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关键词:
逆向工程ReverseEngineering;
点云Piont;
曲线Curve;
UG软件Unigraphics;
曲面Surfacer
目录
摘要………………………………………………………………2
前言………………………………………………………………4
1.1Surfacer软件的功能简介……………………………4
1.2UG软件在逆向工程中的应用…………………………5
1.3课题研究的意义和方法………………………………5
课题设计的详细过程……………………………………………7
2.1课题的点云数据………………………………………7
2.2
2.3
2.4大面的构建……………………………………………8
2.5
2.6
2.3下部一系列曲面的创建………………………………11
2.4右下面小曲面的构建…………………………………18
2.5左下一系列曲面的构建…………………………19
2.6上部及顶部曲面的构建…………………………26
2.7边界曲线的生成…………………………………28
2.8边界曲线裁剪曲面………………………………29
结论………………………………………………………………30
谢辞………………………………………………………………31
参考文献…………………………………………………………31
1.前言:
由于现代社会科技进步之故,各种产业都面临着莫大的挑战,譬如说汽车行业,更是应该调整步伐以适应时代的潮流.对于像汽车覆盖件、车灯的反射镜等自由曲面造型,其苛刻的设计条件困扰众多的使用电脑绘图软件的设计者,主要的原因包括曲面造型太过复杂、表面光整度要求严格、制件精度要求高等方面.因此很多造型设计师使用手绘图或者手工捏塑来设计原型,但无法回归电脑资料来保存,且后续模具制作过程亦变得更加困难.因此在这种背景下,逆向工程的出现变得呼之欲出、顺理成章,为众多的造型设计者开辟了一条捷径,使曲面造型有一个质的飞跃.
另外我所从事的工作部门是《深圳比亚迪公司的汽车研究所》,针对我的工作性质是从事汽车覆盖件造型研发,因此我选择了这样一个毕业设计的课题(逆向工程——汽车覆盖件的曲面造型——由点云构建曲面),这对于我来说是个全新的挑战,三年大学从未接触过逆向工程及相应的软件,而在这短短的一个多月的时间里要完成这么复杂的课题,对我而言的确是一件艰巨的任务,幸好在老师的引导及鼓励下我确定的信念,经历了种种挫折终于完成了此次毕业设计的课题。
1.1Surfacer软件的功能简介
由于逆向工程自身性质的限制,通常需要读入大量的原始资料,如坐标点资料等.但由于资料数据过于庞大,并非所有CAD/CAM软件都可以读入.因此逆向软件必须能处理大量的点资料,而Surfacer便具有这种特性.另外因为通常逆向建构的是外观曲面,因此需要多种检测曲面品质的工具,以及快速、简便的修改方式,而Surfacer也具备这种特性.
1.1.1Surfacer对量测资料的分析与编辑
●采用独一的OEP(OneEntityProcessing)运算,当读取一笔数量庞大的点资料时,软件将点群中所有的点视为一个图素(entity),籍此可以读取许多笔数量庞大的点群.因此Surfacer读取点群原始资料时没有点数的限制.
●Surfacer的点群编修工具能对量测点群资料做顺滑、取样、虑除、运算尖角特徽资料、计算三角网格及投影曲线到3D点群上等动作,以增快使用者处理量测资料的速度.
●Surfacer对点群的特徽撷取工具,让使用者根据量测资料的曲率、剖面、颜色、边界等,撷取其特徽位置,方便使用者建构CAD模型.
1.1.2Surfacer对曲线的建构与编辑
●Surfacer可视使用者的需求来建构各种曲线,串连由量测设备所量出来的点群,并允许使用者根据公差与顺滑程度来Fit3D曲线.速度相较于CAD/CAM系统,要串好每一条线的速度相对快的多.
●Surfacer的曲线编辑工具根据使用者动态的调整直至曲线符合使用者的需求.或是开启可动态检视曲线曲率的Plot功能来让使用者易于判断.
●Surfacer的曲线检视功能可让使用者及时检测曲线与量测点资料的误差数值,以及曲线与曲线之连续性,以控制曲线品质.
1.1.3Surfacer对曲面的建构与编辑分析
●Surfacer的曲面功能,指令的操作命令以及应用原理,与曲线大致上有许多相同的地方,曲面的连续性、曲面平顺等应用,都延伸自曲线的基础.
●Surfacer的曲面建构工具,提供使用者两种建构的方式,一是快速的以曲面贴点群方式,来建构CAD曲面.另一个方法是建构高品质的自由曲面造型,更可依所需求建构CLASSA曲面(曲面连续性佳的曲面).
