专利名称：一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法
技术领域：
本发明涉及一种机械产品快速设计方法。具体是一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，。
背景技术：
机械产品的创新设计是机械工业发展的不竭动力。然而对于传统的机械行业，尤其是一些中小型企业却面临着新产品研发周期长、投资费用大，很难较快适应产品更新换代的发展需要，影响了企业自主创新能力的提升。目前市场上虽有诸多机械产品开发软件，但是功能分散，不便于开发人员操作使用。而且对于开发出来的新产品资料，缺乏很完善的管理系统，不利于新产品的开发、再创新设计以及数据库管理。逆向设计技术虽然取代了人工测绘和制图过程，能够快速实现三维测量，形成数据点云和三维图形，但是就逆向技术本身而言，其功能主要在于对已有产品的三维测量，并不负责对原型产品的改型设计。所以，有必要研发一套机械产品快速设计方法，能够集机械产品的反求测量、在原型基础上的创新设计、多功能计算分析、快速成型以及多功能数据库管理于一体。可以缩短新产品的研发周期，提高产品设计的灵活性和便捷性，提升自主创新能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产品的快速设计方法，将虚拟仪器技术和逆向工程技术做了很好的结合，提高了产品设计的灵活性和便捷性。本发明主要针对机械产品及零部件产品，研发了一套集机械产品的反求测量、在原型基础上的创新设计、多功能计算分析、快速成型及多功能数据库管理于一体的快速研发系统。一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，在基于逆向工程(反求设计)的基础上做了大量的后续开发的研究工作，将分析计算软件集成在一个虚拟仪器中来操作，可通过对虚拟仪器界面的操作来打开所需要的软件，最终能够实现集反求测量、三维建模、改型设计、有限元分析、优化设计、疲劳寿命预测和快速成型等功能于一体的快速开发方法。本发明有三个典型的功能:
(1)在本发明中能够直接利用三座标测量仪实现对产品的快速反求测量，然后调用imageware、CATIA软件的相关功能,采用参数化设计方法,实现三维建模和在原型基础上的创新设计；
(2)能在虚拟仪器界面中对新设计产品进行有限元计算、强度分析、刚度计算、模态分析、优化设计以及疲劳寿命估算，所得的结果能分门别类地存入数据库；
(3)通过本发明可直接驱动成型机实现快速成型，对于大型产品可实现相似变换后的快速成型。为实现上述功能，本发明提供一种基于逆向工程的机械产品快速设计方法。本发明的技术方案:一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，在新产品设计过程中，基本的思路是先由原型产品的模型获得点云数据，利用imageware软件使获得的点云数据得到原型产品的曲面模型，再利用CATIA软件使曲面模型形成原型产品的实体模型并且利用参数化设计得到新产品的实体模型，利用ANSYS软件对新的模型进行分析计算，得到符合要求的新产品的模型，最后将模型存入数据库并且利用快速成型机快速成型。本发明由原型产品模型数据的采集部分、带有计算分析软件的数据处理分析和管理及快速成型部分组成。本发明的数据采集部分是光学测量仪器，通过扫描可实现数据的测量和获取，可以得到模型的点云数据。上述的数据处理分析和管理部分是由imageware软件、CATIA软件、ANSYS软件和数据库组成，不同的软件能对数据实现不同的功能，其目的是对产品模型进行修改、分析计算以及对比。在虚拟仪器中有各自功能的菜单，调用各自菜单可以实现对所采集的数据进行修改和计算，在虚拟仪器界面中显示并且和原型产品的数据进行比较，最后得到满足用户要求的结果，将数据送到数据库中。上述的快速成型是由快速成型机将满足要求的模型成型成模具。一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，其特征是，其具体实施步骤为:
