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SY-025-BY-3
畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告
學(xué)生姓名
王天琦
系部
汽車與交通工程學(xué)院
專業(yè)、班級(jí)
車輛工程07-4
指導(dǎo)教師姓名
臧杰
職稱
教授
從事
專業(yè)
汽車工程
是否外聘
□是□否
題目名稱
車用發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪油泵逆向設(shè)計(jì)
一、課題研究現(xiàn)狀、選題目的和意義
1.逆向工程的發(fā)展：
逆向工程 ReverseEngineering,RE 是近年在計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)控測(cè)量技術(shù)和 CAD/CAM技術(shù)發(fā)展基礎(chǔ)上產(chǎn)生的新技術(shù)。逆向工程是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有 CAD 模型的情況下,按照現(xiàn)有零件實(shí)物、利用各種數(shù)字化技術(shù)及 CAD 技術(shù)重新構(gòu)造原型CAD模型,然后將此模型用于產(chǎn)品的分析、制造和加工生產(chǎn)的技術(shù) 。反求工程大致可分為數(shù)據(jù)采集、數(shù)處理、曲面重構(gòu)建模和模型檢驗(yàn)修正等個(gè)步驟。目前,隨著科技的日新月異和市場(chǎng)全球化,世界范圍內(nèi)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)越來越激烈,要求在提高產(chǎn)品的品質(zhì)和性能的同時(shí)縮短產(chǎn)品的生產(chǎn)周期,因此,逆向工程在飛機(jī)、汽車、家電等模具相關(guān)行業(yè)越來越受到重視。本文介紹了具體的測(cè)量實(shí)例以及在 Pro/E三維設(shè)計(jì)軟件環(huán)境中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品逆向的過程。
2.逆向創(chuàng)新設(shè)計(jì)的概念：
設(shè)計(jì)是一項(xiàng)目標(biāo)明確、思維創(chuàng)新、難點(diǎn)攻關(guān)的腦力勞動(dòng)。設(shè)計(jì)與知詛l有著很強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性：知識(shí)不等同于設(shè)計(jì)，但在實(shí)踐過程中，知識(shí)在相當(dāng)大的程度上也被認(rèn)為是設(shè)計(jì)。新技術(shù)新設(shè)備的出現(xiàn)，以及產(chǎn)品市場(chǎng)的全球化，使得創(chuàng)造性得到了極致的發(fā)揮。當(dāng)今市場(chǎng)的典型特點(diǎn)是：進(jìn)入市場(chǎng)更加迅速，對(duì)個(gè)性分明的新產(chǎn)品需求更加旺盛。面對(duì)如此強(qiáng)烈的市場(chǎng)挑戰(zhàn)，涌現(xiàn)出對(duì)先進(jìn)的設(shè)計(jì)方法學(xué)的更多思考，以減少在設(shè)計(jì)過程中知識(shí)獲取的時(shí)間，從而促進(jìn)創(chuàng)新的思維發(fā)展。
商用三維CAD軟件大多基于參數(shù)化定義的特征。這些特征方便的表達(dá)了設(shè)計(jì)意圖及設(shè)計(jì)信息。設(shè)計(jì)師可以得到高層的形體定義參數(shù)，例如半徑、長(zhǎng)度、角度、厚度等，以及能指定幾何體之間的約束，如強(qiáng)制相等、平行、垂直、共線、同心等。通過改變這些直觀的參數(shù)及約束，可以在同一個(gè)模型上派生出多個(gè)配置，從而獲取一個(gè)產(chǎn)品系列。通常，采用特征樹的形式來記錄設(shè)計(jì)過程的歷史，使得設(shè)計(jì)過程可以重現(xiàn)。
然而在RE軟件中，我們生成的是曲面(通常為自由曲面)。自由曲面主要體現(xiàn)在對(duì)尺寸及約束的強(qiáng)烈弱化，而在概念設(shè)計(jì)中我們正需要自由曲面編輯的靈活性， 無需把握設(shè)計(jì)意圖或知識(shí)。盡管在自由曲面中采用了諸如權(quán)重、節(jié)點(diǎn)、控制頂劇¨41、控制曲線等底層形體參數(shù)作為調(diào)節(jié)手段，但這些參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)師而言是很不直觀的，而且也很難預(yù)估變形后的結(jié)果。過去十多年發(fā)展了很多提高變形直觀性的方法，這也在一定程度上提升了設(shè)計(jì)師通過網(wǎng)格或曲面變形來控制形體改變的能力。