●Surfacer的曲面编辑工具,提供使用者动态的调整曲面方法,一边调整曲面,一边比对曲面与点群的误差,直到符合使用者的需求,并透过及时的曲面检测工具,让使用者快速、准确、方便的建构高品质曲面.
1.2UG软件在逆向工程中的应用
在档案读取方面,Surfacer所能处理的档案格式繁多,例如可以通过IGES格式与UG(Unigraphics)软件进行档案转换。
本次设计有很多步骤都需要在UG(Unigraphics)软件里面完成.
Unigraphics(简称UG)是美国UGS公司的主导产品,是全球应用最为普遍的计算机辅助设计、辅助制造和辅助工程一体化的软件系统之一.UG软件功能强大、界面友好、运行稳定,覆盖了从概念设计、功能工程、工程分析、加工制造到产品发布的整个过程,被广泛的应用于机械、汽车、航空航天、电器电子和化工等各个工业领域的产品设计和制造分析中,通过其虚拟产品开发(VPD)的理念,提供多极化的、集成的、企业级的包括软件产品与服务在内的完整的MACD解决方案。
1.3课题研究的意义和方法
1.3.1课题研究的意义
传统的模具设计尤其是对于像汽车覆盖件之类的曲面造型是一个反复而困难的研制过程,旷日持久而又投资巨大。
随着工业化的日益发展,产品更新换代周期越来越短,产品间的竞争越来越激烈,因此必须通过专门的三次元量测系统、雷射扫描系统或影象撷取系统等测出的3D点云数据资料,再以专业逆向软件(如Surfacer软件)进行点资料数据处理,从而达到产品实体模型数据资料的目的.从而为设计与制造模具做铺垫.
具体的意义如下:
●在产品设计保密的规定或是商业策略的考量下,国外原厂、原设计者不提供原始的CAD资料给国内厂家.
●
●设计者参考几款成品设计概念,例如:
参考甲成品的特徽,乙成品的外型.通过逆向工程整合开发.
●原设计者以油土、黏土模型、木模型等代替3D—CAD设计.需要以量测设备将外型资料量测后,建构CAD资料,以方便后续加工.
●以成品翻制石膏模型来靠模加工,无原始3D的CAD资料.
●以实体模型、缩小模型进行实验,例如:
风洞实验,进行外型修正,完成实验后由于没有CAD资料,而需要逆向工程方式制作.
1.3.2课题研究的方法和思路
本课题中将采用Surfacer软件对三次元量测系统、雷射扫描系统或影象撷取系统等测出的点云数据资料进行分析处理,依据理想中的实体模型去除多余的或跳动比较大的点数据,从而得到理想的点云资料,然后结合UG(Unigraphics)软件将得到的点生成相应的曲线,通过软件中的曲线功能对曲线进行分析处理,最后将得到的符合设计要求的曲线导入UG(Unigraphics)软件,通过软件中的面处理功能得到符合设计要求的曲面.
2课题设计的详细过程
基本步骤为在Surfacer软件中分析处理点云,观察整个课题的点云及形状,将整个数据点云分成几块,以便于简化点云数据,从而便于后续步骤的完成,然后将各个块的点云生成曲线,或者直接在Surfacer软件中选取一块点云,以IGES格式导入UG(Unigraphics)软件生成曲线从而完成曲面的构建与造型.
