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鼠标设计及快速成型
鼠标设计及快速成型
摘要
Ug已成为当今CAD/CAM领域内研究的热点之一,它在机械产品测量造型、计算机视觉、根据切片数据的医学图像重建等领域有重要应用。
本设计重点介绍了利用UG软件根据鼠标的点云数据进行鼠标的模型重建并用FDM对其进行快速成型加工的过程,在根据点云设计中,结合设计需要进行了必要的正向设计修正,以得到理想的设计结果。
设计内容贯穿数据采集、数据项预处理、文件读取、边界提取、曲面重构、实体生成、STL模型重构、快速成型机的操作和注意事项,并对建模过程及STL文件处理作了系统的论述。
选用UGNX4.0软件的UnigraphicsCAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境,使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成,从而优化了企业的产品设计与制造。
由INSIGHT软件进行的数据切片处理可直接传送快速成型机,无需进行其他处理。
关键字:
快速成型,数据采集,STL模型重构,曲面重构
ReverseDesignofaMouseBasedonUGandRapidPrototyping
Abstract
ReverseengineeringhasalreadybecomeoneoftheresearchfocusesincurrentCAD/CAMstudy.Ithassignificantapplicationinmeasuringmodelingofmechanicalproducts,computervisionandreconstructionofiatricalimageaccordingtosectiondata.Inthisdesign,accordingtothepointclouddataofthemousemodelisreconstructedwithUGsoftwareandmakinguseofFDMtocarryoutrapidprototypingprocess.Duringthereversedesignofpointcloudcombinedwiththeneedofthedesignpositivedesignmodificationisdoneinordertogetidealdesignresult.
Thecontentsincludedatacollection,datapreprocessing,filesreading,boundariesextracting,curvedfacereconstruction,solidgeneration,STLmodelsreconstruction,operationoftheFDManditsmattersneedattention.UnigraphicsCAD/CAM/CAEsystemofUGNX4.0providesadesignenvironmentbasedonprocessoftheproductandmakestheproductdevelopmentfromdesigntoproductioncompletejointlessintegrationofdata,thusoptimizestheproductdesignandproductionintheenterprise.DatasectionprocessingmadebyINSIGHTsoftwarecanbetransmitteddirectlytoFDM,withoutotherprocessing.
Keywords:
rapidprototyping,datacollection,STLmodelreconstruction,curvedfacereconstruction
2.5快速成型
2.5.1快速成型的发展
快速成型技术又称快速原型技术是九十年代发展起来的一项高新技术,它无需准备任何模具、刀具和工装夹具,快速成型设备可直接接受产品设计(CAD)数据,快速制造出新产品的样件、模具或模型,对促进企业产品创新、缩短新产品开发周期、提高产品竞争力有积极推动作用。
