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1、开题报告题目汽车轮毂盘的反求造型研究一、课题的背景及意义反求工程包含有实物反求、软件反求和影像反求三个方面。反求工程也称为反求工程、反向工程，是对已有的零件或实物原型，利用3D数字化设备准确、快速的测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物的CD模型的过程。实物原型经反求工程技术建立CAD模型之后，可进一步利用CAD/CAE,CAM以及CIMS等先进技术进行处理，复制出实物的样品模型。图11所示为反求工程技术与快速成型制造技术(RaPidPrototypingManUfaCtUring)相结合的工作流程图。图反求工程流程图反求工程是当前用于产品开发和仿真加工制造的
2、一种理想的并行设计、开发的最先进的手段，是制造业中消化吸收先进技术、缩短产品再设计与制造周期的重要支撑技术，是集三维内外轮廓测量、激光技术、粉末冶金及快速模具制造等技术为一体的高新技术，是快速原型、快速模具制造的核心技术之一。随着新的反求工程原理和技术的不断引入，反求工程已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，在新产品开发中居于核心地位，被广泛地应用于摩托车、飞机、汽车、家用电器、模具等产品的改型与创新设计，成为消化、吸收先进技术，实现新产品开发的重要技术手段。具体来说，反求工程技术的应用主要集中在以下几个方面15】：在诸如飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发中，产品的空气动力学性能
3、和美学设计显得特别重要。新产品的设计可以应用反求工程对现存产品进行CAD建模、CAE分析，进而对CAD模型修改，在电脑中进行全方位的动态观察，三维有限元分析，三维动态仿真，基本合格后，在进行三维立体打印、树脂快速激光成型或CAM技术进行实物的数控加工，再得到远程真实的三维立体打印模型、快速激光模型或数控加工的真实产品后，再进行美学及力学的最后评审及实验试证,完全能达到对同类产品的引进、消化、吸收与创新。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的构件做局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下，若能将实物零件通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型，对CAD模型进行修改以后
4、在进行加工，将显著提高生产效率。因此，反求工程在改型设计方面可以发挥正向设计不可替代的作用。在缺乏二维设计图纸或原始设计参数情况下，需要将实物零件转化计算机表达的CAD模型，以便于充分利用现有的计算机辅助分析(CAE)计算机辅助制造(CAM)等先进技术，并进行产品创新设计。某些大型设备，如航空发动机、汽轮机组等，经常因为某一零件的损坏而导致整机停止运行，通过反求工程技术，可以快速生产这些零部件的替代零件，从而提高设备的利用率并延长使用寿命。一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制，医学领域中人体骨骼、关节等的复制、假肢制造，特种服装、头盔的制造时需要首先简历人体的几何模型出发得到CAD模型。借助
5、于工业CT技术，反求工程不仅可以产生物体的外形而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。反求造型的过程包括以下几部分：产品定位设计规划：开发新产品，必须要首先进行产品的定位。产品定位是基于充分、彻底的市场调研以得到的设计要求和其他方面比如厂方的一些要求，基于对已有产品、设计方案和同类产品的评价分析，从而得到产品的设计定位。因此在这一阶段要进行大量的调研工作和资料收集，进行设计评价，进行设计目标的确定和设计规划的制定。概念设计阶段：在明确了设计要求、设计目标之后，就可以进行初步的设计，可利用诸如头脑风暴法、反求发明法、缺点列举法进行方案的创新设计。数据采样：数据采
6、样是反求工程的最基本的、必不可少的步骤，它从已有的实物获取产品数据。若已有产品设计的三维数据，可直接采集。但通常是只有前代产品，这时可采用三维激光扫描仪,三维数字化仪,物体多角度照片等数字化方法来快速、准确地获取数据。数据分析及CAD建模的构建：在数据采集阶段得到的数据如果是较完整的三维数据，就可以直接进入CAD模型的构建阶段。当得到采样数据仅为二维数据，那么必须通过三维模型的方式构建出来，得到直观简略的产品结构外形。在这一过程中，设计师要考虑部件在本次设计中用到的可能性，以决定其是否进行模型构建。数据恢复和修补、原始部件的分解：在采样过程中，物体的某些细节的丢失是是不可避免的。通过对采样数据
7、的三维显示及结构分析，能够发现哪些数据丢失了。实际上以上所得数据是不完整的，不妨成为粗糙数据。要得到完整数据必须进行数据修复，它是反求工程的一个必不可少的步骤。反求工程要解决的关键问题是一个设计方案能不能最终变成产品，而通常的产品是由不同部件组装而成。分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。再分解过程中，必须区分每一部分的尺寸位置，不同部件之间的连接关系及连接方式以及物体表面该如何分割。通过以上几个数据处理步骤，得到了较完整的产品数据，产品的三维模型以构建出，这时可对产品进行二次分析和评价，以得到更加准确、细致完整的工程信息和设计信息。设计综合：考虑原产品的风格、色彩、功能、结构、加工等信
8、息，结合初步方案和设计要求，对多个方案进行比较分析，从全局、整体综合考虑、权衡一确定最终的最佳方案。其确定以后还可以对它做进一步细化。细节的设计实际上体现设计师设计工作的细致性、设计理念的严密性，而且在后面的效果处理中，细节又往往成为一个设计亮点，所以应足够重视。仿真设计：产品的功能、设计的零部件装配、加工工艺等的分析和检测，可利用仿真技术，快速、准确、有效的进行。在虚拟装配完成以后，在虚拟环境中队产品的各项功能进行模拟。在这个过程中，可以事先建立产品评价系统，通过计算自动判断产品设计的优劣或通过交互方式，一设计师的经验，通过观察局部细节，可以知道物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以
