基于Pro_E软件的逆向工程技术研究与应用.pdf

3塑性成型模拟及模具技术国家重点实验室开放基金资助项目(项目编 号:05 - 8) 收稿日期:2005年10月 基于Pro/ E软件的逆向工程技术研究与应用 贾志欣 陈俊华 童森林 陈维杰 浙江大学 摘 要:采用具体测量实例论述Pro/ E软件在逆向工程设计技术中的应用方法和步骤。 关键词:逆向工程, Pro/ E, 三坐标测量机, 三维建模 Technique and Application of Reverse Engineering Based on Pro/ E Jia Zhixin Chen Junhua T ong Senlin et al Abstract : The methods and stepsof reverse engineering based on Pro/ Etechnology in RE are introduced with detail measur2 ing examples by using CMM. Keywords :reverse engineering , Pro/ E, three dimension coordinate measure machine , 3D modeling 1 引言 逆向工程(Reverse Engineering ,RE)是近年在计算 机技术、 数控测量技术和CAD/ CAM技术发展基础上 产生的新技术。逆向工程是在没有设计图纸或者设 计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,按照现 有零件实物、 利用各种数字化技术及CAD技术重新 构造原型CAD模型,然后将此模型用于产品的分析、 制造和加工生产的技术1 ,2。反求工程大致可分为数 据采集、 数据处理、 曲面重构建模和模型检验修正等4 个步骤。目前,随着科技的日新月异和市场全球化, 世界范围内的市场竞争越来越激烈,要求在提高产品 的品质和性能的同时缩短产品的生产周期,因此,逆 向工程在飞机、 汽车、 家电等模具相关行业越来越受 到重视。本文介绍了具体的测量实例以及在Pro/ E 三维设计软件环境中实现产品逆向的过程。 2 数据采集 在反求工程中,数据采集是关键的第一步,只有 获得测量数据,才能进行复杂曲面的反求,如建模、 误差分析、 制造等。根据数字化设备的数据采集方 式可分为接触式和非接触式两类。以三坐标测量机 (Coordinate Measuring Machine ,简称 CMM)为代表的 接触式测量方式虽然效率不如非接触式,但精度高, 智能化程度高,对被测样件的材质、 色泽、 光照条件 等没有特殊要求,因此应用很广泛。 211 三坐标测量机 将被测样件放置于三坐标测量机的测头可及的 测量空间范围内,用测头采集信号。测头是一种传 感器,当测头上的测针沿样件表面逐点运动时,通过 反作用力使测针发生变形,由传感器传到与之相连 的计算机上,计算机逐点记录、 显示空间三维点的坐 标(x、y、z),再通过一系列的数学运算,求得所需 结果,其中得到的大量密集、 散乱的测量数据称之为 “点云” 。 文中采用L K桥式精密型三坐标测量机(型号 G90C 6151 4) 。该CMM的机械本体部分采用花岗岩 工作台及导轨,台面嵌有均布M10工件夹持孔,Y 轴采用陶瓷横梁及导轨,Z轴采用工业陶瓷(工业陶 瓷兼具花岗岩和铝合金的优点)主轴,各轴采用 “平 稳” 驱动装置及气浮导轨,具有垂向气动平衡装置, 因此其刚度、 精度、 稳定性高。测量探头采用世界著 名品牌Renishaw(雷尼绍) TP200触发式测头,可沿 720个角度不离开工件表面做无级调速的连续移动 扫描,装卸、 更换方便,测量速度较快,自动化程度较 高,因而特别适于本文所进行的复杂曲面的测量。 软件采用基于Windows的测量系统LK CAMIO Studio ,基 于DMIS ( Dimensional Measuring Industry Standard)标准内核,具有长度测量和 ISO形位公差 的评价,支持. sat和.igs等多种文件格式。 