1788_汽車輪轂盤的反求造型研究

1788_汽車輪轂盤的反求造型研究,汽車,輪轂,造型,研究,鉆研 畢業(yè)設(shè)計（論文）開題報告題目 汽車輪轂盤的反求造型研究專 業(yè) 名 稱 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 學(xué) 號 078105305學(xué) 生 姓 名 陳 榮指 導(dǎo) 教 師 于 斐填 表 日 期 2011 年 4 月 9 日說 明開題報告應(yīng)結(jié)合自己課題而作，一般包括：課題依據(jù)及課題的意義、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述） 、研究內(nèi)容及實驗方案、目標、主要特色及工作進度、參考文獻等內(nèi)容。以下填寫內(nèi)容 各專業(yè) 可根據(jù)具體情況適當 修改 。但每個專業(yè)填寫內(nèi)容應(yīng)保持一致。一、課題的背景及意義反求工程包含有實物反求、軟件反求和影像反求三個方面 【2】 。反求工程也稱為反求工程、反向工程，是對已有的零件或?qū)嵨镌?，利?3D 數(shù)字化設(shè)備準確、快速的測量出實物表面的三維坐標點，并根據(jù)這些坐標點通過三維幾何建模方法重建實物的 CAD 模型的過程。實物原型經(jīng)反求工程技術(shù)建立 CAD 模型之后，可進一步利用CAD／CAE，CAM 以及 CIMS 等先進技術(shù)進行處理，復(fù)制出實物的樣品模型。圖l—l 所示為反求工程技術(shù)與快速成型制造技術(shù)(Rapid Prototyping Manufacturing)相結(jié)合的工作流程圖。圖 1—1 反求工程流程圖反求工程是當前用于產(chǎn)品開發(fā)和仿真加工制造的一種理想的并行設(shè)計、開發(fā)的最先進的手段，是制造業(yè)中消化吸收先進技術(shù)、縮短產(chǎn)品再設(shè)計與制造周期的重要支撐技術(shù)，是集三維內(nèi)外輪廓測量、激光技術(shù)、粉末冶金及快速模具制造等技術(shù)為一體的高新技術(shù)，是快速原型、快速模具制造的核心技術(shù)之一 【3】 。隨著新的反求工程原理和技術(shù)的不斷引入，反求工程已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術(shù)的紐帶，在新產(chǎn)品開發(fā)中居于核心地位，被廣泛地應(yīng)用于摩托車、飛機、汽車、家用電器、模具等產(chǎn)品的改型與創(chuàng)新設(shè)計，成為消化、吸收先進技術(shù)，實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的重要技術(shù)手段。具體來說，反求工程技術(shù)的應(yīng)用主要集中在以下幾個方面 【4,5】 ：①在諸如飛機、汽車、摩托車、家用電器等產(chǎn)品開發(fā)中，產(chǎn)品的空氣動力學(xué)性能和美學(xué)設(shè)計顯得特別重要。新產(chǎn)品的設(shè)計可以應(yīng)用反求工程對現(xiàn)存產(chǎn)品進行 CAD 建模、CAE 分析，進而對 CAD模型修改，在電腦中進行全方位的動態(tài)觀察，三維有限元分析，三維動態(tài)仿真，基本合格后，在進行三維立體打印、樹脂快速激光成型或 CAM 技術(shù)進行實物的數(shù)控加工，再得到遠程真實的三維立體打印模型、快速激光模型或數(shù)控加工的真實產(chǎn)品后，再進行美學(xué)及力學(xué)的最后評審及實驗試證,完全能達到對同類產(chǎn)品的引進、消化、吸收與創(chuàng)新。②由于工藝、美觀、使用效果等方面的原因，人們經(jīng)常要對已有的構(gòu)件做局部修改。在原始設(shè)計沒有三維 CAD 模型的情況下，若能將實物零件通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實際相符的 CAD 模型，對CAD 模型進行修改以后在進行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此，反求工程在改型設(shè)計方面可以發(fā)揮正向設(shè)計不可替代的作用。③在缺乏二維設(shè)計圖紙或原始設(shè)計參數(shù)情況下，需要將實物零件轉(zhuǎn)化計算機表達的 CAD 模型，以便于充分利用現(xiàn)有的計算機輔助分析（CAE） 、計算機輔助制造（CAM）等先進技術(shù)，并進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。