基于PROE足球反求设计

.基于PRO/E的足球反求设计摘要反求工程(ReverseEngineering)这一术语起源于60年代,但对它从工程的广泛性去研究，从反求的科学性进行深化还是从90年代初刚刚开始。反求工程类似于反向推理，属于逆向思维体系。它以社会方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验,知识和创新思维，对已有的产品进行解剖，分析，重构和再创造，在工程设计领域，它具有独特的内涵，可以说它是对设计的设计。本文摘要内容是简单介绍逆向工程反求设计原理以及一个足球反求实例，首先用非接触方式测量足球实体的坐标数据，制作成点数据，然后用点数据导入PRO/E，运用PRO/E软件重新构造出足球的模型。关键词：反求工程；足球；PRO/E；非接触测量ReverseDesignofFootballBasedonPRO/EAbstractReverseEngineeringisatermthatoriginatedinthe60's,butit’sresearchfromengineeringuniversalityandit’sdeepenfromreversescientificarefromtheearly90'sjustbegun..Reverseengineeringissimilartothereversereasoning,belongingtothereversethinkingsystem.Ittakessocialmethodology,withmoderndesigntheory,method,technology,usingavarietyofprofessionalengineeringdesignexperience,knowledgeandinnovation,theproductsweredissected,analysis,reconstructionandre-creation,inthefieldofengineeringdesign,ithastheuniqueconnotation,itcanbesaidtobeondesigndesign.Inthispaper,thecontentisasimpleintroductionofreverseengineeringreversedesignprincipleaswellasafootballreverseexample.Atfirst,usingakindofnoncontactmeasurementtomeasurefootballentitycoordinatedata,madeittopointdata,andtheninportthedataintoPRO/E,UsingPROEtoconstructthemodelsoffootball.Keywords:ReverseEngineering;Football;PRO/E;noncontactmeasurement目录1引言 52反求工程简介 52.1反求工程概念 62.2反求工程的研究内容 62.3反求工程的设计步骤 62.4反向工程测量系统 73PRO/E软件介绍 83.1独立几何模块 93.2小平面特征 93.3重新造型 94足球反求设计实例 104.1新建PRT文件 104.2插入并分析点数据 104.3画正五边形 124.4确定六边形的一条边 134.5画六边形 154.6确定球心并确定球心到各边的垂直距离 174.7创建混合曲面 184.8画球体的五边形六边形快 204.9．零件组装足球及外观 245结论 27主要参考文献 29致谢 301引言反求工程技术与传统的工业产品开发形式不同，传统的工业产品开发通常是按照严谨的研究开发流程，从确定功能与规格的预期指标开始，构思产品的组件，然后进行各个组件的设计、制造以及检验，再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。此类开发工程亦通称为顺向工程，反之则为反求工程技术。反求工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目前还很少有这方面系统的论著，大多散见在各个行业的案例或设计资料中，很多企业也不愿将其反求技术公开。应该看到，反求工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中的各种复杂、高新技术，在反求工程中都会遇到如何消化吸收问题。现代设计理论和方法包括通用的(不针对具体工程专业)和专用的(针对工程专业)的两大范畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的；高次方组合曲线或曲面的零件断面，不掌握优化技术就难以消化；引进产品某些零件寿命可精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法就会是个谜，等等。