基于逆向工程的产品模型重建

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摘要 本文明确逆向工程的定义及在实际运用中广大前景，其关键技术为数据的获取、处理与曲面、几何体构建。文中以UG软件为建模工作平台，小熊三维实体构建为项目，通过PCDIMS软件在三坐标测量机的测量方法、操作步骤及测量数据的计算处理等完整地介绍了逆向工程的工作流程。

关键词 逆向工程；建模；测量数据

中图分类号TB472 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2010）33-0187-03

Based on the Reverse Engineering of Product Model Reconstruction

0 引言

传统的正向产品造型设计，一般是对市场进行调研并确定了大量需求信息后，由设计人员分析、构思产品模型的概念，草绘出产品零件平面图，进行必要的设计计算与校核，形成产品稍完整的设计方案后，着手完成三维简单几何造型，再根据需要绘制效果图、三视图或试做简易的实物模型。传统的正向设计流程存在以下问题：设计人员的工作量大，设计产品的周期长；实际过程中，难以对设计的产品随时修改调整；设计要求不易表达或控制，精度低、效果差、成本高。

逆向工程技术较好体现了现代化工业产品造型方式，有效地解决了上述所存在的问题，成为工业、科研、国防等领域内产品进行设计制造的主流技术。

1 逆向工程

“逆向工程”（Reverse Engineering, RE）,也称反求工程、反向工程等。目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，利用计算机辅助制造（CAM）、快速原型制造和快速模具（RPM/RT）、产品数据管理（PDM）及计算机集成制造系统（CIMS）等先进技术对其进行处理或管理。在这一意义下，“实物逆向工程”（简称逆向工程）可定义为：逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关的数字技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，现对一个小熊蛋糕壳进行逆向工程的模型重建。

2 路径规划与测量扫描

测量路径是测头的运动轨迹，建立测量路径的目的是为了有序、快速、高效地探测分布在元素表面的各个实际点的坐标，并保证在检测过程中测头与工件或其他物体不发生碰撞。在设计测量路径时，主要应考虑以下几个方面：首先是安全，即从本测点移到下一测点的途中，测头不与工件发生干涉；其二是路径短、速度快，即根据坐标测量机的加减速特性，测头能以最短的时间到达下一测点；其三是行走路线自然。

2.1校验测头文件

1）校验测头的目的

（1）计算球心相对于测量机机器坐标系零点的位置

测量机本身有一个机械原点，而标准球的球心相对于测量系统的参考原点；为保证测量机的机械坐标原点与测量系统的参考原点之间保持正确的确定关联，测头在测量的过程中，每旋转过一个角度后都要重测标准球，而测量软件则计算出每个旋转后的位置上，测头与测量机坐标原点之间的相互位置关系，使测量工作在不断的变化空间位置时，仍具有不变的测量基准。只有这样，才可能在测量过程中直接使用所需要的测头角度数据。

（2）标定测头

所谓标定测头，就是用测头去探测标准球，得到测头的等效直径。由于测杆和标准球表面的变形，及测头在长时间测量使用后被磨损等原因，测头的等效直径并不等于它的实际直径，为保证测量的精度需标定测头，计算出实际测头的等效直径。

2）操作方法及步骤

（1）定义测头文件，在文本框“测头文件”一栏中

填入“88”，建立名字为88的测头文件（图1所示）。

（2）定义测头系统，在“测头说明”下拉菜单中选当前测量机上使用的测头系统：测座（PROBE）PH10MQ、转接（CONVERT）PAA1、传感器（PROBE）TP200、测杆（TIP）PS17R（4×20mm）。根据Z轴以下的实际配置，从图1 测头文件测座开始由下拉菜单中选择。此时，在右边窗口会有相应的图形出现，可以在此进行查证、对比直到整个系统配置完毕。

2.2 建立坐标系

在未建立坐标系前，所采集的每一个特征元素的坐标值都是在机器坐标系下。通过一系列计算，将机器坐标系下的数值转化为相对工件检测基准的过程称为建立零件坐标系。PCDMIS建立坐标系提供了两种方法：“3-2-1”法、迭代法。

对于该零件利用3-2-1法建立坐标系：由于小熊零件为对称的，Y轴在图形的中心线上，X、Y轴的零点落在对称轴中点。Z轴正方向由“平面1”的法线矢量确定，Z轴的零点落在“平面1”上。

操作方法及步骤：

1）采集特征元素：在功能块上的平面手动测量平面1；

2）找正：在菜单中选“插入――坐标系――新建坐标系”打开建立坐标系功能对话框，在特征元素列表中选“平面1”，然后选择第一个坐标轴为Z正，点击“找正”按钮，此时通过平面1的法线矢量确定了第一个轴向――Z正；

3）测量直线1；

4）旋转：在确定第二个轴向时，是围绕已确定的第一个轴进行旋转，旋转到直线1的位置，确定第二个轴向。在特征元素列表中选直线1，然后选“围绕Z正”“旋转到X正”，点“旋转”；

