0引言

　　隨著目前制造業(yè)產(chǎn)品開發(fā)周期的縮短，以實(shí)物模型為設(shè)計(jì)依據(jù)的逆向工程技術(shù)，作為CAD/CAM軟件三維設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)的一個(gè)有機(jī)補(bǔ)充部分，在新品開發(fā)及改型中應(yīng)運(yùn)而生。逆向工程(RE，Reverse Engineering)，也稱反求工程，反向工程，是針對(duì)現(xiàn)有工件(樣品或模型，尤其適合復(fù)雜不規(guī)則的自由曲面)，利用3D數(shù)字化測(cè)量儀器準(zhǔn)確、快速地測(cè)量出輪廓的三維坐標(biāo)值，并根據(jù)這些坐標(biāo)點(diǎn)通過三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD模型的過程。與從無到有的正向設(shè)計(jì)工程相比，逆向工程是一個(gè)從有到無的創(chuàng)新設(shè)計(jì)過程。逆向工程具體流程如圖l所示。

　　圖1 逆向工程流程圖

　　1數(shù)據(jù)獲取

　　在逆向工程中，復(fù)雜曲面的測(cè)量采集(實(shí)體數(shù)字化)是關(guān)鍵的一步。數(shù)字化點(diǎn)云的特點(diǎn)和采集精度直接影響著逆向工程技術(shù)的方法選擇和實(shí)體CAD模型的重構(gòu)精度。隨著傳感技術(shù)、測(cè)控技術(shù)、制造技術(shù)及軟件工程等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，目前復(fù)雜曲面零件數(shù)據(jù)采集主要有兩類：接觸式和非接觸式。接觸式測(cè)量就是測(cè)頭與實(shí)物表面接觸，通過規(guī)定掃描方式測(cè)量數(shù)據(jù)，目前比較常用的是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)，適合于一般幾何形體測(cè)量，如平面、圓、圓柱、圓錐和圓球等的測(cè)量，它具有精度高、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是速度慢、效率低、測(cè)量探頭易磨損、不適于柔軟實(shí)物的測(cè)量。而非接觸測(cè)量如激光、結(jié)構(gòu)光等方法。測(cè)量速度快，適合測(cè)量薄、軟工件及具有復(fù)雜曲面的工件。本文所述自行車鞍座采用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的四軸CNC鐳射掃描系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，屬于非接觸式測(cè)量，系統(tǒng)成員包括：CCD鐳射掃描探頭、四軸CNC電動(dòng)機(jī)床、CNC控制器、個(gè)人電腦PC、影像獲取卡及掃描軟件，測(cè)量速度約在1000-24000pts./s,掃描速度快且能保證高數(shù)據(jù)質(zhì)量，掃描后輸出*asc(ASCⅡ)格式的文件。

　　2數(shù)據(jù)處理

　　2.1逆向工程軟件Imageware

　　逆向工程中的模型重構(gòu)是以離散點(diǎn)云為基礎(chǔ)，應(yīng)用相關(guān)軟件獲取實(shí)物的三維CAD模型，為了適應(yīng)逆向工程技術(shù)的發(fā)展，專用的逆向工程軟件相繼面市。Imageware 由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。

　　Imageware作為逆向工程造型軟件，具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲線曲面擬合、誤差檢測(cè)功能，可以處理幾萬甚至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)誤差以及平面度、圓度等誤差。Imageware軟件在處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)，線面擬合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段與輔助功能完備的商用CAD/CAM軟件相比還有不小差距。

　　因此，為了獲得高效率高品質(zhì)的重構(gòu)模型，我們利用Imageware進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理，構(gòu)建模型的邊界線和主要的特征線，將其保存為ICES格式的文件導(dǎo)人Pro/E中構(gòu)建曲面，完成實(shí)體造型。

　　2. 2點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理

　　在Imageware軟件中打開掃描好的*. asc ( ASCⅡ)格式的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并通過快捷鍵Ctrl + I查看點(diǎn)云的詳細(xì)資料，以便更好的了解點(diǎn)云信息，有助于后續(xù)操作。同時(shí)由于模型的對(duì)稱性，只需要構(gòu)造模型的一半，另一半可以鏡像得到，因此我們可以選擇掃描質(zhì)量較高的一半點(diǎn)云數(shù)據(jù)作為編輯對(duì)象。數(shù)據(jù)預(yù)處理包括數(shù)據(jù)平滑、數(shù)據(jù)清理、補(bǔ)齊遺失點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)齊等，其目的是去除異常噪聲數(shù)據(jù)、壓縮冗余數(shù)據(jù)等。對(duì)明顯的噪音點(diǎn)可以用Circle-Select Points命令手動(dòng)刪除。圖2為經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，圖3為掃描質(zhì)量較高的一半點(diǎn)云的它角網(wǎng)格化模型，從三角網(wǎng)格化模型我們可以更清楚的了解重建對(duì)象的最終形狀，可以調(diào)整Neighborhood Size(鄰域尺寸)值優(yōu)化三角網(wǎng)格化的效果，一般取點(diǎn)與點(diǎn)之間距離的3一5倍。