传统制造业的战略是规模效益第一,九十年代以来,已发展为市场响应第一。
在制造业日趋国际化的状况下,缩短产品开发周期和减少开发新产品投资风险,成为企业赖以生存的关键。
近年来,制造业市场的制造战略重点正在发生从成本与质量到时间与响应的重大转移。
快速将多样化的产品推向市场是制造商把握市场先机而求生存的重要保障。
快速成形技术是集机械、电子、光学、材料等学科为一体的先进制造技术之一。
快速成形(RapidPrototyping&Manufacturing:
RP)技术突破了传统的加工模式,是近20年制造技术领域的一次重大突破。
它与科学计算可视化和虚拟现实等技术相结合,为设计者、制造者与用户之间提供了一种可测量、可触摸的新手段。
快速成形技术可以自动、快速、直接、精确地将设计思想转化为具有一定功能的原型或直接制造零件(模具),有效地缩短了产品的研发周期,是提高产品质量、缩减产品成本的有力工具。
它的核心是基于数字化的新型成形技术。
快速成型技术根据成型方法可分为两类:
基于激光及其他光源的成型技术(LaserTechnology),例如:
光固化成型(SLA)、分层实体制造(LOM)、选域激光粉末烧结(SLS)、形状沉积成型(SDM)等;基于喷射的成型技术(JettingTechnoloy),例如:
熔融沉积成型(FDM)、三维印刷(3DP)、多相喷射沉积(MJD)。
2.5.2快速成型技术的应用领域
目前RP技术的发展水平而言,在国内主要是应用于新产品(包括产品的更新换代)开发的设计验证和模拟样品的试制上,即完成从产品的概念设计(或改型设计)—造型设计—结构设计—基本功能评估—模拟样件试制这段开发过程。
对某些以塑料结构为主的产品还可以进行小批量试制,或进行一些物理方面的功能测试、装配验证、实际外观效果审视,甚至将产品小批量组装先行投放市场,达到投石问路的目的。
1.快速成型的应用主要体现在以下几个方面:
(1)新产品开发过程中的设计验证与功能验证。
RP技术可快速地将产品设计的CAD模型转换成物理实物模型,这样可以方便地验证设计人员的设计思想和产品结构的合理性、可装配性、美观性,发现设计中的问题可及时修改。
如果用传统方法,需要完成绘图、工艺设计、工装模具制造等多个环节,周期长、费用高。
如果不进行设计验证而直接投产,则一旦存在设计失误,将会造成极大的损失。
(2)可制造性、可装配性检验和供货询价、市场宣传,对有限空间的复杂系统,如汽车、卫星、导弹的可制造性和可装配性用RP方法进行检验和设计,将大大降低此类系统的设计制造难度。
对于难以确定的复杂零件,可以用RP,技术进行试生产以确定最佳的合理的工艺。
此外,RP原型还是产品从设计到商品化各个环节中进行交流的有效手段。
比如为客户提供产品样件,进行市场宣传等,快速成型技术已成为并行工程和敏捷制造的一种技术途径。
(3)单件、小批量和特殊复杂零件的直接生产。
对于高分子材料的零部件,可用高强度的工程塑料直接快速成型,满足使用要求;对于复杂金属零件,可通过快速铸造或直接金属件成型获得。
该项应用对航空、航天及国防工业有特殊意义。
(4)快速模具制造。
通过各种转换技术将RP原型转换成各种快速模具,如低熔点合金模、硅胶模、金属冷喷模、陶瓷模等,进行中小批量零件的生产,满足产品更新换代快、批量越来越小的发展趋势。
快速成型应用的领域几乎包括了制造领域的各个行业,在医疗、人体工程、文物保护等行业也得到了越来越广泛的应用。
2.快速成型技术主要在各行业的应用状况如下:
汽车、摩托车外形及内饰件的设计、改型、装配试验,发动机、汽缸头试制;各种家电产品的外形与结构设计,装配试验与功能验证,市场宣传;通讯产品外形与结构设计,装配试验,功能验证,模具制造;航空、航天特殊零件的直接制造,叶轮、涡轮、叶片的试制,发动机的试制、装配试验;玩具、鞋类产品的设计、验证、装配,市场宣传及模具的快速制造;医疗器械的设计、试产、试用,CT扫描信息的实物化,手术模拟,人体骨关节的配制;各种武器零部件的设计、装配、试制,特殊零件的直接制作,遥感信息的模型制作。
总之,快速成型技术的发展是近20年来制造领域的突破性进展,它不仅在制造原理上与传统方法迥然不同,更重要的是在目前产业策略以市场响应速度为第一的状况下,RP技术可以缩短产品开发周期,降低开发成本,提高企业的竞争力。
