业设计论文 自行车鞍座的人机工程设计毕业设计说明书目录前 言3 第一章 绪论41.1课题研究背景41.2国内外研究现状41.3课题研究的内容61.4课题的意义61.5论文结构61.6本章小结7 第二章 自行车鞍座的人机工程设计82.1人机工程学82.2人机工程学的定义82.3人机工程学的内容92.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用102.4.1自行车鞍座对舒适性的影响102.4.2鞍座的人机工程分析112.4.3现有鞍座的人机特点分析122.4.4人机工程学指导下的鞍座设计142.5本章小结16 第三章 自行车鞍座逆向设计173.1逆向工程学173.2逆向工程学的定义173.3逆向工程学的发展173.4逆向工程学的作用183.5自行车鞍座设计中逆向工程的运用183.5.1三坐标测量仪183.5.2点云图的生成193.6 imageware软件的逆向建模223.6.1 imageare软件的简介223.6.2鞍座点云图的导入imageware软件223.6.3点云的多边形化233.6.4云多边形化参数的设定243.6.5点云噪点的分析243.6.6点云噪点的删除253.6.7曲面构造分析253.6.8曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD和SurfE的构造263.7本章小结33 第四章 UG软件对鞍座表面局部造型344.1导入UG6.0中进行鞍座表面的设计344.1.1将鞍座模型导入到UG NX6.0软件中344.1.2基准平面的建立344.1.3鞍座上表面草图的构造354.1.4改进后的鞍座模型354.2本章小结36 第五章 总结与展望375.1工作总结375.2展望37 参考文献:39 致谢40前 言 随着人类社会的向前发展,绿色无碳生活慢慢的影响着全世界人们的衣、食、住、行。人们在竞相购买舒适,环保,高档轿车的同时,自行车以其独特的魅力吸引着越来越多的消费者的青睐。并且受到全世界各国的重视,纷纷增设自行车道来提高人们的生活质量和幸福指数。虽然人们能够在很短的时间里设计出各种创新型的自行车,但是人们对产品的需求并不只满足于其功能上的用途。人们越来越注重自行车人性化的设计,所以人机工程学的思想就此应运而生。? 自行车作为现代人生活和休闲的一种普通工具,它给人们带来了很多的交通方便和快乐。但是在现代社会中各种自行车的设计仍然存在着很多的缺陷比如自行车鞍座的舒适性,把手设计的合理性等。这些因素都严重的影响到消费者的审美心理,波及到自行车以后的发展前景。正因为如此基于人机工程的自行车改进和设计才显得更有必要性,才能更好的推动自行车的发展,更绿色的保护我们的环境。 在现代制造业高速发展的年代,自行车作为制造业中的一个代表,其从某种程度上反映了一个时代的科学技术发展水平,尤其是在人机工程学方面的运用,更将自行车的设计推向了人性化的过程。更加人性化的自行车设计即将登上历史的舞台,并能很好的改变自行车的发展史,更快更好的推动整个制造业产品人性化的生产。第一章 绪论1.1课题研究背景 随着人类社会的发展,人们不管在物质还是精神上都得到了很大的满足和提高。虽然在相当一段长的时间里自行车曾一度被人们遗忘,但是随着人们不断追求精神生活的丰富,自行车备受人们的青睐,进而推动了自行车的飞速发展,全世界都掀起了一种骑行自行车的狂潮。既然自行车给人们带来了这么多的快乐和方便,理所当然其改进和设计就显得越来越有必要。 在过去,人们对自行车的改进和设计只是仅存在于外观的设计和更多的力学构造分析,而忽略了人性化的设计。相反,在现在人们越来越注重人性化的产品设计。所以人机工程的思想就显得尤其重要。而鞍座作为构成自行车的重要组成部件,其设计的合理性,舒适性及美观性就会严重的影响着购买者的购买欲望,影响骑行者骑行时的安全和身体的各项组织结构。 中国以“自行车王国”著称于世,自行车曾经在很长一段时间内成为中国老百姓主要交通工具。虽然现在我国自行车产量,出口量均占世界总量 60%以上,国内消费量也居世界第一,但是我国生产的自行车仍然存在着很多的问题1。比如:长时间骑自行车的人会感觉到腰酸背疼,腹部坠胀,阴部胀疼和出现腱鞘炎等症状。针对以上各种情况,课题从人机工程的角度对自行车的鞍座进行分析,同时提出了自己的改进方法和设计理念。1.2国内外研究现状 目前,自行车的鞍座和把手的改进和设计主要是从人因工程入手。随着计算机技术的发展,普遍采用的改进和设计理念是利用人体工效学和人体解剖学的知识同时结合着反求工程进行曲面建模。