曹丙起 曹玥 （天津天鐵集團(tuán)天鐵軋二制鋼有限公司，天津 300400)

使用外部參照進(jìn)行曲面抱緊機(jī)構(gòu)的逆向工程

曹丙起 曹玥 （天津天鐵集團(tuán)天鐵軋二制鋼有限公司，天津 300400)

介紹了使用外部參照進(jìn)行曲面抱緊機(jī)構(gòu)逆向工程的設(shè)計(jì)理念，著重闡述了利用Pro/E軟件進(jìn)行逆向工程的操作步驟，包括：數(shù)據(jù)采集、使用跟蹤草繪、插入圖片與實(shí)際比例擬合、創(chuàng)建模型等程序。并用運(yùn)動仿真的方式選擇相關(guān)的分析類型，對完整的曲面抱緊機(jī)構(gòu)驗(yàn)證其結(jié)果的可靠性。同時還分析了逆向工程的優(yōu)勢和存在的問題。

抱緊機(jī)構(gòu) 逆向工程 軟件 技術(shù) 體系 模型

1 引言

隨著電子計(jì)算機(jī)的發(fā)展，現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法也日趨多樣化，利用先進(jìn)的CAD／CAE工具對機(jī)械系統(tǒng)開展研究已成為一種趨勢，而逆向工程就是一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和制造方法。本文從逆向工程的一方面進(jìn)行闡述，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)機(jī)構(gòu)與零件的測繪。

2 所謂逆向工程

逆向工程（Reverse Engineer，簡稱 RE)也稱反求工程、反向工程等，其思想最初來自從油泥模型到產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)過程。作為消化吸收先進(jìn)技術(shù)的一種手段，從20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開始引起各國工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視，特別是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展，利用CAD/CAE/CAM技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程，已成為逆向技術(shù)應(yīng)用的主要內(nèi)容。逆向工程與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)方法不同，它根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行剖析和改進(jìn)，是對已有產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)。逆向工程的主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設(shè)計(jì)及加工分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用CAD/CAE/CAM技術(shù)對已有的產(chǎn)品進(jìn)行再設(shè)計(jì)服務(wù)。

3 逆向工程軟件的選擇

逆向工程中CAD模型重建的核心是：通過對測量數(shù)據(jù)的處理，提取模型所需的表征零件形狀特征的數(shù)據(jù)?；谔卣鞯哪Ｐ椭亟ǖ难芯恐饕性谔卣髯R別，包括邊界曲線和曲面，研究對象主要是規(guī)則特征。逆向工程軟件是實(shí)現(xiàn)反求設(shè)計(jì)的主要操作工具之一。行業(yè)內(nèi)常見的專用逆向工程軟件有很多，如Imageware、Parafrom、Geomagic等，此外還有很多集成了逆向功能模塊的大型CAX軟件，如PTC公司的Pro/ENGINEER、西門子公司的UGS等，本次設(shè)計(jì)含蓋流程較多，單一逆向軟件無法勝任，而軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換勢必會對模型驅(qū)動參數(shù)的可操作性造成影響，Pro/ENGINEER是當(dāng)今最為普及的3D CAX設(shè)計(jì)系統(tǒng)，它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、模具開發(fā)、NC加工、鈑金設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動測量、機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、仿真、CAE分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫管理、協(xié)同設(shè)計(jì)開發(fā)等功能于一體，可全程完成本次設(shè)計(jì)，故選擇該軟件進(jìn)行闡述。

4 廣意逆向工程的技術(shù)體系

逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)為：數(shù)據(jù)的采集與處理，即數(shù)字化技術(shù);曲面構(gòu)造，即建模技術(shù)。輔以其他方法構(gòu)成逆向工程的技術(shù)體系，如圖1所示。

圖1

5 數(shù)據(jù)的采集

數(shù)據(jù)的采集方法有很多，常用的測量數(shù)字化設(shè)備有：三維坐標(biāo)測量機(jī)、激光測量儀、工業(yè)CT和逐層切削裝置等，這類專業(yè)化設(shè)備對于一次使用而言，采購成本過大，不適合本次設(shè)計(jì)，結(jié)合目標(biāo)結(jié)構(gòu)曲面復(fù)雜程度和空間特性考慮，本次采用“外部參考方式”作為逆向工程思路，它成本低——普通的數(shù)碼相機(jī)就能勝任，而在處理以平面結(jié)構(gòu)為主的零件時，其優(yōu)勢不遜色于任何測量機(jī)。而在業(yè)界，使用圖象作為曲線參照來構(gòu)建曲面已成為反求設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)——通過工藝美術(shù)師的手繪，進(jìn)而得到產(chǎn)品的實(shí)際模型。在Pro/E中使用的2D圖片主要指產(chǎn)品外觀的美工圖、直接臨摹繪制出的曲線等，通過捕捉其上面的關(guān)鍵位置點(diǎn)、線，重建這個模型或以此為參考創(chuàng)建另一個模型。這樣的流程，非常適用于工業(yè)設(shè)計(jì)、逆向工程造型設(shè)計(jì)等方面。但是，本次測繪的設(shè)備并非工業(yè)產(chǎn)品，對設(shè)計(jì)參數(shù)有較為嚴(yán)格的要求，使用“外部參考方式”求解的情況并不常見，這也正是本文研究和探討的方向。使用數(shù)碼相機(jī)獲取的部分外部參考如圖2所示。