　　圖2逆向工程流程圖

　　圖3 三角網(wǎng)格化模型

　　2. 3數(shù)據(jù)對(duì)齊

　　把掃描測(cè)量時(shí)建立的點(diǎn)云坐標(biāo)系和Imageware系統(tǒng)的世界坐標(biāo)系的方位統(tǒng)一起來，這樣做的目的是為了下一步更便于擬訂截面線的位置或其他的建模操作。其基本操作如下:

　　(1)在點(diǎn)云上找出可供定位的線和面特征，通過各種方式來制作對(duì)齊特征(直線、圓、球面及平面等);

　　(2)在世界坐標(biāo)系中作出這些線和面的相似形;

　　(3)使用Imageware中的stepwise對(duì)齊工具進(jìn)行對(duì)齊。

　　對(duì)齊是逆向建模的基本操作，這里我們將點(diǎn)云擺放到關(guān)于YZ平面對(duì)稱，基本操作包括:

　　利用交互方式選擇點(diǎn)云的邊緣點(diǎn)，由點(diǎn)通過Con-struct-Surface From Cloud-Fit Plane命令擬合成基準(zhǔn)面;再由Create-Plane-Center/Normal命令通過坐標(biāo)原點(diǎn)、垂直于X軸生成一個(gè)基準(zhǔn)面，用stepwise對(duì)齊工具來對(duì)齊坐標(biāo)，并將對(duì)其后的點(diǎn)云用Modify-Orient-ResetHome命令在該位置固定下來。

　　2. 4構(gòu)建邊界線和特征曲線

　　Imageware有3種構(gòu)建曲線的方法：插值曲線( Interpolate Curve )、均勻曲線(Uniform Curie)和公差曲線(Tolerance Curve)。插值曲線是最精確的一種，因?yàn)樗芡ㄟ^點(diǎn)云上的每一個(gè)點(diǎn)，因此插值曲線與點(diǎn)云的誤差為零。由于點(diǎn)云有噪聲點(diǎn)，造成了插值曲線的光順性不高，因此在曲線創(chuàng)建中，很少用到插值曲線。均勻曲線在曲線創(chuàng)建中使用最多，相比于插值曲線，均勻曲線并非通過點(diǎn)云上每個(gè)點(diǎn)，但相比插值曲線有更好的光順性。公差曲線即在用戶指定的曲線與點(diǎn)云的公差范圍之內(nèi)，以最少的控制點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)的數(shù)量生成的曲線。因此我們選用均勻曲線構(gòu)建車座的邊界線和特征曲線。

　　2.4.1構(gòu)建邊界線

　　用Construct—Cross Section-Cl0ud Parallel命令在x=0處創(chuàng)建剖面，截取截面點(diǎn)云，如果直接用截得的點(diǎn)擬合曲線，發(fā)現(xiàn)曲線仍然不太光順，這是因?yàn)辄c(diǎn)云數(shù)據(jù)不光順導(dǎo)致的，因此在獲得截面點(diǎn)云后，用Modify里的平滑(.Smooth)功能和刪減數(shù)據(jù)(Data Reduction)功能分別對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行高斯過濾和不必要數(shù)據(jù)點(diǎn)的刪減，然后用Construct-Curve From Cloud.Unifonm Curve命令擬合邊界線。圖4為擬合好的兩條邊界線。

　　圖4擬合好的邊界線

　　2.4.2構(gòu)建特征曲線

　　也就是創(chuàng)建點(diǎn)云的中間控制曲線，具體步驟包括：

　　(1)用Evaluate.Curvature-Cloud Curvatur命令對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行曲率分析，目的是將點(diǎn)云分塊¨1，提取每一個(gè)特征塊的邊界線便是我們需要的特征曲線。特征曲線與邊界線的構(gòu)建方法相同，特征曲線的提取可以用點(diǎn)處理命令，以X軸為法向的多個(gè)平面來剖切點(diǎn)云，StartPoint(起始點(diǎn))設(shè)置方法可以根據(jù)鼠標(biāo)的尺寸設(shè)定，也可以靈活運(yùn)用Auto Calculate Spacing功能，讓軟件自動(dòng)判斷生成切割面之間距離;

