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内容简介：

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/ EJia ZhixinChen JunhuaT ong Senlinet alAbstract : The methods and stepsof reverse engineering based on Pro/ Etechnology in RE are introduced with detail measur2ing examples by using CMM.Keywords :reverse engineering ,Pro/ E,three dimension coordinate measure machine ,3D modeling1 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 61514)。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 CAMIOStudio ,基 于DMIS ( Dimensional Measuring IndustryStandard)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 Tech2nology 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/ DE2SIGER(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/ fromfile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 blendSurface ,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EditSolidfy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 setupRenderControl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/ fromfile ,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 梁佳洪.逆向工