天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)Tianjin畢業(yè)設(shè)計(jì)專業(yè)：材料成型及控制工程班級(jí)學(xué)號(hào)：學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：二〇一六年五月天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于逆向工程的玩具快速仿制技術(shù)玩具內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真及快速成型RapidimitationtechnologyoftoysbasedonReverseEngineeringMotionsimulationandrapidprototypingofinternalmechanismoftoy專業(yè)班級(jí)：材料1201學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師：學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院2016年5月摘要本文研究了逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，并應(yīng)用于玩具的模型重建與快速仿制。逆向工程可以迅速、精確、方便地獲得實(shí)物的三維數(shù)據(jù)及模型，為產(chǎn)品提供先進(jìn)的開發(fā)、設(shè)計(jì)及制造的技術(shù)支撐。國(guó)外７０％以上的技術(shù)來(lái)自于反求。逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過(guò)程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為消化和吸收先進(jìn)技術(shù)、實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。對(duì)烏龜玩具的快速仿制研究中，綜合運(yùn)用了geomagic、imageware、UG等逆向建模軟件，采用了正逆向結(jié)合的方法，使用關(guān)節(jié)臂掃描儀獲得完整、高精度的目標(biāo)點(diǎn)云數(shù)據(jù)以便于后期的模型重建工作，用geomagic的點(diǎn)處理功能精簡(jiǎn)提取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，用imageware來(lái)獲得精確規(guī)范的點(diǎn)云截面點(diǎn)鏈，使用UG高效便捷的建模功能完成曲面的擬合與實(shí)體的創(chuàng)建以及對(duì)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真，最后使用快速成型機(jī)打印出成品模型，完成仿制工作。研究表明，使用逆向工程的方法完成產(chǎn)品的快速仿制，可以提高產(chǎn)品的可編輯性，縮短生產(chǎn)周期，并且節(jié)省成本，具有重要的實(shí)用意義和應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞：逆向工程；快速原型；geomagic；imageware；建模；ABSTRACTThispaperstudiedthekeytechnologyofreverseengineering,andappliedtothetoymodelreconstructionandrapidimitation.Reverseengineeringcanbequickly,accuratelyandeasilygetreal3Ddataandmodel,fortheproductprovidesadvanceddevelopment,designandmanufactureoftechnicalsupport.70%oftheforeigntechnologyfrominthereverse.Reverseengineeringhasbecomealinktothenewproductdevelopmentprocessinavarietyofadvancedtechnology,andbecomethedigestionandabsorptionofadvancedtechnology,animportanttechnicalmethodtorealizetherapiddevelopmentofnewproducts.Rapidimitationofthetoyturtle,theintegrateduseoftheGeomagic,ImagewareandUGreversemodelingsoftware,usingtheforwardandreversecombinationmethod,usingarticulatedarmscannertoobtaincomplete,highprecisiontargetpointclouddatatofacilitatelatemodelreconstruction,withGeomagictreatmentreducedfunctionalityfromthepointclouddata,usingImagewaretoobtaintheprecisespecificationofsectionofpointcloudpointchain,creationofacompletesurfacefittingandtheentityusingthemodelingfunctionofUG,convenientandthemotionsimulationofmechanism,finallyusetherapidprototypingmachinetoprintafinishedproductmodelcompleteimitation.Researchshowsthatusingreverseengineeringmethodtocompletetherapidimitationofproductscanimprovetheproduct'seditingability,shortentheproductioncycle,andsavecost,andhasimportantpracticalsignificanceandapplicationvalue.KeyWords：Reverseengineering;rapidprototyping;Geomagic;imageware；modeling;目錄1緒論 11.1引言 11.2逆向工程關(guān)鍵技術(shù) 11.2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量采集 11.