6 創(chuàng)建模型

將草繪擬合至某個視圖是用草繪創(chuàng)建良好模型集合過程中非常重要的一步。在開始跟蹤曲線前，擬合草繪可保證正確定位和縮放幾何。為了擬合草繪，必須確定原點(diǎn)并指定草繪比例。

6.1 使用跟蹤草繪

圖2

新建文件后，首先進(jìn)入造型模式，執(zhí)行菜單欄中的“造型>跟蹤造型”命令，打開“跟蹤草繪”對話框。在“文件”菜單中的“打開場景”和“打開草繪”命令可以打開草繪文件或場景文件。在“草繪”菜單中有多個命令，將某草繪插入到一個視圖中，首先選取該視圖，然后單擊“+”按鈕。該操作也可以替換視圖中任何現(xiàn)有的草繪，如圖3所示。

圖3

注意：在進(jìn)行跟蹤草繪之前，要先定下比例尺，可以根據(jù)零件的實(shí)際長度做一條或多條草繪直線限定，也可以在拍攝的時候置入“比例尺段”，兩種方式都是可行的，本次設(shè)計(jì)在進(jìn)行中都做了準(zhǔn)備，而闡明過程則選用前者——畫好實(shí)際長度來限定外部參考圖形的尺寸和位置，如圖4所示。

圖4

6.2 插入圖片并且與實(shí)際比例擬合

在“跟蹤草繪”對話框中單擊一個要插入圖片的視圖，在彈出的“打開”對話框中選擇要打開的文件，然后單擊“打開”按鈕，此時圖片被插入到了指定的平面，而跟蹤草繪對話框中的選項(xiàng)已經(jīng)被激活。在“擬合”選項(xiàng)區(qū)中有兩個擬合方式：“水平”與“垂直”。在圖片上會出現(xiàn)幾條黃色的標(biāo)線，可以直接拖動，如果在文本框中輸入了數(shù)值并單擊“擬合”按鈕，標(biāo)尺距離自動縮放至輸入的數(shù)值。對于標(biāo)有尺寸的圖片，擬合能讓圖片精確地縮放，首先拖動標(biāo)桿到尺寸標(biāo)準(zhǔn)箭頭處，然后輸入擬合尺寸，單擊“擬合”按鈕后即可完成縮放;本例沒有原始的工業(yè)設(shè)計(jì)稿，只能通過步驟1中的草繪尺寸線進(jìn)行擬合，可以看到藍(lán)色的草繪線條已經(jīng)限定了外部參考的尺寸和位置，如圖5所示。

圖5

6.3 屬性調(diào)整

打開“屬性”選項(xiàng)卡，其中有多個可調(diào)整的項(xiàng)目。

6.3.1 透明

透明度的范圍在“0～100”之間，通過調(diào)整轉(zhuǎn)輪來控制?！?”表示完全不透明“，100”表示完全透明。系統(tǒng)默認(rèn)為半透明。至于設(shè)置的數(shù)值，需視圖片情況而定。

6.3.2 旋轉(zhuǎn)

旋轉(zhuǎn)角度范圍是“-180°～180°”，旋轉(zhuǎn)中心在圖片上的原點(diǎn)，而不是模型坐標(biāo)系原點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)中心在藍(lán)色交叉線的交匯處，可以用鼠標(biāo)隨意拖動。根據(jù)右手定則，正值為逆時針旋轉(zhuǎn)，負(fù)值則是順時針旋轉(zhuǎn)。

其次，要保持農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的良性循環(huán)。在鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略實(shí)施的過程中，更要把精力投入到保持農(nóng)村生態(tài)環(huán)境的治理當(dāng)中。良好的生態(tài)環(huán)境既是新時期農(nóng)村風(fēng)貌體現(xiàn)，更是維持農(nóng)村長期發(fā)展的前提，是十九大精神明確指出的具體要求。

6.3.3 移動

移動分為H（水平)、V（垂直)兩方向，這兩個方向與擬合時的兩個方向相同。

6.3.4 縮放

和“移動”方式類似，“縮放”功能也可用于調(diào)整H、V方向的尺寸。不同的是：“移動”方式調(diào)整的是整個圖片對于所處平面的位置，而“縮放”方式調(diào)整的是圖片自身的尺寸。

6.4 建模

建模過程所涉及的是Pro/E最基礎(chǔ)最底層的知識，這里不做贅述。需要指出的是，描點(diǎn)過程中，盡量圓整尺寸，使零件外型盡可能的符合原始設(shè)計(jì)意圖。最終實(shí)體如圖6所示。

