第1章机械设计概论课件.ppt

1、机机 械械 设设 计计1机机 械械 设设 计计2 机械设计课程是培养机械工程类专业学生初步掌握设计机器能力的一门技术基础课。课程性质课程性质学习本课程之前应已学习了以下课程：u 高等数学u 机械制图u 工程材料u 制造技术u 理论力学u 材料力学u 机械原理机机 械械 设设 计计3u掌握通用机械零件的设计原理、方法和机械设计的一般规律，具有设计一般机械的能力；u具有运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术资料的能力；u掌握典型机械零件的实验方法，获得实验技能的基本训练；u对机械设计的新发展有所了解。本课程的主要任务是培养学生：课程任务课程任务研究：普通工作条件下一研究：普通工作条件下一般参数的

2、通用零件和部件般参数的通用零件和部件机机 械械 设设 计计4课程特点课程特点 综合性：要求综合运用先修课程的知识来解决机械零、部件的设计问题。实践性：机械设计题目来源于生产实践，其设计成果又要直接用于生产实践。繁杂性：本课程要分门别类地论述各种通用零部件，表现为关系多、要求多、公式多、图表多等。机机 械械 设设 计计5机械设计概要 螺纹联接 轴毂联接 带传动 齿轮传动 蜗杆传动 链传动 轴 滑动轴承 滚动轴承 联轴器和离合器 主要内容主要内容机机 械械 设设 计计6参考教材参考教材机机 械械 设设 计计7机机 械械 设设 计计8实验报告实验报告作业作业http:/ 械械 设设 计计9课程安排与

3、要求课程安排与要求1 1、课程安排、课程安排64学时（讲课、习题讨论课、实验、测验等）实验：综合性实验和前沿感知型实验作业课程大作业、课程论述性报告（选）机械设计课程设计：3周，期末考试后进行机机 械械 设设 计计102 2、要求、要求1、实验、作业等不能缺，否则没成绩。2、课堂纪律3、良好学风4、学习方法机机 械械 设设 计计11学习方法学习方法w 把握机械零件设计的主线，即：失效形式受力分析强度计算结构设计。w 理论联系实际，要从生产实际条件和要求出发来考虑问题。w 要从整体出发来考虑零件的设计，注意零件间的协调与配合。w 必须重视结构设计结构设计。w 更新设计观念，培养创新能力。机机 械

4、械 设设 计计12机机 械械 设设 计计13美国大学学习要求美国大学学习要求机机 械械 设设 计计14机机 械械 设设 计计15机机 械械 设设 计计16机机 械械 设设 计计17How to pass the exam and get a high grade?Correct method:Study hard all the time.Exams will be nothing but excises.机机 械械 设设 计计18机机 械械 设设 计计19哈佛大学哈佛大学2020条校训条校训1.This moment will nap,you will have a dream;but th

5、is moment study,you will interpret a dream.2.I leave uncultivated today,was precisely yesterday perishes tomorrow which person of the body implored.3.Thought is already is late,exactly is the earliest time.4.Not matter of the today will drag tomorrow.5.Time the study pain is temporary,has not learne

6、d the pain is life-long.6.Studies this matter,lacks the time,but is lacks diligently.7.Perhaps happiness does not arrange the position,but succeeds must arrange the position.8.The study certainly is not the life complete.But,since continually life part of-studies also are unable to conquer,what but

7、also can make?9.Please enjoy the pain which is unable to avoid.10.Only has compared to the others early,diligently,can feel the successful taste.11.Nobody can casually succeed;it comes from the thorough self-control and the will.12.The time is passing.13.Now drips the saliva,will become tomorrow the

8、 tear.14.The dog equally study,the gentleman equally plays.15.Today does not walk,will have to run tomorrow.16.The investment future person will be,will be loyal to the reality person.17.The education level represents the income.18.One day,has not been able again to come.19.Even if the present,the m

9、atch does not stop changes the page.20.Has not been difficult,then does not have attains.机机 械械 设设 计计201.此刻打盹，你将做梦；而此刻学习，你将圆梦。2.我荒废的今日，正是昨日殒身之人祈求的明日。3.觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。4.勿将今日之事拖到明日。5.学习时的苦痛是暂时的，未学到的痛苦是终生的。6.学习这件事，不是缺乏时间，而是缺乏努力。7.幸福或许不排名次，但成功必排名次。8.学习并不是人生的全部。但，既然连人生的一部分学习 也无法征服，还能做什么呢？9.请享受无法回避的痛苦。

