彭廣威

株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系（湖南 株洲 412001）

基于逆向工程技術(shù)的鼠標殼造型設(shè)計

彭廣威

株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械工程系（湖南 株洲 412001）

逆向工程是一種全新設(shè)計與制造技術(shù)，采用逆向方法進行產(chǎn)品造型設(shè)計和模具開發(fā)，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量，進而建立自己的設(shè)計制造體系的重要手段。本文以了鼠標殼配合件為例，介紹了逆向工程技術(shù)3D造型的一般步驟和方法

鼠標殼； 逆向工程；Pro/E

引言

逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程、反向工程,是指根據(jù)測得的實物模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。在制造業(yè)領(lǐng)域內(nèi)，逆向工程有著廣泛的應(yīng)用背景，已成為產(chǎn)品開發(fā)中不可缺少的一環(huán)。逆向工程已經(jīng)成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術(shù)的紐帶,并成為消化、吸收先進技術(shù), 實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。逆向工程技術(shù)，為快速制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。逆向工程作為對已有產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)測量擬合、分析、改進、設(shè)計、實現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一種最佳手段，比從設(shè)計概念來完成產(chǎn)品的開發(fā)的正向工程要捷徑的多，因而可有效地支持新產(chǎn)品對市場的迅速響應(yīng)。利用逆向工程進行模具制造有如下途徑：

1、利用逆向掃描系統(tǒng)獲得點云數(shù)據(jù)，經(jīng)逆向工程軟件處理，在三維CAD軟件中進行造型，生成工程圖。依據(jù)工程圖，利用傳統(tǒng)方法制模具。

2、利用逆向工程系統(tǒng)獲得點云數(shù)據(jù)，經(jīng)處理，在三維CAD軟件中進行造型，以STL文件格式輸入快速成型機中，制作快速成型件，利用快速成型技術(shù)制作模具。

3、利用逆向工程系統(tǒng)，經(jīng)點云數(shù)據(jù)采集、處理，進行物體三維造型后，將文件轉(zhuǎn)換成數(shù)控機床所能識別的機代碼，通過數(shù)控加工中心直接進行模具加工。

本課題利用鼠標殼配合件的實物模型進行三維數(shù)據(jù)采集，在Pro/E中進行造型和優(yōu)化設(shè)計，最后完成注射模具的數(shù)字化設(shè)計。

1 零件數(shù)據(jù)采集

目前，用來采集物體表面數(shù)據(jù)的測量設(shè)備和方法多種多樣，其原理也各不相同。不同的測量方法，不但決定了測量本身的精度、速度和經(jīng)濟性，還使得測量數(shù)據(jù)類型的持續(xù)處理方法不盡相同。根據(jù)測量探頭是否接觸零件表面，數(shù)據(jù)的采集方法可以分為接觸式和非接觸式。在接觸式測量設(shè)備中，三坐標測量機(CMM)是應(yīng)用最為廣泛的一種測量設(shè)備；在非接觸式測量方法中，結(jié)構(gòu)光法被認為是目前最成熟的三維形狀測量方法。一般來說，三坐標測量機測量精度高，可根據(jù)工件形狀特點直接測量其特定的幾何特性，后續(xù)造型方便快捷，但測量速度慢。光學(xué)掃描儀速度快，但精度一般，且不易有測量陡峭面和復(fù)雜小平面的工件。

本項目測量物體為鼠標外殼，精度要求一般，外形平面較緩和，故采用光學(xué)掃描儀和游標卡尺結(jié)合進行數(shù)據(jù)采集。掃描儀采用北京博維恒信便攜式PCP系列三維光學(xué)掃描系統(tǒng)，主要部件包括三維相機(如圖1-a)及試樣旋轉(zhuǎn)臺(如圖1-b)。其原理是是將光柵條紋投影到物體表面，由CCD將拍攝到的條紋圖像輸入到計算機中，然后根據(jù)條紋按照曲率變化的形狀利用相位法和三角法等精確的計算出物體表面每一點的空間坐標（X、Y、Z），生成三維的可輸出色彩信息（R、G、B）的彩色面點云數(shù)據(jù)。

鼠標外殼分上下兩部分，配合精度要求較高，上殼外形曲面較復(fù)雜，下殼形狀簡單。打開旋轉(zhuǎn)臺控制軟件PCP及3D CaMega掃描軟件，調(diào)整好旋轉(zhuǎn)臺的距離并進行系統(tǒng)標注后，將鼠標上殼豎立用橡皮泥固定于旋轉(zhuǎn)臺上，拍攝4～5個角度的一組三維點云數(shù)據(jù)，如圖1所示。同組三維點云數(shù)據(jù)系統(tǒng)將自動進行拼接。再將上殼側(cè)立同樣拍攝4～5個角度的一組三維點云數(shù)據(jù)，掃描采集的點云數(shù)據(jù)以.XYZ文件格式保存。上殼掃描完成后，將下殼以同樣方法進行三維掃描。

