工程專業畢業設計(論文)

　　西南科技大學

　　畢業設計（論文）

　　題目名稱：風扇葉片的非接觸測量和三維建模研究

　　年 級：2004級 ■本科 □專科 學生學號：20045659

　　學生姓名：都方軍 指導教師：樂莉 學生單位：制造科學與工程學院 技術職稱：副教授 學生專業：機械0408 教師單位：制造學院

　　西 南 科 技 大 學 教 務 處 制

　　風扇葉片的非接觸測量和三維建模研究

　　摘要： 隨著計算機技術的迅速發展，計算機三維造型技術特別是逆向工程技術在工業 上已經得到了廣泛的應用。為了解決風扇葉片難以精確測量的問題，本文研究了風扇葉 片外形的逆向工程造型方法，并對逆向工程概念、方法進行系統的闡述。通過光學掃描 儀的非接觸測量獲取風扇葉片表面的云狀數據,并利用Imageware和geomagic軟件對測 量數據進行處理,且基于NURBS曲面重構理論進行葉片造型表面重構,最終實現了風扇的 曲面重構，產生風扇的三維模型及二維圖。與傳統的正向設計方法相比,該方法提高了 工作效率,縮短了新產品的開發周期。

　　關鍵詞：逆向工程； 非接觸測量； 點云； 建模

　　Fan Blade non-contact measurement and 3D Modeling

　　Abstract： With the rapid development of computer technology, Three-dimensional

　　computer modeling technology, especially the reverse engineering technology in the industry, has been widely used. Fan Blade difficult to solve the issue of accurate measurement, This paper studies the shape of the fan blade reverse engineering modeling method, And reverse engineering concepts, methods and systematic elaboration. By optical scanners access to the non-contact measurement of the fan blade surface cloud of data, with Imageware and

　　geomagic, the measurement data is processed and NURBS surface reconstruction based on the theo

　　ry blade shape surface reconstruction, The ultimate realization of a fan surface reconstruction, Being designed with the traditional method, The method improves the working efficiency, Shorten the development cycle of new products.

　　Key words: Reverse Engineering;Non-contact measurement; Point Cloud; Modeling

　　目錄

　　第1章 緒論.............................................................1

　　1.1 引言............................................................1

　　1.2 課題提出的背景及意義............................................1

　　1.21逆向工程在國內外研究狀況....................................1

　　1.22逆向工程的原理及特點........................................2

　　1.23逆向工程的流程及應用領域....................................3

　　1.24課題的目的及意義............................................5

　　1.3 研究內容........................................................5

　　第2章 逆向工程軟硬件設備及過程.........................................5

　　2.1 掃描設備........................................................5

　　2.2 點云處理軟件....................................................8

　　2.3 曲面處理軟件....................................................8

　　2.4 實體建模軟件...................................................10

　　2.5 實體三維數據的掃描.............................................12

　　2.6 點云處理.......................................................13

　　2.7 曲面重構.......................................................14

　　2.8 實體建模.......................................................19

　　2.9 后續加工處理...................................................20

　　第3章 建立風扇葉片數模的具體步驟......................................22

　　3.1 風扇葉片逆向開發的流程.........................................22

　　3.2 模型分析.......................................................22

　　3.3 掃描...........................................................22

　　3.4 點云數據處理...................................................34

　　3.4.1 清除噪點....................................................34

　　3.4.2 手動注冊...................................................35

　　3.4.3 全局注冊...................................................36

　　3.4.4 合并.......................................................36

　　3.4.5 補洞.......................................................37

　　3.4.6 邊界優化...................................................37

　　3.4.7 簡化數據及保存.............................................37

　　3.5 曲面造型.......................................................38

　　3.5.1 對齊點云...................................................39

　　3.5.2 建立圓柱面.................................................40

　　3.5.3 建立球面...................................................40

　　3.5.4 建立球底面.................................................40

　　3.5.5 偏移球面及上下底面.........................................41

　　3.5.6 剪切中間凹槽及洞...........................................41

　　3.5.7 建立小圓柱及洞.............................................42

　　3.5.8 提取一個葉片及建立曲面.....................................42

　　3.5.9 偏移扇葉曲面并倒角.........................................43

　　3.5.10 建立另外2個葉片面........................................43

　　3.5.11 數據轉化導出通用格式......................................44

　　3.6 實體造型.......................................................44

　　3.6.1 數據導入...................................................45

　　3.6.2 曲面縫合及模型實體化.......................................46

　　3.6.3 產生風扇葉片的二維圖.......................................46

　　結論....................................................................48

　　參考文獻................................................................53

　　致謝....................................................................54

　　篇二：逆向工程畢業設計開題報告

　　畢業論文開題報告

　　題 目 某典型零件的逆向工程與注塑模設計

　　學生姓名學號

　　所在院(系)