由于我国的工业工程起步较晚,所以与国外对自行车的鞍座和把手的改进和设计还是存在着一定的差距,不少国内的自行车生产商虽然意识到人因工程这一方面的知识对自行车设计和改进的重要性,但是他们却很少将自行车的改进和设计落实到实处,仅仅只是从自行车的外观入手或者直接购买国外的自行车设计方案,并不考虑外国人的人体测量数据和中国人是不同的,单纯的进行傻瓜式的生产。针对中国自行车行业存在的这些问题,我国的部分高校,研究所等单位已经开始运用人因工程学的知识进行自行车的改进和设计。 2004年,宁波大学尹玲从人机工程学的角度分析了造成机不适于人的因素,对部分零部件进行改进,协调自行车整体,同时为自行车生产商提供了有意义的参考数据3。 2005年,黄海波、丁玉兰以人机工程学、医学、力学和美学等学科的理论为依据,对鞍座进行了全方位综合研究,得出较为科学的自行车鞍座设计方法,并在此思想基础上设计了自行车鞍座的创新方案4。 2006年,四川大学李霞通过对鞍座的人机工程学和相关理论的研究,设计出了多种创新式的自行车鞍座5。 2006年,四川大学张巾爽运用人体测量学、身体运动学等理论、成果,参照相应的国家标准,提出设计思想设计方法,研究设计出符合人机系统适配理念的自行车座位及把手设计,为设计者进行人机系统适配设计提供有效的辅助工具6。 2006年,昆明理工大学林霜结合人机工程学的理论及人机分析软件-MannequinPRO人机仿真系统软件。对人骑行自行车的姿态进行了分析,总结出影响骑姿的主要因素:车架形态与车架大小、车把与鞍座之间的相对位置和鞍座与脚踏之间的相对位置等。然后,从人机学和医学等角度分析现有自行车设计中所存在的不合理部位,如自行车鞍座的高度、宽度和座面倾角等;车把的高度、宽度、把套形状、把手弯度和闸把的位置,并进一步提出了自己的改进意见7。 2007年,西安交通大学张海青从人因工程学角度,运用人体测量学、身体运动学的理论对现有普通自行车的鞍座和把手存在的的一些不符合人体工效学要求的缺陷进行了分析,并且提出了自己的改进意见1。 美国的SPiderflex公司运用人机工程学设计出Spider自行车鞍座, 从而真正解决了鞍座设计缺陷导致人体的生理压力以及心理压力8。美国MOONSADDLE公司设计的月牙型人机工程鞍座,成功的避免坐骨生殖区的压迫9。 新西兰的工业设计工程大学在自行车的效用方面作了研究,提出了自行车设计中必须考虑鞍座的舒适性,必须对骑行者骑行时进行动态测量,必须对手指存在原则的效用性进行分析。该研究对自行车的鞍座改进设计提供了丰富的理论和数据依据,为制造商生产顾客需求的自行车和富有吸引力的自行车创造了有利的条件,为自行车向人性化发展提供了方向10。 德国健康中心?Deutsche SPorthoeheschule和比利时的妇科医学部门?center HoSpitalier universitaire Burgmann在2003年联合研究两种自行车(带洞和无洞)鞍座对女性阴部一定压力。其对鞍座本身和单位面积所承受的压力等进行了客观受力分析,同时运用Easystat3.4软件对数据进行分析。最终得出结论建议女性骑带洞的鞍座11。1.3课题研究的内容 针对自行车的鞍座进行人因工程学的分析,并结合着人体测量学和解剖学的知识对鞍座进行改进和设计。其中人体测量学主要是运用各地区人群臀部组织的各种数据统计进行鞍座的整体轮廓的设计和鞍座座面的局部造型进而达到满足95%的人群使用。解剖学的知识主要是分析与鞍座相接触的各类人体组织形状,从而实现鞍座设计更加的符合人体组织的结构。利用三坐标测量仪对存在着缺陷的自行车鞍座进行测量并获得点云数据,应用imageware软件进行建模实现鞍座的逆向工程设计。UG软件的鞍座局部造型则是利用已经改进和设计好的各项鞍座的数据进行模型的构造,从而最终获得基于人因工程的自行车鞍座。1.4课题的意义 通过运用人体测量学,人体解剖学的知识对自行车的鞍座结构进行分析,进而实现更好的让骑行者的手掌,手臂和臀部组织处于一种舒适的骑行状态。同时从人机工程和基础工业工程的角度对自行车的鞍座进行舒适性,结构性的分析。此后采用三坐标测量仪对已有的存在缺陷的自行车鞍座进行测量,进而取得其点云数据,从而为接下来的imageware软件建模提供基本的鞍座点云数据。在此基础上利用UG软件同时结合着已经设计好的自行车鞍座的参数进行分析和局部造型,最终获得基于人因工程的自行车鞍座。很好的推动了自行车设计的向前发展,也为以后的自行车设计者提供了全新的设计理念,进一步扩大了人机工程学的影响范围。1.5论文结构 全文共分为五章,各章主要研究内容安排如下: 第一章是绪论,介绍了论文研究背景、国内外研究现状并对研究现状进行了分析,指出了现有研究与国外的差距,指出自行车人机工程研究的必要性,提出了论文的研究内容和研究意义。 第二章是自行车鞍座的人机工程设计,包括人机工程学、自行车鞍座的人机工程设计。 