10、10.只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味。11.谁也不能随随便便成功，它来自彻底的自我管理和毅力。12.时间在流逝。13.现在淌的哈喇子，将成为明天的眼泪。14.狗一样地学，绅士一样地玩。15.今天不走，明天要跑。16.投资未来的人是，忠于现实的人。17.教育程度代表收入。18.一天过完，不会再来。19.即使现在，对手也不停地翻动书页。20.没有艰辛，便无所获。机机 械械 设设 计计21l此刻打盹，你将做梦；而此刻学习，你将圆梦。l觉得为时已晚的时候，恰恰是最早的时候。l勿将今日之事拖到明日。l学习这件事，不是缺乏时间，而是缺乏努力。l学习并不是人生的全部。但，既然连人生的一部分

11、学习也无法征服，还能做什么呢？l只有比别人更早、更勤奋地努力，才能尝到成功的滋味。l谁也不能随随便便成功，它来自彻底的自我管理和毅力。l时间在流逝。l一天过完，不会再来。l没有艰辛，便无所获。1-1 1-1 机器的组成机器的组成1-2 1-2 设计机器的基本原则与一般程序设计机器的基本原则与一般程序1-3 1-3 机械零件设计概述机械零件设计概述1-4 1-4 机械发展机械发展概述概述机机 械械 设设 计计231.1 1.1 机器的组成机器的组成 机器是根据某种使用要求而设计的机械系统，可以用来变换或传递能量、物料与信息。1、多种人为实物的组合；2、各部分具有确定的相对运动；3、代替人完成有效

12、机械功或转换机械能。内燃机转换能量 机械手传递物料 照相机传递信息 例如：机机 械械 设设 计计24一个完整的机器由以下三部分组成：原动机原动机传动装置传动装置工作机工作机控制系统辅助系统(如仪表、照明等)产生机械能，如：电动机、内燃机，转速高力矩小（往复或旋转）利用机械能作功，转速低力矩大（旋转或往复）改变运动方式、转速或力矩（电、液力、气力、机械传动等）机机 械械 设设 计计25 提供动力，是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。提供动力，是驱动整部机器以完成预定功能的动力源。一般来说，它是把其它形式的能量转换为机械能。原动机的动力输出绝大多数呈旋转运动的状态，输出一定的转矩。原动机经历了如

13、下发展过程：人力、畜力水力机、风力机蒸汽机、内燃机、汽轮机、电动机内燃机动画机机 械械 设设 计计26用来连接原动机部分和执行部分，将原动机的运动形式、运动及动力参数转变为执行部分所需的运动形式、运动及动力参数。机器的传动部分大多数采用机械传动系统，有时也采用液压或电力传动系统。机械传动系统是绝大多数机器不可缺少的重要组成部分。机机 械械 设设 计计27圆柱齿轮减速器圆柱齿轮减速器锥齿轮减速器锥齿轮减速器机机 械械 设设 计计28用来完成机器预定功能。一部机器可以只有一个执行部分，也可以把机器的功能分解成几个执行部分。如机床的刀架、机器人的手爪等。该机器人的手爪协调运动，夹持球体实现任意运动。

14、机械手工作演示1机械手工作演示2机机 械械 设设 计计29 随着机器的功能越来越复杂，对机器的精度要求也越来越高，所以机器除了以上三个部分外，还会不同程度地增加其他部分，例如控制系统和辅助系统等，如：汽车。机机 械械 设设 计计30功用：内燃机是将燃气燃烧时的热能转化为机械能的机器。工作过程：汽油燃烧产生热能 推动活塞 连杆 带动曲轴转动 带动工作机（汽车）工作机器组成剖析机器组成剖析内燃机：起重机：电动机 螺杆（齿轮）传动 卷筒装置（提升重物）机机 械械 设设 计计31气缸、活塞进气阀顶杆排气阀齿轮连杆曲轴凸轮机机 械械 设设 计计32机机 械械 设设 计计33自行车动画机机 械械 设设 计