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理 21.2.3模型曲面重構(gòu) 21.2逆向工程的一般流程 31.3快速原型技術(shù) 31.4主要研究?jī)?nèi)容 42.基于Geomagic的烏龜玩具點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型重建 52.1數(shù)字模型重建的一般流程 52.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取 52.3數(shù)據(jù)處理 62.3.1導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù) 62.3.2合并點(diǎn)云 72.3.3選擇非連接項(xiàng) 72.3.4選擇體外孤點(diǎn) 82.3.5減少噪音 82.3.6采樣處理 92.3.7創(chuàng)建截面線 92.3.8構(gòu)建實(shí)體模型 112.3.9創(chuàng)建二維圖紙 132.4快速成型 133.基于UG的烏龜玩具內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 163.1繪制機(jī)構(gòu)零件三維圖 163.2組件裝配 173.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真 183.3.1設(shè)置連桿 193.3.2設(shè)置運(yùn)動(dòng)副 193.3.3添加運(yùn)算器并仿真 21結(jié)論 22參考文獻(xiàn) 23致謝 24天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)2016屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)1緒論1.1引言逆向工程技術(shù)作為消化吸收先進(jìn)技術(shù)和縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)周期的重要支撐技術(shù)，是目前制造業(yè)關(guān)注的熱點(diǎn)。它主要是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念或設(shè)計(jì)模型，一方面為提高工程設(shè)計(jì)、加工、分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用先進(jìn)的CAD/CAE/CAM技術(shù)對(duì)已有的物件進(jìn)行再創(chuàng)新服務(wù)。實(shí)施逆向工程可以充分發(fā)揮先進(jìn)測(cè)量設(shè)備的優(yōu)越性，使其既可以作為CAD/CAM系統(tǒng)所需要的三維輸入裝置，又可以作為CAD/CAM系統(tǒng)處理后的誤差檢測(cè)評(píng)估裝置，從而提高工業(yè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造自動(dòng)化程度，縮短產(chǎn)品的開發(fā)周期，降低生產(chǎn)成本[1]。工業(yè)設(shè)計(jì)流程是從產(chǎn)品模糊前期的創(chuàng)意,到方案的設(shè)計(jì)、實(shí)物模型的手工制作、方案的修改、精確CAD模型建立、產(chǎn)品的生產(chǎn)制造、產(chǎn)品的營(yíng)銷等整個(gè)流程,它的核心是創(chuàng)新。在這個(gè)過(guò)程中應(yīng)用逆向工程技術(shù)輔助產(chǎn)品的開發(fā),將能夠縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的周期,豐富了工業(yè)設(shè)計(jì)的技術(shù)手段,加速了工業(yè)設(shè)計(jì)的創(chuàng)新力。因此逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)中有著廣泛的應(yīng)用前景。1.2逆向工程關(guān)鍵技術(shù)逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及數(shù)控加工等多個(gè)環(huán)節(jié)。其中快速反求是從實(shí)物原型到三維數(shù)字模型的轉(zhuǎn)換,是反求工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù),它包括數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)處理、三維重建和模型評(píng)價(jià)四部分[2]。1.2.1點(diǎn)云數(shù)據(jù)測(cè)量采集實(shí)物的數(shù)字化是逆向工程實(shí)現(xiàn)的初始條件，是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎(chǔ)。