第三章是自行车鞍座逆向设计,主要包括Mistral070705 DEA三坐标测量仪的使用、imagewre软件的逆向建模。 第四章是UG软件对鞍座表面局部造型,主要是根据在人机工程学下设计的自行车鞍座尺寸进行造型。 第五章是总结和展望。包括工作总结和展望。1.6本章小结 随着人们生活质量水平的提高,人们除了在追求产品的功能满足之外,越来越注重对产品的人性化的设计。当然自行车作为人们平时生活中工作和休闲的一种工具,其是否能够更好的适应人们对其舒适性的满足,已经决定了自行车是否能够持续发展的一个重要标准。本章通过对自行车的国内外的研究现状等的介绍,指出了现有自行车设计存在的一些缺陷。并提出了对自行车的关键部件-鞍座的人机工程的设计思路以及设计过程中涵盖的各项技术。 第二章 自行车鞍座的人机工程设计2.1人机工程学 人机工程学是研究人?机?环境三者之间相互关系的学科,是近十几年发展起来的一门边缘性应用学科。该学科的研究目的在于设计和改进人?机?环境系统,使系统获得较高的效率和效益,同时保证人的安全、健康和舒适。使设计的机器和环境系统适合人的生理和心理等特征,达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。2.2人机工程学的定义 人机工程学是一门研究人-机-环境三者之间相互关系的学科,该学科在发展的过程中有机的融合了生理学、心理学、医学、卫生学、人体测量学、劳动科学、系统工程学、社会学和管理学等学科的知识和成果,形成了自身的理论体系、研究方法、标准和规范,研究和应用范围广泛并具有综合性。该学科的研究目的在于设计和改进人-机-环境系统,使系统获得较高的效率和效益,同时保证人的安全、健康和舒适。 由于该学科在各国的发展过程也不同,实际应用的侧重点不同,所以其定义也不尽相同。 国际人类工效学学会(International Ergonomics Association,简称IEA)将该学科定义为:研究人在某种工作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素;研究人和机器及环境的相互作用;研究在工作中、生活中和休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒服等问题。 中国企业管理百科全书将其定义为:研究人和机器、环境的相互作用及其合理结合,使设计的机器和环境系统适合人的生理、心理等特征达到在生产中提高效率、安全、健康和舒适的目的。 2.3人机工程学的内容 人机工程学的研究包括理论研究和应用研究两个方面,由于各国工业基础及学科发展程度不同,学科研究的主体方向及侧重点也不同,但根本研究方向都是通过揭示人-机-环境之间相互关系到的规律,以达到确保人-机-环境系统总体的最优化。其主要内容包括以下几个方面: (1)研究人的生理与心理特性。人的心理、心理特性和能力限度,是人-机-环境系统优化的基础。对其进行研究主要是对人-机-环境系统进行设计和改善,以及制定有关标准提供科学依据,使设计的工作系统及机器、作业、环境都更好地适应于人,创造高效、安全、健康和舒适的工作条件。 (2)研究人机系统总体设计。人机系统的效能取决于它的总体设计。系统设计的基本问题是人与机器之间的分工以及人与机器之间如何有效地进行信息交流等问题。 (3)研究人机界面设计。在人机系统中,人与机相互作用的过程,就是利用人机界面上的显示器与控制器,实现人与机的信息交换的过程。研究人机界面的组成并使其优化匹配,产品就会在功能、质量、可靠性、造型及外观等方面得到改进和提高,也会增加产品的技术含量和附加值。 (4)研究工作场所设计和改善。工作场所设计的合理性,对人的工作效率有直接影响。 (5)研究工作环境及其改善。任何人机系统都处于一定的环境之中,因此人机系统的功能不能不受环境因素影响,人与机相比,受影响的程度更大。 (6)研究作业方法及其改善。作业是人机关系的主要表现形式,也是人机系统的工作过程,只有通过作业才能产生系统的成果。 (7)研究系统的安全性和可靠性。人机系统已向高度精密、复杂和快速化发展。人机工程要研究人为失误的特征和规律,人的可靠性和安全性,找出导致人为失误的各种因素,以改进人-机-环境系统,通过主观和客观因素的相互补充和协调,克服不安全因素,搞好系统安全管理工作。 (8)研究组织与管理的效率。人-机-环境系统的研究应与组织、管理、文化和社会相适应。2.4人机工程在自行车鞍座设计中的应用 鞍座作为自行车的关键部件之一,其设计的好坏直接影响着骑行者骑行的舒适性,更严重的是经常骑行设计不合理的鞍座坐垫会给骑行者臀部的会阴区的各种组织和血管产生压迫,影响人体各项机能的正常工作。所以自行车鞍座的设计已经显得刻不容缓。