1、天津职业技术师范大学Tianjin University of Technology and Education毕 业 设 计专 业：材料成型及控制工程班级学号： 材料 0612 - 01 学生姓名： AB 指导教师： CD 讲师 二一一年六月天津职业技术师范大学本科生毕业设计鼠标底座逆向设计与模具设计The mouse base reverse design and mold design专业班级：材料 0612学生姓名：指导教师： 讲师学 院：机械工程学院2010 年 6 月摘 要随着计算机技术的迅速发展，计算机三维造型技术特别是逆向工程技术在工业上已经得到了广泛的应用。为了解决塑料产品外
2、形设计周期长的困难，该课题研究了鼠标外形的逆向工程造型方法，并对逆向工程概念、方法进行系统的阐述，同时又以鼠标为例详细介绍了对鼠标外形进行逆向工程的步骤。将逆向工程技术应用到塑料鼠标模具的设计与制造中，从而实现注塑模的快速设计与制造。本课题主要是鼠标底座的逆向设计与模具设计, 首先采用三坐标测量仪采集数据，利用 UG 和 Imageware 软件进行点云数据处理、模型重建。然后通过对塑件进行工艺的分析和比较,最终设计出一副注塑模具来生产鼠标底座塑件产品，以实现自动化提高产量。该课题从产品结构工艺性，具体模具结构出发，对模具的浇注系统、模具成型部分的结构、顶出系统、冷却系统、注塑机的选择及有关参
3、数的校核、都有详细的设计，针对鼠标底座的具体结构，该模具是潜伏式浇口的单分型面注射模具，通过整个设计过程表明该模具能够达到此塑件所要求的加工工艺。关键词：逆向工程；点云；鼠标；注塑模具；分型面ABSTRACTWith the rapid development of computer technique, the technology of 3D computer-aided prototyping, especially the Reverse Engineering, has been more widely used in industry. In order to solve the
4、plastic product appearance design cycle long difficulties，This research a mouse shape modelling of reverse engineering and the methods to reverse engineering concept, methods, systematic expatiation on the mouse again at the same time as an example of the mouse shape introduced in detail the steps t
5、o reverse engineer. Will reverse engineering technology is applied to plastic mouse die design and manufacture, so as to realize the rapid injection mold design and manufacturing.This topic is the base of the reverse design is the mouse with mold design, first adopt three coordinates measuring instr
6、ument gathering data, using UG and Imageware software to the point cloud data processing, model reconstruction. Then through the plastic parts for process analysis and comparison, the final design out a pair of injection mold to produce a mouse base plastic product, in order to realize automation to
7、 increase production. This topic from product structure technology, based on the mould structure, specific to mould gating system, the structure of its molding part, ejection system, cooling system, the injection molding machine selection and related parameter checking, have detailed design, accordi