該技術(shù)的好壞直接影響對(duì)實(shí)物(零件)描述的精確度和完整度，影響數(shù)字化實(shí)體幾何信息的進(jìn)度。進(jìn)而影響重構(gòu)的CAD曲面和實(shí)體模型的質(zhì)量，最終影響整個(gè)逆向工程的進(jìn)度和質(zhì)量。所以，數(shù)字化測(cè)量方法的選擇和研究對(duì)逆向工程至關(guān)重要。根據(jù)測(cè)量的方式不同，可以將三維測(cè)量設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩大類型。接觸式數(shù)據(jù)采集方法是用機(jī)械探頭接觸表面，機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的傳感器確定相對(duì)坐標(biāo)位置。最常見也是應(yīng)用最廣泛的接觸式數(shù)據(jù)采集方法是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)．當(dāng)探針沿被測(cè)物體表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，被測(cè)表面的反作用力使探針發(fā)生形變．這種形變觸發(fā)測(cè)量傳感器將測(cè)到的信號(hào)反饋給測(cè)量控制系統(tǒng)．經(jīng)計(jì)算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理得到所測(cè)量點(diǎn)的三維坐標(biāo)。一般來(lái)說(shuō)．三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)可以對(duì)被測(cè)物體邊界精確測(cè)量．同時(shí)不受被測(cè)物體表面顏色和色澤的限制。其主要缺點(diǎn)是速度慢、效率低，摩擦力和彈性變形易引起被測(cè)件變形產(chǎn)生測(cè)量誤差。對(duì)微細(xì)部分的測(cè)量收到限制，不適于對(duì)軟質(zhì)材料或薄型實(shí)體的測(cè)量。另外。探頭有一定的半徑，不能直接測(cè)出實(shí)體表面的坐標(biāo)值，需要進(jìn)行半徑補(bǔ)償。接觸式數(shù)據(jù)采集的缺點(diǎn)限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域．隨著測(cè)量技術(shù)的發(fā)展和市場(chǎng)的需要，產(chǎn)生了非接觸式測(cè)量，其克服了接觸式測(cè)量的一些缺點(diǎn)，是逆向工程中數(shù)字化測(cè)量的發(fā)展方向。非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要利用了光、聲、磁場(chǎng)等原理。應(yīng)用光學(xué)原理的方法采集數(shù)據(jù)塊，細(xì)分有結(jié)構(gòu)光法、激光三角形法、干涉法、圖像分析法等。常用的非接觸式掃描設(shè)備有：CCD影像測(cè)量設(shè)備、手持激光掃描儀、藍(lán)/白光影像掃描儀。結(jié)構(gòu)光法也稱投影光柵法，其基本原理是將光柵投影到被測(cè)物體表面上，收到被測(cè)樣件表面高度的調(diào)制，光柵影線發(fā)生變形。通過(guò)解調(diào)變形光柵影線．就可以得到被測(cè)表面的高度信息。它的主要優(yōu)點(diǎn)是不用做半徑補(bǔ)償．測(cè)量速度快、獲取的數(shù)據(jù)量大，對(duì)軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測(cè)量。缺點(diǎn)在于受物體表面顏色、斜率的影響較大[3]。1.2.2數(shù)據(jù)預(yù)處理實(shí)際測(cè)量當(dāng)中由于各種人為及隨機(jī)因素的影響，測(cè)量結(jié)果會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)和測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面偏離原曲面。如果直接使用測(cè)量后的數(shù)據(jù)用于曲線、曲面造型，勢(shì)必會(huì)造成重構(gòu)曲面不能滿足精度要求．對(duì)于那些測(cè)量誤差太大的無(wú)效測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)，會(huì)導(dǎo)致擬合后的曲面發(fā)生干涉、翹曲等變形，甚至導(dǎo)致曲面無(wú)法擬合。因此，在進(jìn)行曲面重構(gòu)之前必須對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理內(nèi)容主要包括六個(gè)方面：格式轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)過(guò)濾及平滑；分塊數(shù)據(jù)整合對(duì)齊；球頭半徑補(bǔ)償；數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)；數(shù)據(jù)分割等，然后通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴?，把這些經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)擬合成CAD模型。而通過(guò)激光掃描設(shè)備得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)不同于接觸式數(shù)據(jù)．一般得到的數(shù)據(jù)可達(dá)到幾萬(wàn)到幾十萬(wàn)個(gè)點(diǎn)。甚至更多；它不僅會(huì)使計(jì)算量加大，還會(huì)影響曲面的光順性．