④某些大型設(shè)備，如航空發(fā)動機、汽輪機組等，經(jīng)常因為某一零件的損壞而導(dǎo)致整機停止運行，通過反求工程技術(shù)，可以快速生產(chǎn)這些零部件的替代零件，從而提高設(shè)備的利用率并延長使用壽命。⑤一些特殊領(lǐng)域，如藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中人體骨骼、關(guān)節(jié)等的復(fù)制、假肢制造，特種服裝、頭盔的制造時需要首先簡歷人體的幾何模型出發(fā)得到 CAD模型。⑥借助于工業(yè) CT 技術(shù)，反求工程不僅可以產(chǎn)生物體的外形而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷，從而成為工業(yè)產(chǎn)品無損探傷的重要手段。反求造型的過程包括以下幾部分：① 產(chǎn)品定位設(shè)計規(guī)劃：開發(fā)新產(chǎn)品，必須要首先進行產(chǎn)品的定位。產(chǎn)品定位是基于充分、徹底的市場調(diào)研以得到的設(shè)計要求和其他方面比如廠方的一些要求，基于對已有產(chǎn)品、設(shè)計方案和同類產(chǎn)品的評價分析，從而得到產(chǎn)品的設(shè)計定位。因此在這一階段要進行大量的調(diào)研工作和資料收集，進行設(shè)計評價，進行設(shè)計目標的確定和設(shè)計規(guī)劃的制定。② 概念設(shè)計階段：在明確了設(shè)計要求、設(shè)計目標之后，就可以進行初步的設(shè)計，可利用諸如頭腦風暴法、反求發(fā)明法、缺點列舉法進行方案的創(chuàng)新設(shè)計。③ 數(shù)據(jù)采樣：數(shù)據(jù)采樣是反求工程的最基本的、必不可少的步驟，它從已有的實物獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。若已有產(chǎn)品設(shè)計的三維數(shù)據(jù)，可直接采集。但通常是只有前代產(chǎn)品，這時可采用三維激光掃描儀，三維數(shù)字化儀，物體多角度照片等數(shù)字化方法來快速、準確地獲取數(shù)據(jù)。④ 數(shù)據(jù)分析及 CAD 建模的構(gòu)建：在數(shù)據(jù)采集階段得到的數(shù)據(jù)如果是較完整的三維數(shù)據(jù)，就可以直接進入CAD 模型的構(gòu)建階段。當?shù)玫讲蓸訑?shù)據(jù)僅為二維數(shù)據(jù)，那么必須通過三維模型的方式構(gòu)建出來，得到直觀簡略的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形。在這一過程中，設(shè)計師要考慮部件在本次設(shè)計中用到的可能性，以決定其是否進行模型構(gòu)建。⑤ 數(shù)據(jù)恢復(fù)和修補、原始部件的分解：在采樣過程中，物體的某些細節(jié)的丟失是是不可避免的。通過對采樣數(shù)據(jù)的三維顯示及結(jié)構(gòu)分析，能夠發(fā)現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)丟失了。實際上以上所得數(shù)據(jù)是不完整的，不妨成為粗糙數(shù)據(jù)。要得到完整數(shù)據(jù)必須進行數(shù)據(jù)修復(fù)，它是反求工程的一個必不可少的步驟。反求工程要解決的關(guān)鍵問題是一個設(shè)計方案能不能最終變成產(chǎn)品，而通常的產(chǎn)品是由不同部件組裝而成。分解是將一個物體分解成若干個標準部件的過程。再分解過程中，必須區(qū)分每一部分的尺寸位置，不同部件之間的連接關(guān)系及連接方式以及物體表面該如何分割。通過以上幾個數(shù)據(jù)處理步驟，得到了較完整的產(chǎn)品數(shù)據(jù)，產(chǎn)品的三維模型以構(gòu)建出，這時可對產(chǎn)品進行二次分析和評價，以得到更加準確、細致完整的工程信息和設(shè)計信息。⑥ 設(shè)計綜合：考慮原產(chǎn)品的風格、色彩、功能、結(jié)構(gòu)、加工等信息，結(jié)合初步方案和設(shè)計要求，對多個方案進行比較分析，從全局、整體綜合考慮、權(quán)衡一確定最終的最佳方案。其確定以后還可以對它做進一步細化。