【文章內(nèi)容簡介】 ，邊界上的某些特征點（邊界折拐點）必須予以保留，而不能被視為“壞點”。 5．點云的重定位整合，在重新裝夾后多次掃描形成的數(shù)據(jù)要進行重定位整合，目前一般的 CAD 軟件還都沒有此項功能，需要手工“縫合”，在測量件上選取兩次定位狀態(tài)下的基準 點，在兩次定位測量的過程中，分別測量兩次定位狀態(tài)下的基準點的坐標值，然后以一定的判斷規(guī)則判別出各基準點的測量精度，最后在 CAD系統(tǒng)中顯示定位下的測量數(shù)據(jù)，并移動某一定位下的數(shù)據(jù)，使該定位下的所有測量數(shù)據(jù)整合到另一定位下。 曲面重構(gòu) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 6 曲面重建可以 說 是逆向工程的另一 個 核心及主要的目的，是依據(jù)掃描得到 的點 云數(shù) 據(jù)恢復曲面形狀建立 CAD 數(shù)學模型的過程。在得到 產(chǎn) 品的 數(shù) 據(jù)后，以逆向工程 軟 件進 行 點數(shù) 據(jù)的 處 理， 經(jīng)過分門別類 、 群組 分隔、 點線面 與 實體誤 差的比 對 后，再重新建構(gòu)曲面模型， 產(chǎn) 生 CAD 數(shù) 據(jù)、制造或 NC 加工。目前 在 點 云生成曲面的 過 程中，主要有三種曲面構(gòu)造的方案：其一是以 BSpline或 NURBS曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)造方案；其二是以三角 Bezier 曲面為基礎(chǔ) 的曲面構(gòu)造方案；其三是以多面體方式 來 描述曲面物體。 在逆向工程的技 術(shù)發(fā) 展中重要的是建立 產(chǎn) 品的 CAD 模型，并由此可再 進 一步的到 CAM 處 理和快速成型制造，而仿制出 產(chǎn) 品的外形。一般而言， CAD 模型是由 許 多不同的幾何形 狀 所 組 合而成，而每一種幾何形 狀 都有其特性。因此若要 將產(chǎn) 品 應(yīng) 用逆向工程的技 術(shù) ，反求出此 產(chǎn) 品的原 CAD 模型，并非 單純 的使用一種方法即可完成，而須視 此 產(chǎn) 品外形的幾何特性， 選擇 適 當 的 處 理方法，方可得出良好的幾何形 狀 ，以 滿足 產(chǎn) 品外形的幾何特性。由此可知，在曲面重建的 過 程中了解其曲面的特性及其曲面的 數(shù)學 模式，在 對 于我 們 重新建構(gòu)曲面 時 可以 幫 助我 們節(jié) 省很多的 時間 以及提高 將 效率。 由于 CAD/CAM 系 統(tǒng) 的 發(fā) 展，各種自由曲 線 與自由曲面的理 論 因 應(yīng) 而生，如 Bezier曲 線 、 BSpline 曲面、 NURBS 曲 線 、 掃描 曲面 (Sweep Surface)、 Loft 曲面 (Loft Surface)、 標 準曲面 (Construct Surface) 、旋 轉(zhuǎn) 曲面 (Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面 (Net Surface)等。 實體建模 近年來，運用 AutoCAD 軟件進行二維圖形的設(shè)繪已經(jīng)得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準確地體現(xiàn)出設(shè)計者的設(shè)計思想，而且，二維圖紙無法對設(shè)計對象進行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運動分析、公差分析、以及數(shù)控加工代碼的生成，而這些分析往往是必不可少的，只有三維實體造型才能滿足這些要求。越來越多的三維設(shè)計軟件如 MDT,Solid Works、 ProE、 UG 等，都得到了廣泛的應(yīng)用。 建立三維模型，有助于理解零件的特 征，更加直觀方便，而且對于模具設(shè)計與制造很必要。 逆向工程軟硬件設(shè)備 掃描設(shè)備 三維激光掃描技術(shù)，它能夠完整及高精密度的重建實物或?qū)嵕?、三維實體模型及原始測繪數(shù)據(jù)。最大特點就是：精度高、速度快、逼近原形。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 7 海克斯康 ROMER 三維激光超高精密度掃描儀 ， ROMER 具有很多優(yōu)質(zhì)：掃描精度極高，這利于將重建內(nèi)容更逼近原形。掃描密度極高，掃描速度極快，這利于快速原形化目標、實時掃描、同步移動操作等 。 具有一對 CCD 同時同步工作，可無死角的實時掃描任何復雜目標，減少重復性工作，目前國際同類技術(shù)都是一個 CCD，雙 CCD 技術(shù)還利于實時檢測監(jiān)測工作 , ROMER 可以與目前各種三坐標測量機、數(shù)控加工中心、機械關(guān)節(jié)臂等配接 , ROMER掃描頭可以與現(xiàn)有的很多設(shè)備互換使用 ,KREON激光掃描技術(shù)不同于傳統(tǒng)的光學照相三維成像技術(shù)， ROMER 保證了所有掃描云點的實測性、實時性及真實性，而光學照相技術(shù)做不到，它是基于少數(shù)測量點并經(jīng)過后處理三維數(shù)學推算后得到點云 。本次選用的 ROMER 三維激光掃描系統(tǒng) 。 分辨率可達 5μm ，速度： 30000點 /每秒， (可借助機械臂或數(shù)控機械平臺掃描任何大小的物體） 。