8、ng to the specific structure of mouse base the mould is latent type gate of single parting surface injection mould, through the whole design process shows that the mold can achieve the required plastic parts processing.Key Words：Reverse Engineering；Point Cloud；Mouse；Injection Mold；Parting Surface目 录
9、1 绪 论 .11.1 选题背景及意义 11.2 模具的种类 11.3 模具的应用 11.4 逆向工程原理 21.5 逆向工程特点 21.6 逆向建模的一般流程图 31.7 逆向工程的应用领域 32 逆向建模 42.1 逆向工程一般步骤 42.1.1 实体三维数据的获得扫描 42.1.2 点云处理 52.1.3 曲面重构 52.1.4 实体建模 62.2 逆向工程软硬件设备 62.2.1 扫描设备 62.2.2 点云曲面处理软件 72.2.3 实体建模软件 92.3 鼠标外形逆向开发的流程 92.3.1 模型分析 92.3.2 扫描 92.3.3 点云数据清理 .102.3.4 数据对齐 .1
10、12.3.5 点云分割提取各特征的点云 .122.3.6 曲线构造 .132.3.7 曲面构造 .132.3.8 实体构造 .142.3.9 鼠标其它特征创建 .142.3.10 质量评估检测 143 鼠标底座塑料零件分析 .163.1 零件的结构和特点 .163.2 塑料件的材料 .163.2.1 对塑料的认识 .163.2.2 塑料的成型工艺特点 .173.2.3 常用塑料及特性 .173.2.4 工程塑料（ABS）的特性及注射工艺性 183.3 鼠标底座塑料件的参数 .194 注射机的选用 .204.1 选用注射机的方法和原则 .204.2 注射机的种类和应用范围 .204.3 注射机的
11、选用 .204.3.1 常用注射机 .204.4 注射机参数的校核 .224.4.1 最大注射量的校核 .224.4.2 注射压力的校核 .224.4.3 锁模力的校核 .224.4.4 最大注射成型面积的校核 .225 塑料注射模具设计 .235.1 型腔数目和分布 .235.2 分型面的选择 .245.3 型芯和型腔 .245.3.1 型芯和型腔的结构 .245.3.2 型芯和型腔的尺寸 .265.3.3 型腔的结构设计 .265.3.4 型芯的结构设计 .265.3.5 型腔、型芯内镶件结构设计 .265.4 浇注系统 .265.4.1 主流道和冷料井设计 .265.4.2 分流道设计
12、.275.4.3 浇口设计 .275.5 顶出机构 .285.5.1 顶出机构的作用和种类 .285.5.2 顶杆推出机构的组成 .285.5.3 顶杆顶出机构的设计 .295.6 导向机构 .295.6.1 导向机构的作用和组成 .295.6.2 导柱的设计 .305.6.3 导套的设计 .305.7 侧向分型与抽芯机构的设计 .315.8 冷却和排气系统 .315.8.1 冷却系统 .315.8.2 排气系统 .325.9 模架的选用 .326.模具总装配 .34总 结 .35参考文献 .36附 录 .37致 谢 .57天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计11 绪 论1.1 选
13、题背景及意义在塑料产品的开发过程中，几何造型技术已使用得相当广泛。但由于种种原因，模具企业从厂商接受的技术资料往往并非 CAD 的模型，而是由复杂的自由曲线曲面组成的实物样件，若采用传统的方法设计制造产品，生产周期长，成本高，无法应对瞬息万变的塑料品市场，而逆向工程(Reverse Engineering)为解决这一难题提供了便利。因此逆向工程作为一门新兴学科越来越受到人们的关注和重视。传统的设计方法是以功能为基础，通过方案设计、图样设计及产品制造、装配，以获取产品实物作为最终目的，而逆向工程设计是针对现有工件，尤其是复杂不规则的自由曲面，利用 3D 数字化测量仪，准确、快速地测量出轮廓坐标值
14、，并构建曲面，经编辑、修改后，转至一般的 CADCAM 系统，将原有的实物或影像转化为计算机上的三维数字化模型，从而大大提高模具生产效率，降低模具制造成本。逆向工程技术在我国，特别是在注塑行业有着十分广阔的应用前景。1.2 模具的种类按所成型的材料的不同，模具可分为金属模具和非金属模具。金属模具又分为：铸造模具（有色金属压铸，钢铁铸造）、和锻造模具等；非金属模具也分为：塑料模具和无机非金属模具。而按照模具本身材料的不同，模具可分为：砂型模具，金属模具，真空模具，石蜡模具等等。其中，随着高分子塑料的快速发展，塑料模具与人们的生活密切相关。塑料模具一般可分为：注射成型模具，挤塑成型模具，气辅成型模
