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3 4 工 具 技 术 在 P r o E中基于点云数据建立 C A D模型的几种方法 张树森郑成 志姚 继权 肖胜兵程俊廷 辽宁工程技术大学 摘要 介绍了逆向工程中基于点云建模的基本理论及 P r o E N G I N E E R中逆向工程的建模工具 提出了在 P r o E N G I N E E R中基于点 点列 点云数据的曲线曲面模型建构方法以及基于不同产品外形曲面的 C A D模型建构方法 和技巧 并进行对比得出结论 关键词 P r o E N G I N E E R 点云数据 曲线 曲面拟合 C A D建模 M e t h o d o f CAD M o d e l i n g i n Pr o En g i n e e r i n g Ba s e d o n Po i n t Cl o ud Da t a Z h a n g S h u s e n Z h e n g C h e n g z h i Ya o J i q u a n e t a l Ab s t r a c t T h e b a s i c p r i n c i p l e s b a s e d o n p o i n t c l o u d s m o d e l i n g i n r e v e r s e e n g i n e e ri n g a n d R E m o d e l i n g me tho d s i n P r o E N GI N E E R a y e i n t r o d u c e d S e v e r a l me t h o d s o f c u F v e an d c o m p l e x s u r f a c e s mode l i ng b a s e d o n p o i n t po i n t l i n e an d po i n t c l o u ds da t a t h e me tho d s an d s k i l l s o f C A D m od e li n g b a s e d o n v a r i o u s c o mp l e x s u r f a c e s o f p r o d u c t o u t l i n e a r e o ff e r e d an d c o mp a r e s a r e ma d e t o d r a w a c o n c l u s io n Ke y wo r d s P r o E N GI N E E R po i n t c l o u d d a ta c u r v e c o m p l e x s u r f a c e s fi t t i n g C A D mode l i ng 1 基于点云数据建 立 C A D模型理论 1 1 逆 向工程中点云数据的获取和预处理 点或点云数据采集 是逆 向工程 中的第一个环 节 是数据处理 模型重建的基础 现有 的数据采集 方法大概可以分为以下两类 机械三坐标测量 机 测量的有序点数据 激光 数字成像的三坐标测量 数据 即大批量 无序的点云数据 点云的预处理主要是指对点云数据进行滤波 压缩 拼合 统一等数据处理 由于实际工作 中受到 人为或随机因素的影响 测量结果含有噪音 在必 要时可重新排列分开 的点云 对点阵进行平滑滤波 处理 测试或更正 优化 不 良的点云或噪声点 即测 量误差点 然后对冗余数据精简处理 根据需要创 建点云的网格 点的分割或特征提取 1 2曲线 曲面的生成和处理 即曲面重构 逆 向工程最重要的工作之一是曲线 曲面拟合 与 C A D建模 曲线 曲面的创建主要是基于各种点 云 数据 可以是散乱点云 多个点列和各种特征点 收稿 日期 2 0 0 5年 3月 通过 对 点 阵数 据进 行 拟合 得 到各 种 类 型 的 曲线 N U R B S曲线 经过区域分块的数据点可以进行 曲 面拟合 也可以利用 曲线进行 曲面的创建 2 P r o E N G iE E R 中逆 向工 程 相 关 模 块简介 逆 向工程 中建立 