为了解决上述自行车不合理鞍座产生的影响,人机工程的自行车鞍座设计为我们提供了一个很好的解决方法。有利的推动了自行车的快速发展,使自行车更受消费者的青睐。2.4.1自行车鞍座对舒适性的影响 自行车虽已有两百多年的历史,但其设计方面仍存在很多问题,骑乘者抱怨最多的莫过于骑行舒适性问题。而鞍座是支撑自行车骑乘者体重的主要零部件,其设计对骑乘者的健康和骑行舒适性有着很大的影响。由于骑车时会阴部长时间受到挤压,致使前列腺或阴部充血肿胀而发生炎症12。根据图2-1所示人体臀部组织在自行车鞍座上的分布简图可知,当骑乘者位于鞍座上时,鞍座会压迫到位于坐骨结节和耻骨联合部之间的坐骨生殖区,该处的组织里含有丰富的血管、软组织和大量的神经及神经末梢。 图2-1人体臀部组织在鞍座上的分布在骑行过程中,骑乘者的大部分体重会压迫到这些血管和神经,造成会阴区的疼痛和麻木。同时会阴区深层中含有泌尿组织、血管及生殖动脉和传导神经,骑行中骑乘者体重的压迫也会造成生殖区域的缺血和麻木,严重时还会导致生殖系统功能障碍。这也就是骑自行车引起会阴胀痛、臀部疼痛,长时间骑行后还会感到阴部发麻,甚至会引起尿痛、尿频、睾丸疼痛等症状的主要原因。另外,据一家外国机构的调查研究统计,骑自行车的男士中,90%以上的人的睾丸存在畸形;50%的被调查人群会感到阴囊不适或存在勃起障碍13。2.4.2鞍座的人机工程分析 (1)坐姿时的脊柱形态 处于坐姿状态时,人的身体主要由脊柱、骨盆、腿和脚支撑。不同坐姿下的脊柱形态不同。在良好的自然坐姿状态下,各椎间盘上压力分布适当且肌肉组织承受均匀的静负荷。而处于非自然坐姿下,椎间盘压力分布不正常,容易产生腰部疼痛和疲劳等不适。从坐姿生理学角度来讲,鞍座的尺寸和结构设计应能使骑乘者处于或接近自然坐姿,保证正常的脊柱形态和腰弧曲线以降低疲劳减少腰部疼痛等不适。 (2)坐姿体压分布 当人处于坐姿状态时,人的身体重量主要由坐垫和靠背承担,因此坐姿体压分布包括坐垫上的体压分布和靠背上的体压分布两部分。坐姿状态下,由人体组织的解剖学特性可知,与鞍座紧密接触的是最能承受压力的臀部的两块坐骨结节,约25cm2的部位支撑着75%的人体重量,时间久了便会感到疲劳,造成臀部疼痛。图2-2所示为坐姿时坐垫上的压力分布图14。可见在坐姿状态下,其坐骨结节处压力最大,向四周逐渐减少,到大腿部位时压力降至最低,即为鞍座设计的压力不均匀分布原则。靠背上的体压分布同样也不均匀,就带靠背的自行车鞍座而言,压力主要集中在腰椎部位,由此向外逐渐降低。图2-2坐姿时坐垫上的体压分布 (3)股骨受力分析 坐姿时坐骨结节承受大部分的身体重量,当座面接近水平状态时,位于坐骨结节外侧的股骨处于正常的位置(如图2-3)而不会受到过分压迫使人觉得舒适;而当座面呈斗型(凹式三角形)时,会使股骨因受到压迫而向上转动(如图2-4)并承受载荷,且还会使髋部肌肉受压从而引起不舒适感。 图2-3股骨正常位置 图2-4股骨受压迫位置2.4.3现有鞍座的人机特点分析 在自行车的发展演变过程中,鞍座的设计也有了很大的改进,在设计过程中越来越重视安全和舒适性,由过去的硬质材料鞍座发展为座面采用较为柔软的材料制成的鞍座,并通过凹陷、凿孔等方法来减少对骑乘者生殖区的压迫。(1)镂空型鞍座 如图2-5所示,鞍座中间的镂空有效的地减少了鞍座对骑乘者会阴区的压迫,但镂空的设计使得骑乘者的重量主要集中在坐骨结节处且镂空边缘的尖角会给与其接触的部位造成不适。图2-6所示为局部凹陷的鞍座设计,与中间开孔的鞍座相比,孔边缘的避免巧妙地减轻了对骑乘者会阴部的压力。鞍座设计者将最大限度的减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴区软组织、血管和神经的压迫作为鞍座设计准则,除通过凿孔、凹陷等方法来实现这一准则外,还通过改变鞍座形状来实践该设计准则,故出现了一些外观造型独特的鞍座设计,如月牙型鞍座、直杆型鞍座以及造型独特的分离型自行车鞍座。 图2-5镂空型鞍座 图2-6局部凹陷的自行车鞍座(2)月牙型自行车鞍座 图 2-7 为美国 MOONSADDLE 公司15所设计的月牙型鞍座,该鞍座成功地避免了对骑乘者坐骨生殖区器官和组织的压迫。因其缺乏前部必要支撑,骑乘者会感觉到缺乏安全性,同时月牙型的造型会给上下车带来不便且会影响骑乘者的腿部运动。 图2-7月牙型自行车鞍座(3)直杆型自行车鞍座 直杆型自行车鞍座16(图2-8)仅仅由一个横向的直杆构成,没有了普通自行车鞍座前部的窄小部分,避免了对人体坐骨生殖区的压迫和摩擦,不会对会阴区的血管和神经造成压迫。但由此带来的问题是骑乘者会前倾身体以保持身体的稳定性,从而会加重上肢负担而加速疲劳。并且因其形态设计大大减少了骑乘者臀部与鞍座的接触面积,因而在骑行过程中骑乘者的坐骨结节和臀大肌所承受的压力会大大增加,这将加速了臀部肌肉的疲劳和疼痛。 