年产1.2万吨乳化炸药连续自动化生产线设计-毕业论文.doc

毕业设计题 目 逆向工程中曲线及曲面 的参数化设计 学 院 机械工程学院 专 业 机械工程及其自动化 班 级 机自0702 学 生 刘双源 学 号 20070403112 指导教师 王玉增 二一一年五月三十日济南大学毕业设计前言1.1课题背景我国制造业在国民生产中占据着举足轻重的重要作用。但是制造业总体水平与发达国家还有很大差距。随着科学技术迅猛发展，产品更新迭代速度加快，为了占领市场优势维持生存发展，企业必然要具备一定的新产品研发能力。为此，加速产品开发进程，具有重要的经济价值和现实意义。逆向工程技术在新产品的快速设计方面优势显著,其开发速度快，设计周期短，在实现产品的再设计上表现优异1-3。逆向工程技术广泛涉及计算机图像处理、计算机图形学、计算几何、微分几何、数据结构、概率统计、软件工程等交叉专业和学科，是CAD领域最活跃分支之一，尤其是伴随计算机、测量和数控技术的飞速发展，逆向工程技术逐渐成为船舶、飞机、汽车领域最主要的数字化设计方法之一4。 在企业实际生产中，对车轮的逆向设计，需要对车轮零件的尺寸参数进行详尽的测量，最终并以此进行的模具设计。整个过程不仅需要专门技术人员进行测量，而且由此绘制出的工程图纸也存在着精度不高和信息缺失。本课题为了解决生产中的以上问题，基于测量点云数据来提取产品设计参数，进行特征重构运算，最终实现产品三维模型重建。1.2国内外研究现状逆向工程（RE）也被称为反求工程，其主要任务是针对现有产品，在其基础上发掘深化结构特征信息，并以此设计出同类或更为高级的产品4。逆向工程正如其名，与传统设计制造过程相反，是先有实物后有设计参数。而传统设计制造过程是先有设计图纸然后生产出实物。20世纪80年代，欧美国家首先对逆向工程研究，并取得了一定的成果，90年代后，各国开始对逆向工程研究投入大量精力。逆向工程最早的用途是仿制加工设备，随着精确测量技术的发展，使设备仿造精度极大提升，因此，逆向工程研究的内容变得越来越广泛，涵盖了几何形状与结构反求、制造工艺反求、管理反求、材料反求等等方面5-7。逆向工程的关键技术主要包括：测量、数据处理、图形处理和加工等技术8-10。逆向工程技术提供了一种新的产品设计方法，大大缩短了产品的设计周期，加速了新产品的开发进度。数据采集是由测量设备和一定的测量方法获取产品表面上离散点几何坐标，由所得点云数据进行曲面建模。因此精准可靠的测量技术，是逆向工程的基础。因此，逆向工程技术的一项关键技术是数据采集技术11-12。曲面重建技术是逆向工程的又一关键技术13。恰当准确的曲面重建技术可以得到精度很高的曲面模型，目前应用广泛的曲面重建技术有以下几种：基于神经网络技术曲面重建、基于断层数据表面重建方法、基于测量点曲面重建方法和基于边曲面重建方法。逆向工程技术经过多年发展，出现了许多逆向软件。美国Raindrop公司的Geomagic软件，EDS公司的Imageware软件，英国DELCAM公司的CopyCAD软件，韩国INUS公司的Rapid Form软件等，这些专业软件能够轻易由点云数据生成光滑连续NURBS曲线曲面。1.3研究目的及意义 未来企业生产规模会持续增大，需要生产的产品品种也会持续增多，与此同时对车轮设计每次都要对不同产品进行测量获取数据，随后在CAD软件里绘制图纸。这样不仅耗时费力，而且某些尺寸会因不便测量而丢失。在机械产品设计制造方面，逆向工程主要任务是针对现有产品，在其基础上发掘深化结构特征信息，并以此设计出同类或更为高级的产品。另外一方面，随着网络通讯的发展，世界各国制造企业会需要根据客户提供的样品进行产品再设计。从企业方面来说，逆向工程技术是一种很好的科研技术，既能缩短科研周期，又能开发出适应市场的产品。同样也加快技术更新速度。逆向工程技术成功实现产品的快速设计，其关键是设计参数。但目前的逆向工程的曲面重建技术，只能提供位置数据的描述，却不能捕捉到高层次对象结构，因此更新产品设计困难，求解轮廓线尺寸参数比较困难。为提高建模质量，使参数化车轮模型有利后续修改设计，本文采用基于图元方法对车轮轮廓线实行参数化。