(1)数据的采集:利用反求设备光学测量仪对原型产品实物进行光学三维扫描与测量，获取点云数据；
(2)数据处理分析和管理:利用虚拟仪器界面可以形成原产品的曲面模型、实体模型、新产品的实体模型，然后对新产品的实体模型分析计算、对比，得到用户需要的模型，满足要求的模型存入数据库。(3)加工成型。点击虚拟仪器界面中“产品快速成型”菜单，可驱动快速成型机对已完成设计的新产品进行快速加工成型。上述所说的步骤(2)中的数据的处理分析和管理有四个步骤，具体为:
a、得到原型产品的曲面模型。调用虚拟仪器界面中的“逆向工程”功能，调用软件imageware逆向设计，将步骤(I)中所得到的点云数据输入到软件中进行处理，获得原型产品实物曲面1吴型；
b、生成原型实体模型并修改得到新产品的实体模型。调用虚拟仪器界面中“新产品设计”功能，调用CATIA软件对原型产品实物曲面模型进行原型实体模型的重构，对尺寸进行修改获得新的产品实体模型；
C、对新产品进行力学分析、模态分析、疲劳分析、可靠性分析和优化设计等。调用虚拟仪器界面中“有限元分析”功能，利用ANSYS软件对新产品力学分析、模态分析、疲劳分析、可靠性分析和优化设计等；
d、新产品模型入库。将新产品实体模型存入知识库，知识库按树状结构分门别类储存各类典型产品元素，可供用户查询对比、选择或快速改型设计，用户在使用过程中可以根据需要查询库内模型的各种信息，并且在人机友好界面中显示。本发明的工作原理是:通过光学测量仪获得原型产品的点云数据，通过计算机编程将反求软件imageware软件、三维软件CATIA软件、计算分析ANSYS软件、NASTRAN软件等集成到虚拟仪器界面中，调用对应的功能可实现对模型的建立和计算，并且将所得到模型存入数据库，结果可以通过人机友好界面在计算机上显示，便于用户的对比和查询选择。
本发明能满足企业用户在较短的时间内对机械产品实现反求测量、在原型基础上的创新设计、多功能计算分析及成型，将虚拟仪器应用于设计过程中，操作简单方便，提高了灵活性，非常适合中小企业的相关技术人员使用，提高企业的自主创新能力。
图1本发明成果实施过程；
图2本发明方法流程 图3虚拟仪器操作界面。
具体实施例方式以下结合附图对本发明作进一步说明。如图1和图2所示，本发明在基于逆向工程(反求设计)的基础上做了大量的后续二次开发的研究工作，将虚拟仪器应用于设计过程中，提高了灵活性，主要针对机械产品及零部件产品，研发了一套集机械产品的反求测量、在原型基础上的创新设计、多功能计算分析及成型于一体的快速研发系统。虚拟仪器能将所有具有计算功能的软件集成到一起，通过计算机的编程能实现各种计算软件的调用，并且能显示计算的结果，最终能够实现集反求测量、三维建模、改型设计、有限元计算、优化设计、疲劳寿命预测和快速成型等功能于一体的快速开发系统，通过数据的显示、存储、分析和比较，得出自己的产品模型，具有很强的灵活性。从而改善尤其是中小型企业自主创新能力。其特征在于借助三维测量仪和快速成型机以及imageware、CATIA, ANSYS, Nastran等计算分析软件，实现了三维模型的重构和产品定制型的创新设计或在原型产品上的改型设计。在此基础上，采用了面向对象的编程技术，使用VB编程软件设计的系统界面友好，操作简单方便，非常适合中小企业的相关技术人员使用；解决了当前市场上机械产品开发功能分散的缺点，通过用虚拟仪器界面调用相关的商业用软件，实现了对一个机械产品的逆向设计、三维建模、有限元分析、疲劳分析、模态分析、优化设计和快速成型加工等功能，该平台软件即可单独运行其中的某项功能，也可实现对一个机械产品从逆向反求到最终的快速成型加工或者3D打印机成型产品的整个过程。因此本发明可以解决在较短的时间内完成机械产品的反求测量、在原型基础上的创新设计、多功能计算分析及成型的问题，提高自主创新能力。也可用于企业技术人员进行快速设计的培训。