實體如下圖 2－ 2所示： 圖 22 三維激光掃描儀 點云曲面處理軟件 目前市面上常用的逆向工程 軟件系統(tǒng)采用的 基本 都是 NURBS 曲面，從它們的功能或操作方法來看，其共同特點是先構(gòu)造曲線，或者是利用曲線直接構(gòu)造曲面，或者是通過曲線界定曲面擬合區(qū)域，先生成曲面片，然后通過拼接構(gòu)成完整的曲面模型。其優(yōu)點是 NURBS曲面的應(yīng)用在 CAD/CAM領(lǐng)域內(nèi)相當廣泛，因而，這些系統(tǒng)與其它 CAD/CAM系統(tǒng)的通信、交流就十分方便。特征曲線的構(gòu)造在其中起著重要的作用。然而，通過交互定義特征線費事費力，而自動提取的方法在目前仍相當有限。 Imageware12 主要天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 8 用來做 逆向 工程，它處理點云數(shù)據(jù)的流程遵循 ， 點 —— 曲線 —— 曲面 的 原則 ，整個 流程簡單清 晰 明了 ， 而且 軟件 操作容易，對系統(tǒng)性能要求也不高。 一： 點 云處理功能 1． 讀入點 云 數(shù)據(jù) ,將分離的點云對齊在一起（如果 有 需要）。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數(shù)據(jù)，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉(zhuǎn)零件，這樣會得到很多單獨的點云。 Imageware12 軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點信息將點云對齊。 2． 對點云進行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具及測量方式的限制，有時會出現(xiàn)一些噪音點， Imageware12 軟件有很多工具來對點云進行判斷，去掉噪音點，以保 證結(jié)果的準確性。 3． 通過可視化點云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構(gòu)成，對于每一個曲面，可根據(jù)特性判斷用用什么方式來構(gòu)成，例如，如果曲面可以直接由點的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 4． 根據(jù)需要創(chuàng)建點的網(wǎng)格或點的分段。 Imageware12 軟件能提供很多種生成點的網(wǎng)格和點的分段工具，這些工具使用起來靈活方便，還可以一次生成多個點的分段。 二 :創(chuàng) 建功能 1． 判斷和決定生成哪種類型的曲 線。曲線可以是精確通過點云的、也可以是很光順的（捕捉點云代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。 2． 創(chuàng)建曲線。根據(jù)需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數(shù)目來調(diào)整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。 3． 診斷和修改曲線?？梢酝ㄟ^曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變曲線與其他曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。 Imageware12 軟件提供很多工具來調(diào)整和修改曲線。 三： 曲面創(chuàng)建 功能 1． 決定生成那種曲面。同曲線一樣，可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面，或兩者兼顧。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計需要來決定。 2． 創(chuàng)建曲面。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點云直接生成曲面（ Fit free form），可以用曲線通過蒙皮、掃掠、四個邊界線等方法生成曲面，也可以結(jié)合點云和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。還可以通過其他例如 圓角 等 生成 曲面。 3． 診斷和修改曲面。比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續(xù)性，同時可以進行修改，例如可以讓曲面與點云對齊，可以調(diào)整曲面的控制點讓曲面更光順，或?qū)η孢M行重構(gòu)等處理。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 9 Imageware12 是著名的 逆向 工程軟件， 其 廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件領(lǐng)域。 而且擁有以上專業(yè)的點云到曲面的造型功能，在進行逆向工程時是一個不錯的工具。 實體建模軟件 UG NX是 Unigraphics Solutions公司推出的集 CAD/CAM/CAE于一體的三維參數(shù)化設(shè)計軟件，在汽車、交通、航空航天、日用消費品、通用機械及電子工業(yè)等工程設(shè)計領(lǐng)域得到了大規(guī)模的應(yīng)用，在微機上，實現(xiàn)了快捷、精確的三維實體造型。