15、计34机机 械械 设设 计计35机机 械械 设设 计计36机机 械械 设设 计计37 世界上第一架直升飞机是法国工程师伯雷格等人在世界上第一架直升飞机是法国工程师伯雷格等人在19071907年设计的。因为年设计的。因为试飞时振动得很厉害，只好用绳子把它栓在地面，以防不测。试飞时振动得很厉害，只好用绳子把它栓在地面，以防不测。19361936年，德国福年，德国福克教授设计了具有合理转动关节的旋翼和机械传动装置，使直升机起飞前可以克教授设计了具有合理转动关节的旋翼和机械传动装置，使直升机起飞前可以不用绳子栓着了。不用绳子栓着了。机机 械械 设设 计计38“机机 械械 设设 计计39机机 械械 设设

16、 计计40任何机器都是由许多零件组合而成的。机机 械械 设设 计计41部件：为完成同一使命而协同工作的许多零件的组合零件：组成机器的不可拆的基本单元(制造的基本单元)如：滚动轴承、联轴器。机机 械械 设设 计计42：只在一定类型机器中使用的零部件用途专用零部件通用零部件：各种机器中普遍使用的零部件曲轴齿轮螺纹联接件标准件：制定了国家标准，并由专门工厂生产的零部件。如：滚动轴承、螺栓等滚动轴承机机 械械 设设 计计43内燃机内燃机机机 械械 设设 计计44机械手机械手机机 械械 设设 计计45照相机照相机机机 械械 设设 计计461.2 1.2 设计机器的基本原则与一般程序设计机器的基本原则与一

17、般程序一、设计机器应满足的基本要求一、设计机器应满足的基本要求1.1.使用要求使用要求实现预定功能，工作可靠。2.2.经济性要求经济性要求三方面：生产成本低、使用消耗小、维护费用低。注意：“三化”标准化、系列化、通用化3.3.外观造型要求：外观造型要求：颜色、造型4.4.环保要求：环保要求：噪音、废气、废液。如：CNG汽车。机机 械械 设设 计计47二、机械设计的一般程序二、机械设计的一般程序机械设计是一个创新与借鉴相结合的过程。设计任务调研总体设计试验修改一般程序如下：技术设计样机试制生产设计小批生产销售服务正式投产机机 械械 设设 计计481.3 1.3 机械零件设计概述机械零件设计概述一

18、、设计机械零件时应满足的基本要求一、设计机械零件时应满足的基本要求1.1.可靠性要求可靠性要求，预期寿命内不失效(强度、刚度、寿命)；2.2.结构工艺性要求结构工艺性要求(便于加工、装配)；3.3.经济性要求经济性要求(材料、加工方法、精度等级)；4.4.质量小的要求质量小的要求(节约材料、惯性力)；机机 械械 设设 计计49失效：零件丧失工作能力或达不到设计要求的性能。常见失效形式：破裂或塑性变形；弹性变形过大；磨损；胶合；打滑；联接松动等。机机 械械 设设 计计50二、设计准则二、设计准则1.1.强度准则强度准则强度：零件抵抗断裂、塑变、疲劳破坏的能力。方法：1）或limSlimS2）li

19、mSSlimSS如何满足机械零件的可靠性要求?遵循设计准则S 安全系数，S1S：安全，浪费材料S：经济，不安全机机 械械 设设 计计512.2.刚度准则刚度准则刚度：抵抗弹性变形的能力。，yy机床主轴等弹性变形过大将影响加工精度。机机 械械 设设 计计523.3.温升准则温升准则温度t润滑油粘度润滑失败材料强度设计摩擦副时，需进行热平衡计算，即：tttt 4.4.振动稳定性准则振动稳定性准则5.5.可靠性准则可靠性准则 使零件自振频率与激振频率不相等也不接近，以防止共振。将零件出现失效的概率限制在一定程度之内。零件在多方面存在离散性，故寿命呈一定概率分布。机机 械械 设设 计计531.4 1.

20、4 机械发展概述机械发展概述 机械工程与科学是一门古老的学科，它将人们从繁重的体力劳动中解放出来。天然工具 简单机器工业革命现代机器机械的发展过程：机械的发展过程：机机 械械 设设 计计54轿车发展：红旗 桑塔纳、捷达、富康 别克、本田、帕萨特蒸汽机车 内燃机车 电力机车磁浮列车（常导高温超导）高速列车举例举例2 2：火车的发展：火车的发展举例举例1 1：各式轿车：各式轿车机机 械械 设设 计计55机机 械械 设设 计计56机机 械械 设设 计计57机机 械械 设设 计计58机机 械械 设设 计计59机机 械械 设设 计计60机机 械械 设设 计计61高速火车高速火车：狭义上指速度高于200公

