反求工程的教案

反求工程的教案第1页/共80页5.1.1光顺的概念对平面曲线：1）曲线C2阶连续；2）没有多余拐点；3）曲率变化均匀；对空间曲线：1）曲线C2阶连续；2）没有多余拐点、变挠点；3）曲率与挠率变化均匀；

5.1车身曲线曲面光顺第2页/共80页曲面光顺准则：1）关键曲线光顺；2）网格线没有多余拐点；3）主曲率变化均匀；4）高斯曲率变化均与。高斯曲率：曲面论中最重要的内蕴几何量。设曲面在P点处的两个主曲率为k1，k2，它们的乘积k＝k1·k2称为曲面于该点的总曲率或高斯曲率。它反映了曲面的一股弯曲程度。

5.1车身曲线曲面光顺第3页/共80页5.1.2车身曲线光顺第4页/共80页5.1.2车身曲线光顺第5页/共80页5.1.3车身曲面光顺包括：网格线光顺、能量法P103检查方法：基于曲率(颜色映射、绘制等曲率线、主曲率线等)；

基于光照（等照度线、反射线）P103-105第6页/共80页7几何造型技术是一项研究在计算机中，如何表达物体模型形状的技术。描述物体的三维模型有三种:

线框模型、曲面模型和实体模型。

教材P1065.2车身CAD建模5.2.1车身CAD模型分类第7页/共80页81、建模步骤（P107）前期准备。二维效果图。三维CAD曲面造型。实体结构分析。实物模型。5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型第8页/共80页92、车身曲面建模的一般过程（P108）利用三坐标测量机测量数据点。生成三维光顺曲线。由曲线生成曲面。裁剪和过渡（桥接）。评价、检查。5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型第9页/共80页103、A级曲面（P108）G2连续。特征网格均匀分布。曲率方向一致。桥接后的阶数一致。5.2.2车身CAD的曲面模型与实体模型第10页/共80页11汽车的设计过程A从脑到手：草图B初步定稿：草图＋说明5.3车身逆向工程第11页/共80页12第12页/共80页13五、汽车设计过程C理念表达：效果图D内部设计：内厢效果图第13页/共80页14第14页/共80页15E1/5油泥模型F1：1油泥模型第15页/共80页16第16页/共80页17G测量阶段：三维坐标测量

H最后阶段：电脑设计

第17页/共80页18风洞实验第18页/共80页19路试模拟及实车碰撞实验第19页/共80页20第20页/共80页21戴姆勒在奥地利维也纳的全球最大气候实验场第21页/共80页22乔治亚罗与亲手设计的大宇Lacetti

韩版克鲁兹第22页/共80页定义:根据产品预定的功能需求进行开发,绘制出产品设计图,制造并进行装配,得到功能完整的产品的开发模式。过程确定功能与规格。构思零部件需求。零部件设计制造。零部件组装检验。整机组装检验。性能测试。正向工程第23页/共80页逆向工程

