【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 AM 軟件的后起之秀，它采用統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫，集三維實(shí)體和曲面造型、裝配造型、三維工程圖、數(shù)控加工、有限元分析、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真、鈑金設(shè)計(jì)、加工和裝配工藝過程。 設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)等功能于一體，特別是其全參數(shù)化和全相關(guān)功能強(qiáng)大的實(shí)體造型技術(shù)，精悍、統(tǒng)一的數(shù)據(jù)庫和能支持所有 UN 平臺(tái) Windows， Windows/NT，使它成為快速成型技術(shù)行業(yè)中市場(chǎng)占有率最高的 CAD 軟件。 PTC 公司開發(fā)的產(chǎn)品中，具有逆向功能的有： ICEM Surf、 Pro/DESIGNER(CDRS)、Pro/SCANTOOLS、 Facet Feature 和 Restyle。 1)ICEMSurf 模塊 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 39 頁 ICEMSurf 是一個(gè)可以構(gòu)造 A 級(jí)自由曲面的工具，它可以直接構(gòu)造曲面（無須先構(gòu)造曲線）并可對(duì)曲面質(zhì)量進(jìn)行動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)，在汽車、摩托車外覆蓋件，內(nèi)飾件等自由曲面的構(gòu)建過程中具有優(yōu)勢(shì)，但在重構(gòu)自由曲面時(shí)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的完整性要求比較嚴(yán)格。ICEMSurf 也可用于曲面的設(shè)計(jì)，但此曲面并非傳統(tǒng)意義上的曲面模型。只是把點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成三角面片，通過三角面片來求解截面線、邊界線和特征線，也可用來做 RP 或NC 加工編程 。 2)Pro/Designer 模塊 Pro/Designer 是一個(gè)工業(yè)設(shè)計(jì)的造型模塊，主要應(yīng)用于概念設(shè)計(jì)，它可以方便地調(diào)整各條型線，從而得到設(shè)計(jì)師想要得到的結(jié)果。用于逆向工程時(shí)，可以用于少量測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)、僅有主要型線和邊界線的情況，從這個(gè)意義上來說它不是一個(gè)完整的逆向，操作者反求的主要是產(chǎn)品的造型思想。 3)Pro/SCANTOOLS 模塊 Pro/SCANTOOLS 是一個(gè)完全集成于 Pro/ENGINEER 實(shí)體建模中的逆向曲面構(gòu)建模塊，它可以接受有序點(diǎn)（測(cè)量線），也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)，且可以用來構(gòu)造非 A 級(jí)的自由曲面，一 般應(yīng)用于電器產(chǎn)品、汽車內(nèi)飾件、塑料件等行業(yè)。 Pro/SCANTOOLS 是一個(gè)非參數(shù)化環(huán)境工具，設(shè)計(jì)人員可以專注設(shè)計(jì)模型的特定區(qū)域，使用不同的工具來獲得期望的形狀及曲面屬性。在 Pro/SCANTOOLS 模塊下，可以輸入多種格式的掃描數(shù)據(jù)，并可對(duì)高密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能濾波。同時(shí)可根據(jù)選取的掃面數(shù)據(jù)創(chuàng)建型值曲線，并可在曲面上創(chuàng)建型值曲線。在 Pro/SCANTOOLS 模塊下，也可以輸入幾何特征，如曲線、曲面或多面數(shù)據(jù)等。 4)Facet Feature 模塊 Facet Feature（小平面特征）是 Pro/ENGINEER 新增的建模工具，可以輸入實(shí)物模型掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)或用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，可以糾正設(shè)備誤差引起的點(diǎn)云數(shù)據(jù)錯(cuò)誤，也可以對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行點(diǎn)云去噪、點(diǎn)云精簡(jiǎn)、平滑濾波、點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)修補(bǔ)、三角網(wǎng)格劃分和三角平面處理等。 5） Restyle 模塊 Restyle（重新造型）是一個(gè)逆向工程環(huán)境，用來在多面（小三角形平面）數(shù)據(jù)的頂部重建或構(gòu)造曲面 CAD 模型。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 39 頁 實(shí)體三維數(shù)據(jù)的獲得 —— 掃描 數(shù)據(jù)測(cè)量是逆向工程中后續(xù)處理的基礎(chǔ) ,因此三維掃描得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)的好壞直接影響到逆向建模的成功與否。 