因此必須對(duì)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡(jiǎn)。有關(guān)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的算法很多．主要有：最大允許偏差精減法、均勻網(wǎng)格法與非均勻網(wǎng)格法。1.2.3模型曲面重構(gòu)在逆向工程中．實(shí)物的三維模型重建是整個(gè)過(guò)程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，而曲面重構(gòu)又是這一環(huán)節(jié)中的核心部分。目前．在對(duì)實(shí)物的逆向工程的過(guò)程中，大致有三種曲面重構(gòu)方法：一種是基于三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法：第二種是以B—Spline或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法：第三種是以多面體方式來(lái)描述曲面物體。曲面重構(gòu)中通常先對(duì)離散數(shù)據(jù)點(diǎn)參數(shù)化?？梢愿鶕?jù)數(shù)據(jù)點(diǎn)塊的邊界構(gòu)造初始曲面，對(duì)應(yīng)各數(shù)據(jù)點(diǎn)在曲面上的相對(duì)位置，從而計(jì)算出其各自的參數(shù)(u，v)的分布，使各數(shù)據(jù)點(diǎn)成為曲面片真正的節(jié)點(diǎn)。然后對(duì)各節(jié)點(diǎn)進(jìn)行順序排列，包括節(jié)點(diǎn)次序、節(jié)點(diǎn)編號(hào)和節(jié)點(diǎn)參數(shù)化值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下一步處理。1.2逆向工程的一般流程圖1-1逆向工程流程1.3快速原型技術(shù)快速原型技術(shù)是用離散分層的原理制作產(chǎn)品原型的總稱，其原理為：產(chǎn)品三維CAD模型→分層離散→按離散后的平面幾何信息逐層加工堆積原材料→生成實(shí)體模型。

該技術(shù)集計(jì)算機(jī)技術(shù)、激光加工技術(shù)、新型材料技術(shù)于一體，依靠CAD軟件，在計(jì)算機(jī)中建立三維實(shí)體模型，并將其切分成一系列平面幾何信息，以此控制激光束的掃描方向和速度，采用粘結(jié)、熔結(jié)、聚合或化學(xué)反應(yīng)等手段逐層有選擇地加工原材料，從而快速堆積制作出產(chǎn)品實(shí)體模型。目前主要包括以下六大類成型方法：

光固化立體造型技術(shù)(stereolithographyapparatus，SLA)熔融沉積成型技術(shù)(fuseddepositionmodeling,FDM)分層實(shí)體制造技術(shù)(laminatedobjectmanufacturing,LOM)電子束選區(qū)熔化技術(shù)（ElectronBeamSelectiveMelting，EBSM）激光凈成形技術(shù)（LaserEngineeredNetShaping，LENS）選區(qū)激光熔化技術(shù)（SelectiveLaserMelting，SLM）1.4主要研究?jī)?nèi)容在之后的重建工作中，主要進(jìn)行以下幾點(diǎn)的研究?jī)?nèi)容：使用關(guān)節(jié)臂掃描儀對(duì)烏龜玩具的外殼進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的采集，以獲得準(zhǔn)確高精度的數(shù)據(jù)，便于后期模型重建工作的展開。用geomagic軟件對(duì)采集到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行初步的處理，包括去除無(wú)效點(diǎn)，減少噪音，統(tǒng)一采樣這些步驟，減少數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量，突出特征點(diǎn)。利用imageware軟件處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)的優(yōu)勢(shì)，對(duì)零件點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行截面剖分，取得特征截面上的點(diǎn)云鏈，并導(dǎo)出。在UG軟件里打開點(diǎn)云鏈，通過(guò)樣條曲線擬合點(diǎn)的方式構(gòu)造零件特征曲線，并以這些曲線為參考創(chuàng)建實(shí)體模型，重建零件。利用快速成型技術(shù)通過(guò)打印機(jī)機(jī)把重建好的實(shí)體零件模型打印出來(lái)，組裝成整體，評(píng)估打印質(zhì)量。使用UG軟件的運(yùn)動(dòng)仿真模塊，對(duì)玩具烏龜?shù)膬?nèi)部運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行仿真，設(shè)置并觀察齒輪組的運(yùn)動(dòng)。2.基于Geomagic的烏龜玩具點(diǎn)云數(shù)據(jù)的模型重建2.1數(shù)字模型重建的一般流程模型重建的主要步驟為：1.模型數(shù)據(jù)獲取2.分散點(diǎn)云數(shù)據(jù)合并3.去除無(wú)效點(diǎn)4.數(shù)據(jù)的采樣過(guò)濾5.截取特征線6.擬合曲線7.構(gòu)建實(shí)體8.快速原型2.2點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取烏龜玩具的點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取采用了非接觸式掃描設(shè)備，如圖2-1所示，能夠便捷的獲取目標(biāo)對(duì)象的點(diǎn)云信息。