图1 鼠标上盖零件测量 2. 2 数据获取 以鼠标上盖零件为例说明具体测量过程。 第一步:把鼠标固定在工作台面上(如图1所 示)。 第二步:打开LKCAMIO Studio软件,首先以标 722006年第40卷 8 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 准球为参照对象,对测头进行校正。 第三步:设置测量参数(扫描方向、 网格数量、 边 界控制、 扫描速度等)。 网格的疏密(见图 2) 直接影响到采集数据,一 般可以根据精度要求确定。精度要求高,则相应地 增加网格数目,最重要的是要能把鼠标的特征线表 现出来,特征线是后续曲面重构的关键,也是划分曲 面和控制形状的依据。 图2 鼠标上盖外轮郭 第四步:如图1所示,采用手动方法对鼠标外边 界轮廓进行采点。由于鼠标上盖的外边界轮廓是空 间曲线,要与下底盖进行装配,用手动采集数据时, 需将第一个采集到的点做好记号,以确保与最后采 集到的点形成一个封闭的外轮廓。一般手动法需要 进行多次测量,对关键的外轮廓点要把握准确。 第五步:选取合适的扫描速度按设置的网格线 对鼠标的整体外形进行自动测量。通常情况下,扫 描速度的设置要考虑两点:第一,被测零件的表面粗 糙度大小;第二,被测零件的曲面曲率(即凹凸)变化 程度。通过及时调整扫描速度,确保凹凸变化较大 处测得较多的点,如图3所示。 图3 整体外形测量 第六步:如图4所示,对测得数据以. igs文件格 式保存,以备CAD模型的重建。 图4 测量数据点云 3 基于Pro/ E软件的逆向设计方法 Pro/ E是美国参数化技术公司( Parametric Tech2 nology Corporation ,简称 PTC) 的软件产品。Pro/ E具 有全参数化和全相关的造型技术和独立的逆向工程 模块,对扫描数据在人工干预的情况下,运用丰富的 曲线、 曲面、 实体造型功能和方便的编辑功能,可将 点云数据拟合成光顺、 完美的曲面。接口上,Pro/ E 软件具有igs、set、vda等多种输入输出数据文件,能 与UG、I2DEAS、MasterCAM和Cimatron等CAD/ CAM 软件系统交换数据,是理想的逆向设计软件系统。 在PTC公司的产品中,用来处理测量点数据并 进行逆向曲面设计的模块有: ICEM Surf、Pro/ DE2 SIGER(CDRS)、Pro/ SCANTOOLS以及自由曲面造型。 311 数据获取(Data Capturing) 数据获取是指采用各种测量方法或测量设备测 出实物表面的若干组点的空间三维坐标,形成 “数据 点云” 。 312 数据处理 数据获取中由于各种人为及随机因素的影响, 数据中包含影响以后工序的无用数据。在逆向工程 中,最简单的噪声去除方法是人机交互,适合处理数 据点较少的情况。常用的自动处理方法有程序判断 滤波、N点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡而 曼滤波相结合的自适应滤波法等。目前提出的分块 滤波技术可实现噪声点的快速、 精确过滤,其基本思 想是提取实体表面的特征分界线和具有明显几何特 征的几何元素,依次将整个曲面分块,对平滑面片数 据、 特征分界线、 明显特征几何元素分别进行噪声判 断,这样可实现较为准确的过滤。 313 三维建模 基于离散点云数据的三维建模过程,实质上就 是点云数据的处理过程。其通用手段有数据调整、 复制、 区域修剪、 数据密度修改、 数据光顺、 尖角保留 等。建立模型的好坏取决于曲线、 曲面拟合是否光 顺以及曲面连接是否光滑。 曲线光顺应满足3个条件3:曲线二阶几何连 续;曲线没有奇点和多余拐点;曲率变化均匀。曲线 光顺可分为三步:寻找坏点,并修改坏点的坐标值; 粗光顺,使曲线上各段的曲率符号一致,保证曲线单 凸或单凹性;精光顺,使曲线上各段的曲率变化均 匀,满足光顺的要求。 