1.4论文完成的任务本课题的车轮快速设计系统分为两个子系统：数据处理系统和模型重建系统。数据处理系统DataExplor实现了对三坐标测量仪采集的点云数据的处理，生成了轮辋和轮辐的点云和图形数据库。造型软件DataMining根据上一步数据处理的结果，在SolidWorks中插入点云和图形数据，实现车轮的三维建模。课题利用面向对象程序设计完成软件开发。本课题完成的任务是：1) 对车轮快速设计系统的技术难题进行系统的分析总结。2) 点云测量方案设计，针对数据处理要求对测量方案设计。3) 数据处理系统设计，对点云数据文件读取，实现回转零件求解。4) 轮廓线识别算法，使用基于图元Agent实现轮廓线参数化设计。5) 利用SolidWorks 2010 API二次开发技术，完成车轮零件三维建模。2车轮快速设计系统的技术难题2.1钢制车轮加工流程钢制车轮主要分为轮辋和轮辐，因为材料成形性能限制，两部分应分开制造。车轮的整体结构如下：图2.1车轮结构示意图（1）轮辋的加工工艺流程：开平剪板下料圈圆压平闪光对焊刨渣液压焊缝扩口一序辊压二序辊压三序辊压扩张图2.2 轮辋的加工工艺流程（2）轮辐的加工工艺流程：落料冲中心孔旋压冲螺栓孔冲风孔锪孔车中心孔、外径、端面图2.3 轮辐的加工工艺流程由上述工艺流程可知，车轮是由板材钢经过各种压制加工再焊接到一起而成，具体的加工尺寸是从其设计尺寸获得。为完成车轮快速设计任务，需解决下述难题。（1）点云数据测量 点云数据众多，应设计合适的测量方法步骤保证来点云数据准确性。（2）数据处理 读取点云测量数据文件，经处理生成轮廓线的点列数据库。（3）轮廓线识别 将经数据处理的点列识别为参数化的各个图元轮廓线。（4）模型重建 利用CAD软件的二次开发，重建车轮三维模型。2.2车轮快速设计系统流程 车轮的快速设计系统分为数据处理系统和车轮造型系统两大部分，快速设计工作流程设计如下：零件实体点云测量数据处理轮廓线识别图2.4 系统逆向设计的流程轮廓线识别模型重建设计图纸两大系统功能如下：数据处理系统DataExplor主要功能是数据预处理，得到轮辋和轮辐点云和图形数据库。车轮造型系统DataMining采用SolidWorks在VC+基础上进行二次开发，根据上一步数据处理结果，建立车轮的三维模型。2.3开发环境及语言 2.3.1VC+面向对象程序设计为了能更好的完成设计任务，车轮快速设计系统使用面向对象的程序设计方法开发。以C+为程序设计语言，完成软件的开发。C+语言是在C语言基础上开发的，对C语言进行了系统的改革和扩充，C+保持与C的兼容，不仅保留了C的优点，而且增加了面向对象的机制。C+语言最大的改进是全面支持面向对象的程序设计，使编程效率更高，对于问题更容易描述，程序更容易理解与维护。面向对象的程序设计方法14-15就是运用面向对象的观点对现实中各种事物进行抽象，具体的过程是由对象与类实现的。面向对象设计的基本单位是对象，我们可以把世界看成是由一个类组成的事物，可以有形，也可以无形。为了描述对象的属性，类的概念诞生，对象的属性有两大成员，属性和方法。类的实质是包含函数的结构体。对象与对象之间通过消息进行传递信息。这样，程序模块间相互独立、数据安全性有了保障。类具有封装、继承和派生、多态的特性。开发系统采用Microsoft Visual Studio 2008平台，该平台提供MFC(Microsoft Foundation Classes)支持，MFC是微软公司提供的类库，以C+类的形式封装了Windows的API，并且包含了应用程序框架，减少了开发应用程序工作量。 系统的界面采用了BCGControlBar框架库实现。BCGControlBar是基于MFC的扩展框架库16，提供了Microsoft Office以及一些开发环境的工具，菜单，键盘控制和可停靠工作区，增加界面的友好性和程序的可用性。2.3.2 SolidWorks二次开发SolidWorks是世界上第一个基于Windows系统开发的CAD/CAM/CAE/PDM桌面集成系统，功能丰富、操作简单，全面采用非全约束的特征建模技术，设计过程全相关性。