21、里/每小时的列车，实际上世界上很多火车速度早已超过这个速度。现在世界上最最快的火车，毫无疑问是磁悬浮列车，但基本上只是在试验场中。实际测试和试运行的最快的火车是法国的TGV系列，它曾经的最高时速可达五百多公里。广义上各国的标准都不一致。常说的高速列车是指日本、德国、法国、瑞典、英国等铁道发达国家的快速或者高速列车。机机 械械 设设 计计62出口售价出口售价32美元美元交专利费交专利费18美元美元成本成本13美元美元企业利润企业利润1美元美元举例：出口一台举例：出口一台DVDDVD，一美元利润，一美元利润机机 械械 设设 计计63 举例：举例：l 为建设西气东输工程，我国邀请通用电气、三菱重工业

22、(Mitsubishi Heavy Industries)、西门子(Siemens)等外国公司参加投标，向6家地区性公用事业公司提供23台发电气轮机。l 中国国家计划委员会在标书中提出了技术转让的要求，要求获得整个燃气轮机的图纸，包括轮机旋转片形状的模型和计算公式、旋转片如何在旋转时冷却、旋转片组成部分的化学成分等等。机机 械械 设设 计计64l 在先进、大型燃气轮机设计与制造技术方面，目前只有美国GE公司掌握，它的涡轮机技术是由其飞机发动机部门和动力系统部门与美国能源部(Department of Energy)共同开发的。l 最终通用电气赢得了提供13台高级9F燃气轮机的订单。三菱重工业获

23、得了10台订单，遵照合同的部分条款，三菱重工业也同意与中国合作伙伴分享技术。l 根据燃气轮机交易的具体条款，通用电气同意让中国国有企业哈尔滨动力设备公司(Harbin Power Equipment Ltd.)来装配这批轮机。此外该轮机上不太复杂的零部件大多也由该公司生产。机机 械械 设设 计计65l 通用电气还与沈阳黎明航空发动机制造公司(Shenyang Liming Aero-Engine Group Corp.)组建了合资公司，并将向该合作伙伴转让发动机燃烧系统的技术。l 通用电气允许沈阳黎明生产燃气轮机内部第二排和第三排旋转片，据熟悉谈判的知情人士称，起初通用电气并不想转让技术。最终

24、通用电气转让了关键的冷却系统的技术图纸和旋转片采用的先进的冶金技术。l中国谈判代表最终接受了通用电气不转让燃气轮机最高级的那部分技术。参与谈判的代表说，包括冷却系统的设计、第一排旋转片以及这些旋转片热保护层方面的技术均不转让。机机 械械 设设 计计66 美国的出口条例禁止通用电气与合作伙伴分享这些技术，因为这些技术还应用于飞机发动机的制造。l 因此通用电气将在本公司位于南卡罗来纳州的工厂生产第一排旋转片，然后将其运往哈尔滨的工厂完成最后的装配。从上面这个例子可以看出，核心的技术只能靠我从上面这个例子可以看出，核心的技术只能靠我们自己研发才能获得。如果下一个们自己研发才能获得。如果下一个“蒸汽机

25、蒸汽机”、下一、下一个个“相对论相对论”由中国人创造，中国就可以真正的超过由中国人创造，中国就可以真正的超过其他国家，成为真正的强国。其他国家，成为真正的强国。机电产品模型设计及控制实验机电产品模型设计及控制实验一、课程内容与实验目的一、课程内容与实验目的二、实验设备二、实验设备三、实验操作步骤三、实验操作步骤内内 容容机机 械械 设设 计计69本项目课程以德国慧鱼公司生产的机电产品模型为对象，学生通过自己动手装配慧鱼模型，并对模型进行较为细致的观察和分析，完成模型规定动作的编程，从而完成综合性的设计训练过程。以达到以下目的：1、了解常用机械传动机构的形式和使用条件；2、了解典型机电系统的布置

26、形式及工作原理；3、了解机械系统的基本运动控制方法；4、培养综合设计、优化设计机械系统的能力；5、培养动手能力、创新能力和编程能力。一、课程内容与实验目的机机 械械 设设 计计70二、实验设备慧鱼模型教具介绍:1964年，慧鱼创意组合模型（fischertechnik）诞生于德国，是技术含量很高的工程技术类智趣拼装模型，是展示科学原理和技术过程的理想教具，也是体现世界最先进教育理念的学具，为创新教育和创新实验提供了最佳的载体。慧鱼创意组合模型的主要部件采用优质尼龙塑胶制造，尺寸精确，不易磨损，可以保证反复拆装的同时不影响模型结合的精确度；构件的工业燕尾槽专利设计使六面都可拼接，独特的设计可实现