随着RP技术本身的发展和完善,其应用领域在不断拓展。
2.5.3快速成型技术的优越性和特点
1.产品制造过程几乎与零件的复杂性以及几何形状无关,在加工复杂曲面时更显优越,这是传统方法无法比拟的。
2.加工周期短,成本低,成本与产品复杂程度无关,一般制造费用降低50%,加工周期节约70%以上。
3.产品的单价几乎与批量无关,特别适合于新产品的开发和单件小批量零件的生产。
4.整个生产过程数字化,与CAD模型具有直接的关联,零件可大可小,所见即所得,可随时修改,随时制造。
5.与传统方法结合,可实现快速铸造,快速模具制造、小批量零件生产等功能,为传统制造方法注入新的活力。
快速制造技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要,综合经济效益良好,是一种快捷、方便、实用的制造技术,特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。
目前,大多数的快速成形制造系统中,3D的CAD模型首先要转化为标准STL格式模型,即采用所谓面型化处理方法对实体曲面进行近似处理,用平面三角面片近似模型的表面。
这样处理的优点就是大大地简化了CAD模型的数据格式,以便于后续的分层处理,为制造过程准备数据。
STL文件格式是由美国3DSystem公司于1987年提出的,由于它在数据处理上较简单,而且与CAD系统无关,所以很快发展为快速成形制造领域中CAD系统与快速成形机之间数据交换的准标准格式。
表达一个三维实体模型的STL文件是用大量的空间小三角形面片来表示实体模型的表面,如图2.3所示,对每一空间小三角形面片用三角形的3个顶点坐标及三角形面片的法向量来描述,法向量由实体的内部指向外部,3个顶点的次序与法向量满足右手规则。
此外,STL文件中两个相邻的三角形只能有一个公共边。
图2.3STL文件样式
3快速成型软硬件设备
3.1扫描设备
三维扫描技术能够完整及高精密度的重建实物或实景、三维实体模型及原始测绘数据。
最大特点就是:
精度高、速度快、逼近原形。
3.2点云曲面处理软件
目前市面上常用的快速成型软件系统采用的基本都是NURBS曲面,从它们的功能或操作方法来看,其共同特点是先构造曲线,或者是利用曲线直接构造曲面,或者是通过曲线界定曲面拟合区域,先生成曲面片,然后通过拼接构成完整的曲面模型。
其优点是NURBS曲面的应用在CAD/CAM领域内相当广泛,因而,这些系统与其它CAD/CAM系统的通信、交流就十分方便。
特征曲线的构造在其中起着重要的作用。
然而,通过交互定义特征线费事费力,而自动提取的方法在目前仍相当有限。
逆向软件主要用来做快速成型,它处理点云数据的流程遵循点——曲线——曲面的原则,整个流程简单清晰明了,而且软件操作容易,对系统性能要求也不高。
1.点云处理
(1)读入点云数据,将分离的点云对齐在一起。
有时候由于零件形状复杂,一次扫描无法获得全部的数据,或是零件较大无法一次扫描完成,这就需要移动或旋转零件,这样会得到很多单独的点云。
逆向软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。
(2)对点云进行判断,去除噪音点(即测量误差点)。
由于测量工具及测量方式的限制,有时会出现一些噪音点,逆向软件有很多工具来对点云进行判断,去掉噪音点,以保证结果的准确性。
(3)通过可视化点云观察和判断,规划如何创建曲面。
例如,如果曲面可以直接由点的网格生成,就可以考虑直接采用这一片点云;如果曲面需要采用多段曲线蒙片处理,就可以考虑截取点的分段。
提前作出规划可以避免以后走弯路。
(4)根据需要创建点的网格或点的分段。
2.曲线创建
(1)判断和决定生成哪种类型的曲线。
曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的(捕捉点云代表的曲线主要形状)、或介于两者之间。
(2)创建曲线。
根据需要创建曲线,可以改变控制点的数目来调整曲线。
控制点增多则形状吻合度好,控制点减少则曲线较为光顺。
(3)诊断和修改曲线。
