姚輝

摘要：文章在概述反求工程與Pro/E軟件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，對Pro/E軟件的反求設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究，結(jié)合實(shí)際案例，對Pro/E軟件的反求工程應(yīng)用進(jìn)行探索。實(shí)踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術(shù)應(yīng)用，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，綜合效益良好。

關(guān)鍵詞：Pro/E軟件；反求工程；反求設(shè)計(jì)

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0030-03

1 反求工程與Pro/E軟件特點(diǎn)概述

反求工程，指的是在沒有具體工程圖紙的條件下，依據(jù)實(shí)際物體模型并進(jìn)行測量，對測量信息進(jìn)行分析與處理，構(gòu)造其CAD模型過程，通過實(shí)際模型反求出設(shè)計(jì)模型的一種過程。具體而言，反求工程是通過對實(shí)際物體的測量，獲得一個實(shí)體模型或一個曲面，通過應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行修改與重構(gòu)，在重構(gòu)自由曲面與建立相應(yīng)CAD模型后，通過相應(yīng)操作可以進(jìn)行零件設(shè)計(jì)、模型修改、模具設(shè)計(jì)、生成數(shù)控加工指令等。反求工程，即逆向工程，其與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)存在著較大差異，主要包括形狀反求、工藝反求與材料反求等內(nèi)容，屬于一種消化與吸收先進(jìn)技術(shù)的方法與技術(shù)組合，在提高技術(shù)水平、生產(chǎn)效率、增強(qiáng)企業(yè)核心競爭力等方面發(fā)揮著重要作用，在現(xiàn)代工業(yè)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

Pro/E軟件完全建立于CAE/CAM集成軟件的基礎(chǔ)之上，在三維造型領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Pro/E軟件改變了傳統(tǒng)應(yīng)用線框與表面模型轉(zhuǎn)換實(shí)體模型的方法，而是通過三維實(shí)體模型對產(chǎn)品模型進(jìn)行描述。Pro/E軟件本身具有著唯一的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計(jì)過程中，其設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)均是在一個數(shù)據(jù)庫之下進(jìn)行，如工程圖出現(xiàn)修改或變動，則三維模型會出現(xiàn)改變，NC加工刀具路徑則會自動更新。Pro/E軟件具有參數(shù)化與特征設(shè)計(jì)三維實(shí)體造型技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)，有利于構(gòu)建零件族概念庫。Pro/E軟件與CAD系統(tǒng)存在著很大差異，其功能更為強(qiáng)大，并提供工業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、機(jī)構(gòu)分析、有限元分析及關(guān)系數(shù)據(jù)庫，其軟件支持與絕大部分CAD/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以輸入輸出數(shù)十種數(shù)據(jù)文件，屬于一種十分理想的反求工程設(shè)計(jì)與制造軟件。

2 Pro/E軟件的反求工程技術(shù)研究

2.1 Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取

Pro/E軟件反求中的數(shù)據(jù)獲取是關(guān)鍵所在，指的是采取一定的測量方法或測量設(shè)備，對實(shí)體表面若干組點(diǎn)的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行測量作業(yè)，從而獲得“數(shù)據(jù)點(diǎn)云”。Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取方法主要包括以下途徑：

（1）三坐標(biāo)測量。三坐標(biāo)測量儀是一種典型的接觸式測量方式，盡管其效率比不上非接觸式，但其高精度、高智能化都使得在產(chǎn)品反求工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。在使用時，將被測產(chǎn)品放置于測量儀可及的測量范圍內(nèi)，測量頭在實(shí)體產(chǎn)品快速移動，通過傳感器將路徑點(diǎn)坐標(biāo)值進(jìn)行紀(jì)錄。三坐標(biāo)測量儀對產(chǎn)品顏色、材質(zhì)以及光照條件等不存在特殊要求，其精度可以達(dá)到30μm，尤其在外形較為簡單，內(nèi)腔不復(fù)雜的產(chǎn)品中具有良好的應(yīng)用效果。

（2）CT掃描測量。CT掃描測量以X射線衰減系數(shù)為測量依據(jù)，對被測物品進(jìn)行斷層截面掃描，通過重建斷層截面圖像，按照斷層圖像位置進(jìn)行物體三維信息構(gòu)建。CT掃描測量屬于一種非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對被測物體內(nèi)部形狀與結(jié)構(gòu)的無損測量，其操作設(shè)備造價較高，設(shè)備體積較大，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用，然而其技術(shù)可以對物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行透視，可以在不解體與非接觸的條件下實(shí)現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及形狀測量分析，其未來應(yīng)用前景較好。

