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機械專(zhuān)業(yè)畢業(yè)設計開(kāi)題報告
題目：逆向工程在鼠標設計與制造中的應用
一、本課題研究的背景及意義
1、背景(課題涉及到的技術(shù)國內外研究現狀)
逆向工程也稱(chēng)反求工程或反向工程，是根據已存在的產(chǎn)品或零件原型構造產(chǎn)品或零件的工程設計模型，并在此基礎上對已有的產(chǎn)品進(jìn)行剖析、理解和改進(jìn)，是對已有設計的再設計。
從廣義講，逆向工程可分以下三類(lèi):
(1)實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過(guò)測繪和分折，從而再創(chuàng )造;其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質(zhì)等多方面的逆向。實(shí)物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。
(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設計書(shū)、使用說(shuō)明書(shū)、圖紙、有關(guān)規范和標準、管理規范和質(zhì)量保證手冊等均稱(chēng)為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類(lèi):既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件;只有實(shí)物而無(wú)技術(shù)軟件;沒(méi)有實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。
(3)影像逆向：設計者既無(wú)產(chǎn)品實(shí)物，也無(wú)技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀(guān)后的印象等，設計者要通過(guò)這些影像資料去構思、設計產(chǎn)品，該種逆向稱(chēng)為影像逆向。
目前，國內外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱(chēng)為實(shí)物逆向工程。
逆向工程的數據測量技術(shù)是通過(guò)特定的測量設備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標數據，將產(chǎn)品的幾何形狀數字化。
現有的數據采集方法主要分為兩大類(lèi):
(1)接觸式數據采集方法接觸式數據采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數據采集和連續式掃描數據采集、磁場(chǎng)法、超聲波法。
(2)非接觸式數據采集方法非接觸式數據采集方法主要運用光學(xué)原理進(jìn)行數據的采集，主要包括:激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。
逆向工程的數據處理技術(shù)是逆向工程的一項重要的技術(shù)環(huán)節，它決定了后續CAD模型重建過(guò)程能否方便、準確地進(jìn)行。根據測量點(diǎn)的數量，測量數據可以分為一般數據點(diǎn)和海量數據點(diǎn);根據測量數據的規整性，測量數據又可以分為散亂數據點(diǎn)和規矩數據點(diǎn);不同的測量系統所得到的測量數據的'格式是不一致的，且幾乎所有的測量方式和測量系統都不可避免地存在誤差。因此，在利用測量數據進(jìn)行CAD重建前必須對測量數據進(jìn)行處理。數據處理工作主要包括:數據格式的轉化、多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過(guò)濾、數據精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊等。
逆向模型重建技術(shù)在整個(gè)逆向工程中，產(chǎn)品的三位幾何模型CAD重建是最關(guān)鍵、最復雜的環(huán)節。
目前使用的造型方法主要有：
(1)曲線(xiàn)擬合造型:用一個(gè)多項式的函數通過(guò)插值去逼近原始的數據，最終得到足夠光滑的曲面。
(2)曲面片直接擬合造型該方法直接對測量數據點(diǎn)進(jìn)行曲面片擬合，獲得曲面片經(jīng)過(guò)過(guò)渡、混合、連接形成最終的曲面模型。
(3)點(diǎn)數據網(wǎng)格化網(wǎng)絡(luò )化實(shí)體模型通常是將數據點(diǎn)連接成三角面片，形成多面體實(shí)體模型。
2、意義
隨著(zhù)計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已成為產(chǎn)品設計人員進(jìn)行研究開(kāi)發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術(shù)已被制造業(yè)廣泛應用于產(chǎn)品及模具設計、方案評審、自動(dòng)化加工制造及管理維護各個(gè)方面。在實(shí)際開(kāi)發(fā)制造過(guò)程中，設計人員接收的技術(shù)資料可能是各種數據類(lèi)型的三維模型，但很多時(shí)候，卻是從上游廠(chǎng)家得到產(chǎn)品的實(shí)物模型。設計人員需要通過(guò)一定的途徑，將這些實(shí)物信息轉化為CAD模型，這就應用到了逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering)。
逆向工程技術(shù)與傳統的正向設計存在很大差別。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進(jìn)而獲取產(chǎn)品的三維數字模型，使得能夠進(jìn)一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進(jìn)技術(shù)對其進(jìn)行處理。不同之處在于設計的起點(diǎn)不同，相應的設計自由度和設計要求也不相同。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個(gè)方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應用中，主要包括以下幾個(gè)內容：