　　專業班級

　　指導教師

　　2013 年 3月 5 日

　　篇三：逆向工程的畢業設計

　　目錄

　　畢業設計 ....................................................................................................... 錯誤！未定義書簽。

　　0 摘要 ........................................................................................................................................... 1

　　1 逆向工程 .................................................................................................................................. 2

　　1.1 定義 .......................................................................................................................................... 2

　　1.2 逆向工程的研究與發展 ......................................................................................................... 3

　　1.3 逆向工程系統 .......................................................................................................................... 4

　　1.4 逆向工程的關鍵技術 .............................................................................................................. 4

　　1.5 逆向工程與正向工程的區別 ................................................................................................. 6

　　1.6 逆向工程的應用 ...................................................................................................................... 7

　　2 MAXscan激光掃描儀 ................................................................................................................ 8

　　3 Geomagic Studio ..................................................................................................................... 10

　　4 Imageware ............................................................................................................................... 13

　　5 其它 ......................................................................................................................................... 14

　　6 后記 ......................................................................................................................................... 14

　　0 摘要

　　隨著中國加入WTO，經濟迅速發展，改革開放不斷深入，工業發展越來越快，就要求我們能夠快速制造，提高生產力，從而降低成本，基于MAXSCAN逆向工程就是在這個大背景下迅速發展起來的，它是通過掃描小物體，獲取點云數據，再通過一些軟件處理，得到我們想要的東西。

　　逆向工程，也有稱逆向技術，是通過對某種產品的結構、功能、運作進行分析、分解、研究后，制作出功能相近，但又不完全一樣的產品過程。逆向工程可能會被誤認為是對知識產權的嚴重侵害，但是在實際應用上，反而可能會保護知識產權所有者。例如在積體電路領域，如果懷疑某公司侵犯知識產權，可以用逆向工程技術來尋找證據。

　　逆向工程

　　1.1 定義 逆向工程（又名反向工程，Reverse Engineering-RE）是對產品設計過程的一種

　　描述。在2007年初，我國相關的法律為逆向工程正名，承認了逆向技術用于學習研究的合法性。在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從設計到產品的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后在詳細設計階段完成各類數據模型，最終將這個模型轉入到研發流程中，完成產品的整個設計研發周期。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產品設計可以認為是一個從產品到設計的過程。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據已經存在的產品，反向推出產品設計數據（包括各類設計圖或數據模型）的過程。從這個意義上說，逆向工程在工業設計中的應用已經很久了。比如早期的船舶工業中常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。隨著計算機技術在各個領域的廣泛應用，特別是軟件開發技術的迅猛發展，基于某個軟件，以反匯編閱讀源碼的方式去推斷其數據結構、體系結構和程序設計信息成為軟件逆向工程技術關注的主要對象。軟件逆向技術的目的是用來研究和學習先進的技術，特別是當手里沒有合適的文檔資料，而你又很需要實現某個軟件的功能的時候。也正因為這樣，很多軟件為了壟斷技術，在軟件安裝之前，要求用戶同意不去逆向研究。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協同過程。

　　軟件的逆向工程可以用多種方法實現，主要的三類軟件逆向工程是：通過觀察信

　　息交換進行分析。主要流行于對協議做逆向工程，它使用總線分析器和數據包嗅探器，例如，為了訪問一個總線連接或一個計算機網絡連接并揭示其上的通信數據就可以使用這種方法。通過分析總線或網絡的活動，做出一個獨立的實現用以模擬那些活動。此法對設備驅動的逆向工程特別有用。在進行嵌入式系統的逆向工程時，廠商特意引進的工具有時能產生極大的促進作用，例如JTAG端口或其他的調試法。在Microsoft Windows中，底層的調試器很受歡迎，例如SoftICE。使用反匯編器進行反匯編。僅借助機器碼助記符讀取和理解已經被編譯成原始機器碼的程序。此法對任何計算機程序都有效，但是相當耗時，特別是對于不熟悉機器碼的人。Interactive Disassembler是一個很受歡迎的反匯編工具。使用反編譯器進行反編譯。對只有機器碼或字節碼形式的程序，重建高級語言形式的源代碼。這種方法得到的源代碼結果不是唯一的。