5）平移：在特征元素列表中选“直线1、直线2”，在原点处选“X、Y”点击“原点”按钮，X、Y的零点平移到原点，然后选择“平面1”，去掉X、Y选勾，选中“Z”，点击“还原”，Z轴的零点平移到“平面1”上。点击“确定”。至此，运用3-2-1法建立了一个零件坐标系。

2.3 扫描

扫描时需要进行测量规划，测量规划要考虑的一个重要问题就是既满足必要性又满足充分性，从而用最少的点数据重建出满足精度要求的模型。通过适当的规划可以尽可能的减少测量工作。分区的量的边界划分取决于物体自身的几何形态，也取决于造型软件所提供的造型功能。分区过大，会造成无法精确表示曲面的各个部位；分区过细，会造成更多的拼接问题，影响重建模型的整体效果。

对于所需要测量的小熊模型的测量规划：因为小熊是对称的，所以需要定出小熊的中心线，采用开放路径来扫描；小熊的底面一周采用闭合路径扫描；其他表面如小熊的腿、头等采用片区扫描。具体操作步骤如下所示：

1）开放路径的扫描

（1）确认当前模式为DCC模式；

（2）打开扫描对话框将光标放在“边界点”1位置，手动方式是工件上测量三点，此三点分别为，起始点、方向点、终止点；

（3）设定“最大增量”为2，即测点间距最大为2mm一个点；

（4）设定“起始矢量”PCDMIS会根据用户测量的点或选取的点，自动生成矢量，如果食量不合适，用户可以根据各参数的含义进行适当修改；

（5）设顶“标称值”为“查找标称值”；

（6）设定“执行”为“常规”；

（7）选取“自动移动”设定自动移动的距离为：10mm；

（8）点击“创建”PCDMIS开始进行自动扫描。

2）闭合路径扫描

（1）确认当前模式为：DCC模式；

（2）打开闭曲线“扫描对话框”；

（3）将光标放在“边界点”1位置，手动方式在功能块上测量两点，此两点分别为起始点（同时为终止点）、方向点在圆周上进行扫描；

（4）设定边界，手动方式在零件上选取边界；

（5）点击“创建”，PCDIMS开始进行自动扫描。

3）进行片区扫描

（1）确认当前模式为DCC模式；

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（2）打开片区“扫描对话框”；

（3）将光标放在“边界点”1位置，手动方式在功能块上测量一系列点，这些点形成一个多边形区域，分别为起始点、方向点及边界点；

（4）设定方向1方法中的“最大增量”为2，即由起始点沿方向点方向扫描时测点间距最大为2mm一个点；

（5）设定方向2方法中的“增量”为5，即扫描线之间的间距为5mm；

（6）设定 “起始矢量”PCDMIS会根据用户选取的点或测量的点，自动生成矢量，如果矢量不，可合适以根据各参数的含义进行适当修改；

（7）设定“执行”为“常规”；

（8）点击“生成”按钮，PCDIMS会自动在模型上查找扫描路径；

（9）点击“创建”，PCDIMS开始进行自动扫描。通过开放路径、闭合路径和片区的方法，扫描到的小熊模型图形如图2所示。

图2扫描图形

3 产品重建

首先将三坐标测量所得的数据用IGES转换到UG能够打开的文件，用UG打开此文件时桌面显示的是被测体表面上的众多个点，如图3所示。

再根据这些点的分布将其分成块，用点云的方式将这些块生成不同的曲面。由于测量的误差和局部的测量不完整，对生成曲面增加了困难。但是由于各个曲面是独立的块的形成，每一个片体都是独立的，只要对独立的片体进行操作便简单化了。笔者先用“艺术样条”将扫描到的点根据扫描的路径连接成样条线，再用扫描选择相应的引导线串和截面线串即可生成一个片体了，也有的片体是用“直纹面”或“通过曲线”的命令来生成片体的。由于测量的误差，测量的点并不在一个平面上，在用“N×N截面”命令来生成片体时，片体也不是平面，所以没有用此命令。而没有测量到的点的曲面可以利用已测量的两边的曲面进行“桥接”便可生成，较小的可以用“缝合”的操作将其连接。

各个块的曲面生成以后，用“缝合”的方法将所有曲面连成一体，这样半个小熊的片体模型就已经生成了。然后选择“编辑”里的“变换” ，选择半个小熊片体，按“确定”后桌面弹出对话框，选择“通过一直线镜像”，选择“两点构成一直线”，选择任意中线上的两点即可。

完成镜像操作以后小熊片体模型即已形成。但模型形成后片体间有线，这些线条影响了小熊片体模型整体外观。只要将可视化工具条中的面的边命令取消即可，可以得到图4所示的片体模型。

4 结论

通过逆向工程所得到的小熊模型，可以对重构的模型进行在线精度分析、评价构造效果、对于外形不有缺陷的地方进行修改等，并且提高了效率和制作过程，而传统的正向工程就有所限制。逆向工程把三坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床有机而又高效地结合在一起，成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。

参考文献

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[2]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003：38-57.

[3]黄诚驹，李鄂琴.逆向工程项目式实训教程[M].北京：电子工业出版社，2004：13-18.

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