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畢業(yè)設計（論文）開題報告
題目 酸奶桶的反求造型研究
專 業(yè) 名 稱 機械設計制造及其自動化
班 級 學 號 078105304
學 生 姓 名 陳 烈
指 導 教 師 于 斐
填 表 日 期 2011 年 3 月 5 日
說 明
開題報告應結合自己課題而作，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)容應保持一致。
一、選題的依據(jù)及意義：
逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術，逆向工程技術已經(jīng)廣泛應用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中，它不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設計以制造出新的產(chǎn)品.逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。逆向工程的整個實施過程包括了測量數(shù)據(jù)的采集／處理、CAD／CAM系統(tǒng)處理和融入產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的過程。其中在RE產(chǎn)品建模系統(tǒng)中實現(xiàn)了數(shù)據(jù)預處理、曲線／曲面擬合等。
從理論角度分析，逆向工程技術能按照產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)建立與現(xiàn)有CAD／CAM系統(tǒng)完全兼容的數(shù)字模型，這是逆向工程技術的最終目標。實現(xiàn)逆向過程后，通過UG進行實體整合，制造出酸奶桶模型，通過實體模型反求酸奶桶的制造模具。
二、國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢（含文獻綜述）：
傳統(tǒng)的產(chǎn)品設計一般都是“從無到有”的過程，設計人員首先構思產(chǎn)品的外形、性能以及大致的技術參數(shù)等，再利用CAD建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將模型轉入制造流程，完成產(chǎn)品的整個設計制造周期，這樣的過程可稱為“正向設計”。而逆向工程則是一個“從有到無”的過程，就是根據(jù)已有的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設計數(shù)據(jù)，包括設計圖紙和數(shù)字模型[1]。
逆向工程(Reverse Engineering)作為一項新的先進制造技術被提出是在上世紀八十年代末至九十年代初。當時首先由美國汽車龍頭—福特汽車公司倡導的汽車“2毫米工程”對傳統(tǒng)的制造業(yè)提出了前所未有的挑戰(zhàn)[2] 。它要求將質(zhì)量控制從最終產(chǎn)品的檢驗和檢測，提前到產(chǎn)品的開發(fā)設計階段。減小開發(fā)風險，降低開發(fā)成本，加快產(chǎn)品成功開發(fā)的周期。九十年代初在世界范圍內(nèi)掀起了所謂“先進制造技術及設備”的研究、開發(fā)熱潮[3]。
在計算機高度發(fā)展的今天，三維立體的幾何造型技術已被制造業(yè)廣泛應用于工模具的設計、方案評審，自動化加工制造及管理維護等各方面[4]。而往往我們都會遇到這樣的難題，就是客戶給你的只有一個實物樣品或手扳模型，沒有圖紙CAD數(shù)據(jù)檔案，工程人員沒法得到準確的尺寸，制造模具就更為困難。用傳統(tǒng)的雕刻方法，時間長而效果不佳，這時我們就需要采用各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物轉化為計算機上的三維數(shù)字模型。這就是所謂逆向工程(Reverse Engineering)。
逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度數(shù)控加工等多個環(huán)節(jié)。其中作為快速反求的發(fā)展則是由傳統(tǒng)的接觸式測量向快速非接觸式測量逐步發(fā)展，特別是承受著“光機電一體化”技術的發(fā)展，結合了計算機、圖像處理，激光技術以及精密機械的三維激光掃描機逐漸成為了反求工程的主流。而三維激光掃描從形式上又是從點掃描測量向線掃描測量、場測量發(fā)展的，其中線掃描測量與點掃描同樣基于“三角法測量原理”，同時借助于高精度，高分辨率的面陣CCD圖像采集系統(tǒng)，從而使其具有了與點掃描形式類似的高測量精度以及可與場測量方式媲美的高效率。另外，采用步進電機帶動旋轉平臺，可以獲取被測物體的全輪廓數(shù)據(jù)信息，能真正做到了采用三維掃描方式獲取物體三維形狀信息 [5] 。
從廣義講，逆向工程可分以下三類：
(1)實物逆向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質(zhì)等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。
(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術軟件；只有實物而無技術軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術軟件。
(3)影像逆向：設計者既無產(chǎn)品實物，也無技術軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設計者要通過這些影像資料去構思、設計產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向 [6] 。
逆向工程的專業(yè)軟件有Surfacer、UG、CopyCAD和RapidForm等，這些軟件非常適合處理大量掃描的點云數(shù)據(jù)。例如，對一個小車的外型進行激光掃描，大約可以得到30萬個測量點，通過專業(yè)的UG軟件建構而得到數(shù)字模型，達到了預期的效果 [7] 。
Unigraphics NX 5.0中文版（簡稱UG／NX5.0），其功能覆蓋了整個產(chǎn)品的開發(fā)過程，即覆蓋了從概念設計、功能工程、工程分析、加工制造到產(chǎn)品發(fā)布的全過程，在航空、汽車、機械、電器電子等各工業(yè)領域中應用非常廣泛。
UG軟件起源于美國麥道飛機公司，自20世紀60年代起成為商業(yè)化軟件以來，一直被全球眾多知名公司所采用，UG軟件在客戶需求驅(qū)動下，汽車多個大型工程項目的實際考驗，被公認為世界一流的企業(yè)級CAD/CAM/CAE一體化軟件之一。
Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件。具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差[8]。