15、具等等。1.3 模具的应用注射模是安装在注射机上，完成注射成形工艺所使用的模具。注射模的种类很多，其结构与塑料的品种、塑件的结构和注射机的种类等很多因素有关。一般情况，注射模是由成形部件、浇注系统、导向机构、调温系统和支撑零部件组成，如果塑件有侧向的孔或凸台，注射模还包括侧向分型与抽芯机构。压缩模可分为固定于压机上压板的上模和下压板的下模两大部分，由型腔、加料室、导向机构、侧向分型抽芯机构、脱模机构、加热系统组成，主要应用于成形热固性塑件。天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计2压注成型是在压缩成型基础上发展起来的一种热固性塑料的成型方法，又称传递成型，压注成型的一般过程是，先闭合模
16、具，然后将塑料加入模具加料室内，使其受热成熔融状态，在与加料室配合的压料柱塞的作用下，使熔料通过设在加料室底部的浇注系统高速挤入型腔。塑料在型腔内继续受热受压而发生交联反应并固化成型。然后打开模具取出塑件，清理加料室和浇注系统后进行下一次成型。它由型腔、加料室、浇注系统、导向机构、侧分型与抽芯机构、脱模机构、加热系统组成。挤出模是热塑性塑料的成型方法之一，它可以成型各种塑料管材、棒材、板材、薄膜以及电线、电缆等连续型材，还可以对塑料进行塑化、混合、造粒、脱水以及喂料等准备工序或半成品加工。1.4 逆向工程原理在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。由于各
17、种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或 CAD 数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，制造模具也就更为烦杂。但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。 随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在 CAD 领域，这就是所谓的逆向工程。1.5 逆向工程特点传统的复制方法是用立体雕刻机或液
18、压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产。这种方法属称类比式（Analog type）复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。并给出一个一体化的解决方案：从样品数据产品。天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计3逆向工程通常是以专案方式执行一模型的仿制工作。往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，请制作单位复制（Copy）
19、出来。因为长期专门从事逆行工作，所以工作效率很高，三维模型也很专业。逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成 IGES 或 STL 数据，据此就能进行快速成型或 CNC 数控加工。IGES 数据可传给一般的 CAD 系统（如：UG、MDT 等） ，进行进一步修改和再设计。另外，也可传给一些 CAM 系统（如：UG、MASTERCAM、SMART-CAM 等） ，做刀具路径设定，产生数控代码，由 CNC 机床将实体加工出来。STL 数据经曲面断层处理后，可以直接由激光
20、快速成型方式将实体制作出来。1.6 逆向建模的一般流程图图 1-1 逆向建模一般流程模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行点云数据处理建立需要的曲线建立曲面进行实体建模(如图 1-1)1.7 逆向工程的应用领域天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计4逆向工程应用领域相当广泛，有军工，模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。2 逆向建模2.1 逆向工程一般步骤211 实体三维数据的获得扫描在进行逆向工程时，三维扫描是最基本的一步。它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，因此
21、三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着巨大作用。三维扫描技术能实现非接触测量，且具有速度快、精度高的优点。而且其测量结果能直接与多种软件接口，这使它在 CAD、CAM、CIMS 等技术应用日益普及的今天很受欢迎。在发达国家的制造业中，三维扫描仪作为一种快速的立体测量设备，因其测量速度快、精度高，非接触，使用方便等优
22、点而得到越来越多的应用。用三维扫描仪对手板，样品、模型进行扫描，可以得到其立体尺寸数据，这些数据能直接与 CAD/CAM 软件接口，在天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计5CAD 系统中可以对数据进行调整、修补、再送到加工中心或快速成型设备上制造，可以极大的缩短产品制造周期。三维扫描技术从产生以来，到目前已经发展了很多扫描原理，一般来讲分为以下几种技术，见下图（图 21）：图 2-1 三维扫描技术分类三维扫描设备是以三次元测量系统为主。基本上以接触式探针式和非接触式（激光、照相、X 光等方式）两大类。在早期是以探针式为主，虽然价格较便宜，但速度较慢，而且以探针与物体接触会有盲点并且