SolidWorks的二次开发技术17-19：为方便二次开发，SolidWorks公司为用户提供了完整免费的开发工具API（Application Programming Interface应用编程接口），此接口涵盖大量功能函数，程序员可以通过Visual Basic，C/C+，VBA等开发工具调用直接访问SolidWorks的对象。SolidWorks提供的API接口分为两种：一是，OLE （Object Linking and Embedding，对象连接与嵌入） ；另一个是， COM（Component Object Model，组件对象模型）。OLE接口只能采用外挂的工作方式，需要应用程序和SolidWorks之间进行前后台切换，降低了设计效率，而COM接口支持动态库DLL（Dynamic Link Library）。使用VC+开发的动态库DLL可以直接嵌入到SolidWorks内部，直接加载出现在SolidWorks主菜单上极大地提高了设计效率。SolidWorks API对象主结构图如图2.5所示。EnvironmentFrameAttributeDefModelerSWPropertySheetModelDoc2SldWorks图2.5 SolidWorks API对象主结构图3点云测量方案设计3.1 测量方法测量方法主要有非接触式测量、接触式测量。非接触式测量速度快，精度高。但是对被测表面的倾角、漫反射率和粗糙度敏感过大，对突变结构容易产生数据丢失。接触式测量根据受力变形原理检测出接触点的三维坐标，对被测物体的色泽和材质没有特殊要求，物体边界和特征点的测量精度比较精确。由于钢制车轮为硬质零件，不要求色泽和材质，只对位置、尺寸有要求，因此采用接触式测量。3.2车轮的测量方案设计 3.2.1轮辋测量方案由于轮辋的厚度均匀，加工工艺一般是辊压成型，故只须测量其一侧轮廓线。由于车轮零件成品中，轮辋与轮辐是通过焊接连到一起，其内轮廓线测量较为困难，故测量轮辋的外轮廓线。测量数据要求沿母线方向获取点云，以包含母线的全部特征。针对如上要求，相应的测量方案如下：（1）测量平台上将车轮轮辋竖直放置，如图3.1所示，使车轮回转轴与三坐标测量仪某个自由度大致重合。（2）测头横穿轮辋母线测量点云数据，其过程需要涉及各个特征。（3）在所测量曲线两侧的不同位置再次分别测量一条曲线，获取点云数据。图3.1测量轮辋数据3.2.2轮辐测量方案轮辐零件的结构比较复杂，加工中有旋压工艺，而且轮辐回转体截面厚度是不同的，所以内外两侧轮廓线都需要测量，用来计算轮辐回转体的厚度。由于轮辐中心孔的中心轴与轮辐的中心轴重合，风孔和螺栓孔均以轮辐中心轴为阵列轴，由此可以单独测出中心孔、风孔和螺栓孔的点云数据，经过实体拉伸切除，生成轮辐三维模型。因此轮辐测量方案为：（1）外轮廓线测量 将车轮水平置于测量平台且外轮廓朝上，如图3.2所示，由中心孔的边缘部分开始到轮辐与轮辋连接部分结束，测量轮辐外轮廓线。（2）内轮廓线测量 将车轮反转，使车轮内轮辐轮廓朝上，由中心孔边缘部分开始到轮辐与轮辋连接部分结束，测量轮辐内轮廓线。（3）中心孔测量 均匀采集中心孔数据点。（4）螺栓孔测量 均匀采集螺栓孔数据点，可以求解出螺栓孔尺寸阵列半径。 （5）风孔测量 沿轮辐回转体内侧轮廓边缘测量风孔的轮廓线。图3.2测量轮辐数据4数据处理系统实现4.1 DataExplor系统的开发 数据处理系统DataExplor完成数据预处理和图元识别任务，建立轮辋和轮辐点云和图形数据库。DataExplor主要功能分为数据文件浏览和读取、识别参数设置、点云和图形数据库清空等。4.1.1 DataExplor的界面设计图4.1 DataExplor软件界面DataExplor软件界面采用BCGControlBar 12提供的MS Office 2007 Blue样式，如图4.1所示。BCGControlBar扩展框架集提供了丰富的界面设计模板，用户可以根据自己喜欢的风格界面设计软件。