產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的過程及其關(guān)鍵問題產(chǎn)品的逆向設(shè)計(jì)是指設(shè)計(jì)師對(duì)產(chǎn)品實(shí)物樣件表面進(jìn)行數(shù)字化處理（數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理），并利用可實(shí)現(xiàn)逆向三維造型設(shè)計(jì)的軟件來重新構(gòu)造實(shí)物的模型（曲面模型重構(gòu)），并進(jìn)一步用系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分析、再設(shè)計(jì)、數(shù)控編程、數(shù)控加工的
過程。
在逆向設(shè)計(jì)中數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、模型重構(gòu)是產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)逆向設(shè)計(jì)的三大關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
數(shù)據(jù)采集（樣件的表面數(shù)字化）是進(jìn)行產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的第一步。一般而言，數(shù)據(jù)采集可由接觸式與非接觸式兩種來實(shí)現(xiàn)。接觸式方法由于對(duì)物體的表面的顏色和光照沒有要求， 因此物體邊界的測(cè)量相對(duì)精確， 但對(duì)軟質(zhì)材料適應(yīng)差且速度慢；而非接觸式方式 （以激光為媒介的非接觸三維表面數(shù)據(jù)采集法在采集實(shí)物模型的表面資料時(shí)， 采集速度快， 可形成 “點(diǎn)云” 資料， 缺點(diǎn)是精度較低而且對(duì)樣件表面和光照有較高的要求。
數(shù)據(jù)處理的結(jié)果將影響模型重構(gòu)的質(zhì)量。在此階段一般應(yīng)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理、 數(shù)據(jù)分塊、 數(shù)據(jù)光順三角化、 數(shù)據(jù)優(yōu)化、 多視拼合、 噪聲濾波、 拓?fù)浣?
特征提取等工作。模型重構(gòu)方案目前主要有三種：
1. B-spline或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法；
2. 以三角 Bezi-er曲面片為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法；
3. 以多面體面片為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造法。
3.數(shù)據(jù)采集
在反求工程中,數(shù)據(jù)采集是關(guān)鍵的第一步 ,只有獲得測(cè)量數(shù)據(jù) ,才能進(jìn)行復(fù)雜曲面的反求 ,如建模、誤差分析、制造等。根據(jù)數(shù)字化設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方式可分為接觸式和非接觸式兩類。以三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)CoordinateMeasuringMachine,簡(jiǎn)稱 CMM 為代表的接觸式測(cè)量方式雖然效率不如非接觸式 ,但精度高 ,智能化程度高 ,對(duì)被測(cè)樣件的材質(zhì)、色澤、光照條件等沒有特殊要求 ,因此應(yīng)用很廣泛。
產(chǎn)品逆向設(shè)計(jì)的產(chǎn)生與應(yīng)用