23、使软件物体容易变形，影响扫描精度。激光扫描速度快、精确度适当，并且可以扫描立体的物品获得大量点云数据，以利曲面重建。从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。2.1.2 点云处理通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云（Point Cloud）。天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计6扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面
24、，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤：1去掉噪音点，常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线曲面，采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整；2数据插补，对于一些扫描不到的区域，其数据只能通过数据插补的方法来补齐，这里要考虑两种曲面造型技术，基于点的样条曲面逆向造型和基于点的曲面拟合技术。3数据平滑，数据平滑的目的是为了消除噪音点，得到精确的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法处理方法，应力求保持待求参数所能提供的信息不变。4数据光顺，光顺泛指光滑、顺眼，但由于精度的要求，不允许对测量的数据点施加过大的修改量来满足光顺的要求，另一方面由于实物边界曲面的多样性
25、，边界上的某些特征点（边界折拐点）必须予以保留，而不能被视为“坏点”。5点云的重定位整合，在重新装夹后多次扫描形成的数据要进行重定位整合，目前一般的 CAD 软件还都没有此项功能，需要手工“缝合”，在测量件上选取两次定位状态下的基准点，在两次定位测量的过程中，分别测量两次定位状态下的基准点的坐标值，然后以一定的判断规则判别出各基准点的测量精度，最后在 CAD 系统中显示定位下的测量数据，并移动某一定位下的数据，使该定位下的所有测量数据整合到另一定位下。2.1.3 曲面重构曲面重建可以说是逆向工程的另一个核心及主要的目的，是依据扫描得到的点云数据恢复曲面形状建立 CAD 数学模型的过程。在得到产
26、品的数据后，以逆向工程软件进行点数据的处理，经过分门别类、群组分隔、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生 CAD 数据、制造或 NC 加工。目前在点云生成曲面的过程中，主要有三种曲面构造的方案：其一是以 B-Spline 或 NURBS 曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角 Bezier 曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。在逆向工程的技术发展中重要的是建立产品的 CAD 模型，并由此可再进一步的到 CAM 处理和快速成型制造，而仿制出产品的外形。一般而言，CAD 模型是由许多天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计7不同的几何形状所组合而成，而
27、每一种几何形状都有其特性。因此若要将产品应用逆向工程的技术，反求出此产品的原 CAD 模型，并非单纯的使用一种方法即可完成，而须视此产品外形的几何特性，选择适当的处理方法，方可得出良好的几何形状，以满足产品外形的几何特性。由此可知，在曲面重建的过程中了解其曲面的特性及其曲面的数学模式，在对于我们重新建构曲面时可以帮助我们节省很多的时间以及提高将效率。由于 CAD/CAM 系统的发展，各种自由曲线与自由曲面的理论因应而生，如Bezier 曲线、B-Spline 曲面、NURBS 曲线、扫描曲面(Sweep Surface)、Loft 曲面(Loft Surface)、标准曲面 (Construc
28、t Surface) 、旋转曲面(Revolved Surface) 、网格曲面(Net Surface)等。2.1.4 实体建模近年来，运用 AutoCAD 软件进行二维图形的设绘已经得到很大的普及。但是，二维平面图不能完整和准确地体现出设计者的设计思想，而且，二维图纸无法对设计对象进行后续的结构有限元分析、运动分析、公差分析、以及数控加工代码的生成，而这些分析往往是必不可少的，只有三维实体造型才能满足这些要求。越来越多的三维设计软件如 MDT,Solid Works、ProE、UG 等，都得到了广泛的应用。建立三维模型，有助于理解零件的特征，更加直观方便，而且对于模具设计与制造很必要。2.