图2-8直杆型自行车鞍座(4)分离型自行车鞍座 图 2-9 所示是由河北双燕鞍座厂推出的一款造型新颖、独特的自行车鞍座,由于它由左右两部分构成,故称其为“分离型鞍座”。其舒适性特点同镂空型以及月牙型鞍座相似。 图2-9分离型自行车鞍座 2.4.4人机工程学指导下的鞍座设计 鞍座的人机工程学设计一直是围绕着如何减少对骑乘者坐骨生殖区和会阴区的摩擦和压迫进行的,除此之外还应考虑以下因素:保证骑乘者在鞍座上处于或接近自然坐姿;保证股骨于正常位置受力;保证骑乘蹬踏运动的灵活性;保证骑乘过程中的坐姿稳定性;寻求最佳的鞍座尺寸、结构和坐垫材料。(1)鞍座结构设计 鞍座座面的设计采用局部凹陷的结构以减少对骑乘者坐骨生殖区造成的压迫,同时在鞍座上表面在人体会阴区部位的鞍座接触面设计为网状结构,增加会阴区的舒适度和透气性。(2)鞍座尺寸设计 鞍座尺寸设计参数主要包括座面宽度、鞍座长度、座面倾角。鞍座尺寸设计的依据主要是人体的生理结构尺寸。鞍座后端的宽度保证了骑乘者位于鞍座上时坐骨结节间距,过小会导致坐骨结节处软组织受到挤压,过大又会影响到鞍座的平衡性。根据人体测量学,50%的人群骨盆的坐骨结节间距约为 200220 mm,在设计时还需加上适当的设计余量(4060 mm),以提高鞍座的舒适性,因此可确定普通休闲自行车的鞍座后端宽度为 240280 mm 为宜。由于女性的髋骨要宽于男性,在鞍座设计时,女式自行车的鞍座宽度要比男性的宽一些。鞍座长度由坐深以及腿部蹬踏运动的灵活性确定。鞍座过长,不仅会影响腿部蹬踏运动的灵活性,还会对人体生殖区造成压迫,过短又会降低坐姿稳定性,加速骑乘疲劳。据人体解剖学中人体结构尺寸可知,鞍座后端的长度应由坐姿状态下坐骨结节离臀部后缘的距离(100120 mm)确定,鞍座总长度则由坐姿时会阴处离臀部后缘的距离(170190mm)再加上适当余量确定,由实验测量得出,普通休闲自行车鞍座的设计余量取 50 mm 左右为宜,因此可确定鞍座长度的尺寸范围为 220240 mm。同时根据其人体臀部会阴区及坐骨区的尺寸大小在鞍座的上表面进行了局部的造型,其自行车鞍座的实体图如图2-10,自行车鞍座设计草图如图2-11。 图2-10自行车鞍座实体图 图2-11自行车鞍座设计图(3)材料选取 坐垫材料是影响鞍座舒适性的重要因素之一,同时也是骑行过程中的减震元件之一。选择坐垫材料的主要因素是其变形程度和大小,过硬的坐垫材料会增加对骑乘者坐骨结节的压力,导致臀部疼痛;过软的坐垫又会使坐骨结节陷入鞍座中,对神经和血管造成压迫,易造成与坐垫接触部位的组织和神经的缺血和麻木。在鞍座设计中,一般应采用硬质座面包覆软硬适中的坐垫材料,同时还应考虑到其透气性、防水性等特征。柔软度适中的坐垫,在保证骑乘者保持正常的腰弧曲线和合理的体压分布时,还可减少骑行路面不平整时所产生的震动冲击,起到一定的减震避震作用,进一步增强骑行舒适性。鞍座可采用透气性较好的皮革材料以利于散热。2.5本章小结 人机工程学随着时代的发展应运而生,它不仅为现代产品的开发提供了一个很好的设计思路,同时能够更好的实现产品人性化的设计,深层的体现了工业工程“以人为本”的思想。在本章的知识环节中,主要介绍了关于人机工程学方面的知识,主要包括人体测量学和人体解剖学等。其重点讲解了现有自行车鞍座存在着哪些缺陷,及从人机工程的角度出发提出了自行车鞍座改进和设计的方案,并最终获得了改进和设计后的自行车鞍座模型。第三章 自行车鞍座逆向设计3.1逆向工程学 逆向工程是相对于现在的正向工程而言,正向工程就是先设计图纸,然后按图纸加工出产品实物,而逆向工程是以目前已有的实物通过三维激光超数及逆向软件处理,还原为电脑模型,并且可以修改和改进。3.2逆向工程学的定义 逆向工程学是指从实物上采集大量的三维坐标点,并由此建立该物体的几何模型,进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反,是先有实物后有模型。仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。该项技术与快速成型技术相结合,可以实现产品的快速三维拷贝,并经过CAD重新建模修改或快速成型工艺参数的调整,还可以实现零件或模型的变异复原。3.3逆向工程学的发展 1980年开始,欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程领域。1990年初期,各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。逆向软件的演进大约可区分为三个阶段:2000年前,在逆向工程上,只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在2003年前技术成熟,广为业界引用。