在飛機(jī)、汽車、工藝美術(shù)品和模具等行業(yè)的設(shè)計(jì)和制造中，通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成，因此在概念設(shè)計(jì)階段難以用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語言來描述，這些產(chǎn)品的初始模型是通過對(duì)事先制造出的木制或泥制模型來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化產(chǎn)生的。近年來在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中逐漸走向成熟形成逆向設(shè)計(jì)法。
由于產(chǎn)品造型的逆向設(shè)計(jì)有起點(diǎn)高、成本低、周期短、易改型、易創(chuàng)新的特性，自出現(xiàn)以來便受到了現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)師的關(guān)注。目前該技術(shù)在下面幾方面得到了廣泛應(yīng)用：用于汽車、摩托車等具有較復(fù)雜曲面外型產(chǎn)品的修復(fù)與改型設(shè)計(jì)中； 用于設(shè)計(jì)與制造個(gè)性化的產(chǎn)品，如人體擬合、太空服裝設(shè)計(jì)、假肢設(shè)計(jì)等； 根據(jù)客戶樣件進(jìn)行模具設(shè)計(jì)時(shí)，該項(xiàng)技術(shù)可使自動(dòng)化程度大大提高； 在樣件缺少圖形文在快速原形件時(shí)，可用逆向設(shè)計(jì)來生成圖形文件；制造中逆向設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)原形產(chǎn)品的快速準(zhǔn)確建模并進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。
4．在PRO／E軟件中的模型重建
1) 導(dǎo)入測(cè)量數(shù)據(jù)文件
2) 根據(jù)數(shù)據(jù)文件建立輪廓曲線
3) 繪制基準(zhǔn)點(diǎn)
4) 曲線重建
5) 曲面重建
基于 Pro/ E軟件的逆向設(shè)計(jì)方法
Pro/ E是美國參數(shù)化技術(shù)公司( Parametric Tech2nology Corporation ,簡(jiǎn)稱 PTC)的軟件產(chǎn)品。Pro/ E具有全參數(shù)化和全相關(guān)的造型技術(shù)和獨(dú)立的逆向工程模塊 ,對(duì)掃描數(shù)據(jù)在人工干預(yù)的情況下 ,運(yùn)用豐富的曲線、曲面、實(shí)體造型功能和方便的編輯功能 ,可將點(diǎn)云數(shù)據(jù)擬合成光順、完美的曲面。接口上 ,Pro/ E軟件具有igs、 set、 vda 等多種輸入輸出數(shù)據(jù)文件 ,能與 UG、 I 2DEAS、 MasterCAM 和 Cimatron 等 CAD/ CAM軟件系統(tǒng)交換數(shù)據(jù) ,是理想的逆向設(shè)計(jì)軟件系統(tǒng)。在 PTC公司的產(chǎn)品中 ,用來處理測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)并進(jìn)行逆向曲面設(shè)計(jì)的模塊有: ICEM Surf、 Pro/ DE2SIGER(CDRS) 、 Pro/ SCANTOOLS以及自由曲面造型。
(1)數(shù)據(jù)獲取( Data Capturing)
數(shù)據(jù)獲取是指采用各種測(cè)量方法或測(cè)量設(shè)備測(cè)出實(shí)物表面的若干組點(diǎn)的空間三維坐標(biāo) ,形成“數(shù)據(jù)點(diǎn)云”。
(2)數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)獲取中由于各種人為及隨機(jī)因素的影響 ,數(shù)據(jù)中包含影響以后工序的無用數(shù)據(jù)。在逆向工程中 ,最簡(jiǎn)單的噪聲去除方法是人機(jī)交互 ,適合處理數(shù)據(jù)點(diǎn)較少的情況。常用的自動(dòng)處理方法有程序判斷濾波、 N 點(diǎn)平均濾波以及預(yù)測(cè)誤差遞推辨識(shí)與卡而曼濾波相結(jié)合的自適應(yīng)濾波法等。目前提出的分塊濾波技術(shù)可實(shí)現(xiàn)噪聲點(diǎn)的快速、精確過濾 ,其基本思想是提取實(shí)體表面的特征分界線和具有明顯幾何特征的幾何元素 ,依次將整個(gè)曲面分塊 ,對(duì)平滑面片數(shù)據(jù)、特征分界線、明顯特征幾何元素分別進(jìn)行噪聲判斷 ,這樣可實(shí)現(xiàn)較為準(zhǔn)確的過濾。