27、随心所欲的组合和扩充。机机 械械 设设 计计71v慧鱼创意组合模型主要有组合包、培训模型、工业模型三大系列，涵盖了机械、电子、控制、气动、汽车技术、能源技术和机器人技术等领域和高新学科，利用工业标准的基本构件（机械元件/电气元件/气动元件），辅以传感器、控制器、执行器和软件的配合，运用设计构思和实验分析，可以实现任何技术过程的还原，更可以实现工业生产和大型机械设备操作的模拟，从而为实验教学、科研创新和生产流水线可行性论证提供了可能，世界知名的德国西门子、德国宝马、美国IBM等一大批著名公司都采用慧鱼模型来论证生产流水线。机机 械械 设设 计计72 1、观察慧鱼工业培训模型，了解常用的机械传动机

28、构、传感器布置方式、模型的控制方式、典型的机电系统。（初级）2、2-3人一组，按照慧鱼的组装模型说明书完成模型的组装工作，了解慧鱼创意模型的基本使用方法。（初级）3、学习ROBOPro语言，并编程控制模型的运作。（初级）4、对模型进行改装，编程控制模型进行较复杂的动作。（中级）5、根据所学知识设计一机械模型（包括结构设计、传动设计、传感器设计等），运用慧鱼各构件完成该模型的组装，并用高级ROBOPro语言控制模型完成预定动作。（高级）三、实验步骤：机机 械械 设设 计计73 连接计算机与模型 1、将组装好的模型接入9v直流电源（接口板1），接口板6、7（见下图）绿色发光二极管交替闪烁，标志着接

29、口板准备就绪。2、接口板通过串口16与计算机连接机机 械械 设设 计计75软件界面介绍 开启电脑，双击ROBO Pro程序的图标或在Windows“开始”菜单的“所有程序”中单击“ROBO Pro”，就可打开软件。软件的界面如图所示。上方为常用功能栏，从左至右依次为：新建程序、打开程序、保存程序、删除程序单元或流程线、启动程序、停止程序、下传程序到接口板、端口设置、测试端口、继续执行程序、暂停执行程序、单步执行程序、缩小视图、扩大视图。机机 械械 设设 计计76 左侧为构成程序的程序单元，从上到下为：程序开始单元、程序结束单元、数字信号分支单元、模拟信号分支单元、延时单元、电器控制单元、等待数

30、字信号单元、脉冲计数单元等。机机 械械 设设 计计77程序单元栏常用功能栏菜单栏机机 械械 设设 计计78 单击该键可新建程序 单击该键可打开已有的慧鱼程序 单击该键可保存对程序的修改 用其删除程序单元十分方便。机机 械械 设设 计计79 单击该键可执行打开的慧鱼程序 单击该键可停止正在执行的程序 单击该键可将程序下载到慧鱼接口板的存储器中，从而脱离计算机独立运行。机机 械械 设设 计计80单击该按键可检测接口板的状态，如果数据端口和接口板设置正确，则出现上图 机机 械械 设设 计计81单击该按键，出现如图界面，在“Interface”选项中可设置与计算机连接的接口板的类型；在“Port”选项

31、中可设置接口板所使用的计算机端口。机机 械械 设设 计计82基本程序单元介绍“Start”单元：每个程序都必须有这个开始单元，否则程序不会被执行。如果同时有几个开始单元，那么它们会同时启动。开始单元无可更改的属性，故鼠标右键单击该单元，无属性窗口弹出（绝大部分程序单元都有属性窗口）。机机 械械 设设 计计83“End”单元：如果一个过程被终止，那么其最后一个单元的出口就要连接结束单元。不同的单元出口可连接同一个结束单元，当程序无休止循环时程序也可以无结束单元。其也无属性窗口。机机 械械 设设 计计84“Digital Branch”单元：数字分支单元，运用该单元，你可以根据I1-I8的数字输入