到2007年后,发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算,速度快。 1998年,NEWPOWER启动了逆向工程的一些项目,要求是把客户的现有源代码转变成设计,如果需要的话,进一步转化成产品需求规约。这恰恰与类似于V模型的标准开发过程模型相逆。这样一来,客户就可以容易地维护他们的产品(需求,设计,源代码等等),而不需要想以前那样,每次改动产品都需要直接修改源代码。 截止2011年,逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作,发展到采用先进的计算机及测量设备,进行设计、分析、制造等活动,如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。 3.4逆向工程学的作用 逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域,它的作用主要体现在以下几个方面:1、缩短产品的设计、开发周期,加快产品的更新换代速度;2、降低企业开发新产品的成本与风险;3、加快产品的造型和系列化的设计;4、适合单件、小批量的零件制造,特别是模具的制造,可分为直接制模与间接制模法。直接制模法:基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP系统直接制造成型。该法既不需用RP系统制作样件,也不依赖传统的模具制造工艺,对金属模具制造而言尤为快捷,是一种极具开发前景的制模方法;间接制模法:间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型,以原型作为母模、模芯或制模工具研磨模,再与传统的制模工艺相结合,制造出所需模具。3.5自行车鞍座设计中逆向工程的运用 在本次自行车鞍座设计的课题中其关键技术主要是指逆向工程设计。其主要包括三坐标测量仪的使用、imageware软件的建模、鞍座尺寸在UG软件的改进和设计。 l三坐标测量仪的使用:三坐标测量仪三轴均有气源制动开关及微动装置,可实现单轴的精密传动,数据采集系统采用高性能手动三坐标专用系统,可靠性好。应用于产品设计、模具装备、齿轮测量、叶片测量机械制造、工装夹具、汽摩配件、电子电器。 2 imageware软件的建模:imageware软件提供了独特,综合的自由曲面构造和检测,其通过对点云的处理,各种特征曲线和轮廓线的获取,最后构造出设计者所需要的模型,其主要运用在逆向工程的建模过程。 (3)鞍座表面尺寸在UG软件的改进和设计:UG为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段,在本次毕业设计课题中UG软件主要用于鞍座座面尺寸的改变及座面造型。3.5.1三坐标测量仪 三坐标测量仪是一种高效、新颖的精密测量仪器。它广泛应用于机械制造、电子工业、航空工业等各领域。应用三坐标测量机可对直线坐标、平面坐标以及空间三维尺寸进行测量,可以测量球体直径、球心坐标、曲线曲面轮廓、各种角度关系以及凸轮、叶片等复杂零件的几何尺寸和形状位置误差。 三坐标测量机精度高,速度快,软件功能强大,是测量行业不可或缺的高级仪器。 三坐标测量机的测量时,将被测物置于测量空间,通过测量获得各测量点的坐标位置,然后根据这些测点坐标值计算得出被测的几何尺寸、形状和位置。 三坐标测量机一般有主机、测头和电气系统组成。标尺系统可分为机械式测量系统、光学式测量系统和电气式测量系统;三坐标测量机测头可分为硬测头(机械测头)、电气测头(电触、电感、电容、应变片、压电晶体等)和光学侧头(光电检测器件)等。 利用三坐标测量机测量时,测量路径规划的基本原则是安全、路径短、速度快、行走路线自然,即有序、快速、高效地探测分布在元素表面的各实际点的坐标,并保证在检测过程中测头与工件不发生碰撞。3.5.2点云图的生成(1)设置测头的种类和数量 测头的种类不同决定了测量的精确性,根据鞍座点云的构造,选择测头的种类和数量。其具体的操作步骤如下:新建测头文件单击添加角。此时弹出测头功能对话框如图3-1所示。图3-1测头功能对话框(2)校准测头 选中活动测尖列表中的某一测头,单击测量按钮则弹出测量测头的对话框,如图3-2所示。图3-2 测量测头对话框(3)建立坐标系 在精确的测量工作中,正确的建立坐标系,与具有精确的测量机,校验好的测头一样重要。由于工件图纸都是设计基准的,所有尺寸都是与设计基准相关的,要得到一个正确的检验报告,就必须建立零件坐标系,同时在批量工作的检验过程中,只需建立好零件坐标系即可运行程序,从而更快捷有效。