這里我們采用了關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)配激光掃描儀，關(guān)節(jié)臂測(cè)量機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于它相比傳統(tǒng)測(cè)量機(jī)而言可以測(cè)量的角度和范圍更大，而且在測(cè)量的同時(shí)多個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)可以合并到同一個(gè)坐標(biāo)系下，大大減少了后期對(duì)齊點(diǎn)云的工作數(shù)量，而且它的掃描精度也完全滿足需求，對(duì)于玩具和工藝品來(lái)說(shuō)精度要求不是很高，所以使用非接觸式掃描儀是沒有問(wèn)題的。因?yàn)檫@次掃描選用的是激光式掃描儀，所以在掃描零件之前需要做一些準(zhǔn)備工作。激光掃描儀在掃描數(shù)據(jù)的時(shí)候?qū)τ谀繕?biāo)工件的表面有要求，不能是不反射光線或者透射率很大的表面，比如黑色或者金屬的光滑表面以及玻璃等透光的材料制成的表面，這樣會(huì)導(dǎo)致采集不到數(shù)據(jù)或采集的數(shù)據(jù)很少。因?yàn)榧す鈷呙璧脑砘臼强拷邮展馐姆瓷鋪?lái)定位點(diǎn)，如果反射光很少那么就會(huì)影響采集到的數(shù)據(jù)質(zhì)量。對(duì)于這一問(wèn)題，可以在掃描之前給工件噴上反差劑，增大表面對(duì)光線的反射能力，從而使得能更方便的采集數(shù)據(jù)，采集場(chǎng)景如圖2-2所示。圖2-1噴涂反差劑圖2-2掃描零件2.3數(shù)據(jù)處理經(jīng)由設(shè)備獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)后，由于點(diǎn)云數(shù)據(jù)較大，直接使用會(huì)導(dǎo)致運(yùn)行緩慢，而且有許多無(wú)效點(diǎn)，在后期建模過(guò)程中這些無(wú)效點(diǎn)會(huì)影響成型表面質(zhì)量，需要經(jīng)過(guò)軟件的處理，精簡(jiǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)，方便后期的建模。這里使用Geomagic這款軟件進(jìn)行點(diǎn)云的處理。GeomagicStudio是Geomagic公司的一款逆向軟件，可以根據(jù)掃描的實(shí)物零件生成準(zhǔn)確的數(shù)字模型，在點(diǎn)云的處理上方便快捷，入門簡(jiǎn)單，適合進(jìn)行模型編輯的前期工作。軟件界面如圖2-3所示。圖2-3geomagic軟件界面2.3.1導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)掃描得出的原始數(shù)據(jù)為“savedata2”格式為IGS文件，IGS是根據(jù)IGES標(biāo)準(zhǔn)生成的文件，主要用于不同三維軟件系統(tǒng)的文件轉(zhuǎn)換。在geomagic里是可以直接打開這種格式的數(shù)據(jù)的。首先，打開軟件，找到數(shù)據(jù)所在的位置，直接拖動(dòng)數(shù)據(jù)到軟件界面上，或者點(diǎn)擊文件-打開，找到數(shù)據(jù)文件也能執(zhí)行導(dǎo)入，如圖2-4所示。圖2-4導(dǎo)入數(shù)據(jù)圖2-5采樣比率導(dǎo)入時(shí)軟件會(huì)提示采樣的比率，如圖2-5所示，默認(rèn)選擇100%載入點(diǎn)云。導(dǎo)入后的點(diǎn)云是默認(rèn)無(wú)光照的，右鍵-選擇著色-著色點(diǎn)，如圖2-6所示。這樣系統(tǒng)會(huì)根據(jù)每個(gè)點(diǎn)的法向分配光照，實(shí)現(xiàn)真實(shí)陰影效果便于觀察。圖2-6著色點(diǎn)云2.3.2合并點(diǎn)云導(dǎo)入的數(shù)據(jù)是由三部分點(diǎn)云組成的，原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)未拼合，還是處于獨(dú)立的狀態(tài)，在編輯時(shí)比較麻煩，需要把他們組成一個(gè)點(diǎn)集合，以便于后期的處理。首先，按住CTRL鍵選中所有點(diǎn)云，然后選擇菜單欄上的點(diǎn)-聯(lián)合-聯(lián)合點(diǎn)對(duì)象，在彈出的對(duì)話框中先點(diǎn)擊應(yīng)用再點(diǎn)擊確定，完成點(diǎn)的合并。如圖2-7所示。圖2-7合并點(diǎn)云2.3.3選擇非連接項(xiàng)在掃描實(shí)體物件時(shí)由于外界環(huán)境及飛塵的影響，掃描出的點(diǎn)不會(huì)是完全附著在物件上，會(huì)出現(xiàn)一些點(diǎn)云游離在物件表面之外的情況，這樣會(huì)影響后期成型表面的質(zhì)量。所以需要去除這樣的無(wú)效點(diǎn)。在geomagic的點(diǎn)階段工具欄中，提供了三種方法來(lái)去除無(wú)效點(diǎn)，第一種是選擇非連接項(xiàng)，這個(gè)可以去除一些脫離主體點(diǎn)云較遠(yuǎn)的離散點(diǎn)。如圖2-8所示。a.去除前b.去除后圖2-8去除非連接項(xiàng)2.3.4選擇體外孤點(diǎn)第二種是選擇體外孤點(diǎn)，這個(gè)是去除那些大于點(diǎn)云之間平均距離的點(diǎn)，也就是一些脫離主體點(diǎn)云的點(diǎn)，選擇默認(rèn)敏感性就可，如果設(shè)置過(guò)高那么去除的點(diǎn)可能會(huì)影響零件特征。如圖2-9所示。