目前 ,模型數(shù)字 化的方法主要分為非接觸式測(cè)量和接觸式測(cè)量?jī)纱箢悺Ｆ渲?,接觸式測(cè)量是量頭與實(shí)物表面有接觸 ,常用的設(shè)備有 :三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、專用數(shù)字化儀等。這種方式成熟 ,但測(cè)量速度和精度比較低 ,而且不適合柔軟實(shí)物的測(cè)量。的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到快速發(fā)展 ,如激光三角形測(cè)量與光柵法等具有精度高，適用范圍廣等特點(diǎn)。 三維掃描技術(shù)從產(chǎn)生以來，到目前已經(jīng)發(fā)展了很多掃描原理，一般來講分為以下幾種技術(shù)，見 圖 2. 1： 圖 2. 1 三維掃描技術(shù)分類 點(diǎn)云處理 通常掃描后得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是由大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)所組成，根據(jù)掃描儀的性質(zhì)、掃描參數(shù)和被測(cè)物體的大小，由幾百點(diǎn)到幾百萬點(diǎn)不等，這些大量的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云（ Point Cloud） 。掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 13 頁 共 39 頁 和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，通常要經(jīng)過以下步驟： 1) 去掉噪音點(diǎn)，常用的檢查方法是將點(diǎn)云顯示在圖形終端上，或者生成曲線曲面，采用半交互半自動(dòng)的光順方法 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查調(diào)整； 2) 數(shù)據(jù)插補(bǔ)，對(duì)于一些掃描不到的區(qū)域，其數(shù)據(jù)只能通過數(shù)據(jù)插補(bǔ)的方法來補(bǔ)齊，這里要考慮兩種曲面造型技術(shù)，基于點(diǎn)的樣條曲面逆向造型和基于點(diǎn)的曲面擬合技術(shù)。 3) 數(shù)據(jù)平滑，數(shù)據(jù)平滑的目的是為了消除噪音點(diǎn)，得到精確的模型和良好的特征提取效果，采用平滑法處理方法，應(yīng)力求保持待求參數(shù)所能提供的信息不變。 4) 數(shù)據(jù)光順，光順泛指光滑、順眼，但由于精度的要求，不允許對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)施加過大的修改量來滿足光順的要求，另一方面由于實(shí)物邊界曲面的多樣性，邊界上的某些特征點(diǎn)（邊界折拐點(diǎn)）必須予以保留，而不能被視為“壞點(diǎn) ”。 5) 點(diǎn)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(jìn)行重定位整合，目前一般的 CAD 軟件還都沒有此項(xiàng)功能，需要手工“縫合”，在測(cè)量件上選取兩次定位狀態(tài)下的基準(zhǔn)點(diǎn)，在兩次定位測(cè)量的過程中，分別測(cè)量?jī)纱味ㄎ粻顟B(tài)下的基準(zhǔn)點(diǎn)的坐標(biāo)值，然后以一定的判斷規(guī)則判別出各基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量精度，最后在 CAD 系統(tǒng)中顯示定位下的測(cè)量數(shù)據(jù)，并移動(dòng)某一定位下的數(shù)據(jù)，使該定位下的所有測(cè)量數(shù)據(jù)整合到另一定位下。 曲面重構(gòu) 在整個(gè)逆向工程中，產(chǎn)品的三維幾何模型 CAD 重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。因?yàn)橹挥蝎@得了產(chǎn)品的 CAD 模型我 們才能進(jìn)行后續(xù)的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等。曲面重建可以 說 是逆向工程的另一 個(gè) 核心及主要的目的，是依據(jù)掃描得到 的點(diǎn) 云 數(shù) 據(jù)恢復(fù)曲面形狀建立 CAD 數(shù)學(xué)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(jìn) 行 點(diǎn)數(shù) 據(jù)的 處 理， 經(jīng)過分門別類 、 群組 分隔、 點(diǎn)線面 與 實(shí)體誤 差的比對(duì) 后，再重新建構(gòu)曲面模型， 產(chǎn) 生 CAD 數(shù) 據(jù)，快速制造或 NC 加工。目前在 點(diǎn) 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。 由于 CAD/CAM 的發(fā)展，各種自由曲面與自由曲面的理論應(yīng)運(yùn)而生，如 Bezier 曲面、BSpline 曲面、 NURBS 曲面 、 Loft 曲面 (Loft Surface)、構(gòu)造基準(zhǔn)曲面 (Construct 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 39 頁 Surface) 、旋轉(zhuǎn)曲面 (Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面 (Net Surface)等。 