某工件三维测量与CAD模型重建设计
某工件三维测量与CAD模型重建设计
本课题是逆向工程技术的实际运用，其核心是从测量的物体表面数据恢复出物体的实际形状，该技术在工业设计领域中能够有效的缩短设计周期和提高效率。
本课题以一个直齿轮为研究的对象，按照逆向工程的整体流程完成了工件从测量、数据处理到加工的全部流程。对逆向工程这一技术有了深刻的认识。本文阐述了三维测量的几种测量方式以及在测量中产生误差的原因和避免方法，研究了测量数据的处理方法，完成了点云数据的去噪、简化、网格化以及孔洞的修补，并且重点论述了运用镜像阵列的方法恢复规则几何体的方法，并以3D打印的方式完成了对整个设计工作的验证。
关键词 逆向工程，齿轮，三维扫描，CAD模型重建，3D打印
1 绪论 1
1.1 正向工程与逆向工程 1
1.2 逆向工程技术的发展概况 2
1.3 课题的来源和主要研究内容 4
2 样件表面数据的获取 5
2.1 接触式测量 6
2.2 非接触式测量 7
2.3 本课题所用到的测量仪 9
3 逆向工程中的点云数据处理 11
3.1 逆向工程软件介绍 11
3.2 逆向工程中的点云数据处理 13
4 逆向工程中多边形阶段的处理过程 21
4.1 点云数据的封装 21
4.2 三角网格模型的坐标系对齐 22
4.3 网格表面的平滑光顺 25
4.4 齿轮的修补 26
4.5 三角网格模型孔洞修补 29
4.6 轴孔的修复 30
4.7 拉伸齿轮 32
5 3D打印 34
5.1 3D打印的原理 34
5.2 本课题使用的3D打印机 34
5.3 3D打印的操作过程 35
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 绪论
随着时代的发展，世界之间的联系越来越紧密，在制造行业中，近年来国外企业的涌入给国内企业造成了巨大的压力，在这种时代下，企业只有不断提高自己的设计水平以及产品质量，才能在日益激烈的竞争之中生存下来并且脱颖而出。
随着制造业的发展，产品在满足通常的使用要求外，人们对于产品外观的要求也越来也高，特别是在汽车、飞机等对复杂曲面设计有着很高要求的行业更是如此。在这种环境下，传统的设计模式已经很难满足设计的要求，于是逆向工程应运而出。
逆向工程产生于20世纪80年代末至90年代初[1]，由日本名古屋工业研究所和美国UVP公司、美国3M公司提出逆向工程技术(RE)并开始研制开发[2]，也称反求工程。能够降低成本，改善技术水平，提高产品质量，在产品开发中具有重要作用，而在借鉴和吸收先进技术方面也有着很大的作用。
1.1 正向工程与逆向工程
1.1.1 正向工程的含义
正向工程可以说是与逆向工程相对的设计过程，传统的设计过程是一个严谨的研究开发过程，是一个从无到有的过程，这是一种顺向发展的优秀的模式，对于以后设计也可以提供许多经验，首先根据产品所要实现的功能和一些要求以及一些规格指标，设计人员首先会预先想出一些设计方案和参数，然后根据这些参数绘制二维图纸再将其转换为数字化模型，在经过一系列的评估以及修改之后确定最终的方案，进入生产流程，得到最终产品。最终对产品进行检验，确定符合要求后就可以投入生产。 图1-1为正向工程的流程图。
图1-1 正向工程开发流程图
1.1.2 逆向工程的含义
所谓逆向工程,是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上,对已有产品进行解剖、深化和再创造,是已有设计的设计[3~5]。逆向工程的研究方向主要有工艺、实物和材料等几个方面的逆向研究。目前实物逆向也就是工件的几何形状的逆向是逆向工程的重点研究方向。大体流程为通过3D数字化测量仪器快速、准确获得样件的表面形状的数字化信息，再通过CAD/CAM技术建立样件的CAD模型，最后通过CNC加工机床或快速成型机（如3D打印机）加工出工件模型。通过多次评定，最终定案。图1-2为逆向工程技术的工作流程。
图1-2 逆向工程流程图
正向工程与逆向工程，前者是从无到有，后者是已有设计的再设计。虽然设计方法有所区别，但两者的目的相同，都是为了设计和生产出符合要求的最终产品。
1.2 逆向工程技术的发展概况
1.2.1 逆向工程技术在国内外的发展
1.2.1.1 硬件的发展概况