利用它，設(shè)計者在設(shè)計初期能夠很方便地進行概念設(shè)計，將主要精力集中在零件的選型、相關(guān)結(jié)構(gòu)的關(guān)系以及零件的使 用功能上，設(shè)計者們能最大限度的發(fā)揮聰明才智，這一過程在整個設(shè)計過程中，占據(jù)極為重要的作用。完善概念設(shè)計之后，輸出立體效果圖、零件施工圖及系統(tǒng)裝配圖很方便，而且節(jié)約了大量的繪圖時間。 UG 軟件包包括零件造型、零件裝配、曲面造型及二維出圖等部分。 UG 軟件的零件造型模塊是基于二維平面特征的三維實體造型工具，能夠非常方便地創(chuàng)建任何復雜形狀的實體。 鼠標外形逆向開發(fā)的流程 模型分析→掃描方案確定→進行掃描→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換→導入 Imageware12 進行點云處理→點云數(shù)據(jù)過濾→點云分割提取各特征的點云→導入 UG 軟件進行 曲線建立→曲面建立→曲面鏡像→曲面連續(xù)處理→曲面兩兩縫合→曲面整體縫合→加厚曲面得到實體→在此實體基礎(chǔ)上創(chuàng)建各個特征。 模型分析 針對鼠標的外形觀察，發(fā)現(xiàn)其實體表面主要分為四個曲面圍成。它們分別是，底面，側(cè)面和倒角面。而且側(cè)面都有共同的曲面特征，都可以使用放樣的方法來生成所需要的曲面。然后分別進行裁剪，就得到了想要得曲面大小。 仔細觀察鼠標，會發(fā)現(xiàn)它擁有比較高的對稱性，左右對稱，因此可以考慮使用對稱面來建立整個曲面模型。側(cè)面的曲面建模方法剛才已經(jīng)形成，只需要把其建立半個曲面，然后再作一個鏡像操作，就可以使其建立鼠標的整個基本曲面模型。 掃描 有了以上的建模思路，就可以進行鼠標點云數(shù)據(jù)的掃描。由于建模思想不一樣，點云數(shù)據(jù)的掃描側(cè)重點也不一樣。數(shù)據(jù)點質(zhì)量的好壞直接影響到曲面精度。 由于本款鼠標表面反光比較強，在掃描時需要噴上顯影劑，這樣可以避免過多的噪聲點產(chǎn)生。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 10 點云數(shù)據(jù)清理 圖 23原始點云數(shù)據(jù) 進行點數(shù) 據(jù)處理是進行曲面重構(gòu)的第一步。在鼠標外形的點云數(shù)據(jù)被三維激光掃描設(shè)備掃描后，把所獲得的原始的云數(shù)據(jù)另存為 IGS 格式。然后在逆向工程軟件Imageware12中打開。如圖 23 該點云數(shù)據(jù)中存在很多的不需要的點，為了后面處理方便首先需要把點云中明顯的不需要的點刪除掉。使用修改 —— 〉提取 —— 〉圈選點命令圈選不需要的數(shù)據(jù)，以及明顯的噪聲點。處理后如圖 24 圖 24剔除壞點后的點云數(shù)據(jù) 在去掉明顯不需要的點數(shù)據(jù)后，原始點云還有 596942 個原始點。這個數(shù)據(jù)量還是比較龐大，而且分布不均勻，為了使點的分布比較合理，需要處理海量數(shù)據(jù)，典型的處理方式是采用定義點距大小的方式縮減一部分數(shù)據(jù)，使點云看上去更清楚，也便于多邊形網(wǎng)格化數(shù)據(jù)或做其他處理。使用命令修改 —— 〉數(shù)據(jù)簡化 —— 〉距離采樣進行點云數(shù)據(jù)過濾。設(shè)定 距離公差為 . （這種做法是做一個 * 方格的篩子或者濾網(wǎng)，每個網(wǎng)格里邊只保留一個點），處理之后，點云雖然被縮減了 85%（原來是 596942 個點，現(xiàn)在是 86953），但它依 然具有足夠的數(shù)據(jù)信息提給下面的各步處理。 處理結(jié)果如下圖 25 所示。 圖 25過濾后的點云數(shù)據(jù) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 11 數(shù)據(jù)對齊 在建模操作之前，需要把點云的位置調(diào)整好，這就是對齊。之所以要對齊點云，是因為輸入計算機的初始的點云坐標系是三坐標測量機的賦予它的局部坐標系，這個局部坐標系與 Imageware 系統(tǒng)坐標系通常不一致，這就導致了點云缺乏合適位置信息，處理起來十分不便。所以要進行點云對齊，可以更容易地進行建模操作。 點云對齊的基本操作：先在點云上找出可以定位的線和面，通過做截面，取得截面線，調(diào)整截面線，這 些截面和截面線就是點云的對齊特征。然后在世界坐標系中做出這些線和面的相似形，最后使用 Imageware 中的對齊工具，進行對齊。對齊是逆向工程的基本操作。 一：構(gòu)造幾何輔助元素 建立直線 : 。 X = 0, Y = 0, Z = 0 ，設(shè)定終點為 X= 0, Y = 100 , Z = 0 建立圓 : ，選擇圓 。 0,0,0 ，設(shè)定方向為 Z. 即在 XY面上作一個圓 100mm 建立一個平面 : ，選擇中心 /法向 （ 0， 0， 0） Z方向作為平面法線 U向和 V 向的寬度 100 TOP 視圖（默認摁 F1鍵）觀察，如下圖 2－ 6所示 圖 26輔助參考元素 天津職業(yè)技術(shù)師范大學 2020屆本科生畢業(yè)設(shè)計 12 二：建立相應(yīng)的對齊特征 下一步，我們必須要在模型中建立相應(yīng)的實體，這些實體就是點云的特征，對齊點云的位置只需要對齊這些實體的位置即可，可以將這些實體與上一步建立的參考幾何圖形對齊，完成點云 對齊的工作。這一步，我們要構(gòu)造截面線來決定哪些點被用來作為參考點，我們要擬合兩個圓和