由三維掃描儀所得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)來建立曲面的方式一般可以分為兩種：一種是以近似的方式、另一種是以插補(bǔ)的方式來將順序的點(diǎn)數(shù)據(jù)建立成為曲面，以下分別就這兩種方法做一簡(jiǎn)單介紹： 1) 近似法 (approximation) 以近似法來重建曲面，首先必須先指定一個(gè)容許誤差值 (tolerance)，并在 U、 V 方向建立控制點(diǎn)的起始數(shù)目，以最小平方法來擬合出 (fit)一個(gè)曲面后將量測(cè)之點(diǎn)投射到曲面上并分別求出點(diǎn)到面的誤差量，控制誤差量至指定的容許誤差值內(nèi)以完成曲面的建立，如果量測(cè)的數(shù)據(jù)很密集或是指定的容許誤差很小，則運(yùn)算的時(shí)間會(huì)相當(dāng)?shù)木谩Ｒ越品▉頂M合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需要通過每個(gè)量測(cè)點(diǎn)，因此對(duì)于量測(cè)時(shí)的噪聲將有抑除的作用。所述，使用近似法時(shí)通常是點(diǎn)云數(shù)據(jù)點(diǎn)多且含噪聲較大的情況下。 2. 插補(bǔ)法 (interpolation) 以插補(bǔ)的方式來進(jìn)行曲面的建立，則是將每個(gè)截面的點(diǎn)數(shù)據(jù)，分別插補(bǔ)得到通過這些點(diǎn)的曲線，再利用這些曲線來建立一個(gè)曲面。以插補(bǔ)的方式進(jìn)行曲面數(shù)據(jù)建立，其優(yōu)點(diǎn)在于得到曲面一定會(huì)通過量測(cè)之?dāng)?shù)據(jù)點(diǎn)，因此如果數(shù)據(jù)量大的話，所得到的曲面更近似于原曲面模型，然而也因?yàn)槿绱?，如果量測(cè)時(shí)點(diǎn)數(shù)據(jù)含大量的噪聲則在重建曲面時(shí)大量的噪聲將被含入而產(chǎn)生相當(dāng)大的誤差。所述，以插補(bǔ)法來重建曲面較佳的使用時(shí)機(jī)是對(duì)于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點(diǎn)群數(shù)據(jù) 。 因此對(duì)于掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)而言，由于點(diǎn)數(shù)據(jù)量大以近似法來重建曲面將會(huì)較插補(bǔ)法節(jié)省控制點(diǎn)的儲(chǔ)存空間，而且對(duì)于掃描時(shí)所滲入的誤差有抑除的效果，然而，以近似法來建立曲面，卻會(huì)耗費(fèi)大量的計(jì)算機(jī)內(nèi)存及較多時(shí)間在曲面的計(jì)算上，因此我們?cè)诮⑶娴倪^程中應(yīng)配合所測(cè)量得的數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)目及精度來決定曲面重建所使用的方法。 實(shí)體建模 近年來，運(yùn)用 Auto CAD軟件進(jìn)行二維圖形的測(cè)繪已經(jīng)得到很大的普及。但是，二維平面圖不能完整和準(zhǔn)確地體現(xiàn)出設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)思想，而且，二維圖紙無法對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)象進(jìn)行后續(xù)的結(jié)構(gòu)有限元分析、運(yùn)動(dòng)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(shí)體造型才能滿 足這些要求。越來越多的三維設(shè)計(jì)軟件如 MDT, Solid Works、 Pro/E、 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(duì)于快速制造很必要。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 15 頁 共 39 頁 本次設(shè)計(jì)逆向方案的確定 目前逆向工程的解決方案主要有以下三大類： ○ 1 沿襲正向建模思路，從點(diǎn)到線再從線到面。這種方案一般處理過程如下：首先從數(shù)據(jù)點(diǎn)中提取原始物體的截面線、特征線或邊界線，然后采用掃成、蒙皮、裁剪等一系列常規(guī)曲面構(gòu)造方法，得到主要以 NURBS取信表示的 CAD模型。這是一種直 觀的準(zhǔn)逆向工程的思路，適合于簡(jiǎn)單易于構(gòu)建的模型的創(chuàng)建。 ○ 2 完全逆向工程的做法：即由點(diǎn)云數(shù)據(jù)直接反求 CAD模型。目前主要在復(fù)雜曲面方面得到較多應(yīng)用。通常有兩種表達(dá)方式：一種是用三角 Bezier曲面片來逼近模型，首先對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)三角化，然后根據(jù)三角形網(wǎng)格進(jìn)行 C2連續(xù)的三角 Bezier曲面片插值重建 。另外一種是用 NURBS曲面表示，通過用戶指定重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍，自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分割，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)反求 NURBS曲面的控制頂點(diǎn)。