圖2-9去除體外孤點(diǎn)2.3.5減少噪音第三種方法是減少噪音，噪音點(diǎn)的產(chǎn)生是由于在掃描過(guò)程中一些外界的因素如掃描儀的震動(dòng)、光線干擾等，會(huì)影響點(diǎn)云表面質(zhì)量。減少噪音的功能主要是用來(lái)平滑零件點(diǎn)云上的噪聲點(diǎn)，使得表面更平滑，可以依據(jù)點(diǎn)云的質(zhì)量選擇平滑級(jí)別，在平滑時(shí)選擇預(yù)覽可以看到平滑前后的差別。如圖2-10所示a.平滑前b.平滑后圖2-10減少噪音2.3.6采樣處理原始的點(diǎn)云數(shù)據(jù)需要進(jìn)行采樣處理來(lái)進(jìn)行精簡(jiǎn)，對(duì)于一些規(guī)則的曲面部分，需要的點(diǎn)云就較為稀疏，而一些曲率變化大的部分則需要保留這里的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。Geomagic里提供了幾種不同的采樣方法，常用的是曲率采樣，這種采樣方法允許保留曲率變化大的地方的數(shù)據(jù)，而精簡(jiǎn)規(guī)則曲面上的點(diǎn)云數(shù)量，采樣前后點(diǎn)云的差別如圖2-11所示。a.采樣前b.采樣后圖2-11統(tǒng)一采樣2.3.7創(chuàng)建截面線在經(jīng)過(guò)geomagic的初步處理后，就可以把簡(jiǎn)化后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)導(dǎo)入imageware中進(jìn)行下一步的造型。Imageware在UG系列軟件中用來(lái)處理點(diǎn)云和構(gòu)建曲面，在這里用它來(lái)取得點(diǎn)云數(shù)據(jù)的截面點(diǎn)，原始點(diǎn)云的數(shù)據(jù)點(diǎn)比較散亂，特征點(diǎn)不容易取得，在進(jìn)行截面處理之后點(diǎn)云就規(guī)范化了，這樣在后期就能在UG里根據(jù)這些特征點(diǎn)來(lái)構(gòu)建出擬合曲線，再依據(jù)曲線創(chuàng)建實(shí)體模型。打開imageware軟件，導(dǎo)入處理過(guò)的點(diǎn)云文件，如圖2-12所示.圖2-12導(dǎo)入點(diǎn)云導(dǎo)入后的點(diǎn)云還是沒有對(duì)正的，首先打開背景格柵顯示出全局坐標(biāo)系的網(wǎng)格，然后使用移動(dòng)命令把點(diǎn)云擺正，如圖2-13所示.之后就要進(jìn)行點(diǎn)云的截取工作，點(diǎn)擊構(gòu)建菜單下的剖面截取點(diǎn)云-交互式點(diǎn)云截面，在按住CTRL鍵的同時(shí)點(diǎn)擊左鍵，畫出平行于坐標(biāo)軸的直線，在全部直線畫完后點(diǎn)擊應(yīng)用，生成截面點(diǎn)鏈，過(guò)程如圖2-14，圖2-15，圖2-16所示。圖2-13移動(dòng)點(diǎn)云圖2-14添加截線圖2-15截面對(duì)話框圖2-16添加截線后的點(diǎn)云圖2-17截面點(diǎn)云鏈生成點(diǎn)云截面后，隱藏掉原來(lái)的點(diǎn)云，只顯示點(diǎn)云鏈，如圖2-17所示這樣在imageware里面的工作就結(jié)束了，現(xiàn)在需要保存剛截出的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后進(jìn)入U(xiǎn)G，在建模環(huán)境里導(dǎo)入點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖2-18所示.圖2-18在UG里打開點(diǎn)云2.3.8構(gòu)建實(shí)體模型有了特征點(diǎn)作為參考，現(xiàn)在要做的是運(yùn)用UG中的樣條曲線來(lái)與這些特征點(diǎn)進(jìn)行擬合。在UG里進(jìn)行造型有下列幾種主要方法：對(duì)于簡(jiǎn)單的幾何體外形采用體素或掃掠建模。對(duì)于一些較復(fù)雜的組合體可以先構(gòu)建出基本體素，之后運(yùn)用布爾運(yùn)算進(jìn)行求和求差處理。對(duì)于曲面和一些非標(biāo)準(zhǔn)面，可以先分割成幾塊簡(jiǎn)單曲面，之后依次擬合，并作出必要的搭接面，最后進(jìn)行縫合成為實(shí)體。針對(duì)烏龜玩具底架，主要采用體素建模和掃掠建模。第一步是采集外輪廓的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合，然后拉伸成為底板，厚度為1mm.這個(gè)是底架建模的基礎(chǔ)部分，要首先完成。如圖2-19所示。圖2-19底板部分建模第二步是底板上放置運(yùn)動(dòng)裝置的卡槽，可以先根據(jù)點(diǎn)數(shù)據(jù)畫出一個(gè)長(zhǎng)方形框架，然后進(jìn)行拉伸和裁剪，最后抽殼，與底板進(jìn)行布爾運(yùn)算求和，如圖2-20所示。圖2-20卡槽建模最后一步就是創(chuàng)建兩頭的對(duì)接孔，這里要注意孔的圓心要約束到底板的中軸線上，這樣模型才能對(duì)稱，另外圓孔的孔徑可以參考實(shí)物的測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，以求準(zhǔn)確。創(chuàng)建完成的零件如圖2-21所示。圖2-21完成底板建模至此烏龜玩具底板就建模完畢了。2.3.9創(chuàng)建二維圖紙有了三維實(shí)體模型之后還需要一份完整的二維圖紙以記錄模型信息，利用UG的制圖功能可以很便捷的生成零件的二維圖紙，如圖2-22所示。圖2-22底板二維圖紙2.4快速成型與逆向工程息息相關(guān)的另一項(xiàng)技術(shù)就是快速成型，這是一項(xiàng)新興技術(shù)，也就是俗稱的3D打印技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新和縮短產(chǎn)品制造周期有積極的推動(dòng)作用。