　　1.2 逆向工程的研究與發展1980年始歐美國家許多學校及工業界開始注意逆向工程這塊領域。1990年初期包括臺灣在內，各國學術界團隊大量投入逆向工程的研究并發表成果。 逆向工程的硬件最早是運用仿制加工設備，制作出來的成品品質粗糙。后來有接觸式掃瞄設備，運用探針接觸工件取得產品外型。再來進一步開發非接觸式設備，運用照相或激光技術，計算光線反射回來的時間取得距離。

　　逆向工程軟件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向軟件的演進約略可區分為三個階段。十一年前在逆向工程上，只能運用CATIA等CAD/CAM高階曲面系統。市場后來發展出兩套主流產品約在七、八年前技術成熟，廣為業界引用。到最近四年來，發展出不同以往的逆向工程數學邏輯運算，速度快。 逆向工程在臺灣的發展軌跡持續在進行，工研院曾寫過一套逆向工程軟件，學術界不少研究團隊也將逆向工程領域作為研究主題，開發出具不同功能的系統軟件，但是最后這些軟件都沒有真正落實到產業界應用。工研院的團隊后來也結束逆向工程研究，轉而開發其它主題。原有的研發成果后繼無人，殊為可惜。

　　1998年，NEWPOWER啟動了逆向工程的一些項目，要求是把客戶的現有源代碼轉變成設計， 如果需要的話，進一步轉化成產品需求規約。這恰恰與類似于V模型的標準開發過程模型相逆。這樣一來，客戶就可以容易地維護他們的產品（需求，設計，源代碼等等），而不需要想以前那樣，每次改動產品都需要直接修改源代碼。

　　是指從實物上采集大量的三維坐標點，并由此建立該物體的幾何模型，進而開發出同類產品的先進技術。逆向工程與一般的設計制造過程相反，是先有實物后有模型。仿形加工就是一種典型的逆向工程應用。目前，逆向工程，逆向工程的應用已從單純的技巧性手工操作，發展到采用先進的計算機及測量設備，進行設計、分析、制造等活動，如獲取修模后的模具形狀、分析實物模型、基于現有產品的創新設計、快速仿形制造等。

　　通俗說，從某種意義上說，逆向工程就是仿造。這里的前提是默認我們傳統的設計制造為“正向工程（當然，沒有這種說法）”。

　　軟件的逆向工程是分析程序，力圖在比源代碼更高抽象層次上建立程序的表示過程，逆向工程是設計的恢復過程。逆向工程工具可以從已存在的程序中抽取數據結構、體系結構和程序設計信息。

　　1.3 逆向工程系統 目前研究或應用中的系統可分以下幾類：

　　(1)針對具體應用開發的系統開發了一種針對機械零件識別的逆向工程系統，此系統只能識別由平面組成的零件。開發了基于微機的逆向工程系統主要用于仿制空軍部門淘汰的零件。

　　(2)專用曲面擬合軟件系統曲面擬合是逆向工程的關鍵過程，開發了擬合3D激光掃描數據的軟件包，數據點被交互的劃分區域，擬合曲面輸入通用CAD系統進行相交、延伸、過渡、建立完整的CAD模型。此系統只處理標準的二次曲面。

　　(3)與商用CAD系統的結合有些系統直接把數字化系統與商用CAD系統結合，Kwok開發的系統將CMM與AutoCAD結合起來，每測一個點的坐標，自動轉化為IGES格式，系統具有實時可視化功能。

　　(4)測量與擬合的集成

　　以上系統中數字化與曲面擬合是兩個分離的過程，為了提高測量精度，用擬合結果指導測量，減少測量數據，出現了測量與擬合的集成系統。Liang-Chia提出的集成系統，首先由用戶交互地劃分測量邊界，每個面片的測量中實時進行B2樣條曲面擬合，用擬合結果進行下一個測量點的位置預測，用實測值與預測值的誤差控制測量精度和擬合精度。