圖6

7 進(jìn)行運(yùn)動仿真，以驗(yàn)證結(jié)果的可靠性

所有零件實(shí)體模型完成后進(jìn)行裝配，然后對完整的機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動分析，Pro/E可進(jìn)行的分析類型有位置分析、運(yùn)動分析、動態(tài)分析、靜態(tài)分析、力平衡分析等等，本次設(shè)計(jì)選取了其中幾種分析類型來驗(yàn)證機(jī)構(gòu)的合理性和逆向工程數(shù)據(jù)的可信性，這里也不做過多闡述，只截取開、合二裝狀態(tài)的圖片表明結(jié)果是可靠的。其實(shí)體如圖7所示。

圖7

8 結(jié)語

8.1 逆向工程的優(yōu)勢

與CAD/CAM系統(tǒng)在我國幾十年的應(yīng)用時間相比，逆向工程的應(yīng)用前景已經(jīng)為大多數(shù)的工程技術(shù)人員所關(guān)注，這對提高我國制造行業(yè)的整體技術(shù)水平進(jìn)而提高產(chǎn)品的市場競爭力具有重要的推動作用。目前，逆向工程技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢主要有以下幾個方面：

（2) 以實(shí)物模型作為設(shè)計(jì)依據(jù)（即本文所述);

（3) 藝術(shù)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。

8.2 逆向工程技術(shù)存在的問題

目前逆向工程的研究受到廣泛重視，是CAD/CAM研究的熱點(diǎn)。但是其技術(shù)仍在發(fā)展中，還存在許多問題有待解決。通過本次設(shè)計(jì)，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，綜合來看仍存在下列問題：

8.2.1 對實(shí)物外型的測量仍存在誤差和遺漏

測量過程仍是一種無指導(dǎo)的行為，例如本次設(shè)計(jì)中使用數(shù)碼照片作為外部參考，不可避免要存有景深，特別是大型零件問題尤其突出，如何在建模過程中抵消這些影響最終數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的不利因素，目前還沒有十分有效的方法，只能通過工程技術(shù)人員的經(jīng)驗(yàn)予以干涉，盡可能的達(dá)到最優(yōu)解。

8.2.2 工具購入成本較大，通用性較差

首先需要有足夠的資金選配出合適的逆向工程設(shè)備，包括軟件和硬件。對具體的流程，多數(shù)企業(yè)和研究單位只能選配一種方式的設(shè)備和軟件，如選擇接觸測量和非接觸測量等。由于不同的測量方法和設(shè)備包括軟件都具有其特點(diǎn)和不足，適用于不同的應(yīng)用范圍，使技術(shù)的通用性受到一定限制。

8.2.3 人員專業(yè)性很強(qiáng)

逆向工程技術(shù)的應(yīng)用仍是一項(xiàng)專業(yè)性很強(qiáng)的工作，各個過程都需要要專業(yè)的人才，需要經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，特別是對三維重建人員有更高的要求（本次設(shè)計(jì)并沒涉及到高難度的三維重建，如復(fù)雜的注射件)。除了要了解產(chǎn)品的特點(diǎn)、制造方法和熟練CAD軟件、逆向造型軟件外，還應(yīng)熟悉測量設(shè)備，了解數(shù)據(jù)特點(diǎn)。

8.2.4 CAD軟件功能有待完善

盡管現(xiàn)在已有多種專用的逆向工程軟件進(jìn)入市場，但目前軟件的數(shù)據(jù)處理技術(shù)、造型技術(shù)仍不完整。模型質(zhì)量的高低仍直接受操作者的經(jīng)驗(yàn)、水平影響。

[1]張國亮.Pro/ENGINEER中文野火版逆向工程專家實(shí)例精講[M].北京:中國青年出版社,2007.

[2]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版動態(tài)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[2]林清安.Pro/ENGINEER野火4.0中文版工程圖制作[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

Reverse Engineering Implementation of Curved Surface Holding Mechanism by External Reference

Cao Bingqi,Cao Yue

The paper introduces the design concept of the reverse engineering implementation of curved surface holding mechanism by external reference with emphasis on the operation procedure of reverse engineering on Pro/E software.Firstly,data are collected and a draft is plotted by tracking.Then relevant graphics are inserted in practical scale to establish a model.The relevant analysis type is selected by motion simulation mode.Finally the reliability of the complete curved surface holding mechanism is tested.The paper also analyzes the advantages and existing problems of reverse engineering.

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（收稿 2010－05－24 責(zé)編 趙實(shí)鳴)

曹丙起，工程師，1983年畢業(yè)于天津大學(xué)機(jī)電分校機(jī)械制造工藝與設(shè)備專業(yè)，現(xiàn)任天津軋二制鋼有限公司副總經(jīng)理，主管設(shè)備工作。