软件界面上的浏览、读取按钮可以实现点云数据的读入；而软件界面的主体部分用来显示读入的数据文件内容；参数设计按钮，用来设置图元识别的精确度；数据计算按钮，实现了数据的提取、计算和图元识别；数据库清空按钮，实现将上一次写入数据库的数据清空；关闭按钮，用来关闭软件。工作状态区，显示当前的工作状态。4.1.2 DataExplor的特征选择车轮参数测量共有六个部分，分别为：轮辋截面线、轮辐外侧截面线、轮辐中心孔、轮辐螺栓孔、轮辐风孔和轮辐内侧截面线。其中，轮辋三条曲线测量数据放在一个文件中，轮辐以及其上特征测量数据存储在在另一个文件中。如此分类存放，不仅使轮辋和轮辐可以单独进行设计计算，而且轮辐上的特征数据放在同一文件中，其尺寸位置关系在相同坐标系下相互关联，保证了设计的准确性。车轮各特征的测量方案各不相同，相应的数据处理方法也是不同。轮辋数据处理任务是得到轮辋回转轴线和回转母线；中心孔数据处理任务是得到中心孔直径；轮辐内外轮廓线数据处理任务是得到内外回转母线；螺栓孔数据处理任务是得到距中心轴布径和螺栓孔半径；风孔数据处理任务是得到风孔半径、高度、布径和方向。点云数据的存储格式为DMIS格式数据文件，DataExplor实现对DMIS格式文件数据转换提取，将点云数据按照测量特征分类，在软件界面主体将数据按照分节和范围分类。分节是三坐标测量仪的编程控制语句，范围则是某一特征的点云数据。这样分类不仅使数据清晰明了，增加了界面的简介性和友好性，便于用户进一步操作。如图4.2所示：图4.2数据类型选择4.1.3 DataExplor的参数设置选择点云测量数据特征之后，需要添加识别参数以便对轮廓线进行图元识别。图元识别参数设置对话框如图4.3所示：图4.3 设置图元识别参数图元识别参数可以依精度要求自由设置，其参数包括：（1）直线度误差 直线拟合时的最大误差。（2）共线误差 区分两相邻图元均为直线的最大误差。（3）同心圆误差 区分两相邻图元均为圆弧的最大误差。（4）圆度误差 圆弧拟合时的最大误差。（5）最小圆心角 拟合圆弧时图元的最小弧度。直线度和圆度误差作用是在拟合直线和圆弧单独图元时进行的误差分析。共线误差作用是矫正两相邻直线图元共线与否。同心圆误差目的是防止一个圆弧被识别成两个圆心差别不大连续的圆弧图元。最小圆心角作用是为了避免圆弧识别精度过高而导致识别圆弧直径过大，以至于将直线错误的识别为圆弧。4.2软件实现算法 由于车轮是回转体零件，如果求解出零件的回转面，那么回转体零件就相应的得出。想要求解回转面必须需要知道的参数是：母线和回转轴。回转面求解方法主要有两种：（1）依据选定数学模型近似的拟合成一般自由曲面，如放样曲面20、Bezier曲面21 、扫成面22或B样条曲面23-24等；（2）求解出回转面的回转母线和回转轴，即基于特征重构。根据车轮快速设计实际情况分析，若使用第一种方法会使车轮零件曲面特征信息失去，第二种方法则可以较好的求解出其特征而不丢失特征，因此采用基于特征重构来求解。4.2.1约束随机方向法优化数据优化方法众多，其适用范围各不相同。本系统采用约束随机方向法进行数据优化求解。约束随机方向法原理简单、求解直接，它对目标函数性态没有特殊要求。由于可行搜索方向是随机方向中使目标函数数值下降最快的方向，并且搜索步长能够灵活变动，故搜索效率较高，若有一个良好的初值，那将很快得到最优值。由此将优化函数的初始点选择为经过回转轴轴线方向的坐标原点，由于其初始点距离最优点很多，利用约束随机方向法就可以有效的减少迭代次数，提高了算法的效率。4.2.2回转轴及回转母线提取算法车轮回转轴提取原理，是根据圆柱体在其端平面上的投影是圆的特性得出的25。具体来说就是：将回转面当做一圆柱面，其上所有数据测量点到该圆柱面距离和是最少的，也就是说，回转面的回转轴与该圆柱面的中心轴是重合的。让回转面上的数据点全部在端平面上投影，经过拟合计算，求解出圆柱面在端平面上的投影圆。如此一来，圆柱面中心轴经过投影圆圆心，投影圆半径就是所要求的圆柱面半径，端平面的法矢即为中心轴方向。