(基于逆向工程技术的爬行士兵外壳模具设计开题报告.doc

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毕业设计(论文)开题报告

题 目： 基于逆向工程技术的爬行士兵
玩具外壳模具设计
学 院： 机械工程学院
专 业： 机械设计制造及其自动化
学生姓名： 学 号：
指导老师：

2011年 1 月 10 日
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
基 于 逆 向 工 程 技 术 的 爬 行 士 兵 玩 具 外 壳 模 具 设 计
0 引言
爬行士兵玩具外壳是按照人体外形而设计的，其外观要求设计精美，曲线玲珑浮凸，外表光滑，边缘不带毛刺、飞边等缺陷，且外壳壁厚要均匀。若采用传统的设计方法不仅生产周期长，生产成本高，而且产品质量也无法得到保证。逆向工程技术的产生，并随着他的不断发展，为我们设计该类型的玩具外壳提供了很好的理论和技术基础，爬行士兵外壳由很多不规则的光滑曲面构成，要实现其模具的精确加工，我们可以利用逆向工程技术，应用UG等三维软件，对其进行曲面建模，并生成相应的刀路，从而实现其精确加工，采用逆向工程技术不仅可以保证产品的质量要求，而且可以大大缩短生产周期，提高模具生产效率，降低模具制造成本[1]。
1 逆向工程技术的概念及其特点
逆向工程（Reverse Engineering），又称反求工程或反求设计,是将已有的产品模型或实物模型转化为工程设计和概念模型，在此基础上对已有的产品进行解剖、深化和再创造，是对已有设计的设计。首先通过测量扫描仪以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后充分利用成熟的CAD/CAM技术快速、准确地建立实体数学几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从设计到载生产的过程。
逆向工程起源于精密测量和质量检测，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造产品。而逆向工程则是根据已知的模型，利用3D数字化测量仪器准确、快速地测量出产品的轮廓坐标值，并构建曲面，经编辑、修改后，将图档转至一般的CAD/CAM系统，再由CAM所产生的刀具的NC加工路径送至CNC加工机制作所需模具的过程。其主要内容包括：数据获取、数据处理和曲面重构。
在模具制造和加工过程中经常需要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。利用逆向工程技术将最终符合要求的模具测量并发球出其CAD模型，就利用这一CAD模型快速的生成加工程序，制造出所需模具。这样可以大大减少模量，缩短生产周期，提高模具生产效率，降低模具制造成本[2]。
2. 逆向工程技术的应用
制造业领域内逆向工程有广泛的应用背景。在某些情形下，需要将实物模型转化为CAD模型：
（1）对于某些复杂的曲面，用现有的计算机辅助设计技术无法满足设计要求，需 要用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。
（2）外形设计师倾向于使用产品的比例模型，可用逆向工程将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到的真实尺寸的CAD模型。
（3）由于科学发展水平的限制，往往需要通过反复试验来确定零件的形状，对于 最终符合要求的模型，可以采用逆向工程反求出其CAD模型，这样可以大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。
（4）艺术品、考古文物复制。
（5）人体中额骨头和关节等的复制、假肢制造。
（6）特种服装、偷窥，的制造要以使用这的身体为原始设计依据，此时，需首先
建立人体的几何模型。
（7）在RPM的应用中，采用逆向工程技术可以方便的对快速原型制造的原形产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多此迭代可是产品完善[3、4]。
3 模具逆向工程常用软件概述
Geomagic Studio是由美国雨滴公司研发的逆向工程应用软件，它以先进的数学模型、曲面构建理论为基础，能快速地整理曲面点云数据自动产生网格，可构建任意复杂的精确曲面模型，创造从原型曲面测量点云到多边形数据的高品质三维模型产品。其主要功能有:特征线自动搜寻;特征线分析对比;横切截面轮廓线获取;新点坐标数据处理技术;可按曲率差异分割模型的特征线;按曲率连续填补破洞;可自动还原NURBS 曲面边界合并到新的扫描测量数据中;边线处理使圆角边自动锐化;提供多边面处理技术,通过系统自动　计算各面交线,可建构成尖角效果;处理后的点云数据能以IGS 格式输出到主流CAD/ CAM系統中[5]。
Geomagic中曲面片的划分是做好曲面的关键，它是以曲面分析为基础的。曲面不能分的太小，否则得到的曲面太碎；曲面片也不能分得过大，否则不能很好地捕捉到点云的形状，得到的曲面质量也较差。构建曲面片时，应使每一块曲面片的曲率变化尽量均匀，使每一块曲面片尽量为四边曲面，这样拟合曲面时就能够更好地捕捉到点云的外形，降低拟合误差[6]。
UG NX是美国UGS公司推出的CAD/CAE/CAM一体化软件，它具有强大的实体造型，曲面造型功能。在设计过程中还可以进行有限元分析、动力学分析，玩成产品概念设计、模型建立，性能分析和运动分析、加工刀路额生成等整个产品的生产过程，实现真正意义上的无纸化生产。UG 的CAM模块提供了交互式编程产生精确刀具轨迹的方法，用户通过创建程序节点、刀具节点、几何节点、加工方法节点，生成刀具加工轨迹，通过观察刀具运动来图形化地编辑刀具轨迹，最终的刀位源文件经过后置处理即可生成数控加工程序[7、8]。
MoldWizard是UG软件用于注塑模具自动化设计的专业应用模块，运用知识嵌入的基本理念，只需根据产品的三维实体造型（Solid），按照模具设计的流程建立一套与产品造型参数相关的三维实体模具。MoldWizard提供给用户一个逻辑过程，指导用户一步步地完成模型设计。在这个优化的环境中提供了很多自动化的功能：如数据的读入和零件建模、家族模具、缩放控制、自动的模腔布局、分模功能、模架工具和库及标准件工具和库。分别对应于MoldWizard工具条中的各个图标，并且图标的排列顺序与实际的模具设计过程相似[9、10]。
Autodesk Moldflow Adviser软件是由德国西门子公司的用于注塑模流分析并优化模具设计的软件，该软件是对塑料产品和模具进行深入分析的软件包，可以在计算机上对整个注塑过程进行模拟分析，可得到最佳的浇口数量与位置。从而为模具设计人员进行模具设计和注塑人员进行注塑工艺参数调整提供依据[11、12]。利用MoldFlow技术可以在模具加工前，在计算机上对整个注射成型过程进行模拟分析，准确预测熔体的填充、保压、冷却情况，以及塑件中的应力分布、分子和纤维取向分布、塑件的收缩和翘曲变形等情况，以便设计者能尽早发现问题，及时修改塑件和模具设计，而不是等到试模后再返修模具[13]。