(1)新零件的設計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設計。
(2)已有零件的復制，再現原產(chǎn)品的設計意圖。
(3)損壞或磨損零件的還原。
(4)數字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行模型的比較。
逆向工程技術(shù)為快速設計和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡(jiǎn)潔途徑之一。
二、本課題的文獻綜述
1、逆向工程
1980年始歐美國家許多學(xué)校及工業(yè)界開(kāi)始注意逆向工程這塊領(lǐng)域。1990年初期包括臺灣在內，各國學(xué)術(shù)界團隊大量投入逆向工程的研究并發(fā)表成果。 逆向工程的硬件最早是運用仿制加工設備，制作出來(lái)的成品品質(zhì)粗糙。后來(lái)有接觸式掃瞄設備，運用探針接觸工件取得產(chǎn)品外型。再來(lái)進(jìn)一步開(kāi)發(fā)非接觸式設備，運用照相或激光技術(shù)，計算光線(xiàn)反射回來(lái)的時(shí)間取得距離。
逆向工程軟件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向軟件的演進(jìn)約略可區分為三個(gè)階段。十一年前在逆向工程上，只能運用CATIA等CAD/CAM高階曲面系統。市場(chǎng)后來(lái)發(fā)展出兩套主流產(chǎn)品約在七、八年前技術(shù)成熟，廣為業(yè)界引用。到最近四年來(lái)，發(fā)展出不同以往的逆向工程數學(xué)邏輯運算，速度快。
目前，逆向工程，逆向工程的應用已從單純的技巧性手工操作，發(fā)展到采用先進(jìn)的計算機及測量設備，進(jìn)行設計、分析、制造等活動(dòng)，如獲取修模后的模具形狀、分析實(shí)物模型、基于現有產(chǎn)品的創(chuàng )新設計、快速仿形制造等。軟件的逆向工程是分析程序，力圖在比源代碼更高抽象層次上建立程序的表示過(guò)程，逆向工程是設計的恢復過(guò)程。逆向工程工具可以從已存在的程序中抽取數據結構、體系結構和程序設計信息。
2、三維造型：
三維造型: CAD的三維造型有三種層次的建立方法，即線(xiàn)框、曲面和實(shí)體，也就是分別對應于用一維的線(xiàn)，二維的面和三維的體來(lái)構造形體。 通過(guò)計算機輔助設計建立的立體的、有光的、有色的生動(dòng)畫(huà)面，虛擬逼真地表達大腦中的產(chǎn)品設計效果，比傳統的二維設計更符合人的思維習慣與視覺(jué)習慣。三維造型技術(shù)從最初的三維CAD已發(fā)展到目前專(zhuān)用的基于特征造型的三維軟件，常用軟件有UG、SolidWorks、SolidEdge、MDT、Pro/E、3DS max等。
3、快速成型：
快速成型(RP)技術(shù)是九十年代發(fā)展起來(lái)的一項先進(jìn)制造技術(shù)，是為制造業(yè)企業(yè)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)服務(wù)的一項關(guān)鍵共性技術(shù)， 對促進(jìn)企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng )新、縮短新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期、提高產(chǎn)品競爭力有積極的推動(dòng)作用。自該技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，已經(jīng)在發(fā)達國家的制造業(yè)中得到了廣泛應用，并由此產(chǎn)生一個(gè)新興的技術(shù)領(lǐng)域。
RP技術(shù)是在現代CAD/CAM技術(shù)、激光技術(shù)、計算機數控技術(shù)、精密伺服驅動(dòng)技術(shù)以及新材料技術(shù)的基礎上集成發(fā)展起來(lái)的。不同種類(lèi)的快速成型系統因所用成形材料不同，成形原理和系統特點(diǎn)也各有不同。但是，其基本原理都是一樣的，那就是"分層制造，逐層疊加"， 類(lèi)似于數學(xué)上的積分過(guò)程。形象地講，快速成形系統就像是一臺"立體打印機"。
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三、課題研究的方法及內容
本課題是逆向工程在鼠標設計與制造中的應用，本設計選用UG軟件根據鼠標的點(diǎn)云數據進(jìn)行鼠標的模型重建并用FDM對其進(jìn)行快速成型加工的過(guò)程，在根據點(diǎn)云逆向設計中，結合設計需要進(jìn)行了必要的正向設計修正，以得到理想的設計結果。
設計內容貫徹數據采集、數據項預處理、文件讀取、邊界提取、曲面重構、實(shí)體生成、STL模型重構、快速成型機的操作和注意事項，并對建模過(guò)程及STL文件處理做了系統的論述。選用UG NX4.0軟件的Unigraphics CAD/CAM/CAE系統提供了一個(gè)基于過(guò)程的產(chǎn)品設計環(huán)境，使產(chǎn)品開(kāi)發(fā)從設計到加工真正實(shí)現了數據的無(wú)縫集成，從而優(yōu)化了企業(yè)的產(chǎn)品設計與制造。由INSIGHT軟件進(jìn)行的數據切片處理可直接傳送快速成型機，無(wú)需進(jìn)行其他處理。
四、研究方案的具體設計
1、實(shí)體三維數據的獲得——掃描;
2、點(diǎn)云處理;
3、曲面重構;
4、實(shí)體建模：
(1)模型分析
(2)曲面造型
(3)實(shí)體外形修改
(4)各部件建模
(5)部件的裝配與干涉檢驗
5、基于INSIGHT快速成型切片的數據處理;
6、快速成型加工操作。
五、畢業(yè)設計(論文)進(jìn)度計劃
1-2周 調研、查閱文獻，完成開(kāi)題報告
3-7周 進(jìn)行鼠標模型點(diǎn)數據的采集和模型的初步構建
8周 中期檢查與整改
9-13周 在初步構建的鼠標模型的基礎上進(jìn)行修改并完成快速成型加工，撰寫(xiě)畢業(yè)設計論文
14-15周 打印、裝訂、評閱、答辯資格審查
16周 畢業(yè)答辯
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