逆向工程空间繁杂曲面重构理念研究

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1、逆向工程空间繁杂曲面重构理念研究1绪论1.1研究背景我国是全球最大的产鞋国家，年产量约为世界总产量的1/2。鞋楦是制鞋的基础，是制鞋的模具，它是制鞋过程中是关键一步。因此，提高鞋楦的设计、生产技术的水平可以加速制鞋业快速发展[1]。目前，鞋楦设计有两种方法：正向设计和逆向设计。正向设计是对鞋楦从无到有的设计。一般分三个阶段：①楦体造型构思。整体构思楦体造型、确定造型尺寸；②楦体造型设计。根据构思已基本确定的造型尺寸，设计楦底样和造型图纸；③楦体造型的完成。根据设计图纸及尺寸，用手工刻制或计算机辅助方式

2、完成楦型设计。若样楦成品与设想差距较大，重新设计，直到满意。与正向设计相比，逆向设计通过测量方式获取鞋楦表面三维数据，然后通过曲面重建的方式得到数字化模型，在此基础上，对该鞋楦模型进行修改，从而获得想要的鞋楦模型。极大减少制楦时间、质量更稳定、效果更理想。且在后来鞋帮样设计时，使用平面设计法、立体设计法或计算机辅助设计方法，均需要依据鞋楦的具体造型。因此，鞋楦三维模型的精确建立，也为鞋楦的后期设计奠定了基础[2]。目前，国内一些公司将逆向工程引入我国鞋楦的制造业，使生产效率大为提高，完全改变了之前鞋楦

3、的设计和生产方式，且鞋楦质量更高、生产周期更短，提高了市场竞争力，使制鞋业有了进一步的发展[3]。1.2逆向工程概述逆向工程是引进、消化、吸收及提高先进技术的一套分析方法及应用技术的集合[4]。它通过设计人员的经验积累和新思想来解剖并掌握对象的关键性技术，实现研究对象的认知、再现和创新。逆向工程是一个庞大复杂的系统工程，它包括：几何逆向技术反求、工艺逆向技术反求、材料逆向技术反求等[5]。当前，在机械工程领域中，绝大多数关于反求的研究集中于几何形状的反求，即，实物产品或零件的CAD模型重构。针对反求对

4、象的不同，几何逆向反求的实现方法有如下3种：实物反求，软件反求，影像反求[6]。逆向设计中实物反求的流程图见1-1。1.2.1实物反求当前，逆向工程多数被应用于实物样件的反求，即将现存产品或实物的模型转化成工程设计模型或概念模型，这样，就可以对该产品做进一步解析、深化和再创造[7]。本文中对鞋楦曲面或不规则曲面的反求，均指的是实物反求，因此，本文主要研究实物反求的关键技术。在后文中所提到的逆向工程主要指实物反求。对于实物，传统正向设计过程指的是：在市场调研之后，根据市场需求进行构思设计，在此基础上设计

5、出图纸或CAD模型，经过检验，如果满足要求，就可制造加工成成品。流程图如1-2所示。相对正向设计过程，逆向工程是由实物入手，通过测量的方式获取实物模型的数字化信息，并对该数字信息进行处理，在此基础上，利用曲面重构技术重新获得CAD模型，再通过分析优化，软件测评之后，若达到要求，利用先进的设备加工并制作出该产品。流程图如1-3所示[6]。若把正向设计和制造过程看成前向制造方式，也就是说，把人类大脑中高层次抽象出的设计生产成最终实物产品；逆向设计则是通过逆向手段再现实物CAD原型，并在此基础上，先分析现有

6、产品和零部件，确定产品实物各部件之间的功能联系和组装联系等，完全掌握它的工作原理和结构特点。然后根据功能、布局、原理等不同需求，修改、设计新的产品模型[8]。2点云数据采集2.1曲面数字化测量简介数据测量（也称为产品表面数字化）必须用特定测量方法，将产品零件表面形状转变为一系列离散几何点坐标数据，再通过这些数据来重新建模，评价，改进，制造零件。它是技术人员与逆向工程技术及CAD、CAM、CAE、RP、C之间的重要桥梁。在测量时，为了更真实的呈现被测零件相关特征的坐标信息，必须具有足够的测量精度，而且还

7、需要更高效率的测量及更智能化的测量规划。采集零件表面数据的原理方法有多种。实物数字化方法的具体分类如图2-1。每种测量方法均有自身特点和应用范围，针对测量零件的自身形状特征和应用目的，应选取恰当的测量方法及数据后处理技术。目前，没有一种快速、精确的测量方法可完全适用于工业设计中的各类零件，因而为了满足不同需求，许多快速成型中心至少需要装备两种以上的测量设备[19]。触发式数据测量是用触发式测头探测工件表面，当测头上探针尖接触到工件表面受力变形时，将触发采样开关，系统将记录测头中心点的坐标，用同样的方法

8、，逐点移动，完成整个工件表面的坐标数据采集，测量精度较高。在整个采集过程中，探针只有相对上一个坐标位置偏移一个数值才能触发开关，系统进行记录，但触头接触工件表面后，为了防止探针探测过量折断，探针必须法向退出才能进行下一个坐标的测量，故采集速度低。连续式数据测量是通过模拟量开关采样头通过连续的方式采集数据，速度更快，精度更高，采样时接触力相对较小，可用于大规模数据的采集[19]。立体视觉法有单目立体视觉与双目立体视觉两种，它的原理类似于人眼观察物体的方法。