（1）国外发展状况
三坐标测量机最早是由英国 Ferranti公司研制的，目前,测量设备方面：日本、英国、德国等国家的三坐标测量机和三维扫描仪应用较为广泛。如表1-1所示。
数据处理软件的研究主要集中在清华大学，南京航空航天大学，浙江大学等机构，在研究开发出的软件之中，以QuickForm最为成熟。
1.2.2 逆向工程技术的应用领域
随着逆向工程技术的不断发展，该技术在很多行业中得到应用，有以下一些方面：
（1）航空航天、汽车、摩托车领域 这类产品对产品曲面的要求极为严苛，曲面极为复杂，在得到初始模型到完成美学评估与性能检测要经过多次的修改，再通过逆向工程建立修改后的产品CAD模型。这种设计方法可以简化设计过程，缩短周期。
（2）产品的改良设计 在设计新的产品时，可以在原有设计的基础上运用逆向工程技术进行改良。
（3）文物、艺术品的复制 如修复塑像，雕刻及艺术造型等，通常文物与艺术品造型复杂。很难直接使用计算机三维技术构建几何特征，这时就需要应用逆向工程技术完成文物、艺术品等造型复杂的实物“复制”[6]。
（4）模具行业 在模具制造出来后，模具的型面不一定符合要求，还要进行一些修改，这些修改过的真实型面会与原始CAD模型存在差距，此时就可以用逆向工程技术获取修改后的模具的CAD模型。
（5）医学及相关领域 通过利用层析x射线及核磁共振等方法可以采集到病变部位的外形数据,然后建立出三维数字化模型,用来作为医生诊断疾病的重要依据。在人体骨骼的修复，牙齿的修补，断肢制造等方面都要应用到逆向工程的技术。
1.3 课题的来源和主要研究内容
1.3.1 课题来源
本课题来源于实际应用中的诉求，此课题是典型的多学科交叉产物，需在机械设计、计算机、图形图像等方面具有较好的积累和自学能力，需要熟练掌握Geomagic等逆向软件和三维扫描仪硬件设备，并能从测量到设计进行前后贯通。通过毕业设计把所学知识和实际应用结合起来，培养学生的动手和分析能力，提高学生的工程素质和工程实践能力，从而达到专业培养目标要求。
1.3.2 主要研究内容
本课题的主要任务是在搜集大量逆向工程相关知识技术的资料，学习整理后，完
本课题是逆向工程技术的实际运用，其核心是从测量的物体表面数据恢复出物体的实际形状，该技术在工业设计领域中能够有效的缩短设计周期和提高效率。
本课题以一个直齿轮为研究的对象，按照逆向工程的整体流程完成了工件从测量、数据处理到加工的全部流程。对逆向工程这一技术有了深刻的认识。本文阐述了三维测量的几种测量方式以及在测量中产生误差的原因和避免方法，研究了测量数据的处理方法，完成了点云数据的去噪、简化、网格化以及孔洞的修补，并且重点论述了运用镜像阵列的方法恢复规则几何体的方法，并以3D打印的方式完成了对整个设计工作的验证。
关键词 逆向工程，齿轮，三维扫描，CAD模型重建，3D打印
1 绪论 1
1.1 正向工程与逆向工程 1
1.2 逆向工程技术的发展概况 2
1.3 课题的来源和主要研究内容 4
2 样件表面数据的获取 5
2.1 接触式测量 6
2.2 非接触式测量 7
2.3 本课题所用到的测量仪 9
3 逆向工程中的点云数据处理 11
3.1 逆向工程软件介绍 11
3.2 逆向工程中的点云数据处理 13
4 逆向工程中多边形阶段的处理过程 21
4.1 点云数据的封装 21
4.2 三角网格模型的坐标系对齐 22
4.3 网格表面的平滑光顺 25
4.4 齿轮的修补 26
4.5 三角网格模型孔洞修补 29
4.6 轴孔的修复 30
4.7 拉伸齿轮 32
5 3D打印 34
5.1 3D打印的原理 34
5.2 本课题使用的3D打印机 34
5.3 3D打印的操作过程 35
结 论 38
致 谢 39
参 考 文 献 40
1 绪论
随着时代的发展，世界之间的联系越来越紧密，在制造行业中，近年来国外企业的涌入给国内企业造成了巨大的压力，在这种时代下，企业只有不断提高自己的设计水平以及产品质量，才能在日益激烈的竞争之中生存下来并且脱颖而出。
随着制造业的发展，产品在满足通常的使用要求外，人们对于产品外观的要求也越来也高，特别是在汽车、飞机等对复杂曲面设计有着很高要求的行业更是如此。在这种环境下，传统的设计模式已经很难满足设计的要求，于是逆向工程应运而出。