可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性,可以检查曲线与点云的吻合性,还可以改变曲线与其他曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。
3.曲面创建
(1)决定生成那种曲面。
同曲线一样,可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面,或两者兼顾。
根据产品设计需要来决定。
(2)创建曲面。
创建曲面的方法很多,可以用点云直接生成曲面(Fitfreeform),可以用曲线通过蒙面、扫掠、四个边界线等方法生成曲面,也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。
还可以通过其他例如圆角等生成曲面。
(3)诊断和修改曲面。
比较曲面与点云的吻合程度,检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性,同时可以进行修改,例如可以让曲面与点云对齐,可以调整曲面的控制点让曲面更光顺,或对曲面进行重构等处理。
3.3实体建模软件UG
EDS公司的UnigraphicsNX是一个产品工程解决方案,它为用户的产品设计及加工过程提供了数字化造型和验证手段。
UnigraphicsNX针对用户的虚拟产品设计和工艺设计的需求,提供了经过实践验证的解决方案。
UnigraphicsNX为设计师和工程师提供了一个产品开发的崭新模式,它不仅对几何的操纵,更重要的是团队将能够根据工程需求进行产品开发。
NX建立在为客户提供无与伦比的解决方案的成功经验基础之上,这些解决方案可以全面地改善设计过程的效率,削减成本,并缩短进入市场的时间。
通过再一次将注意力集中于跨越整个产品生命周期的技术创新,NX的成功已经得到了充分的证实。
这些目标使得NX通过无可匹敌的全范围产品检验应用和过程自动化工具,把产品制造早期的从概念到生产的过程都集成到一个实现数字化管理和协同的框架中。
工业设计和风格造型方面,NX为那些培养创造性和产品技术革新的工业设计和风格提供了强有力的解决方案。
利用NX建模,工业设计师能够迅速地建立和改进复杂的产品形状,并且使用先进的渲染和可视化工具来最大限度地满足设计概念的审美要求。
产品设计方面,NX包括了世界上最强大、最广泛的产品设计应用模块。
NX具有高性能的机械设计和制图功能,为制造设计提供了高性能和灵活性,以满足客户设计任何复杂产品的需要。
NX优于通用的设计工具,具有专业的管路和线路设计系统、钣金模块、专用塑料件设计模块和其他行业设计所需的专业应用程序。
开发环境方面,NX产品开发解决方案完全支持制造商所需的各种工具,可用于管理过程并与扩展的企业共享产品信息。
NX与UGSPLM的其他解决方案的完整套件无缝结合。
这些对于CAD、CAM和CAE在可控环境下的协同、产品数据管理、数据转换、数字化实体模型和可视化都是一个补充。
在高端的软件领域里除了UG外还有其他的大型软件:
1.TeamCenter,与达索的Smarteam并称为最强大的PLM软件。
2.Postbuilder,准确的说是UG软件的一部分,强大的CAM/CNC后置处理器。
3.Nestran,与NASA的Nestran同根同组,是军工及航空航天业强大的CAE软件,主要应用于线性问题求解。
4.I-DEAS,军方用高端软件,福特和日产使用,常用在CAE领域。
5.SolidEdge,中端设计软件,除了Solidworks之外很常用的软件,强项是钣金。
6.Imagewre,逆向造型与汽车A面造型软件,在此领域市场领导者。
随着客户要求的不断提高UG的二次开发工具大大的增加了,主要体现在以下几个方面:
1.OpenGrip,可以完成绝大多数曲线,实体CAD操作功能,生成的文件可以被UIStyler二次开发的菜单.men文件调用,也可被OpenAPI(C语言)或者OpenC++调用。
2.OpenAPI,也叫OpenC,UG的一个C语言函数库,将相似功能的函数放在同一个.h头文件中,编译后生成dll,可以直接调用:
OpenC,二次开发工具,可以实现草图、三维实体曲面、产品装配、汽车模块、模具模块、知识工程(Knowledgefusion)、CAM加工、有限元FEM,数据库操作等所有UG功能的二次开发。