32、值，控制程序的流向。例如：传感器闭合，其输入值为1，程序走“1”分支流出；反之，传感器断开，其输入值为0，程序走“0”分支流出。鼠标右键单击该单元，会出现其属性窗口，你可以在其中更改该单元的属性。机机 械械 设设 计计85“Time delay”：延时单元，通过该单元你可以暂缓程序执行下一个单元。机机 械械 设设 计计86“Motor output”（级别2）：电机输出单元，运用这个单元你可以转换接口板上M1-M4任何一组的两个接线柱的输出。这个单元不仅可以控制电机，还可控制灯泡和电磁铁。控制电机时，可设定电机转速和转向。机机 械械 设设 计计87“Wait for input”：等待输入单元

33、，程序执行到该单元不再继续执行，直到接口板上元件处于某种特定状态或以某种特殊方式改变时，才执行下一个单元。机机 械械 设设 计计88 标识等待的状态 开关由01（断开闭合）开关由10 开关由01或10 开关为1（闭合）开关为0（断开）机机 械械 设设 计计89“Counter loop”：计数循环单元，使用该单元你可将程序的某部分执行多次。该单元有内置计数器，如果程序经计数循环“1”入口进入，则计数器设定为1；如果由“1”入口进入，1就被加入计数器。根据计数器的值是否大于设定值，程序由Yes（Y）或No（N）出口流出。机机 械械 设设 计计90程序单元的连接 机机 械械 设设 计计91其它的连

34、线方法 机机 械械 设设 计计92完成模型的如下控制 任务：1、控制电机旋转，使模型碰到限位开关I1，然后电机改变转向，当电机旋转5圈后再次改变转向 2、控制灯泡，使得模型第一次碰到限位开关I1后灯亮，第二次碰限位开关I2后灯灭。机械设计前沿性感知实验：机械设计前沿性感知实验：逆逆 向向 工工 程程机机 械械 设设 计计94机机 械械 设设 计计95一、概一、概 述述1.1.概念概念正向工程正向工程（或顺向工程）逆向工程逆向工程(Reverse Engineering)(也称反求工程)：实物实物CAD模型模型点云模型点云模型机机 械械 设设 计计962.2.应用领域应用领域u对产品外形有特殊美

35、学要求的领域，需制作油泥模型.u由于学科发展水平的限制，产品设计需要通过试验测试才能定型的工件模型，如汽车发动机气道等。一、概一、概 述述机机 械械 设设 计计97u在没有设计图纸或设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，对零件的复制。u实物的外形是由自由曲面组成，正向设计方法难以满足精度要求，如高尔夫球杆头部造型、鞋楦等。2.2.应用领域应用领域一、概一、概 述述机机 械械 设设 计计982.2.应用领域应用领域u艺术品、考古文物的修复与复制。u特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需要建立人体的几何模型。u在矫形医学领域，为了使人工器官外形更加精确，更好地与相关人体器官相匹

36、配，逆向工程用于假肢关节、义齿等 因此，逆向工程技术可用于航空、航天、汽车、摩托车、模具工业及其它行业，它是技术引进的一个重要手段。一、概一、概 述述机机 械械 设设 计计993.3.技术流程技术流程实物样品实物样品数据获取数据获取数据处理数据处理CADCAD模型重构模型重构纸质技术文档纸质技术文档CAD/CAMCAD/CAM系统系统快速成型快速成型仿制改造产品仿制改造产品批量生产产品批量生产产品制造系统制造系统产品样件产品样件模具模具测量设备测量设备一、概一、概 述述机机 械械 设设 计计100多种粉末/粘合剂/固化剂系统 高性能复合材料，光敏树脂材料，ABS，尼龙一、概一、概 述述机机 械

37、械 设设 计计101 二、数据获取二、数据获取 数据测量方法数据测量方法接触式接触式非接触式非接触式触发式触发式连续式连续式光学式光学式非光学式非光学式 激光三角法激光三角法 结构光法结构光法 激光测距法激光测距法 干涉法干涉法 图像分析法图像分析法 CT CT测量法测量法 MRI MRI测量法测量法 超声波测量法超声波测量法 层析扫描法层析扫描法1.1.测量方法测量方法三坐标测量机三坐标测量机（CMMCMM）3D3D扫描仪扫描仪机机 械械 设设 计计1022.2.测量设备测量设备三坐标测量机(CMM)桥式便携式龙门式悬臂式 二、数据获取二、数据获取 机机 械械 设设 计计103Solutio