其基本的原理就是“分層制造，逐層疊加”，它可以在沒有任何外部加工工具的情況下快速生成工件的實(shí)體造型，傳統(tǒng)的制造方式是減材制造，耗時(shí)耗力，而且對(duì)于原料的利用率也不高，往往成型一個(gè)零件需要許多道工序才能完成，這對(duì)于現(xiàn)今快速更替的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)是一個(gè)急需改進(jìn)的地方，而快速成型技術(shù)則是增材制造，對(duì)于原材料的利用幾乎達(dá)到了100%，加工速度也大大快于傳統(tǒng)加工方法[4]。這里使用熔融沉積（FDM）的方法來(lái)打印烏龜玩具。所使用的切片軟件為開源的Cura15.09。首先把保存為STL格式的玩具模型文件導(dǎo)入Cura，導(dǎo)入后的樣子為圖2-23所示。圖2-23導(dǎo)入模型文件之后需要根據(jù)使用的打印機(jī)來(lái)設(shè)置具體的打印參數(shù)，影響打印質(zhì)量與速度的參數(shù)主要有打印層厚、壁厚、底層/頂層厚度和填充密度等，打印層厚決定了模型的精細(xì)程度，一般設(shè)置層厚為0.2mm就可以打印的很精細(xì)了，對(duì)于玩具這種需要運(yùn)動(dòng)的部件可以把壁厚適當(dāng)?shù)募哟笠垣@得合適的強(qiáng)度。具體參數(shù)參照?qǐng)D2-24.2-25.圖2-24基本設(shè)置圖2-25高級(jí)設(shè)置設(shè)置好之后點(diǎn)擊切片按鈕，軟件會(huì)自動(dòng)計(jì)算打印路徑，計(jì)算完畢后還會(huì)把打印需要的時(shí)長(zhǎng)和所用材料的損耗顯示出來(lái)。點(diǎn)擊圖層顯示按鈕，選擇層顯示模式，這樣我們就可以看到打印的路徑以線條的模式顯示出來(lái)，如圖2-26所示，確認(rèn)無(wú)誤后就可以把路徑文件導(dǎo)入打印機(jī)進(jìn)行打印了。圖2-26路徑顯示打印出來(lái)的成品如圖2-27所示。圖2-27打印出的模型3.基于UG的烏龜玩具內(nèi)部機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械設(shè)計(jì)要先制定出設(shè)計(jì)方案，然后再運(yùn)用力學(xué)的方法與公式進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)過(guò)程要經(jīng)過(guò)大量的計(jì)算與論證，而機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真分析可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)中大多數(shù)復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)，把運(yùn)動(dòng)直觀地展現(xiàn)出來(lái)，使設(shè)計(jì)師能專注于機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化了大量的計(jì)算[5]。玩具烏龜玩具內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)是驅(qū)動(dòng)烏龜運(yùn)動(dòng)的主要部件，主要包括發(fā)條、齒輪組、箱體等部件。我們選擇進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真的軟件是UG，UG軟件在參數(shù)化建模和加工方面很有優(yōu)勢(shì)，軟件內(nèi)置了許多模塊，運(yùn)動(dòng)仿真就是其中之一，UG的運(yùn)動(dòng)仿真比較直觀，方便控制參數(shù)。3.1繪制機(jī)構(gòu)零件三維圖要進(jìn)行內(nèi)部機(jī)構(gòu)的仿真首先要有各個(gè)部件的數(shù)字模型，這就需要進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于這種細(xì)小的零件，之前的激光掃描測(cè)量就不可行了，對(duì)于機(jī)構(gòu)里的塑料齒輪因?yàn)槭菢?biāo)準(zhǔn)件所以無(wú)需測(cè)量，而對(duì)于機(jī)構(gòu)的箱體零件采取傳統(tǒng)的手工測(cè)量，運(yùn)用游標(biāo)卡尺等工具測(cè)量機(jī)構(gòu)的尺寸。獲得了零件的尺寸數(shù)據(jù)之后，就可以進(jìn)行零件的三維圖的繪制了，需要注意的是：在繪制時(shí)要獨(dú)立出各個(gè)部件，不能在同一個(gè)文件下繪制所有的零件。這是為了便于后期的裝配和仿真。烏龜玩具的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)一共由8個(gè)部件組成：分別為A、B、C三個(gè)齒輪，兩個(gè)連接軸，和兩個(gè)機(jī)構(gòu)外殼。以下是各個(gè)組件的三維圖。abcdef圖3-1各個(gè)零部件3.2組件裝配要進(jìn)行組件裝配，需要進(jìn)入U(xiǎn)G的裝配模塊，點(diǎn)擊開始，選擇裝配。如圖3-2所示。圖3-2裝配組件以箱體為主體，把其他部件裝配到箱體上，注意在選擇放置方式時(shí)，箱體選擇以“絕對(duì)原點(diǎn)”放置，其他的部件選擇“通過(guò)約束”。之后根據(jù)彈出的裝配約束對(duì)話框選擇合適的約束，保證組件正確安裝在對(duì)應(yīng)位置上。如圖3-3所示。圖3-3添加約束圖3-4約束類型最終裝配完成的效果如圖3-5所示。