得到回转轴的参数后回转母线的参数就能够较容易得获得。综上所述，回转轴的成功提取是求解回转面的关键。想要计算得出回转轴，那首先需要将回转轴矢量求出。其具体方法为：（1）从三条测量线上提取三个点数据作为一组，求其三点确定平面的法向量，即回转轴矢量。（2）根据法向量求解出变换到沿X坐标轴方向的坐标变换矩阵，将其余测量点按该变换矩阵变换坐标。（3）将点云数据投影到XOY平面，利用最小二乘法拟合圆，得到回转轴矢量经过的圆心坐标、半径以及拟合误差。（4）利用随机方向法优化优化回转轴矢量和经过点坐标。回转面回转轴的提取算法具体过程如下：（1）设回转轴矢量为,经过的点为,（2）单位矢量化：；（3）任意一点到中心轴的距离为：；则相对位移为：；（4）令； 则； （5）求解优化函数。接下来回转母线数据提取流程如图4.4所示：点云数据回转轴回转母线图4.4 回转母线数据提取方法经回转面求解方法，车轮各部分回转母线的数据点云如图4.5-4.7所示：图4.5 轮辐外轮廓回转母线数据点云图4.6 轮辐内轮廓回转母线数据点云图4.7 轮辋回转面母线数据点云4.3轮廓线识别4.3.1轮廓线几何图元类型和识别方法车轮零件的轮廓线组成图元均为直线和圆弧，所以，轮廓线识别主要任务是拟合直线和圆弧图元。直线和圆弧的数学模型和各图元之间的各种约束形式比较简单，结构约束特征为垂直、对称、相切、平行等，几何约束包也极为简单，比如说半径、长度和坐标等。其拟合方法均为最小二乘法，目标函数则为代数距离和最小。识别轮廓线方法主要有：基于遗传算法的平面轮廓的分割和类型识别26；截面特征曲线的特征识别和全局约束优化研究27；基于曲率差分图的平面轮廓识别与分段28；对直线和圆弧组成的平面曲线的约束重构方法的研究29。轮廓线识别过程概括说分为数据获取、特征分割和分段数据的整体约束逼近三个阶段。具体说轮廓线识别是根据提取出来的母线数据，依照图元识别参数，寻找各母线拐点，将坐标点分段，每一段均为单独的直线段或圆弧段特征特征，然后根据相切、相交等结构约束建立轮廓线几何模型，最终利用优化算法优化轮廓线，建立一个最优的几何模型。4.3.2轮廓线识别流程轮廓线数据拐点优化拐点识别所有几何图元计算几何约束图4.8 轮廓线识别流程轮廓线识别步骤如图4.8所示，（1）计算出轮廓线拐点。将轮廓线的几何图元分割，完成特征分割阶段任务。（2）优化拐点。将所求拐点左右各浮动十个数据点，依次以该点为拐点，计算拟合误差，将拟合误差最小点作为最优拐点。（2）根据找到的最佳图元分割点，识别每段几何图元。相邻段几何图元单独拟合，相互独立，求解出各段几何图元参数。（3）求解相邻两段几何图元间几何约束。4.3.3基于图元Agent识别轮廓线基于图元Agent的轮廓线识别原理是，轮廓线上每m个数据点组成一个图元Agent，如此轮廓线点列就被划分为n段连续图元Agent，然后计算求解使图元Agent生长，一增一减，结果使得一部分图元Agent的数据点增加，另部分慢慢减少至消失，经过多次从左到右和从右到左的图元Agent生长，最终完成识别轮廓线。轮廓线的拐点则是图元Agent的交点。生长过程如图4.9所示123456789101112a)789101112561b)78910111251c)710111251d)71051e)图4.9 图元由左至右生长轮廓线各段特征曲线之间约束以连续性约束为主，圆弧和直线约束主要是满足G1连续的相切约束 30-31，圆弧和直线约束类型主要如图4.10-4.12所示：相切图4.10 圆弧与圆弧约束类型c垂直a平行b相交图4.11 直线与直线约束类型 相切图4.12 直线与圆弧约束类型图元Agent圆弧段的方程为：图元Agent直线段的方程为：车轮轮廓线特征段中，相邻两个几何图元间的约束关系有以下几类：（1）圆弧与圆弧。相邻几何图元类型为圆弧和圆弧，为外切关系，参数优化方法为两圆弧圆心距离为两圆弧半径之和。（2）直线与直线。相邻几何图元类型为直线和直线，为相交关系，参数优化方法为求两直线方程的交点。（3）直线与圆弧。相邻几何图元类型为直线和圆弧，为相切关系，参数优化方法为圆弧圆心与直线距离为圆弧半径。