38、nix Rexcan系列系列 柯尼卡美能达柯尼卡美能达RangeRange系列系列 Breuckmann博尔科曼系列博尔科曼系列加拿大加拿大NDINDI加拿大加拿大CreaformCreaform 美国美国Artec Artec 中国：北京天远、深圳华朗等中国：北京天远、深圳华朗等 非接触式扫描仪 二、数据获取二、数据获取 机机 械械 设设 计计104扫描头扫描头控制器控制器被测样件被测样件计算机计算机COMET 400 COMET 400 测量系统测量系统测量范围：测量范围：430430330330250mm 250mm 测量距离：测量距离：820mm820mm每幅点云：每幅点云：450,0

39、00 450,000 测量精度：测量精度：0.1mm0.1mm 二、数据获取二、数据获取 机机 械械 设设 计计1053.3.数据获取注意事项数据获取注意事项 合理选择测量设备 测量设备的标定 环境控制 被测件预处理 样件特点、精度要求、测量效率、设备成本等。在设备搬运、环境变化或长期停用后，可能导致标定值偏移，故应重新标定。振动、温度、光线等。孔、槽、凹边的填充、表面喷涂着色、粘贴特征点。二、数据获取二、数据获取 机机 械械 设设 计计106 三、数据处理三、数据处理 采用非接触方法获取的数据通常非常庞大，被称作点云（Point Clouds）。为了获得完整、准确的数据，需要在模型重建前进行

40、数据处理。是是数据获取数据获取是否进行多次测量是否进行多次测量多视对齐多视对齐数据光顺数据光顺数据插补数据插补数据精简数据精简数据分割数据分割噪点去除噪点去除否否机机 械械 设设 计计1071 1噪点去除噪点去除噪点：测量误差点 直接识别：明显的异常点和散乱点 曲线检查法：用最小二乘法通过截面数据的首末点拟合曲线 角度判断法：检查点沿扫描线方向与前后两点形成的夹角是否小于允许值。弦高差方法：连接检查点前后两点，计算检查点到连线(弦)的距离 被集成到逆向软件中 三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计1082.2.多视对齐多视对齐 三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计1092

41、.2.多视对齐多视对齐粘贴特征点 三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计1103.3.数据光顺数据光顺 在汽车、摩托车覆盖件的应用中，对表面的光顺性往往有很高的要求，通常要求达到A级(Class A)曲面品质。G2连续：曲率连续，视觉效果光滑流畅，是A级曲面的最低标准。数据光顺：对点云进行滤波。常用的滤波算法有高斯(Gaussian)滤波、平均(Averaging)滤波和中值(Median)滤波，在Imageware软件中即提供了这三种滤波方式 数据光顺 点云精度 三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计1114 4数据插补数据插补原始点云完成插补后的点云样件复杂结构测量机的

42、限制无法测到的区域（凹边、孔、突起等处）数据“空白”可用Polyworks软件的IMEdit模块来实现数据插补。三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计112按距离精简按弦偏差精简原始点云平均精简5.5.数据精简数据精简 采用非接触式测量仪对大型样件进行测量时，会得到海量点云海量点云。三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计1136 6数据分割数据分割被测样件多个自由曲面多个规则曲面多个平面分割单个的曲面或平面点云合理的方法构造曲面片整体曲面模型拼接、缝合三角面片模型STL格式快速成型机厚度 三、数据处理三、数据处理 机机 械械 设设 计计114 四、四、模型重构模型重构曲面重

43、构 实体模型1 1曲面重构曲面重构Imageware：点处理模块、曲面处理模块和评价模块。视图区工具条菜单条示例点云状态栏滚动条（Imageware，Geomagic，RapidForm）机机 械械 设设 计计1151.1 点云处理点云显示点云精简 点云光顺1 1曲面重构曲面重构 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计116点云的圈选 沿任一方向截取点云 1 1曲面重构曲面重构1.1 点云处理点云分割 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计117沿某一轴线方向的系列平面截取点云 沿一条曲线的系列平面截取点云 1.1 点云处理1 1曲面重构曲面重构 四、四、模型重构模型重构机机

44、械械 设设 计计1181 1曲面重构曲面重构1.2 曲面构造 由点云拟合均匀曲面 构造双向放样曲面 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计119由边界曲线生成曲面 构造放样曲面 1 1曲面重构曲面重构1.2 曲面构造 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计120由曲线网格构造曲面 构造旋转曲面 轮廓线圆1 1曲面重构曲面重构1.2 曲面构造 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计121构造扫略曲面 发生线路径1路径21.3 曲面修改 1 1曲面重构曲面重构1.2 曲面构造调整曲面控制点 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计122构建曲面凸缘 曲面倒圆1 1曲面