4 爬行士兵玩具的设计过程
利用3DSS扫描仪测得的玩具爬行外壳表面点云数据可以经过Geomagic软件进行处理，从而得到NURBS曲面，构建爬行士兵玩具外壳表面模型，这是一个从数据到模型转化的过程。对于得到的曲面模型我们又可以通过UG 软件完成实体建模，并应用快速成型技术造型，生成相应的刀路。并应用UG Molwizard分模，完成爬行士兵外壳塑料注射模具设计，在此基础上用Moldflow软件实现注塑模流分析，优化模具设计。
5三维数据的采集及曲面重建过程
对实物模型进行三维数字化处理，从而准确、快速全面地获取实物的三维几何数据是实现逆向工程的基础。三维数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标。跟据测量方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类[14]。
曲面自动重建过程的操作步骤：
（1）数字化点显示。多角度显示模型能是设计人员及时发现测量工作的精确程度。
以数字化点给基础直接生成的 模型能显示遗漏区域，以及不准确的数字化点，一边确定是肉要重新曾两数字化点。
（2） 数字化点编辑。所有数字化点须经筛选或自由顺滑处理，以去除杂散点，从而提高数字化点精度。
（3） 建立线框模型。以交互方式定义模型的特征线，使设计人员直接由设计的一组数字化点来完成，而不需依次按一点的选取。
（4） 曲面的生成。由线框模型生成一组曲面，面与面之间过渡约束(如曲线的相切连续性等)由设计人员定义。这些曲面片被自动覆盖互数字化型面上，以尽可能与测出的数字化点相吻合。
（5）校核。CAD模型建好后，必须与实物模型进行比较，校核时自动件计算数字化点与生成曲面间的距离，结果以颜色级度偏差的形式显示，颜色的变化以距离的大小而变化。
（6）集成一体化。曲面自动重建模块可与曲面造型功能模块结合起来，随时为设计人员提供模型的设计，修改和曲面重建的强大设计功能[15]。

6 逆向工程技术的发展及展望
逆向工程技术最初的思想来自从油泥模型到产品实物的实际过程，随后发展形成一项以先进产品、设备的实物、样件、软件或影像作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类更先进的产品的技术。其相关领域包或几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。
逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。其发展前景是广阔的：
（1）数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；
（2）数据的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；
（3）曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；
（4）集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。

7 结论
目前我国正处在用逆向工程实现从产品的模仿和复制阶段，逆向工程的真正价值是对已有原型进行再设计、再分析、再提高，从而实现产品的重大改型和创新，逆向工程技术是机械创新与设计创新的基础与源泉，是发展高新技术，提升经济技术水平的有效途径。