2 掃描數(shù)據(jù)處理

2.1 數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換

以該公司自帶的CloudForm軟件對掃描點云數(shù)據(jù)進行簡單處理和格式轉(zhuǎn)換。先在CloudForm軟件操作窗口中導(dǎo)入所掃描的.XYZ格式的三維點云組，去除雜亂點，以.asc格式導(dǎo)出，每一組點去數(shù)據(jù)可導(dǎo)出為一個點云文件，如圖2所示。

圖1 PCP系列三維光學(xué)掃描系統(tǒng)

圖2 CloudForm點云處理和格式轉(zhuǎn)換

2.2 點云組拼接及網(wǎng)格化實體模型

利用Geomagic Studio軟件對鼠標殼.asc格式的多組點云進行拼接、封裝、曲面光順、和孔洞填充、邊界修補等處理。最后創(chuàng)建基準面、基準軸和基準點，將全局坐標與創(chuàng)建的各基準對齊，完成后的網(wǎng)格化三角面鼠標殼模型如圖3所示。完成后的點云數(shù)據(jù)以.STL格式保存，作為三維CAD軟件造型設(shè)計的數(shù)據(jù)。

3 Pro/E逆向造型設(shè)計

圖3 Geomagic處理后的網(wǎng)格化實體模型

圖4 逆向造型設(shè)計的鼠標上殼

圖5 逆向造型設(shè)計鼠標下殼

圖6 完成整體設(shè)計后的鼠標殼組件

鼠標殼為上下配合件，先完成鼠標上殼的逆向造型設(shè)計，再以上殼為基準件，在組件中進行下殼的造型設(shè)計。

3.1 鼠標上殼造型設(shè)計

鼠標上殼形狀較復(fù)雜，外形曲面的造型需充分利用Pro/E軟件的重新造型模塊和曲面造型工具，并且將逆向反求與正向造型相結(jié)合，提高模型重構(gòu)效率。

其造型基本方法為：新建鼠標上殼零件文件→插入Geomagic處理后的.STL格式的三角小平面特征數(shù)據(jù)→根據(jù)小平面特征創(chuàng)建構(gòu)造曲面的骨架線→外形曲面構(gòu)建及合并、曲面分析及調(diào)整→零件其它結(jié)構(gòu)特征創(chuàng)建。完成逆向造型設(shè)計后的鼠標上殼如圖4所示。

3.2 鼠標下殼造型設(shè)計

鼠標下殼形狀較簡單，其外形曲面和主要結(jié)構(gòu)特征可在零件模式下根據(jù)小平面特征進行創(chuàng)建，而與上殼的配合部分可在與上殼裝配后的組件中進行設(shè)計。在組件設(shè)計中，以上殼的配合結(jié)構(gòu)為參照基準創(chuàng)建下殼的配合結(jié)構(gòu)。完成造型設(shè)計后的鼠標下殼零件如圖5所示，上下殼裝配組件如圖6所示。

4 結(jié)束語

在整個逆向工程工作流程中，樣件的三維數(shù)據(jù)測量是基礎(chǔ)，也是逆向工程整個過程的首要前提。測量數(shù)據(jù)的好壞直接影響到原型CAD模型重建的質(zhì)量。數(shù)據(jù)處理是關(guān)鍵，從測量設(shè)備所獲取的點云數(shù)據(jù)，不可避免地會帶入誤差和噪聲，而且數(shù)據(jù)龐大，只有通過數(shù)據(jù)處理才能提高精度和曲面重建的算法效率。曲面重構(gòu)逆向造型是當(dāng)中最繁瑣最困難的一步，要求有一定的產(chǎn)品和工藝經(jīng)驗，準確地理解產(chǎn)品原型的構(gòu)造和功能，在進行解剖、消化和吸收的基礎(chǔ)上進行仿型設(shè)計和改進設(shè)計。

陳雪芳等主編. 逆向工程與快速成型技術(shù)應(yīng)用[M].北京：機械工業(yè)出版社.2009

彭廣威. 逆向工程技術(shù)及在模具制造中的應(yīng)用[J]. 模具工程. 2008.4

劉曉宇編著.Pro/ENGINEER逆向工程設(shè)計完全解析[M]. 北京：中國鐵道出版社. 2010

Style Design of Mouse Shell based on Reverse Engineering

PENG Guang-wei
(Zhu- Zhou Professional Technology College, Zhu Zhou, Hunan 412001)

As a new method of design and manufacture, Reverse Engineering Technology is an important approach used in the Product Style Design and the Development of Mould to shorten the period of exploitation，improve the quality of product and fi nally set up own system for design and manufacture. In this article, the procedure and method of reverse engineering are presented by using mouse shell fi tting piece.

Mouse Shell Reverse Engineering Pro/E

TQ320

彭廣威(1975-),男,碩士，講師。研究方向：模具設(shè)計與制造