反求工程包含的内容和知识面很广，不同专业产品又有不同领域。诸如原理、方案、功能、性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求符合国情的适用技术，是提高国产化零件质量的核心问题。寻找适用技术就是再创造，一旦突破，成效显著，有时可使产品上水平、上档次。2反求工程简介2.1反求工程概念反求工程(ReverseEngineering,RE),也称逆向工程、反向工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。传统的产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中形成对该产品的总体构思，然后综合各方面的要素和因素，对产品的功能、性能、结构、尺寸、形状、个技术参数等借助计算机建立三位数字化信息模型，最终有可能将这个模型转入到制造流程中，指导生产过程。所建立的三维数字化模型在后续的设计及制造环节中几乎没发挥作用，后期模型的制造还是依靠传统的手工方法制作，造成前后工作脱节。基于反求工程的设计从物质形态上讲可以认为是一个从有到无，再从无到有的过程。简单地说，反求工程产品设计就是根据已存在的产品模型，反向推出产品设计数据（包括设计图纸和数字模型）的过程。从这个意义上说反求工程在工业设计中的应用已经很久了。早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是反求工程很好的实例。在工业设计的领域内，反求工程主要应用于新产品的造型设计中，以及产品的改型及更新换代的设计过程，结合快速成型技术，快速的制造出产品样品的食物模型或模具，供设计者惊醒性能测试、直观评估和验证分析，完成产品的设计和制造。2.2反求工程的研究内容反求工程技术的研究对象多种多样，所包含的内容页比较多，主要可以分为以下三大类：(1)实物反向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折，提出再创造的关键。其中包括功能反向、性能反向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的反向。实物反向对象可以是整机、部件、组件和零件。(2)软件反向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件反向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。(3)影像反向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来反向，称为影像反向，这是反向对象中难度最大的。影像反向本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影。形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。2.3反求工程的设计步骤反求工程一般可分为四个阶段：第一步：零件原形的数字化。通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。第二步：从测量数据中提取零件原形的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。第三步:：零件原形CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。第四步:：重建CAD模型的检验与修正。采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。2.4反向工程测量系统数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现反向工程的基础和关键。[3]现有的数据采集方法主要分为两大类：(1)接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受力变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能测量到被测零件的一些细节之处，不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。(2)非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次／秒到23000次／秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响(颜色、光度、粗糙度、形状等)的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。