一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，在新产品设计过程中，先由利用光学扫描仪扫描原型产品获得点云数据，利用imageware软件使获得的点云数据得到原型产品的曲面模型，再利用CATIA软件使曲面模型形成原型产品的实体模型并且利用参数化设计得到新产品的实体模型，利用ANSYS软件对新的模型进行分析计算优化，得到符合要求的新产品的模型，最后将模型存入数据库并且利用快速成型机Dimension快速成型。本发明中的虚拟仪器集成了 imageware，CATIA, ANSYS等软件，通过VB编程中的shell函数实现对各软件的调用，能实现点云数据的处理，曲面模型的获取，实体模型的呈现和改型，新产品的计算分析，能将结果的图片和详细数据存入access数据库，用DAO操作数据库可以实现存储和查询，呈现在界面上便于观察，具体界面见图3。
本发明由原型产品模型数据的采集部分、带有计算分析软件的数据处理分析和管理和快速成型部分组成。本发明以驱动桥的开发为例，实施方案如下，但本发明不限于以下的实施方案。(I)原型产品数据的采集:利用反求设备ATOS三坐标光学测量仪对原型产品实物进行三维扫描与测量，获取点云数据。在数据测量过程中，对一些关键部位进行细化测量与数据采集，实现了高效的数据预处理。本发明采取了以下技术:
a.点云去噪技术
b.数据点精简技术
c.数据点云孔洞填充算法和技术
e.曲线曲面重构技术
通过以上的五种技术，实现多个子曲面拼合时整体特征的识别和曲面整体的光顺处理，保证曲面重建的精度。有效的解决了对于复杂曲面，在网格剖分中非凸边界的漏洞和缺失补偿问题。得到的驱动桥的点云数据模型。对于逆向测试所得数据与其他分析软件的接口问题，由于光学摄像反求设备所输出的模型扫描数据的文件格式不能被CAD系统所识别，在本发明中采用IGES初始图形交换标准，将反求设备输出的数据点云拟合成线，然后将线构成面，再将面构成实体，从而完成对三维实体的重构以及与其它分析软件进行数据交换的目的；
(2)生成原型产品的曲面模型。点击虚拟仪器界面中的“逆向工程”菜单，调用imageware逆向设计,将数据IGES文件输入到模块中。先对点云数据做精简处理,减少对后续处理带来的压力，对于很多产品而言，很多的细节特征没有必要，所以对细节特征做压缩处理，例如圆角、螺母、圆孔等。大致步骤如下:首先确定一些曲率变化较大或者有明显特征的点云，构造若干截面线，为尽可能地减小误差，我们所构造的截面尽量同点云的整体走向垂直；然后通过截面点云拟合直线与圆弧算法来提取特征线和边界线，一般这些曲线的拟合都采取基于公差的方式，而我们是根据零件的精度要求与加工的要求来确定公差的大小。最后可以确定原型驱动桥的曲面模型；
(3)上述所形成的只是曲面模型，而要真实的显示原型产品的形状，必须建立驱动桥实体模型。点击虚拟仪器界面中“新产品设计”菜单，调用CATIA软件对原型产品实物曲面模型进行原型实体模型的重构，用户可以根据需要对模型的参数进行修改，形成自己的新产品实体模型，实现对原有产品的参数化新型设计，达到新的设计要求；
(4)对于新设计出的产品，由于是在原型产品上的改进，所以对于是否满足使用要求还是未知数，我们要对新产品做必要的计算和分析，就会用到有限元的分析方法，这些都可以在虚拟仪器界面中操作。点击虚拟仪器界面中“有限元分析”菜单，将设计出的新驱动桥实体模型导入软件ANSYS中，进行网格划分，边界条件和载荷的加载，进行有限元分析，得出应力和应变的云 (5)我们也可以对新产品的刚度和强度进行分析。点击虚拟仪器界面中“模态分析”菜单，可调用ANSYS软件对已设计出的新产品进行模态分析；
(6)对于产品的寿命，可以根据方案(4)中的应力和应变大小，根据疲劳的理论和方法，应用ANSYS软件中的疲劳模块进行分析。点击虚拟仪器界面中“疲劳分析”菜单，调用ANSYS软件，导入模型和应力、应变的分析的结果，对新产品根据需要进行疲劳分析； (7)也可以对新产品进行可靠性的分析。点击虚拟仪器界面中“可靠性分析”菜单，可调用ANSYS软件对已设计出的新产品进行可靠性分析；