　　(2)設(shè)定分割面數(shù)量。Cross Section(剖切面)的數(shù)量通常來說，分割面越多，則最后能夠提取的特征曲線也越多，就越能反應(yīng)點(diǎn)云特征。但在保證擬合誤差的前提下，提取適當(dāng)數(shù)量的分割面，可以減小工作量，提高效率，并有效減少擬合后曲面不光順的幾率。

　　通過曲率分析數(shù)據(jù)分塊的結(jié)果，最終確定分割面數(shù)量為lO個(gè)，既保證能夠更逼近曲面原貌，又不至于使分割面過于密集。由剖切面截得的點(diǎn)云最終擬合出的曲線如圖5所示。

　　圖5特征曲線

　　3曲面擬合，CAD模型重構(gòu)

　　復(fù)雜曲面零件一般由多張曲面混合而成，主要是二次曲面和自由曲面。自由曲面的表示通常是用B樣條曲面和NURBS曲面，在Pm/E中根據(jù)提取的邊界線和特征曲線，用NURBS曲面擬合得到重構(gòu)曲面。NURBS曲面可以用如下方程表示：

　　式中：

　　——曲線控制點(diǎn);

　　——ⅣU尺BS曲面的基函數(shù)。

　　在Pro/E中導(dǎo)入來自Imageware軟件IGES格式的曲線，應(yīng)用Pro/E的高級(jí)曲面造型、編輯功能，我們可以很方便的構(gòu)造成一個(gè)完整的曲面，但是，在曲面生成之前，為了保證鏡像后兩曲面的連續(xù)性，應(yīng)先創(chuàng)建曲面生成時(shí)的參考約束曲面。具體步驟如下：

　　(1)以特征曲線與對(duì)稱邊界線的交點(diǎn)為起點(diǎn)，做垂直于對(duì)稱邊界線所在平面的直線，然后在其交點(diǎn)處做其與特征曲線相切的約束，這一步驟可以在Pm/E下完成，也可以在Imageware環(huán)境中生成，最終得到的直線組如圖6所示。

　　圖6約束直線組

　　(2)在所創(chuàng)建直線組的另一端將對(duì)稱邊界線所在的平面用平移工具得到另一平面，在這一平面上做對(duì)稱邊界曲線的投影線，如圖7所示。

　　圖7投影曲線

　　(3)用邊界混合命令生成曲面片如圖8所示，以此曲面為約束曲面。

　　圖8 約束曲面片

　　將之前創(chuàng)建的特征曲線和邊界線利用邊界混合命令生成模型的曲面片，并將其以igs格式保存并輸入到Imageware軟件中，與原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)相比較得到的誤差分析結(jié)果如圖9所示，其中紅色部分表示曲面與點(diǎn)云誤差較大，根據(jù)分析對(duì)曲面再做微調(diào)整，調(diào)整后的模型曲面如圖10所示。

　　圖9 誤差分析

　　圖l0 調(diào)整后的曲面

　　最后用鏡像工具得到完整的模型曲面片。這樣通過約束創(chuàng)建的曲面鏡像以后中間不會(huì)出現(xiàn)棱角，連接比較平滑。此外，Pro/E提供了功能強(qiáng)大的曲面分析工具，可以對(duì)曲面進(jìn)行高斯曲率、截面曲率、斜率、反射曲線、加亮曲線和半徑值等分析，為即時(shí)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)曲面的質(zhì)量提供方便，以便設(shè)計(jì)出高質(zhì)量的符合工程要求的曲面。

　　檢查曲面光順后就可以把曲面片構(gòu)造成實(shí)體：將生成的兩個(gè)曲面片用合并工具合成一個(gè)整體，再用加厚命令使其生成實(shí)體。最終得到自行車鞍座的CAD模型如圖11所示。

　　圖11 最終CAD模型

　　4 結(jié)束語

　　通過對(duì)自行車鞍座曲面擬合的實(shí)例，可以看出采用逆向工程CAD技術(shù)。利用不同軟件各自的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠得到原實(shí)物精確的復(fù)制品，而且可以進(jìn)一步修改并進(jìn)行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與開發(fā)，提高產(chǎn)品開發(fā)的效率與質(zhì)量。