满足曲面光顺的条件是:构成曲面的关键曲线 光顺;曲面的网格线无多余拐点;曲面高斯曲率变化 82工 具 技 术 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 均匀。光顺曲面的方法是:先光顺曲面的纵向曲线, 然后通过型值点生成横向样条曲线并光顺,重新生 成纵向样条曲线并光顺,直至所有纵向、 横向样条曲 线都满足光顺准则,最后利用光顺的纵向、 横向样条 曲线构造出光顺曲面。 主要操作步骤如下: 打开Pro/ E软件,通过Insert/ shared Data/ from file命令读入点云数据,在Standard或Scantool模块 下连线。连线时注意在变化趋势小的地方点应尽量 少,略去明显偏离趋势的点,以免点过多造成曲线不 光顺。 完成3D Curve线后,通过InsertSwept blend Surface ,利用前面所建立的3D Curve线建立3D光滑 曲面。在建面的过程中,需要注意面与面之间的光 顺,同时可以利用Analysis分析所建立的曲面的光 滑程度和曲面的曲率分布状况,最后利用Edit Solidfy将所建立的曲面生成实体,完成3D建模。建 模后,可通过Pro/ E中的ViewModel setupRender Control进行渲染处理,采用AnalysisModel Analysis/ Curve Analysis/ Surface Analysis分析和检验所建立的 模型、 曲线和曲面的合理性和精确度。 314 产品的制造 (1)产品的NC加工 将前面完成的3D CAD Model导入Pro/ E的 Manufacturing模块中的NC Assembly进行NC加工程 序制作,并利用Pro/ E生成的NC加工G代码输入 加工中心加工出产品。 (2)快速原型(Rapid Prototyping)制造 在Pro/ E的Part模块中利用File | Save a copy , 选取. SAL格式导出ST L文件,利用快速原型制造系 统进行快速原型制作。 (3)模具设计 应用Pro/ E的Manufacturing模块Mold Cavity进 行模具设计,生成模具的型芯和型腔,并产生最终的 零件和完整的模具装配模型。 315 成品的检验 在用快速成形方法制成成品后利用自动检查设 备对成品进行检查,取得数据,再利用Pro/ Verify模 块对设计模型进行比较,检查复杂产品的制造精度。 4 应用实例 以鼠标上盖为例,利用Pro/ E:读取数据点云, 进行点数据的处理、 编辑成曲线、 蒙面、 重建模型。 主要步骤如下: (1)打开Pro/ E软件, Insert/ shared Data/ from file ,把鼠标的数据点云按.igs格式输入。 (2)去噪声点。从输入的数据点中修改扫描数 据,以消除噪声点、 删除不相关的点或重新组合扫描 点。 (3)通过数据点构造光滑曲线。通过Analysis 分析曲线,判断曲线的光滑程度,如不满足要求,可 以通过对 “value point” 进行add/ delete/ move ,使得曲 线既光顺又不失真。 (4)构建曲面。通过前面构造好的曲线,选定 曲线创建边界混合曲面和造型曲面,通过对创建的 曲面进行延伸、 合并、 边界曲线沿着曲面法向投影、 剪切等方法完成曲面,用控制多面体扭曲曲面、 用栅 格扭曲曲面、 将曲面拟合至指定的参照点等方式编 辑曲面,通过设置精度和偏距来满足拟合要求。 (5)对曲面进行分析,使整个曲面的效果达到 最佳。 通过以上几个步骤最终得到鼠标的整体外形 (见图 5) 。一般来说,要获得一个比较完美的零件 外形,需要对上述各个步骤进行多次反复修改。 图5 鼠标外形 5 结 语 逆向工程开辟了制造零件和模具的新途径。采 用Pro/ E软件的逆向技术,不仅能实现新产品的快 速开发,而且能实现产品原型设计生产和模具设计 制造的系统集成,大大缩短了产品的开发周期,在实 际工程中应用领域十分广泛,具有良好的发展前景。 参考文献 1 梁佳