C A D三维模型有三 种 即线 框 曲面和实体 早期 的 C A D系统往往分别对待 以 上三种造型 而 当前的高级三维软件 如 P m E 则 是将三者有机结合起来 形成一个整体 在建立产 品 几何模型时可以兼用线 面 体三种设计手段 其逆 向工程方向的基本建模工具如下 1 S t y l e 型 S t y l e 是 P m E 2 0 0 1以后新增加 的设计环境 可 以方便而迅速地创建 自由生成的曲线 和曲面 并将 多个元素合并成超级特征 进行相对独立 的交互式 曲面设计 2 P r o S C A N T O O L S 扫描工具 P r o S C A N T O O L S是集成于 P r o E软件 中的专 门用于逆向工程建模的工具模块 其中独立几何使 分显现各层 的优势 提高涂层质量 3 采用 M T C V D和 H T C V D相 结合的沉积技 术 改进涂层硬质合金刀片的加工特性 提高涂层刀 具的使用寿命 参考 文献 1 陈楚轩 硬质合金生产过程中的质量控制 2 硬质合金工具的结构与使用性能间的关系 硬质合金质 量控制 1 4 5 3 金相检验 机械电子工业部理化人员资格培训教材 4 R e f r a c t o r y and H a r d M e t a l s 1 9 8 3 6 8 4 8 7 5 湿磨 和钴粉类 型对钴 的相变 和形态 的影 响 硬 质合 金质 量控制 1 7 7 1 8 8 第 一作 者 胡 希 川 I 高 级 工 程 师 成 都 工 具 研 究 所 6 1 0 0 5 1 成都市 维普资讯 2 0 0 5年第 3 9卷 1 0 用 了型 特征 对 于 输入 的点 云文 件 数 据 及 其 之 后 生 成的曲线和 曲面特征都是型特征 型特征是一种复 合特征 其特点是在型特征外部或它们相互之间没 有父子从属关系 因此在完成特征建模之后 可以将 输入的原始点云及其建立的线 面型特征删除 3 F a c e t F e a t u r e 小平面特征 F a c e t F e a t u r e小平面特征建模工具是 P r o E新增 特征建模工具 可以输入对产品模型进行扫描或三坐 标测量所获得 的点云数据 纠正设备引起 的点云错 误 可以对点云进行预处理 如 点云消噪 点云精简 部分点云删除 增补点云等点云处理 三角网格划分 和三角平面处理 最后获得模型的多面 C A D数据 4 R e p e a t S t y l e 重新建模 R e p e a t S tyl e 也是一个逆 向工 程环境 可以用来 在多面即三角平面数据之上建立 曲面 C A D模型 也 可直接输入多 面 3 D数据进行 曲线 曲面建模 其 曲 线曲面建模方法非常灵活 同时又有多种 的建模方 法 如多面 3 D数据上建立投影 曲线 和曲面 创建和 拟合多项式 曲线和曲面等 3 在 P r o E中基于 不 同点云 的 0 建 模 方法 一 般产品外形看起来相 当复杂 逆向造型时感 到无从下手 但只要能合理地对产品进行分解 确定 产品结构的主要特征 分清哪些是规则基本特征 如 旋转 曲面 拉伸面 直纹面 扫描面 过渡 倒角等特 征 哪些是 自由曲面 特征 然后 充分 灵活地 利 用 P r o E逆向工程建模 工具 就能顺 利进行逆 向工 程 中的产品 C A D建模 1 规则基本特征的曲面建模 规则基本特征的曲面主要存在于一些普通的机 械产品 塑料制品 中 其特征建模 主要是根据所测 量的点云 从 中提取重要的基准点 建立基准线和基 准面 通过旋转 拉伸 扫描 混合 延伸等工具与正 向工程相结合进行 C A D模型的建立和修改 2 不规则 自由型曲面的建模 外观形状多由自由型曲线 曲面组成 的产品主要 是指如汽车车身 家电产品外壳等复杂不规则 曲面 产品 其共同点是必须保证 曲面光顺 曲面光顺从 直观上可以理解为保证曲面光滑而且 圆顺 不会引 起视觉上 的凹凸感 要保证构造 出来的 曲面既光顺 又能满足一定的精度要求 难点为曲线的构建 检测 和修改 而只有满足曲线光顺 曲面才能光顺 曲面 与点云的吻合精度主要靠关键特征线的提取和构建 精度来保证 3 5 3 1 利 用 P r o S C A N T O OL