（3）數(shù)碼照相測量。數(shù)碼照相測量其獲取物體三維坐標(biāo)值主要是依據(jù)同一個三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個或多個攝像機(jī)拍攝視差與攝像機(jī)位置空間幾何關(guān)系來確定，通過應(yīng)用兩個或兩個以上相機(jī)對目標(biāo)特征點(diǎn)作測量，其測量技術(shù)的實(shí)現(xiàn)存在著一定困難，主要為數(shù)字圖像提取與匹配精度問題。

Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取除了測量技術(shù)以外，還包括激光掃貓儀測量、聲學(xué)法、磁學(xué)法等。

2.2 測量數(shù)據(jù)處理

反求工程中的數(shù)據(jù)處理是一項(xiàng)重要環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的優(yōu)劣將會對后續(xù)的曲面重構(gòu)的質(zhì)量和效率產(chǎn)生直接影響。在數(shù)據(jù)獲取過程中多存在著一些無用數(shù)據(jù)，這主要是由于受到人為因素、設(shè)備因素及其他因素的影響，這些無用的數(shù)據(jù)將會對后續(xù)處理精度帶來干擾。而數(shù)據(jù)處理常用的方法主要有數(shù)據(jù)排序及矢量化、數(shù)據(jù)濾波、坐標(biāo)變換以及數(shù)據(jù)的簡化等，測量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理的主要對象，在完成對其測量編輯之后，可以根據(jù)不同條件和需要，采用多種格式進(jìn)行輸出。在反求工程中，采取人機(jī)交互方式進(jìn)行數(shù)據(jù)噪聲去除較為方便，然而其方法無法對大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行有效處理，而分塊濾波技術(shù)則是當(dāng)前在噪聲點(diǎn)過濾處理中速度較快、精度較好的一種，其工作原理是通過對實(shí)體表面特征分界點(diǎn)與幾何特征元素進(jìn)行提取，按照一定順序?qū)⑵淝娣謮K處理，對各種數(shù)據(jù)及特征元素進(jìn)行噪聲判斷并過濾處理。在實(shí)際工程中無論是接觸式測量法還是非接觸式，所得到的點(diǎn)云基本上都具有一些規(guī)律，因此，我們可以根據(jù)這些規(guī)則信息并針對其不同特征，采取相應(yīng)的處理方法。

2.3 三維建模研究

從本質(zhì)上來看，點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理過程即是建立于離散點(diǎn)云數(shù)據(jù)的三維建模過程，數(shù)據(jù)點(diǎn)云的處理多采取數(shù)據(jù)調(diào)整、數(shù)據(jù)密度修改、復(fù)制區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)光順處理、尖角保留等手段。產(chǎn)品反求工程三維建模質(zhì)量是由曲線、曲面擬合是否光順及擬合曲線鏈接是否光滑來決定的。由此可以看出，三維建模時應(yīng)充分重視曲線與曲面光順處理。

曲線光順的條件主要包括三個，分別為曲線二階幾何連續(xù)、曲率變化具備均勻性、曲線不存在多余拐點(diǎn)與奇點(diǎn)。在三維建模時，為確保曲線光順，首先應(yīng)對曲線中壞點(diǎn)進(jìn)行找尋，進(jìn)行壞點(diǎn)坐標(biāo)值修改，然后進(jìn)行曲線粗光順處理，讓曲線中曲率基本保持一致，確保曲線單凹性或單凸性，最后對曲線進(jìn)行精光順處理，保持曲線中每個曲線段其曲率變化基本一致。

曲面光順的條件主要包括曲面關(guān)鍵曲線光順、曲面高斯曲率變化具備均勻性，曲面中網(wǎng)格線不存在多余拐點(diǎn)。在三維建模處理時，為做到曲面光順，多采取以下處理措施：對曲面縱向曲線進(jìn)行光順處理，在新型值點(diǎn)的基礎(chǔ)上生成曲面橫向樣條曲線，并對其進(jìn)行光順處理，再一次生成曲面縱向樣條曲線并進(jìn)行光順處理，通過檢查與調(diào)整，確保曲面所有縱向與橫向樣條曲線可以滿足光順要求，在保證其處理光順的基礎(chǔ)上，構(gòu)造光順曲面。