总之，在可以应用接触式测量的情况下，不要采用非接触式测量；在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离算点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。3PRO/E软件介绍Pro/ENGINEER是位于美国波斯顿的PTC公司于1988年开发出参数化建模软件系统，并于2008年1月全球发布推出Pro/ENGINEER野火4.0版本。广泛应用于机械、电子、航天、通讯、模具、工业设计、汽车、自行车、家电、玩具等行业。其所提供的独立几何、小平面特征和重新造型等模块都可完成逆向反求工作。Pro/ENGINEER反求工程的工作模式如图3-0-1所示。点云数据点云数据数据分析独立几何小平面特征重新造型其它扫描曲线型曲线型曲面CAD模型创建修改数据处理包络处理小平面处理创建曲线创建曲面修改图3-0-13.1独立几何模块Pro/SCANTOOLS（独立几何）是一个完全集成于Pro/ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点(扫描线数据)，也可以接受散乱点云数据，且可以用来构造非A级的自由曲面,一般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。它是一种非参数化环境工具，属于超级特征，与其它特征没有父子关系。其可使用户专注于模型的特定区域，并结合各种造型方法和工具来获得期望的形状和属性。3.2小平面特征小平面建模(FacetFeature)是Pro/E逆向工程模块的一部分，其基本原理是利用模型样件的扫面点云中的每一点与其相邻的两点构成一个小三角形平面，用大量的小三角面表示曲面的大致形状。在小平面特征环境中，可对原始点云进行噪音点过滤、数据精简、数据平滑以及特征点的提取等“点”处理工作。而后的包络定义以及相关的小平面操作可以完成对“面”的操作处理。3.3重新造型重新造型是一个逆向工程模式，用来在多面(小三角形平面)数据的顶部重建或构造曲面CAD模型。重新造型多用于小平面特征之后，在小平面模型的基础上进行构造并调整曲面。4足球反求设计实例按照反求工程步骤，第一步要进行的是零件原型数据化，由于足球是一个表面几何结构式规则的，是由正五边形和正六边形拼凑而成的，所以测量数据时只要测一个正五边形和它相邻的一个正六边形坐标即可由于足球的是软的，属于易变形产品，若是用直接测量方式进行测量，那得到的数据肯定有很大的误差，所以只能采用非接触测量方式。用光学测量仪对其进行测量，然后制作成点数据，再导入到PRO/E软件中进行足球模型重建。4.1新建PRT文件打开PRO/E软件，点击文件菜单下的新建项，弹出4-1-1图界面，选择零件，并可在此时为零件命名。将使用缺省模版前的勾取消，点击确定出现4-图4-1-1图44.2插入并分析点数据在菜单栏中点击插入选项，选择共享数据，再点击自文件，如4-2-1所示，将以准备好的点数据导入到工作面板中，并弹出如图4图4图4导入点数据点击右边工具栏中草绘图标并选择FRONT面做基准面，计入草绘状态。图4首先点击分析菜单中的距离测量选项，测量五边形的中心到五边形两边的距离是否相等（如图4-2-4所示）以确定该五边形在FRONT面内是否关于中心轴对称，该实例中测得两边的距离分别是21.5621和21.5716，在误差很小的范围内是对称的。在工具栏中找到辅助线，贴着五边形的三条边缘作辅助线。使用工具栏中画圆工具中的三点画圆，分别选中三条辅助线的焦点，拖动鼠标使圆心落在五边形的中心，如图4图4-2-4 图44.3画正五边形修改圆的直径，可以估算圆的直径为50.00，并使用直线工具在院中画出一个五边形，并用约束工具将五分别分别约束相等，这样便可确定出五边形。如图4-3-1所示，隐藏点数据如图4图4-3-2 图4选中途中的圆，并长按鼠标右键，点击构建选项，如图4-3-4所示，将圆构建变成辅助线，如图 图4-3-4 图44.4确定六边形的一条边点击草绘工具，选择FRONT面作为基准面，进入草绘2，在工具栏中找到通过边创建图元命令，点击并选择五边形的一条边，如图4-4-1图4在工具栏中找到辅助线沿着刚刚选择的边做一条辅助线，如图4-4-2图4在工具栏中找到直线工具从五边形的一个顶点开始画一条线段，并用约束工具将其长度与五边形长度约束相等。再将其与辅助线的夹角修改为120度，昨晚所有操作，删除创建的图元及辅助线，如图4-4-3图4用同样的方式用另一条边也画出同样的两一条线段，完成草绘3，退出草绘如图4-4-4图4选中草绘2，点击工具栏中图标，并设置为180度曲面旋转。并用同样的方式对草绘3进行曲面旋转，得到旋转面1和旋转面2，如图4-4-5所示图。图4同时选中旋转面1和旋转面2，点击编辑菜单中的相交命令，得到两个曲面的交线，这条交线就是足球零件中六边形的一条边，如图4-4-6图44.5画六边形首先要确定六边形坐在平面，点击工具栏中图标选择六边形的两条边的三个点，确定六边形所在平面DTM1。