45、重构曲面重构1.3 曲面修改 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计123曲面桥接曲面合并1 1曲面重构曲面重构1.3 曲面修改曲面裁剪 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计1241 1曲面重构曲面重构1.4 曲面评价曲面与点云的误差 曲面的光顺度 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计125 四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计1262 2CADCAD模型模型在曲面重构软件中将曲面保存为igs格式，再导入CAD软件。四、四、模型重构模型重构机机 械械 设设 计计1272 2CADCAD模型模型 四、四、模型重构模型重构128129 以信息技术为依托，以协同

46、设计、并行设计、虚拟设计、定制设计等为代表的先进设计技术，使产品的开发技术有了新的突破，代表了21世纪设计理论与实践的重要发展趋势。一、实验目的 自九十年代开始，美国、英国和欧盟制订了一系列的策略和技术规划，开展相关领域的研究与推广工作，并取得了显著的成效。通过虚拟现实与制造感知实验，将先进的计算机技术引入机械设计的教学实践，拓宽知识面，了解国内外最新的设计思想、理论与手段。130HP图形工作站WORK STATION XW6200；服务器DELL T5500（四缓冲专业显卡）；EPSON专业工程投影机EB-Z8050W(专业镜头，偏振处理);立体显示图像硬件分离器 WSR801；六自由度空间

47、跟踪定位器（Polhemus PatriotTM）；5DT Data Glove 5W型数据手套，左手（五个自由度）、右手（七个自由度）；SpaceBall 5000立体鼠标；专用金属幕布；5DT HMD 800-26（头盔）；偏振立体眼镜；闸门式立体眼镜及配套的红外线控制器等。二、实验设备1、硬件设备：131二、实验设备 演示软件：按VR系统类型的不同，有：（1）表现沉浸感：工程机械模型、飞机模型、人体 器官模型等；（2）表现三维交互性：虚拟手机外型设计系统、虚拟售票机、基于手抓取的模具虚拟装配、基于立体鼠 标的活塞气泵装配仿真、基于手势识别的夹具虚拟 装配等。2、软件环境：VR工具软件：W

48、TK、OpenGL、OpenInventor、VRML、Java3D等；132 虚拟现实（Virtual Reality，VR）是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机系统，或者说是一种基于可计算信息的视、听、触觉一体化的交互环境，是在图形学、电子显示、语音识别与合成、传感器等技术上发展起来的一门综合仿真技术。VR技术具有三个重要特征沉浸感 Immersion交互性 Interaction想象力 Imagination三、实验内容与方法1333.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成用户输入反馈传感器控制虚拟环境现实世界3D模型建 模VR系统主要由三部分组成：软件环境、高性能计算机系统和输入/输出设

49、备。1343.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成一、软件环境：软件主要用于生成逼真的三维场景。简单的场景可采用OpenGL、VRML等开放的标准直接进行设计，复杂的场景则最好使用专用VR开发软件，如：WTK、Multigen&vega、dVISE、VRT、WorldUp等。135二、高性能计算机系统：目前硬件平台的配置有微机（三维图形加速卡）、微机工作站和高档图形工作站三个档次，应根据实际需要选择相应的硬件平台。3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成136 头盔显示器（HMD）：在VR系统中能产生真实视觉效果。HMD上有位置跟踪器，可以跟踪人的头部运动，并将六个自由度的移动信号输入计算机，

50、计算机再根据头部位置的变化输出相应的图像，组合在人脑中产生三维立体图像。HMD可以将用户与外界相对封闭，切断了视觉与真实世界的联系，有利于沉浸感的产生。3.1.虚拟现实技术的主要特征与系统组成三、输入/输出设备：（一）显示设备137附录：虚拟产品外设头盔显示器HMD头头盔盔RGB-NTSCRBG-NTSC计计算算机机系系统统扫扫描描转转换换器器左左眼眼计计算算右右眼眼计计算算双双路路VR系系统统 图图形形硬硬件件图图形形硬硬件件5DT HMD 800138桌面显示器：主要用于非沉浸式VR系统。（二）位置跟踪器 按连接方式分为有源和无源，按数据传输的类型分为机电式、电磁式、声波式和光学式等，最常