2.1课题的点云数据
Surfacer软件的界面及课题的点云数据显示如下:
2.2大面的创建
逆向工程是一件很庞大、很繁琐的由点云创建曲线从而构建形状复杂、表面光整度高的曲面工程,因此逆向工程所需的点云数据一般情状都是相当庞大的,因此在分析处理点云的时候可以将所有的点云按其规律分门别类,从而达到简化制图步骤的目的。
就此毕业设计课题,我将其整个点云分成若干块,譬如:
形状较为规律并且面积比较大的曲面(大面)、大面下部的一系列的小面和一些细微部位的曲面等几部分,并且能较为清楚的分析出每个面的性质及相邻面的相对关系等,从而比较容易控制课题设计的方法思路和具体的步骤。
接下来首先做形状比较规律的大面,用鼠标左键单击工具条中的“Curve”选项,选择“construct3D”界面如下图:
单击“Interactive3DB-Spline”菜单,将弹出如下对话框:
然后在“大面”上用左键选取各个规律的点,可以逐个点选取也可以隔几个点选取,原则是能正确反映曲线的真实规律,选点的同时会在“Interactive3DB-Spline”对话框中显示点的坐标,如果由于疏忽或是其它原因选错了点,则可以点击对话框中的“Delete”按钮将选错的点删除掉,当将所需的点选择完成后检查所选的没有与大体趋势相差甚大的点后,点击“Apply”按钮则会生成3D曲线,然后单击工具条中的“Point”选项,选择“CurveSections”,再选择“CurveAligned”指令,则会弹出“CurveAligned”对话框,在对话框中通过“Sections”指令来确定在曲线上砍出的点云面的数量,通过“Extentofcross-sections”指令来调整点云面的长度,则会砍出若干与3D曲线相关的点云,再单击“Display”选择“ShowOnlySelected”菜单,会出现“ShowOnlySelected”对话框,选择符合实际需求的点连成曲线,如下图所示:
基于上面得到的曲线和由曲线砍出的线,我想尝试在Surfacer软件中,应用“surfacer”中的“Createw/curves”选项中的“Loftcurves”指令来生成曲面,但每次生成的曲面不是翘曲变形的就是首尾扭成一体的,完全偏离预期的目标,这是在本次设计中遇到的第一个坎,为了解决这个问题,我又重新看了一遍关于由线构建曲面的章节,我又尝试应用菜单“surfacer”中的“Createw/curves”选项中的“BlendUVCurvesNetwork”指令来生成曲面,但最后还是没有达到理想的效果,总之花了我很长时间处理这个问题,刚开始做这份设计就被泼了一盆冷水,我也逐渐感觉到此次设计的困难和繁琐。
最后我请教了指导老师,确定了解决方案,在UG软件中解决由曲线构建曲面的这一环节。
具体的步骤如下:
将上图的文件以IGES格式保存,文件名为“damian”.
打开UG软件,进入“建模”状态,界面如下图所示:
然后选择“文件”菜单中“输入”选项,选择“IGES…”,然后在弹出的对话框中单击“选择IGES文件”,然后选择“damian”文件,则将IGES格式的文件导入UG成功,接下来便是在UG软件中进行由曲线构建曲面的操作,具体的步骤如下:
在UG软件的“建模”状态下(上图界面),用鼠标左键单击“编辑”中的“曲线”选项,然后选择“弧长”指令,随即界面中会弹出弧长对话框,然后在对话框中选择“递增的”然后在“长度”输入框中输入20,选择所要延长的曲线的两端就可以完成曲线的弧长的操作了,接下来便是由曲线构建曲面的操作了,具体步骤如下:
单击“插入”按钮,然后选择“自由形式特征”,最后再选择“扫掠…”菜单,则会由三条控制线扫掠生成出曲面。
由于在产生曲线的时候考虑到边界处的点云的不稳定或者不易区分点的所属性,因此在由点云生成曲线的时候没有控制到曲面的最边界处,因此上述所生成的曲面需要在控制线的趋势上扩大,以达到理想的要求。
曲面扩大的具体步骤如下:
在“编辑”选项中的“自由形式特征”中选择“扩大”选项,在界面上出现的对话框中根据UG软件中的基本操作提示,逐步完成曲面所需扩大的方向上的扩大操作,最终实现曲面的扩大目的,从而达到了预期的目标,此时由曲线构建的大面如下图所示:
到现在大面的造型基本完成,则需要保存文件,点击“文件”选择“另存为…”,则完成大面文件的保存,以便以后的操作.在UG软件中完成由曲线构建曲面的过程较在Surfacer软件简便一点,时间也有很大程度的缩减,原本在Surfacer软件中花很长时间没有完成的任务而在UG软件中较快的完成,这一点让我深刻的感觉到两个软件结合起来使用的优越性,为我在接下来的设计积累了经验。
2.3下部一系列曲面的创建
在Surfacer软件中,鼠标左键单击“Curve”选项,选择“construct3D”然后选择“Interactive3DB-Spline”菜单,在下面的较大的曲面上生成一条曲线,如下图<
1>
所示,然后单击“Point”,选择菜单“CurveSections”,再选择“CurveAligned”则会弹出“CurveAligned”对话框,重要的一点在于设置“Extentofcross-sections”指令来调整点云面的长度,原则上要求砍出的点云需要延伸到最下面的面上,以便于构建最下面的曲面时所需,则会砍出若干与3D曲线相关的砍出若干与3D曲线相关的点云,再单击“Display”选择“ShowOnlySelected”菜单,选择要显示的内容,则会出现如下图<
2>
所示的界面.将界面<
保存为:
“curve_aligned”,以备后续使用.