4.3.4轮廓线识别应用实例下面以轮辋轮廓线识别数据处理过程为例，演示车轮快速设计系统工作流程。点云数据以x轴为回转轴，在xoy平面上的轮廓线特征数据在未计算几何约束时所识别的几何图元类型及参数坐标如下所示：（1）启动DataExplor软件，点击浏览、读取数据，设置图元识别参数，选择数据类型为轮辋截面线，并点击数值计算，如图4.13-4.14所示：图 4.13 设置图元识别参数图 4.14 数据处理系统操作过程（2）打开数据库文件reverse.mdb，提取各段轮廓线的几何图元类型和参数坐标，Agent：0为直线，1为圆弧，如图4.15所示：图 4.15 轮廓线识别数据结果轮廓线识别计算后，各段轮廓线之间的几何图元保持了良好的连续性，例如直线类图元1的结束点(2.33939138147742,293.98696426174)与圆弧类图元2的起始点(2.33939138147742,293.98696426174)完全重合。可以得出结论，本系统所采用的算法计算出的轮廓线，其连续性比较可靠，能够很好的表现出零件特征。4.4求风孔所在平面风孔点云数据的测量是沿轮辐内侧边缘处的圆周，故采用最小二乘法求解风孔所在平面。算法如下：定义风孔所在平面为：,() 记 对于一系列的n个点：用最小二乘法拟合计算上述平面方程，则使最小。要使得S最小，应满足：即：有，或，解上述线性方程组，得：即：假设原坐标系原点为O，风孔轮廓点云数据所在最小二乘平面的中心为O1，O1在底平面上的投影为A，则可以得出：风孔的高度O1A，布径OA，方向为原坐标系坐标轴与最小二乘面的角度。如图4.16所示：OzyxP风孔轮廓O 1Auv图 4.16 局部坐标系的建立-风孔的起始角度 -风孔平面与z轴的方向 OA-布径 O1A-高度5车轮造型系统车轮造型系统DataMining是在VC+环境中对SolidWorks的二次开发。车轮快速设计工具箱功能包括轮辋设计、轮辐设计、中心孔设计、螺栓孔设计和风孔设计五个部分，分别对车轮的各个部分进行设计，完成车轮的三维建模。5.1 DataMining软件简介 5.1.1建立工程安装后，在中便可以建立二次开发项目。2010提供的项目模板有两种， 和 。由于后者兼容MFC，故我们使用后者建立项目，如图5.1所示：图5.1 Visual Studio 2008.NET建立SolidWorks二次开发项目5.1.2菜单设计动态库应用程序开发时，每次加载动态库的时候，应使用函数(LPDISPATCH , VARIANT_BOOL )，而在卸载时候应调用函数(VARIANT_BOOL )。因此，需要在函数中添加函数来实现的开发，在中添加函数释放指针或空间。子菜单图5.2 车轮快速设计菜单在SolidWorks里通过车轮快速设计工具箱，如图5.2所示，对车轮的轮辋，轮辐等各部分特征分别进行设计。最终将车轮各个特征组装起来，生成车轮三维模型。5.1.3车轮快速设计工具箱简介车轮快速设计工具箱功能主要是提取车轮各部分的特征参数，并将其特征应用到零件图中。工具箱不仅能够与数据处理系统结合使用设计零件，还可以输入相应的特征参数单独使用，进行零件的快速设计。车轮快速设计工具箱功能简介如下：（1）点云，生成根据数据处理点云数据后拟合出的轮廓线的点列；（2）线条，生成经轮廓线参数化识别后的轮廓图元；（3）提取，提取对应的特征尺寸、位置关系等参数；（4）应用，添加各部分特征到车轮零件，完成车轮模型的生成任务。车轮快速设计工具箱如图5.3所示：图5.3 车轮快速设计工具箱5.2车轮特征的生成 5.2.1轮辋的生成轮辋的设计是将数据处理系统处理后的数据，提取到SolidWorks中生成参数化的轮辋轮廓草图，如图5.4所示。图5.4 轮辋轮廓线由于回转面算法求解出了轮辋回转轴和母线这两个必要的参数，故假若已知轮辋厚度，便可得到轮辋零件。一般轮辋板材厚度为7mm，那么可以根据其板厚直接生成轮辋零件，如图5.5所示。