這種方法計(jì)算耗費(fèi)大，對(duì)數(shù)據(jù)的噪聲以及參數(shù)分割的好壞要求嚴(yán)格，主要 使用于復(fù)雜曲面的重構(gòu)方面。 ○ 3 反向提取與正向設(shè)計(jì)結(jié)合：直接由點(diǎn)云數(shù)據(jù)提取特征參數(shù)，在導(dǎo)入Pro/E等通用 CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。在本次逆向工程的設(shè)計(jì)中，分析藝術(shù)品烏龜模型后，發(fā)現(xiàn)其較少有規(guī)律可循，致使正向設(shè)計(jì)十分困難進(jìn)行。因此，擬采用完全逆向工程的做法，考慮到精度和其他因素，將結(jié)合完全逆向中兩種做法：首先用三角 Bezier曲面片來逼近模型，然后用 NURBS曲面表示，通過用戶指定重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍，自動(dòng)進(jìn)行參數(shù)分割，由點(diǎn)云數(shù)據(jù)反求 NURBS曲面的控制頂點(diǎn)進(jìn)行逆向。 綜上 所述：本次設(shè)計(jì)中，主要存在以下幾部分：點(diǎn)云的預(yù)處理、點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)、實(shí)體建模。在點(diǎn)云預(yù)處理階段擬采用逆向軟件 Imageware進(jìn)行處理，主要完成去噪、整理、修整點(diǎn)云的作用 。在點(diǎn)云處理階段采用 Pro/E中小平面特征模塊進(jìn)行處理，主要在進(jìn)一步深層次的處理點(diǎn)云的基礎(chǔ)上，進(jìn)行消除破洞、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、對(duì)小平面進(jìn)行包絡(luò)處理、小調(diào)粗調(diào)、小平面精調(diào)和精整以及生成集管等工作。曲面重構(gòu)階段主要采用 Pro/E中重新造型模塊，擬采用自動(dòng)創(chuàng)建樣條曲面的方式生成樣條曲面，在在此基礎(chǔ)上采用修改數(shù)學(xué)屬性、修改曲面、曲面重新構(gòu)造三種方式對(duì)曲 面進(jìn)行調(diào)整修正，以使本次的復(fù)雜曲面達(dá)到需要的精度和構(gòu)思意圖。實(shí)體建模部分主要完成對(duì)上一步修整調(diào)節(jié)后的曲面進(jìn)行實(shí)體化過程。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 39 頁 本章小結(jié) 本章介紹了復(fù)雜曲面逆向工程的過程，其包括點(diǎn)云掃描、點(diǎn)云處理、曲面重構(gòu)、實(shí)體建模。其中著介紹了點(diǎn)云處理的一般步驟和曲面重構(gòu)的常見方法。也介紹了在此過程中應(yīng)該注意的問題。在選擇處理方法時(shí)應(yīng)該注意根據(jù)所逆向的模型選擇合理的處理手段，以達(dá)到事半功倍的效果。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 39 頁 烏龜曲面逆向開發(fā)的流程 模型分析→掃描方案確定→進(jìn)行掃描→點(diǎn)云處理→點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾→數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 →Pro/E 小平面特征處理→重新造型特征處理→曲面完成→曲面實(shí)體化→快速成型 數(shù)據(jù)獲取和處理 掃描過程一般采用三維掃描儀，需 在掃描時(shí)需要噴上顯影劑，進(jìn)行多方位掃描，掃描后一般采用 surfacer 打開文件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。這時(shí)可以對(duì)這些局部進(jìn)行補(bǔ)充，即對(duì)這些部分進(jìn)行局部掃描，將點(diǎn)云補(bǔ)充完整。在 Imageware13 中打開后得到如圖 圖 導(dǎo)入后的原始點(diǎn)云 點(diǎn)云數(shù)據(jù)清理 進(jìn)行點(diǎn)數(shù)據(jù)處理是進(jìn)行曲面重構(gòu)的第一步。在逆向工程軟件 Imageware13 中打開。該點(diǎn)云數(shù)據(jù)中存在很多的不需要的 點(diǎn)，為了后面處理方便首先需要把點(diǎn)云中明顯的不需要的點(diǎn)刪除掉。使用 修改 抽取 圈選點(diǎn) 命令圈選不需要的數(shù)據(jù)，以及明顯的噪聲點(diǎn)。 在去掉明顯不需要的點(diǎn)數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)量還是比較龐大，而且分布不均勻，為了使點(diǎn)陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 18 頁 共 39 頁 的分布比較合理，使用命令 修改 數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化 距離采樣 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾。過濾如圖 3. 1 所示。 圖 3. 1 過濾后的點(diǎn)云數(shù)據(jù) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化導(dǎo)出通用格式 I