李 碩，肖書浩，管維龍

（華中科技大學(xué) 武昌分校機(jī)電與自動(dòng)化學(xué)院，武漢 430064）

0 引言

逆向工程指的是根據(jù)現(xiàn)有產(chǎn)品的物理模型，利用三坐標(biāo)測量機(jī)獲取模型表面的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，構(gòu)建一個(gè)完整的CAD模型。逆向工程是數(shù)字化與快速響應(yīng)制造大趨勢下的一項(xiàng)重要技術(shù)，是CAD領(lǐng)域中的一個(gè)相對獨(dú)立的范疇。目前有關(guān)逆向工程的研究和應(yīng)用大多數(shù)針對實(shí)物模型的幾何形狀的反求，在這個(gè)意義下，逆向工程是根據(jù)已有實(shí)物模型的坐標(biāo)測量數(shù)據(jù)，重新建立實(shí)物的數(shù)字化模型，而后進(jìn)行分析、修改、快速原型制造和數(shù)控加工等。通過實(shí)物模型產(chǎn)生其數(shù)字化模型，可以充分利用數(shù)字化的優(yōu)勢，提高設(shè)計(jì)、制造、分析的質(zhì)量和效率，并適應(yīng)智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程中的信息存儲與交換。本文通過實(shí)例介紹了逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，并結(jié)合其他CAD/CAM軟件，完成了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造的一體化。

1 空調(diào)遙控器的測量

本文采用了三坐標(biāo)測量機(jī)對空調(diào)遙控器進(jìn)行掃描，來獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)。由于所要測量的遙控器近似于長方體，為了方便后期對點(diǎn)云進(jìn)行拼合等處理，故需要對遙控器上、下、左、右、前、后六個(gè)面分別進(jìn)行測量。啟動(dòng)測量機(jī)后，需要通過對基準(zhǔn)球的標(biāo)定來盡可能的減小誤差，使測量出的坐標(biāo)結(jié)果具有較高精度。然后“三點(diǎn)”，即掃描起始點(diǎn)、方向點(diǎn)和結(jié)束點(diǎn)。通過手動(dòng)控制操作手柄，根據(jù)待測量實(shí)物的形狀來定義三點(diǎn)的位置，每確定完一個(gè)點(diǎn)，需要在計(jì)算機(jī)上按先后順序點(diǎn)擊“生成路徑”和“保存數(shù)據(jù)”。圖1和圖2分別為采用的三坐標(biāo)測量機(jī)和正在掃描遙控器上表面的工作情況，圖3為最終通過對六個(gè)面的掃描獲得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

圖1 采用的三坐標(biāo)測量機(jī)

圖2 掃描遙控器上表面

圖3 空調(diào)遙控器六個(gè)面掃描所得點(diǎn)云

2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

在獲取了空調(diào)遙控器的三維數(shù)據(jù)后，需要在曲面重構(gòu)前對點(diǎn)云進(jìn)行必要的處理，以獲得滿意的數(shù)據(jù)。因?yàn)樵趻呙柽^程中不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)誤差。測量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，同時(shí)由于實(shí)物幾何拓?fù)浜蜏y量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時(shí)會(huì)存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)造型帶來影響。本文采用剔除和拼合的方法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理。

2.1 測量數(shù)據(jù)的剔除

首先用Geomagic Studio軟件打開“上表面”點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，點(diǎn)擊工具欄，選擇需要剔除的區(qū)域后，點(diǎn)擊鍵盤上Delete鍵即刪除所選區(qū)域。

圖4 剔除前的上表

圖5 剔除后的上表面

2.2 測量數(shù)據(jù)的拼合

為了得到空調(diào)遙控器整體的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，在剔除偏差比較大的“壞點(diǎn)”后，就可以開始拼合工作。首先拼接上邊面與右側(cè)面。在軟件中打開上表面與右側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)文件，在管理器面板中選中打開的兩個(gè)文件，點(diǎn)擊工具欄中手動(dòng)注冊完成拼合，如圖6所示。