細節(jié)的設(shè)計實際上體現(xiàn)設(shè)計師設(shè)計工作的細致性、設(shè)計理念的嚴密性，而且在后面的效果處理中，細節(jié)又往往成為一個設(shè)計亮點，所以應(yīng)足夠重視。⑦ 仿真設(shè)計：產(chǎn)品的功能、設(shè)計的零部件裝配、加工工藝等的分析和檢測，可利用仿真技術(shù)，快速、準確、有效的進行。在虛擬裝配完成以后，在虛擬環(huán)境中隊產(chǎn)品的各項功能進行模擬。在這個過程中，可以事先建立產(chǎn)品評價系統(tǒng)，通過計算自動判斷產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)劣或通過交互方式，一設(shè)計師的經(jīng)驗，通過觀察局部細節(jié)，可以知道物體的尺寸大小是否協(xié)調(diào)，物體的表面是否光順，以及物體表面的顏色紋理是否滿足設(shè)計的要求。同時，也可以進行有限元分析、加工工藝分析等，為設(shè)計的可靠性及以后的生產(chǎn)提供保障 【6】 。二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢1.國外的研究概況作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的重要手段，反求工程技術(shù)的研究正在受到廣泛的重視，研究的領(lǐng)域除包括傳統(tǒng)的機械行業(yè)外，還包括醫(yī)學(xué)、考古和地理等領(lǐng)域的圖像處理和模型恢復(fù)。反求工程技術(shù)是 20 世紀 80 年代分別由美國 3M 公司、日本名古屋工業(yè)研究所以及美國 UVP 公司提出并研制開發(fā)成功的 【7】 。從已發(fā)表的文獻和會議記錄來看，國內(nèi)外已形成了一批長期從事反求工程研究的單位和個人，反求工程已經(jīng)發(fā)展成為 CAD/CAM 系統(tǒng)中一個相對獨立的研究分支，其相關(guān)的領(lǐng)域包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型等 【8】 。目前，世界各國對反求工程技術(shù)都給與高度重視，在國外，如美國、日本、英國等發(fā)達國家對反求工程技術(shù)方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果問世，他們對反求工程技術(shù)的研究有許多值得我們借鑒的地方。美國 UGS 公司提供的反求工程軟件 Imageware【9】 ，具有強大的數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)造的 A 級曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。另外，Imageware 在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它成為反求工程軟件的領(lǐng)導(dǎo)者。Imageware 采用的是 NURBS 曲面模型，與 UG、Pro/E、CATIA 等通用 CAD/CAM 軟件采用的曲面描述方法相同，可方便的溝通。CATIA 是法國達索系統(tǒng)公司的 CAD/CAE/CAM 一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM 領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。它的數(shù)字化外形編輯器由于解決數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入、壞點剔除、勻化、截斷面、特征線、外形和帶實時診斷的質(zhì)量檢查等問題。該模塊用于反求工程周期的開始階段?？焖偾嬷亟ǎ≦uick Surface Reconstruction）模塊可以根據(jù)數(shù)字化數(shù)據(jù)方便地重建曲面。它用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用戶可以方便地在有關(guān)曲面區(qū)域中創(chuàng)建多邊形線段【10】 。另外還有英國 DELCAM 公司的 CopyCAD 在國內(nèi)也擁有了相當?shù)目蛻羧?。?shù)字化制造針對三位散亂數(shù)據(jù)測量點的表面重建，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究也很熱烈，并以取得一系列的成果 【11】 。