29、2 逆向工程软硬件设备2.2.1 扫描设备三维激光扫描技术，它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。海克斯康 ROMER 三维激光超高精密度扫描仪，ROMER 具有很多优质：扫描精度极高，这利于将重建内容更逼近原形。扫描密度极高，扫描速度极快，这利于快速原形化目标、实时扫描、同步移动操作等。具有一对 CCD 同时同步工作，可无死角的实时扫描任何复杂目标，减少重复性工作，目前国际同类技术都是一个 CCD，双CCD 技术还利于实时检测监测工作, ROMER 可以与目前各种三坐标测量机、数控加工中心、机械关节臂等配接, ROMER 扫
30、描头可以与现有的很多设备互换使用,KREON 激光扫描技术不同于传统的光学照相三维成像技术，ROMER 保证了所有扫描云点的实天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计8测性、实时性及真实性，而光学照相技术做不到，它是基于少数测量点并经过后处理三维数学推算后得到点云。本次选用的 ROMER 三维激光扫描系统。分辨率可达5m，速度：30000 点/每秒，(可借助机械臂或数控机械平台扫描任何大小的物体）。实体如下图 22 所示：图 2-2 三维激光扫描仪2.2.2 点云曲面处理软件目前市面上常用的逆向工程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
31、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。Imageware12 主要用来做逆向工程，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。一：点云处理功能天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计91读入点云数据,将分离的点云对齐在
32、一起（如果有需要）。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。Imageware12 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， Imageware12 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。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考
33、虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，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。 Imageware12 软件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。二:创建功能 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
34、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） 。 Imageware12 软件提供很多工具来调整和修改曲线。 三：曲面创建功能 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。 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计102创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（Fit free form），可以用曲线通过蒙皮、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
35、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。Imageware12 是著名的逆向工程软件，其广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。而且拥有以上专业的点云到曲面的造型功能，在进行逆向工程时是一个不错的工具。2.2.3 实体建模软件UG NX 是 Unigraphics Solutions 公司推出的集 CAD/CAM/CAE 于一体的三维参数化设计软件，在汽车、交通、航空航天、日用消费品、通用机械及电子工业等工程设计领域得到了大规模的应用，在微机上，实现了快捷、精确的三维实体造型。利用它，设计者在设计初期能够很方便地
36、进行概念设计，将主要精力集中在零件的选型、相关结构的关系以及零件的使用功能上，设计者们能最大限度的发挥聪明才智，这一过程在整个设计过程中，占据极为重要的作用。完善概念设计之后，输出立体效果图、零件施工图及系统装配图很方便，而且节约了大量的绘图时间。UG 软件包包括零件造型、零件装配、曲面造型及二维出图等部分。UG 软件的零件造型模块是基于二维平面特征的三维实体造型工具，能够非常方便地创建任何复杂形状的实体。2.3 鼠标外形逆向开发的流程模型分析扫描方案确定进行扫描数据转换导入 Imageware12 进行点云处理点云数据过滤点云分割提取各特征的点云导入 UG 软件进行曲线建立曲面建立曲面镜像曲