图5.5 轮辋三维模型5.2.2轮辐回转体的生成图5.6 轮辐的回转轮廓轮辐内外轮廓线在SolidWorks中经过修改形成封闭的回转体轮廓线特征草图，如图5.6所示，然后旋转拉伸生成回转体零件模型，如图5.7所示。图5.7 轮辐的回转体模型5.2.3中心孔的生成为中心孔特征添加到轮辐回转体特征上，在SolidWorks API 中应调用圆的操作函数为，其中XC、YC、ZC为圆心坐标，Radius为半径。中心孔参数尺寸如图5.8所示：图5.8 轮辐中心孔参数将中心孔参数应用到轮辐上，在轮辐相应平面上绘制中心圆，执行切除拉伸，完成中心孔生成，如图5.9所示。图5.9 轮辐中心孔生成5.2.4螺栓孔的生成螺栓孔特征均匀圆周阵列在中心孔外，主要参数包括布径、数量和半径。其中螺栓孔的数量和起始角度需要手动输入。由于风孔与螺栓孔数量是一样的，且分布交错排列，故要加入起始角度这一参数，起始角度为第一个螺栓孔圆与x坐标轴的夹角。螺栓孔尺寸参数如图5.10所示。图5.10 轮辐螺栓孔工具条将螺栓孔应用在轮辐上，然后圆周阵列出相应数量和尺寸的螺栓孔，再经切除拉伸完成螺栓孔特征的生成，如图5.11所示。图5.11 轮辐螺栓孔生成5.2.5风孔的生成风孔的位置在轮辐旋压部分，求解风孔参数需要要确立风孔所在平面，因此建立了风孔的局部坐标系。如此一来，将每个风孔都单独作为一个特征进行轮廓拟合，提高了拟合的精度。风孔参数图5.12所示。图5.12 轮辐风孔工具条轮辐回转体特征上在应用风孔参数后，生成了相应数量的风孔草图，对每个风孔草图进行切除拉伸，完成风孔的生成，如图5.13所示。图5.13 轮辐风孔生成6 结 论本文通过分析逆向工程在国内外的发展现状，以及测量技术和曲面重构方面的成果，结合当前课题，逆向工程中曲线及曲面的参数化设计，以车轮快速设计为实例，综合实际运用中存在的主要问题，提出了一整套的解决方法。将车轮快速设计系统分为两大部分：数据处理系统和车轮造型系统。与通用软件相比，本系统具有成本低廉，灵活方便，效率高效，数据处理可靠等特点。6.1系统的主要工作点（1）车轮零件测量方案设计。车轮零件点云数据十分的庞大，为此，需要设计一个比较简单高效的测量方法，在保证数据的准确性条件下，应尽量减少数据采集量，而且要保证测量数据的可靠性。采用三坐标测量仪对零件进行测量，分别针对轮辋和轮辐单独设计了测量方案。（2）图元特征识别。通过读取点云文件，提取有效数据，再进行数据处理，将点云数据转化成相应的轮廓线点列。数据处理系统DataExplor，完成了生成轮辋和轮辐的点云和图形数据库，基于图元识别轮廓线点列等任务。（3）软件的二次开发。基于的二次开发的DataMining，根据数据处理的结果，导入图元识别数据，从而建立三维模型。最终将轮辋零件和轮辐零件在SolidWorks里进行装配结果如下。图6.1 车轮整体装配体6.2课题存在的不足本课题虽然能够将车轮零件的三维模型建立，但其精度和点云数据拟合效果，与预期的相差太远，还需做大量的努力再进一步完善工作。不足之处主要有：（1）车轮种类研究太少。车轮零件五花八门，零件特征复杂性很高，本课题只是对基本构成特征进行了分析设计，其他的部位特征分析研究的比较少，需要对多种类型的车轮大量研究，进一步完善系统功能。（2）对于课题逆向工程中曲线及曲面的参数化设计，本文在曲线识别方面做了大量工作，曲面试别部分涉及甚少，仅为回转面求解，需要进一步查找资料，完善算法。参 考 文 献1 李志新,黄曼慧,成思源. 逆向工程技术及其应用. 现代制造工程, 2007(2):58-60.2 金涛,童水光. 逆向工程技术. 北京:机械工业出版社,2003.3 孙进,李耀明. 逆向工程的关键技术及其研究.航空精密制造技术,2007(1):5-7.4 柯映林. 反求工程CAD建模理论、方法和系统. 北京:机械工业出版社,2005.5 柯映林, 刘云峰, 范树迁, 等. 基于特征的反求工程系统RE-SOFT. 计算机辅助设计与图形学学报, 2004, 16(6): 799-811.报, 2001, 13(6):570-575.6崔焕勇, 高琦, 李兆前. 面向多任务协同反求工程系统的工程控制. 