進入 20 世紀 90 年代以來，反求工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強企業(yè)競爭力的主要位置上。1998 年，全球反求工程技術(shù)系統(tǒng)加工中心達到 331 個，擁有快速成型機 660 臺套，同時有 27 個快速成型設(shè)備公司，12個大的材料供應(yīng)商，15 個專業(yè)軟件公司，再加上從事該項目的 51 個教育和研究機構(gòu)以及 227 個提供贊助的基金會以及大量的激光設(shè)備應(yīng)用者和真空鑄造機制設(shè)備，形成了一個強大的集成體。在經(jīng)過了初期 50％的高速增長后，世界快速制造業(yè)正步入穩(wěn)定增長期，年增長率保持在 17％左右。在越來越激烈的市場競爭中，反求工程技術(shù)在先進工業(yè)國家中被有遠見的企業(yè)采用，特別是在家電、汽車、玩具、輕工、建筑、醫(yī)療、航空航天、兵器等行業(yè)得到推廣，并取得重大的經(jīng)濟效益。2.國內(nèi)的研究概況國內(nèi)在反求工程技術(shù)領(lǐng)域的表面重建方面做了大量的探索研究工作，并取得一批十分可喜的成果。但同國外相比，國內(nèi)研究起步晚經(jīng)費投入少，限制了高水平研究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學(xué)術(shù)領(lǐng)域還沒有形成較大影響力。較早從事反求研究工程研究的單位多為高等院校，如浙江大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，取得了非常可喜的成果，并逐步向市場推廣 【12】 。浙江大學(xué)開展了對反求工程中曲面造型技術(shù)的研究，并推出了 RE-Soft 反求工程系統(tǒng)軟件。在 RE-Soft 系統(tǒng)軟件中，首先對數(shù)字化點建立三角形網(wǎng)格模型。利用這一模型對曲面的特征進行辨識，然后利用辨識的結(jié)果和用戶給定的誤差多三角形網(wǎng)格進行必要的簡化和調(diào)整，使得網(wǎng)格表示的曲面模型與實物一致，最后在三角形網(wǎng)格的網(wǎng)孔內(nèi)構(gòu)造三角 Bezier 曲面的去面片，各個相鄰曲面片間要實現(xiàn) G1 連續(xù) 【13】 。華中科技大學(xué)開發(fā)了是三維激光彩色掃描系統(tǒng) 3DLCS95，1995 年獲得了國家專利。清華大學(xué)激光快速成型中心進行了照片反求、CT 反求研究。照片反求是通過提取實物照片的幾何信息，重構(gòu)實物的 STL 模型。有了 STL 模型，就可以用 RPM 系統(tǒng)制造出該物體的原型。CT 反求是利用人體器官或工業(yè)零件的 CT 切片掃描文件，通過圖像處理，提取物體的平面輪廓線，并通過層片間的插值，得到可以被 CAM 系統(tǒng)接受的層片文件格式。西安交通大學(xué) CAD/CAM 研究所開發(fā)的 Jade 系統(tǒng)是基于實體的三維重建方法處理斷層數(shù)據(jù)的三維模型反求系統(tǒng)軟件 【14】 。該系統(tǒng)包含有 3 個功能模塊：層析數(shù)據(jù)處理、特征識別、三維實體重構(gòu)。數(shù)據(jù)是通過層去測量得到的，避開由于 CT、MRI 等設(shè)備造價昂貴，且測量精度不高的不足。層析數(shù)據(jù)處理就是通過圖像處理技術(shù)提取邊界輪廓以得到斷面輪廓數(shù)據(jù)環(huán)?？傮w來講，由于缺乏自主的 CAD/CAE/CAM 軟件的支撐，以及反求工程的上游測試設(shè)備和下游應(yīng)用(CAD/CAE/CAM)基本為國外產(chǎn)品，使得國產(chǎn)軟件產(chǎn)品在設(shè)備接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和應(yīng)用上一直滯后與世界上相關(guān)產(chǎn)品，開發(fā)的軟件顯得勢單力薄，與國外軟件相比處于競爭劣勢，因此，如何將反求工程系統(tǒng)地應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計，如何根據(jù)工業(yè)設(shè)計的需求來開發(fā)合適的反求工程系統(tǒng)，還處于摸索階段 【15】 。3.反求工程技術(shù)發(fā)展趨勢反求工程是一門發(fā)展十分迅速的新興學(xué)科，覆蓋了許多技術(shù)領(lǐng)域。