逆向工程产生于20世纪80年代末至90年代初[1]，由日本名古屋工业研究所和美国UVP公司、美国3M公司提出逆向工程技术(RE)并开始研制开发[2]，也称反求工程。能够降低成本，改善技术水平，提高产品质量，在产品开发中具有重要作用，而在借鉴和吸收先进技术方面也有着很大的作用。
1.1 正向工程与逆向工程
1.1.1 正向工程的含义
正向工程可以说是与逆向工程相对的设计过程，传统的设计过程是一个严谨的研究开发过程，是一个从无到有的过程，这是一种顺向发展的优秀的模式，对于以后设计也可以提供许多经验，首先根据产品所要实现的功能和一些要求以及一些规格指标，设计人员首先会预先想出一些设计方案和参数，然后根据这些参数绘制二维图纸再将其转换为数字化模型，在经过一系列的评估以及修改之后确定最终的方案，进入生产流程，得到最终产品。最终对产品进行检验，确定符合要求后就可以投入生产。 图1-1为正向工程的流程图。
图1-1 正向工程开发流程图
1.1.2 逆向工程的含义
所谓逆向工程,是将已有产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上,对已有产品进行解剖、深化和再创造,是已有设计的设计[3~5]。逆向工程的研究方向主要有工艺、实物和材料等几个方面的逆向研究。目前实物逆向也就是工件的几何形状的逆向是逆向工程的重点研究方向。大体流程为通过3D数字化测量仪器快速、准确获得样件的表面形状的数字化信息，再通过CAD/CAM技术建立样件的CAD模型，最后通过CNC加工机床或快速成型机（如3D打印机）加工出工件模型。通过多次评定，最终定案。图1-2为逆向工程技术的工作流程。
图1-2 逆向工程流程图
正向工程与逆向工程，前者是从无到有，后者是已有设计的再设计。虽然设计方法有所区别，但两者的目的相同，都是为了设计和生产出符合要求的最终产品。
1.2 逆向工程技术的发展概况
1.2.1 逆向工程技术在国内外的发展
1.2.1.1 硬件的发展概况
（1）国外发展状况
三坐标测量机最早是由英国 Ferranti公司研制的，目前,测量设备方面：日本、英国、德国等国家的三坐标测量机和三维扫描仪应用较为广泛。如表1-1所示。
数据处理软件的研究主要集中在清华大学，南京航空航天大学，浙江大学等机构，在研究开发出的软件之中，以QuickForm最为成熟。
1.2.2 逆向工程技术的应用领域
随着逆向工程技术的不断发展，该技术在很多行业中得到应用，有以下一些方面：
（1）航空航天、汽车、摩托车领域 这类产品对产品曲面的要求极为严苛，曲面极为复杂，在得到初始模型到完成美学评估与性能检测要经过多次的修改，再通过逆向工程建立修改后的产品CAD模型。这种设计方法可以简化设计过程，缩短周期。
（2）产品的改良设计 在设计新的产品时，可以在原有设计的基础上运用逆向工程技术进行改良。
（3）文物、艺术品的复制 如修复塑像，雕刻及艺术造型等，通常文物与艺术品造型复杂。很难直接使用计算机三维技术构建几何特征，这时就需要应用逆向工程技术完成文物、艺术品等造型复杂的实物“复制”[6]。
（4）模具行业 在模具制造出来后，模具的型面不一定符合要求，还要进行一些修改，这些修改过的真实型面会与原始CAD模型存在差距，此时就可以用逆向工程技术获取修改后的模具的CAD模型。
（5）医学及相关领域 通过利用层析x射线及核磁共振等方法可以采集到病变部位的外形数据,然后建立出三维数字化模型,用来作为医生诊断疾病的重要依据。在人体骨骼的修复，牙齿的修补，断肢制造等方面都要应用到逆向工程的技术。
1.3 课题的来源和主要研究内容
1.3.1 课题来源
本课题来源于实际应用中的诉求，此课题是典型的多学科交叉产物，需在机械设计、计算机、图形图像等方面具有较好的积累和自学能力，需要熟练掌握Geomagic等逆向软件和三维扫描仪硬件设备，并能从测量到设计进行前后贯通。通过毕业设计把所学知识和实际应用结合起来，培养学生的动手和分析能力，提高学生的工程素质和工程实践能力，从而达到专业培养目标要求。
1.3.2 主要研究内容
本课题的主要任务是在搜集大量逆向工程相关知识技术的资料，学习整理后，完
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