(8)对于我们的新产品的分析结果，在不影响使用的前提下，可以做结构上的改进、优化，达到节省材料的目的。点击虚拟仪器界面中“优化设计”菜单，可调用ANSYS软件对已设计出的新产品进行结构优化设计。对于优化的结果，根据实际的情况，看他是否满足设计要求，若满足设计要求，可以继续步骤(9)快速成型并将模型存入数据库；对于不满足设计的，可以执行步骤(4)重新设计；
(9)将新产品实体模型存入知识库，知识库按树状结构分门别类储存各类典型产品元素，可供用户选择或快速改型设计，用户在使用过程中可以查询模型的各种信息，并且在人机友好界面中显示；
(10)对于满足设计的新产品的模型，将导入到产品快速成型模块中利用快速成型机Dimension快速成型。点击虚拟仪器界面中“产品快速成型”菜单，可驱动快速成型机对已完成设计的新产品进行快速加工成型。本发明基于逆向工程的机械产品快速设计方法的具体实施步骤可以参照如上所述。以上所述的实施例仅是为说明本发明的技术思想及特点，其目的在使熟悉此领域的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，当不能以之限定本发明的专利范围，即大凡依本发明所揭示的精神所作的均等变化或修饰，仍应涵盖在本发明的专利范围之内。
权利要求
1.一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法，其特征在于该方法包括以下步骤: (1)数据的采集:利用反求设备光学测量仪对原型产品实物进行光学三维扫描与测量，获取点云数据； (2)数据处理分析和管理:利用虚拟仪器界面形成原产品的曲面模型、实体模型、新产品的实体模型，然后对新产品的实体模型分析计算、对比，得到用户需要的模型，满足要求的模型存入数据库； (3)加工成型:点击虚拟仪器界面中“产品快速成型”菜单，可驱动快速成型机对已完成设计的新产品进行快速加工成型； 上述所说的步骤(2)中的数据的处理分析和管理有四个步骤，具体为: a、得到原型产品的曲面模型:调用虚拟仪器界面中的“逆向工程”功能，调用软件imageware逆向设计，将步骤(I)中所得到的点云数据输入到软件中进行处理，获得原型产品实物曲面1吴型； b、生成原型实体模型并修改得到新产品的实体模型:调用虚拟仪器界面中“新产品设计”功能，调用CATIA软件对原型产品实物曲面模型进行原型实体模型的重构，对尺寸进行修改获得新的产品实体模型； C、对新产品进行力学分析、模态分析、疲劳分析、可靠性分析和优化设计:调用虚拟仪器界面中“有限元分析”功能，利用ANSYS软件对新产品力学分析、模态分析、疲劳分析、可靠性分析和优化设计； d、新产品模型入库:将新产品实体模型存入知识库，知识库按树状结构分门别类储存各类典型产品元素，可供用户查询对比、选择或快速改型设计，用户在使用过程中可以根据需要查询库内模型的各种信息，并且在人机友好界面中显示。
全文摘要
本发明涉及一种基于虚拟仪器和逆向工程的机械产品快速设计方法。本发明先由原型产品的模型获得点云数据，利用imageware软件使获得的点云数据得到原型产品的曲面模型，再利用CATIA软件使曲面模型形成原型产品的实体模型并且利用参数化设计得到新产品的实体模型，利用ANSYS软件对新的模型进行分析计算，得到符合要求的新产品的模型，最后将模型存入数据库并且利用快速成型机快速成型。本发明由原型产品模型数据的采集部分、带有计算分析软件的数据处理分析和管理及快速成型部分组成。本发明的数据采集部分是光学测量仪器，通过扫描可实现数据的测量和获取，可以得到模型的点云数据。
文档编号G06F17/50GK103150447SQ201310095069
公开日2013年6月12日 申请日期2013年3月22日 优先权日2013年3月22日
发明者赵文礼, 程琼, 林辉, 孟庆华, 樊志华, 田燕萍, 胡彦超 申请人:杭州电子科技大学