(3)三維建模
基于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模過程 ,實(shí)質(zhì)上就是點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程。其通用手段有數(shù)據(jù)調(diào)整、復(fù)制、區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)密度修改、數(shù)據(jù)光順、尖角保留等。建立模型的好壞取決于曲線、曲面擬合是否光順以及曲面連接是否光滑。
曲線光順應(yīng)滿足 3 個(gè)條件曲線二階幾何連續(xù);曲線沒有奇點(diǎn)和多余拐點(diǎn);曲率變化均勻。曲線光順可分為三步:尋找壞點(diǎn) ,并修改壞點(diǎn)的坐標(biāo)值;粗光順 ,使曲線上各段的曲率符號(hào)一致 ,保證曲線單凸或單凹性;精光順 ,使曲線上各段的曲率變化均勻 ,滿足光順的要求。
滿足曲面光順的條件是:構(gòu)成曲面的關(guān)鍵曲線光順;曲面的網(wǎng)格線無多余拐點(diǎn);曲面高斯曲率變化均勻。光順曲面的方法是:先光順曲面的縱向曲線然后通過型值點(diǎn)生成橫向樣條曲線并光順 ,重新生成縱向樣條曲線并光順 ,直至所有縱向、橫向樣條曲線都滿足光順準(zhǔn)則 ,最后利用光順的縱向、橫向樣條曲線構(gòu)造出光順曲面。
二、設(shè)計(jì)（論文）的基本內(nèi)容、擬解決的主要問題
1、設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容
（1）分析機(jī)油泵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，技術(shù)參數(shù)。游標(biāo)卡尺等測(cè)量并確定機(jī)油泵的基本尺寸數(shù)據(jù)；（2）在Pro/e下建立三維立體模型;（3）將Pro/E建模轉(zhuǎn)化成二維CAD圖形后在AUTOCAD環(huán)境下完成標(biāo)注輸出正式裝配圖、零件圖。（4）對(duì)機(jī)油泵泵油量,軸鍵的校核；（5）完成設(shè)計(jì)說明書。
2、技術(shù)要求（研究方法）
（1）通過文獻(xiàn)資料收集，熟悉機(jī)油泵和CAD的有關(guān)知識(shí)。
（2）編寫課題研究大綱和開題報(bào)告。
（3）設(shè)計(jì)合理可行。
（4）按進(jìn)度要求獨(dú)立完成畢業(yè)設(shè)計(jì)，服從指導(dǎo)教師安排；完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)格式規(guī)范；方案選擇合理，具有可行性、經(jīng)濟(jì)性、適用性，設(shè)計(jì)思路清晰，符合實(shí)際，圖紙正確符合制圖標(biāo)準(zhǔn),內(nèi)容完整。
主要問題：
（1）逆向設(shè)計(jì)中零件的數(shù)據(jù)測(cè)量與數(shù)據(jù)處理計(jì)算
（2）Pro\E的三維立體建模
（3）Pro\E的立體圖像CAD平面圖的轉(zhuǎn)換和繪制
（4）所設(shè)計(jì)油泵的功率，泵油量等各項(xiàng)指標(biāo)的計(jì)算
三、技術(shù)路線（研究方法）
產(chǎn)品樣件
數(shù)據(jù)測(cè)量
Pro\E建模
CAD圖紙轉(zhuǎn)換
數(shù)據(jù)的處理計(jì)算
打印圖紙，說明書
四、進(jìn)度安排
（1）調(diào)研、資料收集、完成開題報(bào)告 第4周（3月24日～3月30日）
（2）參數(shù)選擇方案確定，列文稿大綱 第5周（4月1日~4月7日）
（3）設(shè)計(jì)計(jì)算 第6,7周（４月8日~4月21日）
（4）完成設(shè)計(jì)說明書，完成圖紙繪制 第８,14周（4月22日~６月１日）
（5）交稿，預(yù)答辯 第14周（６月２日~6月８日）
（6）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）審核、修改 第15,16周（6月9日～6月22日）
（7）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）答辯準(zhǔn)備及答辯 第17周（6月23日～6月 29日）
五、參考文獻(xiàn)
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六、備注
指導(dǎo)教師意見：
簽字： 年 月 日