目前這項技術(shù)一推廣到設(shè)計和新產(chǎn)品的開發(fā)中，它的應(yīng)用可大大降低產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、增強企業(yè)的競爭力。尤其是反求工程與快速原型、快速模具技術(shù)的結(jié)合更形成了一套快速響應(yīng)的制造路線，為企業(yè)提高產(chǎn)品的快速開發(fā)能力?？梢哉f，隨著市場競爭的激烈，此項技術(shù)將越來越發(fā)揮出其獨特的作用。當前反求工程的理論和方法研究的重點在如下兩個方面：⑴針對不斷發(fā)展的高速、高精度的測量設(shè)備，需要研究和開發(fā)一種智能化的反求工程方法及其理論，能對散亂測量點數(shù)據(jù)點、多視和補測數(shù)據(jù)點的幾何、拓撲關(guān)系自動確定，能對測量數(shù)據(jù)“點云”中包含的幾何特征只能提取。⑵將反求工程方法與快速設(shè)計、制造環(huán)境有機結(jié)合起來，實現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計和創(chuàng)新。只有將反求工程中建模部分與整個制造環(huán)境中的設(shè)計修改、性能分析、快速原型制造等模塊結(jié)合起來，引入并型設(shè)計、反饋設(shè)計的思想，才能徹底發(fā)揮其在快速設(shè)計中的作用。目前反求工程還有許多理論和關(guān)鍵技術(shù)問題未能得到徹底解決：造型精度需要進一步的提高；測量建模算法的有效性、建模效率，以及所建 CAD 模型的誤差（測量、算法誤差）分析還有待于深入研究；另外，面向 RPM 的反求工程系統(tǒng)在設(shè)備價格方面相對來說還比較昂貴；在工作過程中，需要適時的進行人工干預(yù)；在快速響應(yīng)市場方面也有待于加強?？梢灶A(yù)計反求工程系統(tǒng)的發(fā)展趨勢是向自動化、柔性化、快速化方向進一步發(fā)展 【16】 。三、研究的主要內(nèi)容本文重點研究汽車輪轂盤反求造型的過程及基于 UG 的輪轂盤數(shù)控加工編程。研究的主要內(nèi)容如下：1）反求輪轂盤造型。分析點的組成，創(chuàng)建六個半月形孔和四個小孔特征及繪制標志。2）基于 UG 的輪轂盤數(shù)控加工編程。對輪轂盤上下表面進行創(chuàng)建程序、創(chuàng)建加工刀具、創(chuàng)建幾何體、工件創(chuàng)建、創(chuàng)建方法、創(chuàng)建操作、型腔銑切削參數(shù)的設(shè)置、加工刀具路徑生成及刀具路徑的模擬。四、目標、主要特色及工作進度目標：用過對汽車輪轂盤點云模型數(shù)據(jù)處理利用 UG 軟件的反求工程原理創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體并對其進行數(shù)控加工編程工藝。主要特色：結(jié)合汽車輪轂盤設(shè)計制造的特點，采用逆向工程技術(shù)對汽車輪轂盤進行設(shè)計研究，是一項開拓性、實用性和綜合性很強的工作。利用激光跟蹤掃描系統(tǒng)作為空間三維點數(shù)據(jù)的獲取手段，用逆向工程軟件UG 對獲取的汽車輪轂盤點云數(shù)據(jù)進行反求處理，其重點難點是曲線的創(chuàng)建和診斷修改。只有滿足曲線光順，曲面才能光順，曲面與點云的吻合精度也主要靠曲線中關(guān)鍵特征線的提取和創(chuàng)建精度來保證。采用逆向工程技術(shù)，不僅能夠得到原實物的精確的復(fù)制品，而且可以進一步修改并生成完整的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品圖紙，為產(chǎn)品的更改以及后續(xù)的數(shù)控加工帶來了很大的便利，大大地縮短設(shè)計開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設(shè)計的工作效率。工作進度：1. 開題報告、查閱資料、外文翻譯（6000 字符 ） 2.21-3.11 （3 周）2. 研究反求造型的基本方法 3.14-4.1 （3 周） 3. 創(chuàng)建汽車輪轂盤的實體 4.4-4.29 （4 周）4. 汽車輪轂盤的數(shù)控加工編程 5.2-5.27 （4 周） 5. 撰寫畢業(yè)論文 5.30-6.17 （3 周） 6. 答辯準備及畢業(yè)答辯 6.20-6.25 （1 周）五、參考文獻1 金濤, 童水光. 逆向工程技術(shù). 北京 機械工業(yè)出版社, 2003.2 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