應(yīng)用Pro/E軟件，執(zhí)行Datum Point /Offset Csys命令輸入數(shù)據(jù)點(diǎn)云，在Scantool模型下連線，在連線過程中，應(yīng)保證變化趨勢較小的地方其數(shù)據(jù)點(diǎn)較少，消除明顯偏離整體趨勢的點(diǎn)，從而避免因過多點(diǎn)引起曲線不光順問題。完成3D Curve線后，通過Create/Surface/Advanced構(gòu)建3D光滑曲面，在構(gòu)建3D光滑曲面的過程中，應(yīng)充分重視面與面之間是否光滑，可以通過Analysis對曲面曲率與曲面光滑度進(jìn)行綜合評價，應(yīng)用Create/Protrusion/Use Quilt將構(gòu)建曲面生成為實(shí)體，從而實(shí)現(xiàn)三維建模。在構(gòu)建三維模型后，可以通過Pro/E軟件中的View/advanced Photo render對三維模型進(jìn)行渲染，通過軟件分析方法對所構(gòu)建的模型進(jìn)行分析，確保其曲線、曲面精度，保證模型構(gòu)建質(zhì)量。

2.4 產(chǎn)品制造

應(yīng)用Pro/E軟件，將構(gòu)建的三維模型導(dǎo)入到軟件中的Manufacturing模塊，可以進(jìn)行模型NC加工，通過Pro/E軟件NC加工G代碼輸入到加工中心，從而進(jìn)行產(chǎn)品加工；應(yīng)用Pro/E軟件Part模塊，可以導(dǎo)出STL文件并應(yīng)用快速原型制造系統(tǒng)進(jìn)行原型制造；Pro/E軟件Model模塊支持磨具設(shè)計(jì)作業(yè)，可以生成磨具型腔與型芯，從而進(jìn)行零件生產(chǎn)。

3 Pro/E軟件反求工程具體應(yīng)用研究

以牙齒作為Pro/E軟件反求工程研究對象，牙齒數(shù)據(jù)點(diǎn)云采集采取CT掃描方式，對其軟件反求應(yīng)用進(jìn)行研究，具體反求過程為：應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行CT掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云讀取，并對數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行處理、編輯，最終形成曲線、蒙面、構(gòu)建牙齒模型。具體步驟為：第一步，將CT掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云導(dǎo)入到Pro/E軟件，通過數(shù)據(jù)處理獲取精確數(shù)據(jù)點(diǎn)云，具體如下圖1所示：

第二步，在上圖中選擇出代表牙齒齒形輪廓線的數(shù)據(jù)點(diǎn)并提取，應(yīng)用Pro/E軟件將Scantool模塊作連線處理獲得其輪廓線；第三步，執(zhí)行Pro/E軟件相應(yīng)指令，構(gòu)建牙齒曲面與平底面；第四步，將曲面與平底面進(jìn)行合并處理，通過軟件Protrusion Use Quilt Solid將合并曲面轉(zhuǎn)為齒形實(shí)體。

4 結(jié)語

反求工程技術(shù)為產(chǎn)品制造與模型構(gòu)建提供了一種新的方式，其技術(shù)應(yīng)用在提高企業(yè)技術(shù)水平、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高企業(yè)市場競爭力等方面具有著重要現(xiàn)實(shí)意義。本文在概述反求工程與Pro/E軟件特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維建模、產(chǎn)品制造四個方面對Pro/E軟件反求工程技術(shù)進(jìn)行探究，結(jié)合實(shí)際案例，對Pro/E軟件的反求工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，實(shí)踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術(shù)應(yīng)用綜合效益突出，其應(yīng)用前景廣闊。

參考文獻(xiàn)

[1] 張鵬，袁中波，雋兆豐，等.基于Pro/E軟件的

輕型卡車備胎橫梁的輕量化設(shè)計(jì)[J].重型汽車，

2013，（6）：20-21.

[2] 郭麗.Pro/E軟件在工程制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用

[J].科教文匯（上旬刊），2012，（11）：41-42.

[3] 高東強(qiáng)，陳超群，林歡，等.基于Pro/E后視鏡曲

面的反求與加工模擬[J].輕工機(jī)械，2013，

（5）：7-10.

[4] 王立濤，韓興.基于Pro/E軟件數(shù)控加工仿真方法

的應(yīng)用與分析[J].考試周刊，2011，（59）：134-

136.

[5] 秦杰，徐小明，趙運(yùn)生，等.Pro/E軟件在機(jī)械

CAD設(shè)計(jì)中應(yīng)用[J].裝備制造技術(shù)，2011，

（1）：120-121.