以上介紹的是國外逆向工程軟件，國內(nèi)在逆向工程軟件方面的研究．主要集中在高等學校(如清華大學、浙江大學、南京航空航天大學)，也有軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等原因，這些研究性軟件還沒具備與國外商業(yè)化軟件競爭的條件。由國內(nèi)逆向工程領域?qū)I(yè)人士參與開發(fā)的逆向工程軟件QuickForm是較好的一個：該系統(tǒng)采用先進的幾何引擎，運行穩(wěn)定性好，并有良好的可操作性。由于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實施經(jīng)驗．因此系統(tǒng)的功能設置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm還具有價格優(yōu)勢，QuickForm的價格在同類軟件中具有極強的競爭力；采用國產(chǎn)軟件也是對國內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持[9]。
逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術的紐帶，并成為消化、吸收先進技術。實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術手段。其主要應用領域如下：
(1)對產(chǎn)品外形美學有特別要求的領域，由于設計師習慣于依賴3D實物模型對產(chǎn)品設計進行評估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應用CAD軟件直接設計的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技術重建產(chǎn)品數(shù)字化模型。
(2)當設計需經(jīng)實驗才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽車等領域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學等的要求，需進行風洞等實驗建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復雜的自由曲面拼接而成的．最終借助逆向工程，轉換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。
(3)在模具行業(yè)，常需通過反復修改原始設計的模具型面。這將實物通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實際相符的產(chǎn)品數(shù)字化模型，對模型修改后再進行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此．逆向工程在改型設計方面可發(fā)揮正向設計不可替代的作用。
(4)逆向工程也廣泛用于修復破損的文物、藝術品、或缺乏供應的損壞零件等。
(5)借助于工業(yè)CT技術，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形狀．而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷 [10] 。
逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標測量機的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操作者的經(jīng)驗和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證，下面一些關鍵技術將是逆向工程主要發(fā)展方面:
(1)數(shù)據(jù)測量方面：發(fā)展面向逆向工程的專用測量設備，能夠高速、高精度的實現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進行自動測量和規(guī)劃路徑；
(2)數(shù)據(jù)的頂處理方面：針對不同種類的測量數(shù)據(jù)，開發(fā)研究一種通用的數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進目前的數(shù)據(jù)處理算法；
(3)曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進行光滑拼接；
(4)集成技術：發(fā)展包括測量技術、模型重建技術、基于網(wǎng)絡的協(xié)同設計和數(shù)字化制造技術等的逆向工程技術[11]。
三、研究內(nèi)容及實驗方案：
研究內(nèi)容：
1） 酸奶桶的反求造型。
2） 基于surfacer軟件將測量的的點擬合成曲線和曲面
3） 基于UG創(chuàng)建酸奶桶實體
4） 完成酸奶桶的UG注塑模設計
四、目標、主要特色及工作進度
目標：
對酸奶桶的點云模型數(shù)據(jù)處理利用surfacer軟件將測量的的點擬合成曲線和曲面、UG創(chuàng)建酸奶桶實體
主要特色：
結合酸奶桶的設計制造的特點，采用逆向工程技術對酸奶桶進行設計研究是一項開拓性、實用性和綜合性很強的工作。用surfacer及逆向工程軟件UG對酸奶桶點云數(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。采用逆向工程技術，不僅能夠得到原實物的精確的復制品，而且可以進一步修改并生成完整的數(shù)學模型和產(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，大大地縮短設計開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品設計的工作效率。
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. 基于surfacer軟件重構曲面 4.4－4.29 4周
4. 基于UG創(chuàng)建酸奶桶實體 5.2－5.27 4周
5. 完成酸奶桶的UG注塑模設計 5.30－6.17 3周
6. 撰寫畢業(yè)論文、畢業(yè)設計審查、畢業(yè)答辯 6.20－6.25 1周
五、參考文獻
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3 朱東華,陳國富,王建峰. 虛擬造型反求與快速成型[J]機械設計, 2006,(03).
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5 謝金,王文,等.基于激光測量的自由曲面零件逆向工程的實現(xiàn).組合機床及自動化加 工技術,2002(1) 10 姜元慶, 劉佩軍編譯. UG / Imagewar 逆向工程培訓教程. 清華大學出版社，2003.
6 陸佳平,薛克敏,汪昌盛. 逆向工程在汽車覆蓋件設計中的應用[J]合肥工業(yè)大學學報(自然科學版), 2006,(03).
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12 Adam A Margolin, Kai Wang, Wei Keat Lim, Manjunath Kustagi, Ilya Nemenman & Andrea Califano.Reverse engineering cellular networks. Nature Protocols 1, 662 - 671 (2006)
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14 Eck M, Hoppe H. Automatic reconstruction of B-spline surfaces of arbitrary topology type .Computer Graphics, 1996, 30(8) :325-334