9、及物体表面的颜色纹理是否满足设计的要求。同时，也可以进行有限元分析、加工工艺分析等，为设计的可靠性及以后的生产提供保障。二、国内外研究概况及发展趋势1 .国外的研究概况作为一种新产品开发的重要手段，反求工程技术的研究正在受到广泛的重视，研究的领域除包括传统的机械行业外，还包括医学、考古和地理等领域的图像处理和模型恢复。反求工程技术是20世纪80年代分别由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发成功的。从已发表的文献和会议记录来看，国内外已形成了一批长期从事反求工程研究的单位和个人，反求工程已经发展成为CAD/CAM系统中一个相对独立的研究分支，其相关的领域包括几何测量
10、、图像处理、计算机视觉、几何造型等目前，世界各国对反求工程技术都给与高度重视，在国外，如美国、日本、英国等发达国家对反求工程技术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问世，他们对反求工程技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。美国UGS公司提供的反求工程软件ImageWare卬，具有强大的数据处理、曲面造型、误差检测功能，可以处理几万至几百万的点云数据，根据这些点云数据构造的A级曲面具有良好的品质和曲面连续性。另外，ImageWare在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它成为反求工程软件的领导者。Imageware采用的是NURBS曲面模型
11、，与UG、PrO/E、CATIA等通用CAD/CAM软件采用的曲面描述方法相同，可方便的沟通。CATlA是法国达索系统公司的CADCAECAM一体化软件,在世界CADCAECAM领域中处于领先地位。它的数字化外形编辑器由于解决数字化数据导入、坏点剔除、匀化、截断面、特征线、外形和带实时诊断的质量检查等问题。该模块用于反求工程周期的开始阶段。快速曲面重建(QuickSurfaceReconstruction)模块可以根据数字化数据方便地重建曲面。它用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用户可以方便地在有关曲面区域中创建多边形线段【心。另外还有英国DELCAM公司的CopyCAD在国内也拥有了相当的客
12、户群。数字化制造针对三位散乱数据测量点的表面重建，国内在此领域的研究也很热烈，并以取得一系列的成果川)进入20世纪90年代以来，反求工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争力的主要位置上。1998年，全球反求工程技术系统加工中心达到331个，拥有快速成型机660台套，同时有27个快速成型设备公司，12个大的材料供应商，15个专业软件公司，再加上从事该项目的51个教育和研究机构以及227个提供赞助的基金会以及大量的激光设备应用者和真空铸造机制设备，形成了一个强大的集成体。在经过了初期50%的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期，年增长率保持在17%左右。在越来越激烈的市场竞争中
13、，反求工程技术在先进工业国家中被有远见的企业采用，特别是在家电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空航天、兵器等行业得到推广，并取得重大的经济效益。2 .国内的研究概况国内在反求工程技术领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。但同国外相比，国内研究起步晚经费投入少，限制了高水平研究的开展，创新性的研究不多，在世界学术领域还没有形成较大影响力。较早从事反求研究工程研究的单位多为高等院校，如浙江大学、清华大学、华中科技大学、西安交通大学、西北工业大学等，取得了非常可喜的成果，并逐步向市场推广I。浙江大学开展了对反求工程中曲面造型技术的研究，并推出了REToft反求工程系统
14、软件。在RE-Soft系统软件中，首先对数字化点建立三角形网格模型。利用这一模型对曲面的特征进行辨识，然后利用辨识的结果和用户给定的误差多三角形网格进行必要的简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，最后在三角形网格的网孔内构造三角Bezier曲面的去面片，各个相邻曲面片间要实现Gl连续【。华中科技大学开发了是三维激光彩色扫描系统3DLCS95,1995年获得了国家专利。清华大学激光快速成型中心进行了照片反求、CT反求研究。照片反求是通过提取实物照片的几何信息，重构实物的STL模型。有了STL模型，就可以用RPM系统制造出该物体的原型。CT反求是利用人体器官或工业零件的CT切片扫描文件，通
15、过图像处理，提取物体的平面轮廓线，并通过层片间的插值，得到可以被CAM系统接受的层片文件格式。西安交通大学CAD/CAM研究所开发的Jade系统是基于实体的三维重建方法处理断层数据的三维模型反求系统软件该系统包含有3个功能模块：层析数据处理、特征识别、三维实体重构。数据是通过层去测量得到的，避开由于CTMRl等设备造价昂贵，且测量精度不高的不足。层析数据处理就是通过图像处理技术提取边界轮廓以得到断面轮廓数据环。总体来讲，由于缺乏自主的CADCAECAM软件的支撑，以及反求工程的上游测试设备和下游应用（CADCAECAM）基本为国外产品，使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后与世界
16、上相关产品，开发的软件显得势单力薄，与国外软件相比处于竞争劣势，因此，如何将反求工程系统地应用于工业产品创新设计，如何根据工业设计的需求来开发合适的反求工程系统，还处于摸索阶段1。3 .反求工程技术发展趋势反求工程是一门发展十分迅速的新兴学科，覆盖了许多技术领域。目前这项技术一推广到设计和新产品的开发中，它的应用可大大降低产品的开发成本、缩短研发周期、增强企业的竞争力。尤其是反求工程与快速原型、快速模具技术的结合更形成了一套快速响应的制造路线，为企业提高产品的快速开发能力。可以说，随着市场竞争的激烈，此项技术将越来越发挥出其独特的作用。当前反求工程的理论和方法研究的重点在如下两个方面：针对不断发展的高速、高精度的测量设备，需要研究和开发一种智能化的反求工程方法及其理论，能对散乱测量点数据点、多视和补测数据点的几何、拓扑关系自动确定，能对测量