圖3-5裝配總圖3.3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算機(jī)仿真的過(guò)程，實(shí)際上就是借助構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)該模型在計(jì)算機(jī)上的虛擬運(yùn)行，來(lái)執(zhí)行對(duì)該模型及運(yùn)動(dòng)的模擬、檢驗(yàn)和修正，并使該模型不斷趨于完善的過(guò)程[6]。在之前已經(jīng)完成了機(jī)構(gòu)組建的數(shù)字重建及裝配，現(xiàn)在需要進(jìn)入U(xiǎn)G的運(yùn)動(dòng)仿真模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和仿真。整個(gè)烏龜玩具運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的原理概括如下:1.在發(fā)條的蓄力下，帶動(dòng)齒輪A轉(zhuǎn)動(dòng)。2.齒輪A帶動(dòng)齒輪B和C轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)D桿驅(qū)動(dòng)車輪。3.齒輪B轉(zhuǎn)動(dòng)的同時(shí)其上的圓形凸輪也一起轉(zhuǎn)動(dòng)。4.與底板互相配合的聯(lián)動(dòng)架在凸輪的帶動(dòng)下進(jìn)行往復(fù)滑動(dòng)，如圖3-6所示。圖3-6運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)原理第一步是要設(shè)置仿真環(huán)境，在裝配界面里點(diǎn)擊開始，勾選運(yùn)動(dòng)仿真如圖3-7所示。圖3-7打開運(yùn)動(dòng)仿真模塊圖3-8建立仿真環(huán)境之后點(diǎn)擊，在彈出的對(duì)話框里選擇分析類型為動(dòng)態(tài)，單擊確定完成仿真環(huán)境設(shè)置。如圖3-8所示3.3.1設(shè)置連桿這里的連桿不是我們狹義上的桿件，在運(yùn)動(dòng)仿真里每一個(gè)參與運(yùn)動(dòng)的組件都可以看做為一個(gè)連桿，連桿之間通過(guò)運(yùn)動(dòng)副連接，共同組成了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。點(diǎn)擊連桿圖標(biāo)，將每一個(gè)齒輪分別定義成連桿，這里把桿A和齒輪A定義為一個(gè)連桿，因?yàn)檫@兩個(gè)組件是共同運(yùn)動(dòng)的。這樣一共設(shè)置四個(gè)連桿。如圖3-9所示。圖3-9定義連桿3.3.2設(shè)置運(yùn)動(dòng)副運(yùn)動(dòng)副是兩構(gòu)件直接接觸并能產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的活動(dòng)聯(lián)接。根據(jù)連接和運(yùn)動(dòng)方式的不同分為多種類型，如旋轉(zhuǎn)副，滑動(dòng)副，柱面副，平面副等，在這里我們主要用到的是旋轉(zhuǎn)副和齒輪副，運(yùn)用這兩種運(yùn)動(dòng)副我們可以仿真出齒輪機(jī)構(gòu)的嚙合運(yùn)動(dòng)。為了方便觀察，這里我們把機(jī)構(gòu)的箱體隱藏，只剩下齒輪組。點(diǎn)擊運(yùn)動(dòng)副圖標(biāo)，在彈出的對(duì)話框里選擇旋轉(zhuǎn)副，之后根據(jù)提示選擇連桿，原點(diǎn)和方位如圖3-10所示。因?yàn)檫@里選擇了齒輪A，而齒輪A連接著發(fā)條，是驅(qū)動(dòng)齒輪，所以我們還需要給這個(gè)旋轉(zhuǎn)副添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)。在運(yùn)動(dòng)副的驅(qū)動(dòng)一欄中，把驅(qū)動(dòng)方式改為恒定，初速度改為-360°，這樣齒輪A在一個(gè)旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)會(huì)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一圈。如圖3-11，3-12所示圖3-10定義旋轉(zhuǎn)副圖3-11添加驅(qū)動(dòng)圖3-12添加旋轉(zhuǎn)副之后依次給每個(gè)齒輪添加旋轉(zhuǎn)副，原點(diǎn)選擇在齒輪中心，方位為與齒輪的法向一致。如圖3-13所示圖3-13全部旋轉(zhuǎn)副在添加完旋轉(zhuǎn)副之后，需要為嚙合的齒輪添加齒輪副，齒輪副的添加是獨(dú)立于運(yùn)動(dòng)副的，在選擇的時(shí)候是要選擇兩個(gè)旋轉(zhuǎn)副來(lái)生成嚙合的齒輪副。點(diǎn)擊齒輪副圖標(biāo)，在對(duì)話框里選擇A和B兩個(gè)齒輪的旋轉(zhuǎn)副，這里需要注意的一點(diǎn)是比率系數(shù)，這是主動(dòng)齒輪與從動(dòng)齒輪的節(jié)圓直徑之比。如圖3-14，圖3-15所示圖3-14添加齒輪副圖3-15添加齒輪副后效果之后的兩個(gè)齒輪副的設(shè)置與這個(gè)類似，分別添加齒輪B和齒輪C、齒輪B和齒輪軸B之間的齒輪副。3.3.3添加運(yùn)算器并仿真在設(shè)置完所有的連桿和運(yùn)動(dòng)副之后，我們就可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真了。點(diǎn)擊工具欄上的“解算方案”，這里我們需要把解算方案類型設(shè)置為常規(guī)驅(qū)動(dòng)，分析類型設(shè)置為運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)，時(shí)間和步數(shù)根據(jù)需要設(shè)置，還需要指定一個(gè)重力方向，如圖3-16所示。圖3-16創(chuàng)建結(jié)算方案在設(shè)置