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2.基于逆向工程的机械产品造型设计
基于逆向工程的机械产品造型设计 付 伟，张 海，龚志远 （华东交通大学机电学院，南昌330013） 摘要：利用激光扫描仪，以Surfacer、Pro/Engineer、Mastercam为软件平台，以煤矿机械常用的 轮辐为例，介绍了基于逆向工程实现模型重建过程和方法。
阐明了逆向工程技术应用的一般程序、技巧以及常见问题的解决。 关键词：逆向工程；激光扫描仪；产品造型 Design of Machine Produce Based on Reversing Engineering Technology FU Wei,ZHANG Hai,GONG Zhi-yuan (East China Jiaotong University, Electromechanical Department, Nanchang 330013,China) Abstract:Introduces the processes and methods to restructure product based on inverse engineering technology by utilizing laserscanner and Surfacer,Pro/Engineer,Mastercam. Given an example of spoke appeared in colli- ery machine, illustrate the proceeding, the skills and the solutions frequently aboutthe application of reversing engineering technology. Key words:reverse engineering; laser scanner; design of machine produce 0 前言 在快速模具设计与制造中，人们常常针对现有 实物（样品或模型），利用激光扫描仪（或3D数字化 测量仪）准确、快速地测量轮廓坐标数据，然后建构 曲面，编辑、修改后，再传至一般的CAD/CAM系统， 由CAM所产生刀具的NC加工代码送至CNC加工 机床制作所需模具，或者送到快速成型机（Rapid Prototyping）将样品模型制作出来，此流程称为逆向 工程。
逆向工程主要包括2方面内容：数字化技术和 曲面重建技术。数字化技术是指实物或模型数据的 采集；曲面重建是指根据离散数据，在CAD软件里 构建曲线、曲面，从而建立三维模型。
利用逆向工程进行三维曲面造型的步骤一般 是：首先获取点云数据，然后在点云中提取特征，构 建特征曲线，再分割面域，最后建构自由曲面。 产品不单单是功能要先进，外形也有很高的要 求。
近年来在3D CAD软件普及的带动下，工业设 计越来越侧重于产品的外观造型。设计师们先通过 手工方式塑造出模型，如蜡模、木模等，然后再以三 维测量工具测量数据，最后由CAD软件生成自由曲 面。
在没有图纸且产品或模型比较复杂的情况下， 采用传统的测量技术已经远远不能满足要求，而采 用逆向工程，则可以大大缩短设计与制造加工周期， 而且精度更高。 以煤矿机械常用的轮辐为讨论对象，利用激光 扫描仪测出轮辐曲面的若干数据，通过Surfacer逆向 工程软件进行数据处理，然后输出到Pro/Engieer进 行3D造型并分模，形成模具型腔，最后转换到Mas- tercam编写程序，后处理后生成加工代码。
1 数据的获取及处理 首先使用Roland激光扫描仪，并采用Roland自 带的测量软件Dr.Picza3进行数据扫描测量。把实 物放到激光扫描仪里，找一个比较好测量的基准面 做定位面，设置一些相应的参数，然后点击“扫描”选 项，激光扫描仪就能自动记录下所获取的曲面点云 数据并保存在计算机里。
在扫描的时候，测量点距 越小，所获得的点云数据就越逼近于所测量的实物 表面，但相应的，扫描时间也更长。点距设置的大小 主要取决于机器的精度及实物所要达到的要求。
Roland激光扫描仪可以达到最小精度是0.05 mm的 间距，完全能达到一般模具设计要求。 在测量的时候，由于激光扫描仪存在着扫描“死 点”，或是零件形状复杂，所以有一部分的曲面数据是 无法一次性扫描得到，这就需要移动或旋转零件，这 样才能得到完整的数据，然后以SEC的格式输出。
输 出的点云经Surfacer利用诸如圆柱面、球面、平面等特 殊的点信息将点阵准确对齐。由于轮辐是中心对称 零件，为了减少扫描以及后续点云处理时间，选用了 其中约1/4的部分进行扫描，最后造型后进行模型变 换和整合处理。
扫描后的点云数据如图1。 接着需对离散点数据进行过滤处理，借助对点 阵进行判断，去除噪声点（即测量误差点）。
首先用 Point \ Extract Point \ Circle \ Select Points命令过 滤掉，对点数据进行优化，删除一些不必要的数据 点。 图1 扫描后的点云数据 Fig.1 Point cloud data by scanning 值得注意的是，在设计过程中，除了噪声点外也 并不是所有的点都是要选取的。
因此，在确定基本 曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的， 哪些点或线是一些细化特征，需要在以后的设计中 用到的，而不是在总体设计中就体现出来的。事实 上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后， 测量实体模型并结合扫描数据生成的。