　　(5)與快速原形制造的結合

　　縮短產品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年來出現了數字化系統直接用子制造的逆向工程與快速制造的集成系統，Jones C開發了由激光掃描結果產生螺旋線數控加工路徑的系統。

　　1.4 逆向工程的關鍵技術

　　當前使用的逆向工程系統存在以下不足之處：

　　(1)大多數系統是針對具體的應用而開發，數據處理往往針對特定的測量設備、測量對象，通用性差。

　　(2)曲面擬合系統大多是對于代數二次曲面，對自由曲面，特別是由大數據量散亂點擬合自由曲面，系統一般沒有此功能

　　(3)數據區域分割往往要交互操作，降低了CAD建模的速度，自動化程度低；

　　(4)系統集成化程度低，有些系統只側重與曲面的擬合，有些系統只側重于與特定制造技術的結合，系統只包含簡單幾何數據，不符合現代設計制造的并行思想。 幾何建模是逆向工程的關鍵環節，同時也是影響逆向工程速度的瓶頸問題，因此，提高逆向工程幾何建模的自動化程度和通用性是目前逆向工程研究的一個重點方向。作者提出了一種逆向工程幾何建模自動化系統，具有體現設計意圖的特征建模的特點，數據點的組織方式不限，輸出的B-rep模型與現有商用CAD系統完全兼容。系統的關鍵技術在于特征的自動提取、組合自由曲面的光滑連接。

　　提高系統的集成性，有些情況CAD 模型并不是必需的，或者為了最快的制造產品，需要數字化系統與CMM 的直接結合；另外，有些產品(例如注塑模、注塑件的設計)需要多次進行CAE 分析，由數據點直接產生CAE 模型，可極大地提高產品的設計、分析過程，在上一節已有一些集成系統的應用實例，大多是根據具體情況的部分集成，邢淵提出了完整的逆向工程集成系統框架，具有CAD、CAE、CAM 多個數據接口，采用了面向對象的集成方法。關鍵技術是通用、開放的產品數據庫結構。

　　三坐標測量可分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式測量方法通過傳感測量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標位置，可以細分為點觸發式和連續式數據采集方法。對于航空航天、汽車等行業，大型樣件的測量一般可以選用接觸式測量，以滿足精度要求。因為，接觸式測量中的點觸發式測量可以通過人為規劃，使得在大曲率或曲率變化劇烈的區域獲得較多的測量點，而在相對平坦的區域則可以測量較少的點。結合造型方法，人工對被測物體進行區域規劃，測量對物體形狀起關鍵作用的特征線和曲線網格，數據點可以根據需要組織成模型重建軟件所需要的形式，然后根據特征線及曲線網格重建物體的CAD模型，減少了數據處理的難度和工作量。其唯一的缺點是測量效率較低。

　　非接觸式測量方法主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點。例如：聲納測量儀利用聲音遇到被測物體產生回聲的時間計算點與聲源間的距離；激光測距法是將激光束的飛行時間轉化為被測點與參考平面間的距離。非接觸式測量使測量效率得到了極大提高，某些光學測量機可以在數秒鐘內得到幾十萬個數據點，因而在測量過程中可以大大減少人工測量規劃，在整個樣件表面快速采集大量的密集點集。由于操作簡便，以激光測距法為代表的非接觸式測量技術近兩年來，發展迅速，應用普及面越來越廣。不過，非接觸測量獲得的海量數據的數據量非常龐大，常有幾十萬、上百萬，甚至更多。必須配合較強功能的逆向軟件和高性能的計算機設備，才能順利使用。不過，將五年來，按照摩爾定律，計算機硬件的性能迅速提高，軟件技術也今非昔比，基于光學的非接觸式測量方法和三坐標測量設備在逆向工程中得到了更為廣泛的應用。

　　在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從設計到產品的過程，即設計人員首先在大腦中構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后在詳細設計階段完成各類數據模型，最終將這個模型轉入到研發流程中，完成產品的整個設計研發周期。這樣的產品設計過程我們稱為“正向設計”過程。逆向工程產品設計可以認為是一個從產品到設計的過程。簡單地說，逆向工程產品設計就是根據已經存在的產量。

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