圖6 拼接后的上表面和右側(cè)面

圖7 六個(gè)面拼合完成后的點(diǎn)云

在管理器面板中注冊模式中選取n點(diǎn)注冊方式，在上表面與右側(cè)面點(diǎn)云數(shù)據(jù)中各選取至少3個(gè)點(diǎn)作為注冊的依據(jù)。點(diǎn)選取完成以后，點(diǎn)擊管理器面板中確定按鈕，電腦將自動(dòng)根據(jù)所選取的點(diǎn)對2塊點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行拼合，手動(dòng)注冊完成后，再采取全局注冊的方式對拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)做進(jìn)一步的調(diào)整，使拼接的點(diǎn)云數(shù)據(jù)更精確，全局注冊后如圖8所示。

將全局注冊后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)另存為一個(gè)文件名，導(dǎo)入另外一個(gè)面的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，依照以上的步驟，繼續(xù)進(jìn)行拼接工作，直至完成六個(gè)面的拼接。

3 空調(diào)遙控器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

通過以上工作，我們已經(jīng)將空調(diào)遙控器實(shí)物進(jìn)行了數(shù)據(jù)化，并且對得到的三維數(shù)據(jù)進(jìn)行了簡單的預(yù)處理，利用Imageware軟件對點(diǎn)云進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)曲線的擬合，測量得到了遙控器關(guān)鍵部位的尺寸。利用這些主要部位的尺寸后，通過UG繪圖軟件的繪制草圖、拉伸、布爾運(yùn)算及倒角等操作建立空調(diào)遙控器實(shí)物模型。最終繪圖結(jié)果如圖8～圖11所示。

圖8 遙控器上蓋正面圖

圖9 遙控器上蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

圖10 遙控器反面

圖11 遙控器反面內(nèi)部結(jié)構(gòu)

建模完成后，利用UG軟件的“制圖”模塊，導(dǎo)出空調(diào)遙控器的工程圖如圖12所示，在導(dǎo)出2D模式后，可以用AUTOCAD進(jìn)行稍微修改。

圖12 UG生成工程圖

4 遙控器面板的數(shù)控加工仿真

工程圖輸出完成以后，在Mastercam軟件下，導(dǎo)入遙控器面板的工程圖，并最后通過MaterCAM軟件生成遙控器面板的加工程序代碼。在Matercam軟件中的設(shè)計(jì)過程步驟的結(jié)果如圖13所示。

圖13 遙控器型腔設(shè)計(jì)步驟

5 結(jié)論

本文通過逆向工程，對空調(diào)遙控器的面板進(jìn)行了三位測量，得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)并進(jìn)行處理后，用UG軟件對其進(jìn)行了三維建模，并將模型的二位圖導(dǎo)入到MasterCAM軟件中，進(jìn)行了簡單的型腔數(shù)控加工仿真。這種設(shè)計(jì)方法結(jié)合了先進(jìn)的反求理念，并將一些三維的CAD/CAM軟件融合進(jìn)來，充分體現(xiàn)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的一體化概念。

[1] 劉偉軍.逆向工程原理方法及應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] 王霄.逆向工程技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社,2004．

[3] 單巖,謝斌飛,等.Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006.

[4] Ping Fu.Reverse engineering.Aerospace Engineering.2004,(9).

[5] 許智欽,孫長庫.3D逆向工程技術(shù)[M].中國計(jì)量出版社,北京,2002.

[6] 張三元,孫守遷,潘云鶴.基于產(chǎn)品反求工程的產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法[J].計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與圖形學(xué)學(xué)報(bào),2000,12(11):851-855.

[7] 陳志楊.基于三角曲面的逆向工程以D建模方法.中國機(jī)械工程,2003,14(8):698-700.

[8] 劉常青,彭翔,張宗華,胡小唐.基于逆向工程(RE)多數(shù)據(jù)點(diǎn)云的處理[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào)2002,23(4):33-39.

[9] 張舜德,朱東波,盧秉恒.反求工程中三維幾何形狀測量及數(shù)據(jù)預(yù)處理[J].機(jī)電工程技術(shù),2001,30(1):7-10.

[10] 李江雄,柯映林.基于特征的復(fù)雜曲面反求建模技術(shù)研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2000,36(5):18-22.