同时应尽量 选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。 由于扫描后的点云数据是杂乱无章，所以需要 对点云进行处理，用来确定轮辐的外观轮廓线及主 要的轮廓线。
处理后的点云数据略。 在实际设计中，目前专门的逆向工程设计软件 还存在着较大的局限性。
在机械设计领域中，集中 表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱； 建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成 化程度低等问题。在具体工程设计中，一般采用几 种软件配套使用、取长补短的方式。
所以合成及处 理后的点云以IGS格式输出到Pro/E进行光顺。
3.逆向工程在整形医学上的应用
针对自由曲面逆向工程的再设计，提出了区域性再设计方法。
此方法的思想是通过调整1个控制点，使得一定区域内的多个控制点按照某种规律随之变化，从而可以实现曲面再设计的要求。基于此思想，给出了区域性再设计方法的理论推导，并进行了实例仿真验证。
自由曲面逆向工程的再设计的目的是在实现实物自由曲面真实再现的基础上，进行修改、优化等再设计，从而形成最终的可以利用的结果数据输出零件表、材料单或数控加工代码的指令等，最终得到可以投放市场的新定型产品…。其内涵超出了实物模型仿制的发展阶段，意在创新。
很多学者对再设计逆向工程进行了研究，以便促进逆向工程在工业应用中的进程。笔者从工程实际应用出发，为了方便实现实物计算机模型的进一步修改、优化等再设计，针对自由曲面逆向工程的再设计提出了一种区域性再设计方法。
1区域性再设计方法 1.1问题的提出 自由曲面逆向工程中重构曲面的实现常采用的方法是NURBS曲面重构法。基于NURBS曲面重构法的再设计方法，理论上可以归结为通过改变控制顶点、权因子以及节点向量三者中任何一个或多个，都能够实现对曲面的修改、优化等再设计。
实际上，为了便于交互式操作和基于直观性的考虑，主要表现为对控制点的改变。 针对NURBS曲面重构法中控制顶点分布比较密集，而需要修改的曲面范围和曲面调整幅度相对较大的情况，提出了通过区域性修改控制顶点来实现NURBS曲面的交互性再设计的方法，避免了因仅仅修改单一控制顶点可能会引起的尖点等不良的现象。
若分别修改多个控制顶点，增大了交互操作复杂性，也会导致曲面形状难以控制。 1.2区域性再设计思想 区域性再设计的基本思想是：当控制顶点分布比较密集，曲面局部修改量的变化趋势可以用解析式准确或近似表达时，交互选中要修改设计曲面域内的一个控制顶点，控制该区域形状变化的其他一些控制顶点也将随之呈一定的规律变化，从而使得区域性的曲面形状发生改变。
其中，交互选中的控制顶点被称为主修改控制点，或称为中心控制点；那些决定随之变化的控制顶点称为随动控制点，其所在的控制网格区域称为主控制顶点的作用域（或影响域）。 主修改控制点的选择可根据要修改的曲面变化中心来确定，即把主修改控制点近似作为作用域的中心。
作用域的范围根据曲面修改的范围或约束条件确定，其形状可以是自定义的几何形状，也可以是根据判断符合约束条件决定的随机性形状。 方法推导过程中，作用域的选择是基于单值曲面的，即将曲线投影到—l，坐标平面，每一对（，Y）坐标对应唯一的值，如图1示意，图1a）为需要再设计的曲面，并进行了渲染的结果，图ib）为其投影图，投影面上的点为控制点的投影。
在投影面内自定义的作用域形状根据需要可以是圆形、矩形和椭圆形等作用域，作用域投影的中心是主修改控制顶点的投影。但是当曲面是二值的，投影法的作用域选择也可适用。
可以将用户坐标系的原点建立在二值曲面中心，同时投影域根据值设置为矢量投影形式，从而避免作用域的混淆。随动控制点的变化幅度由主控制顶点的变化幅度和变化规律决定，变化规律的选择可以依据原曲面的形状和欲得到的形状确定，如主修改控制顶点和随动控制顶点的变化幅度关系可以是直线型、抛物线型和双曲线型等关系。
针对图1，选择影响域是以主控制点为中心的圆形域（如图2a）所示），控制点间的变化规律为直线型关系。图28）中的‘点为主控制点在投影面上的投影，圆形所包含的范围为圆形影响域。
b）为按照直线型规律变化的控制点及其控制生成的曲线，‘点仍为主控制点，‘■’点为影响域内随着主控制点按照直线型规律变化后的控制点，‘一’点所控制的曲线为变化后生成的曲线，‘●’点为原曲面控制点，所控制的曲线为原曲线。 设投影面内的圆形影响域的半径为R，主控制点为d，坐标的变化量为（，△y，），变化后的主控制点为di，，变化矢量为△，，；影响域内控制点也称为随动控制点为d，变化后的随动控制点为dl：，变化矢量为Adm；变化关系为直线型Ad¨=k·Ad+b,b为常量，k为变化比例系数。
为了保证影响域边界上的点及边界外的点变化为0，本例中设b=0,k=(R—r)/尺，其中，r为随动控制点到主控制点的投影距离。则随动控制点Ad：每个的坐标变化量为 从式（1）可以看出，随动控制点的位置和主控制点变化量与随动控制点和主控制点的距离密切相关。
图3为建立在圆形影响域上的直线型变化规律的示意图，坐标轴△dl，为影响域内控制点变化量，坐标轴△试。为主控制点的改变量，坐标轴r为随动控制点与控制点的距离。
再设计后的结果如图4所示，a）为再设计后的控制网格形状，b）为再设计后的曲面，并进行渲染的结果。 转贴于 中国论文下载中心 2实例仿真验证 在实例仿真验证中，以医学整形技术为逆向工程应用背景，选择人体上半身的重构曲面进行再设计。
根据需要及身体表面结构特点，选择圆形域为影响域，直线型为变化关系。再设计结果如图5一8所示。
对人体进行再设计时，主控制点的圆形影响域的范围即投影。
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