37、面连续处理曲面两两缝合曲面整体缝合加厚曲面得到实体在此实体基础上创建各个特征。2.3.1 模型分析天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计11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，底面，侧面和倒角面。而且侧面都有共同的曲面特征，都可以使用放样的方法来生成所需要的曲面。然后分别进行裁剪，就得到了想要得曲面大小。仔细观察鼠标，会发现它拥有比较高的对称性，左右对称，因此可以考虑使用对称面来建立整个曲面模型。侧面的曲面建模方法刚才已经形成，只需要把其建立半个曲面，然后再作一个镜像操作，就可以使其建立鼠标的整个基本曲面模型。2.3.2 扫描有了以上的建模思路，就可以
38、进行鼠标点云数据的扫描。由于建模思想不一样，点云数据的扫描侧重点也不一样。数据点质量的好坏直接影响到曲面精度。由于本款鼠标表面反光比较强，在扫描时需要喷上显影剂，这样可以避免过多的噪声点产生。2.3.3 点云数据清理图 2-3 原始点云数据进行点数据处理是进行曲面重构的第一步。在鼠标外形的点云数据被三维激光扫描设备扫描后，把所获得的原始的云数据另存为 IGS 格式。然后在逆向工程软件Imageware12 中打开。如图 2-3该点云数据中存在很多的不需要的点，为了后面处理方便首先需要把点云中明显的不需要的点删除掉。使用修改 提取 圈选点命令圈选不需要的数据，以及明显的噪声点。处理后如图 2-4
39、图 2-4 剔除坏点后的点云数据天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计12在去掉明显不需要的点数据后，原始点云还有 596942 个原始点。这个数据量还是比较庞大，而且分布不均匀，为了使点的分布比较合理，需要处理海量数据，典型的处理方式是采用定义点距大小的方式缩减一部分数据，使点云看上去更清楚，也便于多边形网格化数据或做其他处理。使用命令修改 数据简化 距离采样进行点云数据过滤。设定 距离公差为 0.3mm. （这种做法是做一个 0.3*0.3方格的筛子或者滤网，每个网格里边只保留一个点），处理之后，点云虽然被缩减了 85%（原来是 596942 个点，现在是 86953），但它依然
40、具有足够的数据信息提给下面的各步处理。处理结果如下图 2-5 所示。图 2-5 过滤后的点云数据2.3.4 数据对齐在建模操作之前，需要把点云的位置调整好，这就是对齐。之所以要对齐点云，是因为输入计算机的初始的点云坐标系是三坐标测量机的赋予它的局部坐标系，这个局部坐标系与 Imageware 系统坐标系通常不一致，这就导致了点云缺乏合适位置信息，处理起来十分不便。所以要进行点云对齐，可以更容易地进行建模操作。点云对齐的基本操作：先在点云上找出可以定位的线和面，通过做截面，取得截面线，调整截面线，这些截面和截面线就是点云的对齐特征。然后在世界坐标系中做出这些线和面的相似形，最后使用 Imagew
41、are 中的对齐工具，进行对齐。对齐是逆向工程的基本操作。一：构造几何辅助元素建立直线: 天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计131.在创建工具条中找到简单曲线选择直线 。2.设定起点为 X = 0, Y = 0, Z = 0 ，设定终点为 X= 0, Y = 100 , Z = 03.点击应用 建立圆:1.在创建工具条中找到简单曲线，选择圆 。2.设定圆心为 0,0,0 ，设定方向为 Z. 即在 XY 面上作一个圆3.随便输入一个半径值 100mm4.点击应用建立一个平面: 1.从创建工具条中找到平面，选择中心/法向 2.设定平面中心为（0，0，0）3.在平面法向栏选择 Z 方向
42、作为平面法线4.输入 U 向和 V 向的宽度 1005.点击应用6.使用 TOP 视图（默认摁 F1 键）观察，如下图 26 所示图 2-6 辅助参考元素二：建立相应的对齐特征下一步，我们必须要在模型中建立相应的实体，这些实体就是点云的特征，对齐点云的位置只需要对齐这些实体的位置即可，可以将这些实体与上一步建立的参天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计14考几何图形对齐，完成点云对齐的工作。这一步，我们要构造截面线来决定哪些点被用来作为参考点，我们要拟合两个圆和一条直线组成参考实体。注意：在 Imageware 中，实体包括点，线，面。对齐视图：（To align view）为了创建
43、对齐实体，视图必须首先与基于最合适的平面上的点云对齐，这样就可以很容易地抽取点云的截面线。1.在菜单中选择视图、定位视图、点云。2.选择要对齐的点云，击应用。3.在视图中击右键，选择旋转。创建截面线:一个截面线必须水平地切过网格化之后的点云，稍微切过主侧面之下。考虑该鼠标的特征,截取鼠标正中间矩形槽作为特征点云。1 从构造工具条中找到选择剖面截取点云中交互式点云截取 。2 设定采样间隔为 3.5mm。3 使用鼠标左键建立一条穿过点云的水平直线，记住在画线时要摁着 Ctrl 键。（在画水平线和垂直线的时候都要摁着 Ctrl）4 点应用得到如图 27 所示的点云。2-7 对齐特征点5 利用构造功能
