【逆向建模技术与产品创新设计】张学昌等

前言随着科学技术的飞速发展和经济的日益全球化，国内传统制造业市场环境发生了巨大变化。一方面表现为消费者兴趣的短时效性和消费者需求日益主体化、个性化及多元化；另一方面由于区域性、国际性市场壁垒的淡化或打破，使制造厂商不得不着眼于全球市场的激烈竞争。产品快速研发、设计创新等技术成为企业乃至一个国家赢得全球竞争的第一要素，逆向工程成为消化、吸收国外先进技术的有效手段。逆向工程是对已有的产品零件或原型进行CAD模型重建，但不是仅仅对已有产品进行简单“复制”，其内涵与外延都发生了深刻变化，成为航空、航天、汽车、船舶和模具等工业领域最重要的产品设计方法之一，是工程技术人员通过实物样件、图样等快速获取工程设计概念和设计模型的重要技术手段，是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段，是产品快速创新开发的重要途径。复制是为了改造，逆向是为了创新。创新思维及创新技法为产品的创新提供方法指导，所以将逆向工程与创新性思维融合在一起，将使学生的工程素养得以很大提升。国家十一五科学技术发展规划提出要建立创新型国家，创新型国家需要创新型人才，创新型人才离不开先进的技术及创新性知识，掌握逆向工程技术与创新思维方法是产品创新的关键。目前国内有关逆向工程技术的教材较少。现有的关于逆向工程方面的书籍具有两方面的特点：一种是以理论描述为主，实践性操作为辅；另一种是以实践性操作为主，理论描述为辅。大学本科教育培养出的工程技术人员既要有一定的理论基础，又要掌握一定的实践操作技巧，所以本书从逆向工程实际应用的要求出发，注重理论性和应用性相结合，创新性方法与逆向工程相结合，做到既有理论又有实践，通俗易懂，便于教师的教学和学生的学习，有助于教学质量的提高。在编写过程中以“理论够用、注重实践”为原则，同时尽量将复杂深奥的数学问题用比较容易理解的方式进行介绍。在产品创新设计与创新性思维培养的编写过程中，将实例与方法融为一体，使读者从有趣的实例中领会创新性思维方法的奥秘。本书由张学昌主编，张旭、高学军副主编。其中，第1～3章由张学昌编写，第4章、第6章由张旭编写，第5章由高学军编写，第7章由苏静编写。本书在编写过程中得到了宁波亿法德工业产品设计发展有限公司李涛先生的大力支持，并提供了相关的技术资料，在此向他表示感谢。由于编者阅历、水平及经验有限，加之时间紧迫，书中难免存在不足之处，敬请广大同仁和读者不吝指正。编者2009年5月目录第1章概论.......................................................11.1正向工程概述.........................................21.2逆向工程概述.........................................61.3逆向建模关键技术.................................81.3.1数据获取.....................................81.3.2曲面重构...................................101.3.3CAD模型重建..........................111.3.4逆向工程中的特征应用...........111.4产品建模CAD平台选择.....................131.4.1CAD软件选择要点..................131.4.2主要CAD软件.........................141.5产品特征与逆向软件平台...................171.5.1Imageware软件........................181.5.2GeomagicStudio软件..............221.5.3RapidForm软件........................241.6逆向工程与新产品开发.......................271.6.1逆向工程的应用.......................271.6.2逆向工程与新产品开发...........29本章小结........................................................30习题...............................................................30第2章产品建模数学理论基础................312.1曲线数学基础.......................................322.1.1样条有关的概念.......................322.1.2曲线的生成原理.......................342.1.3曲线数学知识...........................402.2曲面数学基础.......................................462.2.1曲面的生成原理.......................462.2.2曲面数学知识...........................502.3曲面工程基础.......................................532.3.1工程曲面的分类.......................532.3.2工程曲面的要求.......................532.3.3常用工程CAD术语.................562.4曲面应用领域.......................................582.4.1工业设计...................................582.4.2逆向工程...................................612.4.3模具工程...................................64本章小结........................................................72习题...............................................................72第3章逆向建模点云数据获取.................743.1接触式测量法.......................................763.1.1三坐标测量机的组成................783.1.2三坐标测量机分类....................833.1.3三坐标测量机软件分类............863.1.4三坐标测量机测量过程............893.2非接触式测量法...................................923.2.1光学三维测量技术....................923.2.2光学三维测量设备....................963.3断层数据测量方法.............................1013.3.1CT测量法...............................1013.3.2MRI测量法.............................1023.3.3超声波测量法.........................1033.3.4层析扫描法.............................1033.4三维数据测量方法的选择..................1043.5数据测量的误差分析.........................1073.6三维测量技术的应用.........................109本章小结......................................................112习题.............................................................112第4章逆向建模测量数据处理技术.....1134.1测量数据前期修补技术......................1144.1.1噪声识别与去除.....................1144.1.2数据压缩/精简........................1164.1.3数据补全.................................1204.1.4数据平滑.................................1214.2测量数据的多视配准技术..................122逆向建模技术与产品创新设计·IV··IV·4.2.1ICP匹配技术..........................1224.2.2基于统计特征的模型匹配初值获取技术.........................1234.2.3基于扩展高斯球的模型匹配初值获取技术.................1284.3测量数据可视化分析技术.................1354.3.1曲率分析.................................1354.3.2点云渲染.................................1414.3.3点云网格化.............................1424.4测量数据分割技术.............................1454.4.1散乱数据的自动分割.............1464.4.2基于点云几何属性的特征区域自动分割方法.................1504.4.3交互分割方法.........................151本章小结......................................................152习题.............................................................153第5章逆向建模曲线构建技术..............1545.1曲线拟合概念.....................................1555.2参数曲线、曲面插值与逼近.............1555.3B样条曲线插值与逼近......................1595.4样条曲线的升阶与降阶.....................1645.4.1Bézier曲线的升阶..................1645.4.2Bézier曲线的降阶..................1655.4.3B样条曲线的升阶与降阶......1665.5逆向建模曲线构建实例.....................1695.5.1建模规划分析.........................1695.5.2创建轮廓曲线.........................170本章小结......................................................180习题.............................................................180第6章逆向建模曲面构建与造型技术..........................................1816.1二次曲面约束重建及拟合.................1826.1.1二次曲面的参数化表达.........1826.1.2二次曲面的拟合构建.............1836.1.3