建立坐标系(如图3-3)的具体步骤如下: (1)在功能块的上表面测3个点,建立平面1;侧面测2个点,建立直线1;在相邻的侧面测1个点,建立1个点。 (2)在pcdmis中选“插入”“坐标系”打开建立坐标系功能对话框,选中平面1,然后设定第一个坐标轴为Z正,点击“找平”,此时建立了第一个轴向。 (3)再次打开建立坐标系对话框,选直线1,然后选“围绕Z正” “旋转到X正”,点“旋转”。 (4)点击“确定”,至此已经新建了一个零件坐标系。 图3-3 建立坐标系A1(4)点云测量 根据鞍座表面测量的需要,决定对鞍座表面进行扫描测量,从而分析它的曲面轮廓误差,或进行零件测绘来获取测量数据,进而实现imageware软件的造型。其具体的操作过程如下:测量模式转换为DCC模式插入片区。从而弹出片区扫描对话框如图3-4,同时选中方向1方法的下拉列表框的变量选项。其次单击创建按钮则可获得如图3-5的点云图和点云坐标值。图3-4 片区扫描对话框图3-5 点云图及点云坐标3.6 imageware软件的逆向建模3.6.1 imageare软件的简介 Imageware 由美国EDS 公司出品,后被德国Siemens PLM Software所收购,现在并入旗下的NX产品线,是最著名的逆向工程软件,Imageware因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。 Imageware拥有广大的用户群,国外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、raytheon、Toyota等著名国际大公司,国内则有上海大众、上海交大、上海 DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。 3.6.2鞍座点云图的导入imageware软件 将三坐标测量仪获得的鞍座点云图导入imageware12.1软件中,其具体的操作步骤如下:使用菜单命令FileImportGraphics imageBrowse,得到如图3-6所示的点云图。图3-6 鞍座点云图3.6.3点云的多边形化 为了更加清楚地分析点云,对点云进行多边形化。如图3-7所示。图3-7 Polygonize Cloud对话框3.6.4云多边形化参数的设定图3-8 多边形点云化 在Polygonize Cloud对话框中分别设置.Similar Distance为“0.1”,Neighborhood Size为“15”,然后单击Apply按钮,点云被多边形化,如图3-8所示。3.6.5点云噪点的分析 对多边形化的点云进行分析,点云存在着离散的噪点,如图3-9所示。 图3-9 删除噪点3.6.6点云噪点的删除 在Pick Delete points对话框中单击Apply按钮,离散的噪点被删除,如图3-10所示图3-10噪点被删除3.6.7曲面构造分析 为了后面的曲面构造,需要对点云分析进行分块处理,以便构造相应的曲面。根据点云的特征,对点云进行分块如图3-11所示。 图3-11 点云分块 在图3-6中,利用点云A、B、C、D和E分别构造曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD、SurfE,利用曲面A与曲面C进行倒圆角操作构造曲面F;利用曲面A与曲面B进行倒圆角操作构造曲面G;利用曲面A与曲面E进行倒圆角操作构造曲面H。3.6.8曲面SurfA、SurfB、SurfC、SurfD和SurfE的构造 1.曲面SurfA 构造图3-12 分析点云曲率 (1)分析点云曲率,选择EvaluateCurvatureCloud Curvature命令,弹出Cloud Curvature Contours对话框,在Clouds 列表框中选择iges_data_points选项,Neighborhood Size设置为“5”,单击Apply按钮完成对点云iges_data_points的曲率分析,如图3-12所示。 (2)选择ConstructFeature LineSharp Edeges命令,弹出sharp Edeges Feature Lines对话框,单击Compute Curvature,其它的参数设置为默认值,接着单击Apply按钮,此时鞍座点云会生成一些曲率轮廓线。如图3-13所示:图3-13 利用Sharp Edeges构造点云 (3)选择DisplayPointJust show Selected命令,弹出Just Show Selected Clouds对话框,在Just Show Selected Clouds对话框,在Just Show Selected Clouds对话框的Clouds列表框中选择iges_data_points选项,单击Apply按钮,此时在视图中只显示点云iges_data_points,如图3-14所示。 