参考文献
[1] 郭英辉.玩具车外壳注射模具型腔电极的数控加工设计[J].科技创新导报，
2009,02.
[2] 张秀萍．反求工程关键技术及应用[J].机械工程与自动化，2010,08.
[3] 金涛，童水光等.逆向工程技术.北京：机械工业出版社，2003,02.
[4] 许智欣等．3D逆向工程技术．北京：中国计量出版社，2002,04.
[5] 黄诚驹，齐荣.基于GeoMagic的异性曲面快速数字建模技术研究[J].机械
电子，2004,09.
[6] 张军，梁楚华.基于Geomagic的实体模型逆向重构[J].机械工程与自动化，
2010,10.
[7] 刘向阳等.UG NX4.0 CAD详解教程.北京：清华大学出版社，2007,04.
[8] 李安泰.UG软件在数控加工中的应用[J].电子工艺技术，2007,03.
[9] 李玉炜.基于UG+Moldwizard的注塑三维分模[J].现代制造工程，2005,03.
[10] 韩方恒.应用MoldWizard的洗衣机面板模具设计[J].科技信息，2009,03.
[11] 于盛睿等.基于Moldflow软件注射成型方案探讨[J].现代塑料加工应用，
2008,03.
[12] 刘细芬等.基于Moldflow软件的注塑制件浇口优化设计[J].塑料工业，
2007,12.
[13] 张晓陆.MoldFlow软件综合分析在模具设计及制造中的应用[J].模具制造，
2009,09.
[14] 邵芝梅.基于逆向工程的产品模型的设计[J].机械工程师，2010,06.
[15] 蓝天鹏．“逆向工程技术”与模具数字制造技术[J].数字技术与应用，2010,05.
[16] Eldad Eilam.Secrets of Reverse Engineering.Wiley Publishing、Inc，2005

开 题 报 告
一、 课题的目的与意义
本课题研究的对象是爬行士兵玩具外壳，对其外壳设计，本课题要摒弃传统的从图纸设计到制造产品的设计方法，而是要采用逆向工程技术，应用先进软件，对已知实体模型表面进行测量，通过的测得的表面数据的采集和处理建立实体模型，并对模型进行优化设计。这样不仅可以缩短产品的开发周期，减低模具制造成本，提高生产效率，而且还可以大大提高模具的表面质量，采用逆向工程技术，对于一些外形比较复杂的产品，我们不需要设计图纸，而只需要以实体模型为依据就可以完成产品的设计，它为人们开发产品提供了新的设计思路，对于国家提升科学技术水平，提高产品竞争力去有十分重要的意义。
二、 课题的发展现状和前景期望
经过近二十年的发展，逆向工程技术已经达到了相当先进的发展水平，目前已经开发了一系列的应用软件，如Imageware、Geomagic、MoldWizard、moldflow。这些软件为逆向工程技术在生产实践中的应用提供了理论基础，为其进一步发展创造了良好的条件。但是，在国内，逆向工程技术仍然处于实现从产品的模仿和复制阶段，我们还需要对其进行不断探讨，不断学习国外在该领域的先进技术，力争赶超西方发达国家。
逆向工程技术的发展前景是广扩的，它能快速、精确、方便的获得实物三维数据及其模型，能解决一些传统方法无法解决的问题，实用与很多特殊的场合。由于逆向工程设计思路的先进性，我相信他在21世纪仍然是一个飞速发展的阶段。
三、课题主要内容和要求
1.分析爬行士兵玩具外部结构，对其外部的各部分等不规则曲面进行分析；
2. 应用3DSS扫描仪测量外壳表面点云数据；
3.建立爬行士兵外壳表面模型；
4.完成爬行士兵的装配图及主要零部件图。

四、研究方法、步骤和措施
1、查阅资料，翻译英文资料
查找设计所需的资料，资料的内容要有深度，要具有参考意义。
2、 熟练掌握设计所需的内容
全面系统的阅读逆向工程技术的相关知识，掌握逆向工程技术本质特征和真正内
涵，掌握逆向工程技术在各相关领域中的应用，并熟练应用设计中所需用到的曲面建
模及优化设计软件。如Geomagic、UG、UG MoldWizard、Moldflow等。并通过CAXA画
出装配图及主要外部零件图。
3、设计内容
（1）分析爬行士兵表面各部分曲面结构；
（2）利用3DSS扫描仪测量外壳表面点云数据并用Geomagic对这些数据进行处理；
（3）建立三维实体模型；
（4）针对实体模型设计注塑模具并进行优化设计；
4、具体设计步骤
（1）使用3DSS三坐标扫描仪，结合3dssstd测得玩具外壳表面点云数据；
（2）用Geomagic对点云数据处理，构建玩具外壳表面模型；
（3）运用UG软件完成模具外壳零件的实体建模，并应用快速成型技术造型；
（4）应用UG Moldwizard分模，完成塑料注射模具设计；
（5）应用Moldflow软件实现注塑模流分析并优化模具设计；
（6）利用CAXA画出爬行士兵装配图及主要零部件零件图；

毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：

2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：

指导老师：
年 月 日
所在专业审查意见：

负责人：
年 月 日

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