<
<
然后在界面<
中选择最下面的点云,选择“construct3D”中的“Line”选项,将点连结成线,则求得了最下面的曲面上的线组,此时画面很小需放大视图观察,将此时的文件保存为“curve_aligned1”.结果如下图所示:
接下来将生成的“curve_aligned1”文件的线组导入UG软件,旨在完成由曲线构建曲面的任务。
打开UG软件,打开UG文件“damian”保证每次导入的新文件都在同一个坐标系下,以防到最后面与面之间不能配合。
导入文件“curve_aligned1”,导入的方法和前面的一样。
然后将先前构建的大面隐藏掉以便于对“curve_aligned1”面的操作。
在UG软件中单击“编辑”中的“曲线”选项中的“弧长”,然后逐个延长线条至合适长度,然后选择规律相似的曲线,通过“插入”中的“自由形式特征”选项中的“通过曲线”命令构建曲面,但前几次生成的曲面都是有不同程度的扭曲,不符合理想中的要求,原因在于所选择的曲线过密或者是曲线的规律相差太大,分析出原因后,经过反复的调整,反复剔除规律差距较大的曲线,尽量选择规律相同的曲线构建曲面,构建曲面的方法还是应用“扫掠”得到,最终的结果还是比较令人满意的。
通过对这个面的构建,我深刻的体会到做逆向工程的研究真的是很需要耐心和恒心的,当遇到挫折和困难的时候不能退缩,而是需要更多的尝试,虽然在尝试的过程中会遇到很多的碰壁,但每一次碰壁过后都是一份的进步,对于我这个刚刚开始从事逆向工程的初学者来讲,这些从中得到的经验是一笔宝贵的财富。
经过一番努力和尝试,最终得到了比较令人满意的结果,结果如下图所示:
通过对“curve_aligned1”面的构建,我深刻的体会到逆向工程曲面造型是一件特别需要耐心和恒心的工作,我相信这种耐心的恒心的锻炼对我以后的工作有很大的帮助的,这将是一笔财富。
再打开Surfacer软件,应用求得上述“curve_aligned”点云相同的方法,求出一条曲线,然后应用“CurveAligned”指令砍出一系列与之相关的线条,然后应用“Display”选择“ShowOnlySelected”菜单只显示所需要的点云,将其保存为“curve_aligned2”,如图所示:
打开UG软件,仍然是在“damian”的文件下打开,以确保每次导入的文件都在同一个坐标系下,导入文件“curve_aligned2”,方法同前面的操作相同。
隐藏“大面”和“curve_aligned1”面,以便于操作。
单击“插入”中的“基本曲线”选项,选择“直线”,由靠近点云中间部位的距离最近两点连成一直线,然后通过“编辑”中的“曲线”选项中的“弧长”来延长线条至合适长度,选择规律的合适的线条,点击“插入”中的“自由形式特征”中的“通过曲线”选项完成曲面的构建,但事情并不是这么简单,经多次的操作后仍然没有得到理想的曲面,每次生成的曲面或有不同程度的扭曲或是宽窄不同的突变,总之所得到的曲面无法满足设计要求,最后我选择了如下方案:
先在不能满足设计要求的曲面中选择出一个最接近要求的过渡曲面,过渡曲面的作用是与“curve_aligned1”面产生交线,然后再通过调整交线上的点来重新生成曲线,最后通过曲面的延伸完成“curve_aligned2”曲面的构建。
单击“插入”中的“基本曲线”选项,选择“直线”,由靠近点云中间部位的距离最近两点连成一直线,然后通过“编辑”中的“曲线”选项中的“弧长”来延长线条至合适长度,选择规律的合适的线条,点击“插入”中的“自由形式特征”中的“通过曲线”选项完成过渡曲面的构建,然后将“curve_aligned1”面显示于界面中,然后单击“插入”选择“曲线操作”中的“相交”选项,求出两个面的交线.如图所示:
点击“插入”中“曲线操作”选项的“投影”来完成交线在“curve_aligned1”曲面上的投影,现将过渡曲面删除。
为了得到“curve_aligned2”的曲面,可以在UG软件中采取“curve_aligned1”曲面有角度的延伸的方法达到。
但此次构建“curve_aligned2”曲面可谓是费尽周折,多次的操作都是徒劳的,最终才发现由于“curve_aligned1”曲面和过渡曲面的交线在Z方向上有很大的波动,交线的一端有严重的上翘而另一端却是严重的下坠,所产生的后果是得到的“curve_aligned2”曲面与实际情况完全不符,表现出一端上翘一端下坠的形状,与真正的点云数据的偏差太大,是无法忍受的曲面。
因此在构建曲面之前
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