现代制造工程, 2006(1):14-16.7 柯映林, 肖尧先, 李江雄. 反求工程CAD建模技术研究. 计算机辅助设计与图形学学10 刘之生. 反求工程技术. 北京:机械工业出版社,1996.8 崔焕勇, 高琦, 姜兆亮, 等. 协同集成反求工程系统关键技术研究. 组合机床与自动化加工技术, 2006(1):1-3,9.9 王玉增, 盖旭升, 高常青, 等. 轮辋逆向工程中设计参数的拟合算法. 机械强度, 2008(02):255-258.10 崔焕勇. 复杂形状实体反求工程关键技术研究 博士学位论文 . 济南:山东大学, 2006.11 方新，费仁元. 实物逆向工程的关键技术. 现代制造工程，2002(12):18-21.12 成思源，张湘伟，张洪，等. 基于视觉的三维数字化测量技术与系统. 机床与液压，2006 (5):125-127.13 Jin Tao, Kuang Jiyong. A 3-D point sets registration method in reverse engineering. Computers & Industrial Engineering, 2007 (53):270276.14 张荣梅，梁晓林. Visual C+实用教程. 北京: 冶金工业出版社, 2004.15 马石安，魏文平. Visual C+程序设计与应用教程. 北京: 清华大学出版社, 2007.16 BCGControlBar Library Professional Edition. 2008-5-5.17 赵付清，余冬梅，杨亚红. SolidWorks 接口开发技术的实现. 甘肃科学学报, 2003, 15(4):116-121.18 王庆明，赵付清，宋玉梅. SolidWorks与MFC的接口开发技术及其应用. 机械设计与制造，2004(2):24-26.19 刘丽娟，任建平. SolidWorks 二次开发的应用. 机械管理开发, 2005, (1):74-75.20 Park H, Kim K. Smooth surface approximation to serial cross-sections. Computer Aided Design,1996,28(12):995-1005.21 Menq C, Chen F L. Curve and surface approximation from CMM measurement data. Computer and Engineering, 1996, 30(2):211-225.22 Ueng W D, Lai J Y. Sweep-surface reconstruction from three-dimensional measured data. Computer Aided Design, 1998,30(10):791-805.23 Sarker B, Menq C H. Smooth-surface approximation and reverse engineering. Computer Aided Design, 1991,23(9):623-628.24 Ma W, Kruth J P. Parameterization of randomly measured points for least squares fitting of B-spline curve curves and surface. Computer Aided Design, 1995,27(9):663-675.25 盖旭升. 逆向工程中基于图元Agent的参数化设计 硕士学位论文 . 济南:山东大学, 2009.26 吴敏. 基于约束和特征的结构类零件实体模型重建关键技术研究 博士学位论文 . 南京:南京航空航天大学, 2004.27 刘云峰. 基于截面特征的反求工程CAD建模关键技术研究 博士学位论文 . 杭州: 浙江大学, 2004.28 吴维勇，王英惠，周晏. 平面轮廓识别与分段技术的研究与快速实现. 工程图学学报