【正文】 P) 是 20 世紀(jì)末發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù) , 是在現(xiàn)代 CAD/ CAM、激光、 CNC、精密伺服驅(qū)動以及新材料等技術(shù)的基礎(chǔ)上集成發(fā)展起來的。逆向工程與快速成型制造技術(shù)相結(jié)合將從根本上改變傳統(tǒng)產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)和制造模式。本文著重研究了逆向工程的實(shí)現(xiàn)方法陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 6 頁 共 39 頁 和其關(guān)鍵技術(shù)，對于企業(yè)及個人學(xué)習(xí)和提高逆向工程方面的知識有著重要意義。 逆向工程的特點(diǎn) 逆向工程是在已有實(shí)物的基礎(chǔ)上進(jìn)行的再設(shè)計(jì)，所以相對于傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)，具有以下特點(diǎn)。并給出一個一體化的解決方案：樣品→數(shù)據(jù)→產(chǎn)品。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制和改進(jìn)設(shè)計(jì)，可以節(jié)省很多產(chǎn)品構(gòu)思時(shí)間。 因?yàn)橛虚L期專門從事逆行工作的專業(yè)技術(shù)人員，所以工作效率很高 。 逆向設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)的，較正向設(shè)計(jì)在測試的時(shí)間和頻率可以適當(dāng)減少，降低的成本可觀。 逆向工程的過程 逆向工程的實(shí)現(xiàn)過程中，主要包括以下幾個關(guān)鍵步驟： 確定被測對象是逆向工程的前提，表面良好的樣件是實(shí)現(xiàn)逆向工程的第一步，樣件的質(zhì) 量將直接影響后續(xù)反求的精度。 2 實(shí)體點(diǎn)云的掃描 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的獲得即通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品的表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)據(jù)化。 4 模型重構(gòu) 這個環(huán)節(jié)是逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的環(huán)節(jié)。 5 產(chǎn)品加工 快速成型是制造技術(shù)的一次飛躍，其包括光固化成型（ SL）、粉末燒結(jié)成型（ SLS） 、層疊法成型（ LOM）、熔積成型（ FDM）等多達(dá)十余種具體的工藝方法。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 8 頁 共 39 頁 逆向工程建模的一般流程圖： 圖 1. 1 逆向建模一般流程 模型曲面分析 —— 確定掃描方案 —— 進(jìn)行實(shí)體點(diǎn)云掃描 —— 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理 —— 建立需要的曲線 —— 建立曲面 —— 實(shí)體建模 (如 圖 1. 1 所示 )。 Manufacturing， RPamp。依據(jù)計(jì)算機(jī)上構(gòu)成的工件三維設(shè)計(jì)模型 (圖 1. 2 (a))，對其進(jìn)行分層切 片，得到各層截面的二維輪廓 (圖 1. 2 (b))。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 9 頁 共 39 頁 圖 1. 2 快速成型制作過程 快速成形技術(shù)徹底擺脫了傳統(tǒng)的 “ 去除 ” 加工法 部分去除大于工件的毛坯上的材料來得到工件。因此，它不必采用傳統(tǒng)的加工機(jī)床和工模具，只需傳統(tǒng)加工方法的 10％30％的工時(shí)和 20％ 35％的成本，就能直接制造出產(chǎn)品樣品或模具。完成一個固化層后，工作臺下降一個層厚，再描、固化，新固化的一層牢固地粘接在一層上，如此反復(fù)直至完成整個零件的固化成型。完成一個層面后工作臺下降一個層厚，反復(fù)進(jìn)行此過程便獲得需要的零件。每完成一層，工作臺下降一個層厚進(jìn)行迭加沉積新的一層，如此反復(fù)最終實(shí)現(xiàn)零件的沉積成型。其每一層片的厚度由擠出絲的直徑?jīng)Q定，通常是 ~。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 11 頁 共 39 頁 缺點(diǎn)是精度低 。表面質(zhì)量差。 4) 三維印刷法 (3DP,Three Dimensional Printing ) 三維印刷法是利用噴墨打印頭逐點(diǎn)噴射粘合劑來粘結(jié)粉末材料的方法制造原型。 Imageware 軟件簡介 Imageware 是著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。 Imageware 為自由曲面產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面的所有關(guān)鍵領(lǐng)域提供了應(yīng)用驅(qū)動的解決方案。最新的產(chǎn)品版本更注重于高級曲面、 3D 檢測、逆向工程和多邊形造型，為產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、工程和制造營造了一個直覺的柔性設(shè)計(jì)環(huán)境。用戶在第一次使用時(shí)就可以配置最適合其流程的產(chǎn)品，使用這些工具是保證產(chǎn)品開發(fā)周期順利進(jìn)行的關(guān)鍵。 1)點(diǎn) 云處理功能 a) 讀入點(diǎn) 云 數(shù)據(jù) ,將分離的點(diǎn)云對齊在一起（如果 有 需要）。Imageware12 軟件可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的點(diǎn)信息將陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 12 頁 共 39 頁 點(diǎn)云對齊。由于測量工具及測量方式的限制，有時(shí)會出現(xiàn)一些噪音點(diǎn)， Imageware12 軟件有很多工具來對點(diǎn)云進(jìn)行判斷，去掉噪音點(diǎn)，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。一個零件，是由很多單獨(dú)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(diǎn)的網(wǎng)格生成，就可以考慮直接采用這一片點(diǎn)云；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點(diǎn)的分段。 d) 根據(jù)需要創(chuàng)建點(diǎn)的網(wǎng)格或點(diǎn)的分段。 2)曲線創(chuàng) 建功能 a) 判斷和決定生成哪種類型的曲線。 b) 創(chuàng)建曲線?？刂泣c(diǎn)增多則形狀吻合度好，控制點(diǎn)減少則曲線較為光順?？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(diǎn)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)）。 3)曲面創(chuàng)建 功能 a) 決定生成那種曲面。根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要來決定。創(chuàng)建曲面的方法很多，可以用點(diǎn)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(diǎn)云和曲線的信息來創(chuàng)建曲面。 c) 診斷和修改曲面。 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(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。 