(ReverseEngineering),又称为,反求工程等定义:逆向工程是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术,几何模型重建技术和产品制造技术的总称,是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖,深化和再创造的过程逆向工程定义第24页/共80页汽车造型油模外形测量第25页/共80页设计草图油土石膏模型测绘特征线三角嵌片涂彩细腻涂彩第26页/共80页第27页/共80页正向工程设计从实现某一功能的概念开始要对产品进行功能分析,在满足功能要求的前提下选择合适的结构组合成产品雏形,再根据约束条件来修正,直至产品定型.难点/关键在于充分了解产品的使用要求,找到合理的物化过程和物化结构逆向工程与正向工程的区别第28页/共80页逆向工程几何实现的设计过程,产品设计是从模型数字化的实现过程开始的,对已有产品的仿制或仅局部修改,对产品的功能不做主要因素考虑,难点/关键在于模型的重构技术(对已有模型进行合理几何表达的方法)逆向工程与正向工程的区别第29页/共80页正向工程概念设计详细设计数字化模型的实现数字化模型的物化成品功能需求设计人员功能尺寸信息设计标准设计人员设计标准详细结构信息设计人员设计标准CAD/CAM系统工艺标准操作人员工艺清单操作规程NC机床NC程序功能导向(Functionally-oriented)对象导向(Object-oriented)预定模式(Prescriptivemodel)第30页/共80页逆向工程初始数据获得数字化模型实现数字化模型的物化成品设计人员操作人员技术要求测量方案操作规程CMM测绘工具点云模型/测量数据模型/样件设计标准工艺标准设计人员CAD/CAM系统工艺清单操作规程操作人员NC机床NC程序功能导向(Functionally-oriented)描述模式(Descriptivemodel)系统仿造(Systemas-is)第31页/共80页针对一现有工件(样品或模型),利用3D数字化量测仪器准确快速地获得轮廓坐标,并加以建构曲面编辑修改后传至一般的CAD/CAM系统,将CAM产生的NC加工路径送至CNC加工机,制作所需模具或者送到快速成型机(Rapidprototyping)将样品模型制作出来。基于几何反求的逆向工程第32页/共80页逆向工程步骤了解要求(客户,产品性能要求等)，这将决定设计工作量了解设计条件，含测量手段、生产条件产品测量。获取重构电子模型所需数据，最常用三视图的2D轮廓和特征轮廓（曲面）第33页/共80页逆向工程过程

第34页/共80页合并调整点云曲率滤波点45,000,000100,000划网格后处理合并反求输出划网格滤波扫描几何逆向工程第35页/共80页逆向工程注意事项在反求CAD模型过程，出现扭曲现象时，要使用虚构方法进行重建，捕捉原作品的设计思想，反求原始曲面，再进行修剪，保证所需曲面的光顺产品精度要求高时，需对设计结果与原件比较，检测手段:在电脑上作比较轮廓打印制造模型快速成形最终产品还要考虑缩水或回弹及其它一些工艺问题第36页/共80页鞋揎的扫描和反求汽车造型的扫描和反求复杂曲面的反求逆向工程的应用第37页/共80页骨骼的扫描及反求第38页/共80页牙颌的点云和反求第39页/共80页颅骨的点云和反求狗头部的点云和反求人面部部的点云和反求第40页/共80页表面重建应用于影视动画技术第41页/共80页点云网格艺术品的点云和反求第42页/共80页逆向工程的关键技术实物（产品）尺寸的三维测量技术测量数据的前处理技术。包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化，等等测量数据的CAD反向建模技术。包括：测量数据的分割和曲面拟合，被测实物的CAD模型重构技术等。逆向工程的接口技术。包括：测量数据与快速成形系统的接口（STL文件），测量数据与CNC设备的接口（DXF、IGES、点云文件），测量数据与CAD/CAM系统的接口（DXF、IGES、STEP文件），以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。第43页/共80页逆向工程的应用举例第44页/共80页前期准备:如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。扫描过程:叶轮的整个外形都需要扫描，无法一次扫描完成。根据叶轮的形状，把其分成上下2部分，分别扫描。然后在ATOS软件中，通过公共参考点把分别扫描所得的两个文件合并为一个整体。水泵叶轮实物照片

逆向工程用于水泵叶轮测量和加工第45页/共80页叶轮外形尺寸为φ370×85。对扫描系统校准后，即可对水泵叶轮上下部分多个角度的不同方位进行扫描扫描软件依据参考点，把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个叶轮外形的扫描扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的叶轮外形点云文件。输出STL文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理