44、中的用点云构造曲线,将以上点云拟合一个平面和中心线。天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计156 在修改工具条中找到定位、基于特征定位功能将建立的特征与构造的几何元素对齐，至此，对齐操作完全结束，点云已经具有比较合适的坐标系位置了。2.3.5 点云分割提取各特征的点云在建立曲线前需要将点云分割提取点云，具体操作步骤构造剖面截取点云交互式点云截取提取的所有特征点如图 2-8 所示图 2-8 所有特征点云2.3.6 曲线构造将提取的点云导入 UG 软件中进行曲线的构造。首先要提取鼠标底面对称中心上的点云然后使用 UG 中的插入曲线基本曲线直线将点的模式选择为现在点构造两条直线。然通过两直
45、线构造一张面，通过编辑变换命令将平面和所以点与绝对座标重合。用以上构造直线的方法构造其它直线如下 2-9 图示图 2-9 曲线构造天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计162.3.7 曲面构造使用 UG 中的通过曲线网格组命令进行曲面构造并通过镜像命令得到鼠标的底面和外表面如图 2-10 所示图 2-10 曲面构造2.3.8 实体构造将以上片体加厚便得到实体如图 2-11 所示天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计17图 2-11 实体构造2.3.9 鼠标上其它特征创建使用软件中的拉伸、倒圆角、求和、求差等命令完成模型的特征建模，最终得到完整的鼠标模型。如图 2-12 所示
46、图 2-12 鼠标所有特征创建2.3.10 质量评估检测逆向工程处理的是实物原型它本身具有固定的形状、拓扑关系及相应的参数。这种体现在实物原型上的参数称为实物原型参数。实物原型在被制造时，要依据图纸上所标注的参数。这种体现在制造实物原型的设计图纸上的参数称为原始设计参数，其是制造实物原型的原始参数。相对原始设计参数，实物原型本身存在误差：一是制造实物原型所产生的制造误差 AI 制 ，二是原型在使用中的磨损和破损误差AI 损 。在对实物原型测量时，会产生测量误差 AI 测 。在再设计阶段，逆向工程要完成从测量规划制订至 CAD 三维模型重构(在此，再设计环节暂不考虑)。这种 CAD 模型自然是具
47、有各种几何参数。这些参数是逆向工程依据测量点数据经拟合运算得到天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计18并体现在重构的 CAD 模型上，故称其为重构参数。在重构的计算中，不可避免地会产生误差，记为计算误差 AI 计 。在制造阶段，逆向工程依据重构参数制造产品，产生制造误差 AO 造。综上所述，逆向工程误差 A 可表示为：A 逆 f(AI 制 ，AI 损 ，AI 计 ，AI 测 ，AO 造 )。实物原型是依据原始设计参数制造的，还原产品是依据重构参数制造的。从上面分析可知，原始设计参数与重构参数存在误差。因此、将依据重构参数还原制造的产品置于实物原型的工作环境下，有可能会达不到工作性能
48、要求。通常逆向工程不去直接测量实物原型参数。故实物原型参数是未知的，自然原始设计数也是未知的。重构参数是逆向工程对实物原型复现的参数。为了提高逆向工程还原精度，提高测量精度及拟合计算精度，可以减小测量误差 AI 测 和计算误差AI 计 ，但仍无法减少制造误差 AI 制 ，AO 造 和磨损误差 AI 损 ，其结果只是使重构参数，尽可能接近实物原型参数，仍无法还原原始设计参数。在某些情况下，单从复制原型这一角度出发，为满足逆向工程还原产品的工作性能要求，需用原始设计参数进行还原制造。这就要求逆向工程在前述的再设计阶段能还原实物原型的原始设计参数。为此需综合运用人工智能技术、数理统计理论、精度设计等
49、多学科技术知识对实物原型的磨损及制造误差等进行评估分析，在此基础上对重构参数进行修正再设计，得到接近原始设计参数的再设计参数。上述思想，给出了以精度还原为目标对逆向工程的质量进行全面的误差分析。由于此次条件的限制，对本次逆向工程误差的分析只能做到 AI 测 ，AI 计 ，AO 造 ，的分析。数据点的获得三维激光扫描过程中的测量误差 AI 测 为：0.051mm在进行逆向建模时的误差 AI 计 为：0.5mm在制造阶段，逆向工程依据重构参数制造产品，产生制造误差 AO 造 ：0.2mm扫描时不可能没有误差，在进行点数据处理时进行点数据的过滤，也会对精度产生影响。进行曲面重构时使用的是放样的方法，虽然可以获得很好的曲面质量，天津职业技术师范大学 2011 届本科生毕业设计19但是增大了曲面和点云之间的误差。在曲面重构后进行曲面缝合，误差也是不可避免的。获得了实体模型后，在进行快速制造过程中，还有一定的制造误差。累加放大后的误差，就是本次逆向设计的最终理论误差。实际误差是用快速制造后的模型再进行扫描，然后和第一次扫描的数据进行比对。这样两个点云的重合才是实际