3.OpenC++,可以用C面向过程或者C++面向对象的方法来编写和调用。
但是功能仅局限于CAD。
4.UIStyler,用于二次开发扩展的菜单命令和对话框界面,生成的.men,.dlg可以调用上述二次开发语言编写的可执行代码。
5.ToolingLanguage,UG自己提供的一套工具说明性语言,比较多的用在Genius设备刀具管理和Postbuilder。
6.可以使用VB,Java等语言,通过对UG安装目录下各个.set,.template,.dat,.dlg,.men文件和数据库进行操作来达到上述二次开发工具同样的效果。
这也是UG二次开发工具强大之处。
3.4快速成型设备
本次使用的是美国“Stratasys”公司生产的FDM,它是目前最具商用价值的快速成型系统,它能为你减少开发周期,改良产品设计,减低生产成本和加快产品新版本,快速制造出复杂而又精确的立体样品。
我校的FDM3000快速成型系统,具有新加水溶支撑头,新开发支撑材料现遇水(碱性)即溶,特别适合制造通心及微细特征样品。
该系统操作简易、速度快,开发周期减少;高精度、成型表面质量佳;使用无毒材料,能在办公室环境使用,是产品设计及开发之间的理想联系工具。
主要技术指标:
最大成品尺寸:
254×254×406mm
精确度:
±0.127mm
原料:
ABS、ABSi、investmentCastingWax、Elastomer
分层阔度及厚度:
阔度0.254to2.54mm厚度0.05to0.762mm
应用范围:
适合产品设计、开发、改良,特别适合制造通心及微细特征样品、模具。
来料加工、产品设计、开发、改良零件价格视具体情况定。
4鼠标模型构建
4.1模型分析
针对鼠标的外形观察,发现其实体表面主要分为四个曲面围成。
它们分别是上表面,下表面,侧面和连接上表面与侧面的倒角面组成。
而且下表面,侧面有共同的曲面特征,都可以使用同样的拉伸方法直接来生成。
然后分别进行裁剪,就得到了想要得曲面。
4.2曲面造型
4.2.1上表面的建立
1.上表面曲线的建立
通过桌面快捷方式或Windows程序中的执行文件启动UGNX4.0,启动后界面如图4.1所示。
选择【文件】→【打开】命令或者单击工具条上的
图标,系统弹出“打开部件文件”对话框,如图4.2所示。
选择已经处理好的点云文件后,单击【OK】按扭选择部件。
图4.1UGNX4.0界面
点击
菜单选择【建模】进入建模模式,选择【格式】→【图层的设置】设置图层1为工作层,图层3为可选然后点击“确定”。
在设置好的工作环境下点击
进行曲线的建立,具体步骤是:
在弹出的对话框内选择“通过点”会弹出对话框如图4.3所示。
“确定”后选择“点构造器”如图4.4。
然后有选择性的选择部件中的点,尽量使构造的曲线平滑,如果点选的过于密集可能会改变原来表面的形状出现凸凹不平的现象。
“确定”指定的点后对即将生成的曲线选择“赋斜率”完成曲线的初步建立。
如图4.5所示。
点击
对以做好的样条曲线进行延长输入长度为20mm,并删除原来的曲线。
如图4.6所示。
点击
对曲线进行修剪,先选择要修剪的线串,“过滤器”选择“点”点中线
图4.2“打开新部件”对话框
图4.3“通过点生成样条”对话框图4.4“点构造器”对话框
串上稍偏离中心位置的点,剪掉较长的部分。
点击
对剩余部分曲线进行镜像。
先选择要镜像的线串,再点击
以ZC-XC面为基准面完成曲线的镜像。
如图4.7所示。
点击
对两部分曲线进行桥接。
分别点击两条曲线,连接方式选择”曲率”形状控制选择”端点”。
经过两次”确定”后玩成曲线的桥接。
如图4.8所示。
图4.5UGNX4.0界面
图4.6UGNX4.0界面
点击
进行曲线的合并。
选择要合并的曲线,与其接触的可以合并的曲线会自动变成红色,点击”确定”。
曲线的重新输出选择”删除”,如图4.9所示。
完成曲线的合并。
按以上方法完成上表面的其他曲线的绘制,再曲线绘制过程中曲面过度平缓接近平面的地方可以做的稀疏些,过度曲率较大的地方要密集些。
如图4.10所示。
图4.7曲线的镜像图4.8曲线的桥接
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