ATOS扫描仪扫描的水泵叶轮原始点云水泵叶轮扫描过程第46页/共80页对点云进行处理Imageware软件调入点云文件，依据其特征做出一些辅助基准，进行方位对齐，为提取截面线做准备。过滤点云数据中的杂点，对其进行优化，删除不必要的点，适当降低点云密度，可加快计算机处理速度。特征线的提取第47页/共80页特征线的提取根据叶轮外形特点，划分出二次曲面的区域。对点云进行分割，把这些二次曲面拟合构造平面、圆柱面或球面，或直接做出特征。叶轮与轴连接部位是内螺旋槽，测量十分困难。关键是做出螺旋线，测量出螺距，最后构造标准螺旋线。以孔中心为圆点作圆并投影在螺旋面点云上，产生螺旋截面线点云，拟合产生螺旋线，裁剪螺旋线得到半圈的螺旋线，通过两头端点计算得出螺旋线的螺距为(29.86mm)。为求得更精确的螺距，可多做几个大小不同的圆，求其均值。第48页/共80页特征线分析为了确保重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，都要随时检测点云和曲线之间的偏差。确保特征线在偏差允许范围内，以保证与原型的一致性。螺旋线偏差分析结果如图所示。第49页/共80页构建曲面模型

在UGNX中直接读取Imageware软件的*.IMW格式文件把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UGNX中，并保证坐标系的一致性。对调入的曲线进行分析，并对曲线进行光顺处理，或对曲线进行重构和编辑。使用UGNX的特征造型和曲面造型功能，最终完成水泵叶轮的三维造型。第50页/共80页构建曲面模型

完成三维造型后，反过来可利用UGNX软件重构的三维模型读入Imageware软件中，比较分析重构的三维模型和扫描的点云之间的偏差。用彩色云图将差异显示出来，可直观地了解曲面与点云间的差异，并且可指定一个可接受的公差带，求出在公差带内点的数量，检测逆向扫描测量的精确性。

第51页/共80页利用逆向工程进行产品检验

利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。首先对加工零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数字模型一起调入逆向工程软件Imageware中，分析比较二个模型间的偏差，用彩色云图将差异显示出来，从而检测零件的加工精度。逆向工程技术不但在单件加工上可以很方便地对复杂零件进行检测，而且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便。如注塑件手机的外壳，就可以利用逆向工程技术很快地完成检测工作。第52页/共80页汽车试制车间用逆向工程系统进行质量检测汽车试制子公司有大量的零件要进行检测,利用逆向工程系统可对零件进行全尺寸质量检测,并自动生成质检报表,大大提高了效率

实测钣金点云的STL文件点云与CAD数据的比对结果第53页/共80页精细件—上海阿尔卡特手机反求点云第54页/共80页精细件—上海阿尔卡特手机曲面重构第55页/共80页逆向工程技术(RE)：该技术采用三角光学法、光栅投影法、数字照相系统、层切法、计算机断层扫描CT（ComputedTomography）等方法获得已有产品原型的表面CAD数据，可以快速实现产品的改型设计。

RE技术在汽车研制过程中的应用第56页/共80页福萊尔轿车车灯设计第57页/共80页轿车内饰结构设计第58页/共80页客车内饰仪表盘设计第59页/共80页软件：Pro/E、UG、Cetia、Solidwork、SolidEdge、Ideas、ANSYS、Nastran、AUTOFORM、DYNAFORM、SURFACER、DELCAM等正版软件人员：专业反求人员硬件：LSH600光切反求设备——汽车内饰件外形测量Faro大场景反求设备——汽车外覆盖件测量SL350层切法反求设备——汽车零件复杂内型腔表面测量逆向工程工作基础第60页/共80页汽车车型反求工程流程图第61页/共80页激光扫描反求设备——LSH系列适合于汽车内饰件外形测量第62页/共80页Faro移动式反求测量设备一台——适合于汽车外覆盖件测量第63页/共80页Faro移动式反求测量设备测量汽车发动机外形结构与CAD建模第64页/共80页汽车门的三维扫描采用多次扫描拼合的方法，整个车门分成14次扫描，拼合误差约为0.1mm。点距约0.5mm,点云均匀，边界清楚车门三维点云（采样后）散乱点显示渲染后的点云第65页/共80页发动机罩测量点云拼合后发动机罩测量点云拼合前新款汽车发动机罩反求测量第66页/共80页轿车车身模型——扫描测量第67页/共80页云状数据点处理第68页/共80页车身顶部平面扫描结果多视拼接结果第69页/共