S和型 S t y l e 基本流程 加入共享点云数据一加入独 立几何 特征一基于点云和独立几何建立基准一根据基准建 立型曲线 和型曲面特征一合并曲面并填充实体 以电器中 的规则零件为例介绍其建立 过程如 下 1 选择新建模型零件 键入零件名并选择毫米 单位制模板 2 依次点击插入一共享数据一 自文件 选择产 品模型的点云文件 插入模型基准点 选择对应模型 点云的角点 点云数据和基准点 见图 1 c m 图 1 零件 点云 图 3 选择插入一独立几何 再选择几何一示例数 据来 自文件 进入输入原始数据对话框 选择高密 度单选按钮并选择系统坐标系 选择产品模型 的点 云文件 进 入原始数 据提取对话 框 分 别 以 R I G H T 和 T O P基准平行剥分点云 再从示例数据 中提取 曲 线 选择几何一 曲线一 自示例数据 选择边界曲线 并以此建立基准面 D T M1 D T M2 结果如图 2所示 OT M P l 1 I 一 l 一 l I I l J l 一 I I l I l r P n c I 6 图 2 在点云数 据中提取 的示例 数据 4 插入型特征 建 立相应型 曲线和型曲面 合 并型曲面并予以填充实体 也可以根据基准点和基 准面建立拉伸旋转等实体特征 然后进行倒角等处 理 其结果如图 3所示 3 2 单独利用 P r o S C 一 T O OL S 基本流程 插入独立几何并读人点云文件一对 生成 的示例曲线进行修改一创建型曲线一插入型特 征并建立型曲面 维普资讯 3 6 图 3零件实体 以人脸模型为例说 明其建立过程如下 1 同上新建零件模型并加入低密度或高密度 点云示例数据 2 点击修改按钮 进 入修改扫描对话框 对得 到的示例数据进行修改 删除误差较大 的点 连接 同一扫描线上 的曲线 得到 同一方 向的一组扫描曲 线 用同样方法得 到垂直方 向的另一组扫描曲线 并在几何菜单中基于示例数据建立型曲线 3 选择几何一 曲面一 自曲线 一次选择一个方 向的一组 曲线 单击中键 再选择另一方 向的一组 曲 线 生成 曲面如图 4所示 图 4 人脸 曲面 3 3 利 用 F a c e t F e a t u r e和 Re p e a t S t y l e 基本流程 插入小平面特征一读人点云文件一 对点云进行预处理并生成三角面片一修改和改进三 角面片一插入重新建模特征并基于三角面片建立曲 线 曲面 1 依次选择插入一小平面特征 进入点云文件 读取对话框 读人点云并进入点云处理模块 去除错 误点 降低噪音 也 可以精简点云 然后点击包络处 理 可以由点云生成零件的小平面特征 并进入小平 面处理过程 对小平面进行添加和删减 使之更类似 有零件特征 最后得到零件小平面特征如图 5所示 2 依次选择插入一重新造型 进入重新造 型处 理环境 分别 以 T O P F R O N T R I G H T为基准面 并选 择边界小平面定点绘制投影边 界曲线 再用 曲线拉 伸 曲面特征 然后分别将 曲面合并得到复合 曲面 见 图 6 最后 以同样方法建立其他曲面特征并合 并成 封闭曲面 工 具 技 术 图 5 零件小平面特征 图 6 零件的面组特征 4结语 对产品进行逆向工程设计时 首先应对产品形 状进行分析 区分 出规则曲面特征和 自由曲面特征 为提高逆 向精度 对于规则曲面可以实现产 品造型 的一般应尽量使用三坐标测量机获得其特征点和特 征线 而 自由曲面特征较多的产品应以光学扫描测 量机获得产品外形点云数据 然后进行处理和建模 其次 对于不 同点 云数据应采取 不 同的处 理方法 一 般少量特征点 和点列 数据应 以共享数 据或利用 P r o S C A N T O O L S读人 然后进行 特征建模 对 于 数据量大 的点云文件应利用 P ro S C A N T O O L S提取 或利用 F a c e t F e a t u r e小平 面特征读人 然后再利 用 相应的建模工具建模 另外 在逆 向工程建模时应 灵活交叉运用建模工具 参考文献 1 曹德权 唐定勇 P r o E N G I N E E R Wi l d fi r e 2 0曲面与逆 向工 程设计 北京 电子工业出版社 2 0 0 4 1 0 2 金涛 童水