图4点击草绘命令选择DTM1面作为基准面（图4-5-2），并用通过边创建图元命令分别创建六边形的两条边（图4图4-5-2 图4选择通过三点创建圆工具，分别点击六边形两条边的三点，创建六边形的外接圆（图4-5-4）。选择直线工具再画出六边形的另外四条边并约束去各边相等，如图4图4-5-4 图4选中途中的圆，长按鼠标右键，选择构建将其构建成辅助线，再分别删除刚刚使用通过边创建图元创建的两条线段图元，点击草绘工具栏中确定按钮，完成草绘4，退出草绘得到如4-5-6图44.6确定球心并确定球心到各边的垂直距离点击草绘命令，选择RIGHT面作为基准面，选择六边形的一条边创建图元，并使用直线工具从六边形的中心画一条线段，然后约束其与六边形垂直。使用直线工具从五边形的中心轴线画一条线段与刚刚画的那条线段相交，交点即是足球球心，如图4-6-1所示。点击工具栏中图标，将线段相交后多余的部分剪裁掉，如图4-6-2所示，完成后删除刚刚创建的边图元。图4-6-1 图4点击分析菜单中的长度测量选项，分别测量球心到两边的距离，得到球心到五边形和六边形的距离分别是68.4017、66.6338。图4-6-4 4.7创建混合曲面点击插入菜单下的混合选项，再选择曲面，弹出菜单管理器混合选项窗口，在窗口中默认为规则界面，草绘界面，点击完成，弹出属性窗口，选择开放终点并点击完成。再点击完成后会弹出现则平面的提示框，选择FRONT面先做正五边形的混合曲面，注意方向然后在设置平面窗口中点击正向，再点击缺省完成设置，如图4-7-1图4点击工具栏中通过边创建图元工具，然后分别点击五边形的五条边，长按鼠标右键选择切换铺面，然后点击工具栏中点工具，在五边形的中心点击一个点，再点击工具栏中的完成命令，弹出菜单管理器深度窗口，按图4-7-2图4在窗口中输入一线测量的球心到五边形的距离68.4017，然后点击曲面对话框中的确定按钮得到所要的混合曲面，如图4-7-3图4使用同样的方式选择以DMT1面做主六边形的混合曲面，再调出点数据看看面是否拟合如图4-7-5图4-7-4 图44.8画球体的五边形六边形快以RIGHT面为基准面计入草绘，用五边形的混合曲面的一条边创建一条边，并使用点工具在球心画点，删除创建的边，以球心为圆心画圆，使圆的边贴近点数据边缘，建立垂直的辅助线，留下复制先右边的半圆，其余的用剪裁工具剪裁掉，点击确定，完成草绘6。选中草绘6，使用曲面旋转工具进行360度旋转，得到旋转曲面3，也就是足球的外表面，如图4-8-3图4-8-1 图4图4隐藏点数据后发现五边形和六边形与球面不吻合，先将五边形和六边形的混合曲面做延生。隐藏旋转曲面3以及六边形的混合曲面，点击编辑—>延伸，输入延伸5.0，方向向外，如图4-8-4图4足球是有外表面，也是有内表面的，将五边形和六边形的混合曲面都延伸完毕后对旋转曲面3进行向内偏移求内表面。选中旋转曲面3，点击编辑—>偏移，如图4-8-5图4输入偏移量5.0，偏移方向向内，如图4-8-6图4同时选中旋转曲面3和五边形的混合曲面，点击编辑—>合并，注意选择如4-8-7所示方向，点击确定，得到如4图4-8-7 图4继续选中五边形的混合曲面，并同时选中偏移1，也就是足球内表面，点击编辑—>合并，注意方向如图4-8-9所示，点击确定得到如图4图4-8-9 图4使用同样的方式将六边形混合曲面与旋转曲面合并得到足球的六边形快。由于在五边形的混合曲面操作中已经将混合曲面3和偏移1合并掉了，所以还需要一个足球外表面和一个足球内表面，选中旋转曲面3，点击工具栏中的复制按钮，然后点击粘贴，得到一个新的足球外表面，同样复制偏移1，得到一个新的足球内表面，然后用同样的方式进行曲面合并，得到如图4-8-11图4由于足球模块的边并不是尖锐的棱角，而是圆滑的，所以要对模块的边进行倒圆角，选择倒圆角工具，先对五边形和六边形的尖角进行倒圆，点击倒圆角工具，分别选中五边形和六边形的各尖边，如图4-8-12,所示，输入倒圆角的半径为5.0，点击确定，然后用同样的方式对足球模块的外表面的边进行倒圆，导员半径为3.0，得到如图4-8-13所示图图4图4-8-13 图此时可以调出点数据，选择合适的视角对比，看模块是否拟合，这样一个足球的五边形个六边形零件就已经做出来了4.9．零件组装足球及外观完成了零件的制作，后面的就是要将零件组装成足球整体，点击辅助线工具选择经过穿过FRONT面和RIGHT，得到一条闯过五边形块中心的一条直线。如图.4-9-1图4选中六边形快，点击工具栏复制命令，再点击粘贴命令，得到一个复制的六边形快，在模型树中选中复制的六边形块，在工具栏点击图形（阵列按钮），选择以轴方式阵列，阵列数位5，角度为72度，点击确定，得到如图4-9-2所示图形。然后可以使用（镜像）工具对各个模块选择合适的面进行镜像逐渐得到一个完整的球体，如图4-9-3所示。图4到此一个完整的足球结构已经组装完成，剩下的就是外观，点击视图菜单下的颜色与外观，弹出外观编辑器，在颜色中选取合适的颜色，在制定对画画框中选择面组，点