Pro/Engineer 軟件逆向工程模塊簡介 Pro/ENGINEER 軟件由美國參數(shù)技術(shù)公司開發(fā)而成，是機(jī)械 CAD/CAM 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)動仿真、鈑金設(shè)計(jì)、加工和裝配工藝過程。 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。 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。 2)Pro/Designer 模塊 Pro/Designer 是一個工業(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。 3)Pro/SCANTOOLS模塊 Pro/SCANTOOLS 是一個完全集成于 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、塑料件陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 14 頁 共 39 頁 等行業(yè)。在Pro/SCANTOOLS 模塊下，可以輸入多種格式的掃描數(shù)據(jù)，并可對高密度的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能濾波。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。 5） Restyle 模塊 Restyle（重新造型）是一個逆向工程環(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。 目前 ,模型數(shù)字化的方法主要分為非接觸式測量和接觸式測量兩大類。這種方式成熟 ,但測量速度和精度比較低 ,而且不適合柔軟實(shí)物的測量。 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 通常掃描后得到的測量數(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)和被測物體的大小，由幾百點(diǎn)到幾百萬點(diǎn)不等，這些陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 16 頁 共 39 頁 大量的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云 （ Point Cloud） 。 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。 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)，在兩次定位測量的過程中，分別測量兩次定位狀態(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。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。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 后，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 17 頁 共 39 頁 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。 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 Surface) 、旋轉(zhuǎn)曲面 (Revolved Surface) 、網(wǎng)格曲面 (Net Surface)等。以近似法來擬合曲面的優(yōu)點(diǎn)是擬合的曲線不需要通過每個量測點(diǎn)，因此對于量測時(shí)的噪聲將有抑除的作用。 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曲面。所述，以插補(bǔ)法來重建曲面較佳的使用時(shí)機(jī)是對于數(shù)據(jù)量少且所含入噪聲較小的點(diǎn)群數(shù)據(jù)。 近年來，運(yùn)用 Auto CAD軟件進(jìn)行二維圖形的測繪已經(jīng)得到很大的普及。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。 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。這是一種直觀的準(zhǔn)逆向工程的思路，適合于簡單易于構(gòu)建的模型的創(chuàng)建。目前主要在復(fù)雜曲面方面得到較多應(yīng)用。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)。 ○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)。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，通過用戶指定陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 19 頁 共 39 頁 重構(gòu)曲面的次數(shù)和范圍，自動進(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。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 。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。 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。也介紹了在此過程中應(yīng)該注意的問題。陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 20 頁 共 39 頁 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 打開文件對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。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。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陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 21 頁 共 39 頁 要把點(diǎn)云中明顯的不需要的點(diǎn)刪除掉。 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)的分布比較合理，使用命令 修改 數(shù)據(jù)簡化 距離采樣 進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)過濾。 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 Imageware 類型的文件不能直接在其他三維造型軟件中打開。以這種格式導(dǎo)出的三維模型就可以在其他三維設(shè)計(jì)軟件中繼續(xù)修改了。 小平面（ Facet）特征是 Pro/ENGINEER 中一個主要的點(diǎn)云處理工具，陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 22 頁 共 39 頁 它所針對的處理對象通常是采用激光掃描得到的密集點(diǎn)云；密集點(diǎn)云可以在小平面特征中經(jīng)過去雜、降噪和取樣、補(bǔ)孔和清理等步驟的處理最后生成適合于下一步造型參考的小平面。 造型前準(zhǔn)備 打開 Pro/E，修改工作目錄，新建一個零件，鍵入文件名，取消選中“使用缺省模版”復(fù)選框，選擇 mmns_part_solid 選項(xiàng)，如 圖 3. 2 所示。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 第 23 頁 共 39 頁 圖 3. 3 輸入點(diǎn)云數(shù)據(jù) 圖 3. 4輸入選項(xiàng) 打開后，在彈出的如 圖 3. 3 所示的“輸入選項(xiàng)”對話框