图3-14利用Just show Selected Clouds只显示iges_data_points13 (4)选择ModifyExtractCircle-Select point命令,弹出Circle-Select point对话框,在Cloud列表框中选择iges_data_points13,其他选项的设置如图3-15所示,然后选择Select Screen Points单选按钮,在视图中点云A的周围单击鼠标左键构造多边形线,使点云A的区域在视图的方向上包围在多边形中,在对话框中单击Apply按钮,此时点云被分割为两部分,分别是iges_data_points13 in 和iges_data_points13 out ,如图3-15所示。图3-15 点云被分割为两部分 (5)点云Iges_data_points13 in 即为点云A,为了后面管理方便,将点云Iges_data_points13 in更名为A。选择EditChange Entity Name命令,弹出Change Entity Name对话框,在Object列表框选择Iges_data_points13 in选项,并在New Name文本框中输入A,单击Apply按钮,点云Iges_data_points13 in将更名为A,如图3-16所示。图3-16 iges_data_point13更名为A (6)分析点云A,确定曲面类型是自由曲面还是基本曲面。通过点云A的曲率可知,该点云曲率的颜色是渐变的,所以可以确定曲面A是曲面类型。 (7)由于本次点云测量的误差较大,所以采用创建边界线的形式的进行曲面的构造,同时为以下的曲面的修剪做好轮廓线的准备。其具体的操作步骤入下:Create3D Curve3D B-Spline,如图3-17图3-17 轮廓线的绘制 (7)选择ConstructSurface from CouldUniform Surface命令,在弹出的Uniform Surface对话框中设置Cloud选项为A,在Uniform Surface对话框中单击Apply按钮,生成曲面Uniform Surface,如图3-18所示。 图3-18 分析点云(A点云构造曲面SurfA) (8)对曲面Uniform Surface进行延伸操作。选择ModifyExtend命令,弹出Extend对话框,设置Surface/Curve Edge选项为iges_crv_on_srf5,选择All Sides复选框,将Distance设置为“15”,单击Appiy按钮,曲面iges_crv_on_srf5被延伸,如图3-14所示。图3-14对曲面iges_crv_on_srf5进行延伸操作 (9)曲面Fitsrf即为Surf A,为了后面管理方便,将曲面Fitsrf更名为Surf A,选择EditChange Entity Name 命令,弹出Change Entity Name对话框,在Object列表框中选择Fitsrf选项,并在New Name文本输入Surf A,单击Apply按钮,曲面Fitsrf更名为Surf A,如图3-15所示。 图3-15 Fitsrf更名为Surf A (10)检查曲面Surf A的精度。选择MeasureSurface toCloud Difference命令,在弹出的Surface to Cloud Difference的对话框中按如图3-16所示进行设置。图3-16检查曲面Surf A的精度 (11)在Surface to Cloud Difference对话框中单击Apply按钮,弹出Display Difference对话框及相应的分析结果,如图3-17所示。从分析结果可知,最大偏差为0.9993mm,符合要求。图3-17 Disply Difference对话框及分析结果至此曲面Surf A构造完毕。 其他曲面B、C、D、E、F、G、H按照相似的方法进行曲面造型。从而可得到如图3-18鞍座的逆向曲面造型。图3-18鞍座的逆向曲面造型3.7本章小结 Imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程,并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型,为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。 Imageware 提供了模块化的产品来满足用户的不同需求,这样的设计完全