韓鳳霞

摘 要：提出了先進(jìn)制造技術(shù)領(lǐng)域的逆向工程與自動編程技術(shù)相結(jié)合的開放實(shí)驗(yàn)課程，并給出實(shí)施方案。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括：手持式激光掃描儀對物體表面進(jìn)行掃描、獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)、利用Geomagic Design X 2014軟件進(jìn)行模型的構(gòu)建，將三維模型導(dǎo)入U(xiǎn)G中，生成數(shù)控加工程序，最后在加工中心上完成模具型腔的加工。通過該開放實(shí)驗(yàn)，使學(xué)生對逆向的設(shè)計(jì)流程以及自動編程技術(shù)有了完整的了解，培養(yǎng)了學(xué)生的探索精神和創(chuàng)新精神，順應(yīng)了產(chǎn)業(yè)界對人才培養(yǎng)的最新要求。

關(guān)鍵詞：逆向工程 開放實(shí)驗(yàn) 模型 Geomagic Design

中圖分類號：G64 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0136-02

逆向工程是指通過一定手段從實(shí)物樣件中獲得產(chǎn)品的CAD模型的相關(guān)數(shù)字化測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理、圖形處理、幾何模型重建技術(shù)和加工制造技術(shù)的總稱。

逆向工程應(yīng)用在以下領(lǐng)域：①有產(chǎn)品但沒有產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖樣或設(shè)計(jì)圖樣不完整，沒有CAD模型的情況下。②應(yīng)用在模具行業(yè)（應(yīng)用在經(jīng)常需要反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面）模具樣品開發(fā)；汽及車類、家電制品、運(yùn)動器材、玩具、陶瓷等。③損壞或磨損零件的還原，應(yīng)用在破損的文物、藝術(shù)品的修復(fù)上。④應(yīng)用在新產(chǎn)品開發(fā)和創(chuàng)新設(shè)計(jì)上。

培養(yǎng)學(xué)生適應(yīng)現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造工程領(lǐng)域?qū)嵺`能力的重要手段。

目前，高校的開放實(shí)驗(yàn)已經(jīng)成為培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力、實(shí)踐能力的重要手段，探索適合本科生的開放實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ胶蛯?shí)驗(yàn)載體，成為亟待解決的問題。

1 目前實(shí)體逆向建模的方法

逆向工程的一般流程：樣件三維數(shù)據(jù)測量 數(shù)據(jù)處理 CAD三維模型重構(gòu)

模型加工制造

目前，三維表面數(shù)據(jù)采集方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式數(shù)據(jù)采集方法有基于力觸發(fā)原理的觸發(fā)式和連續(xù)數(shù)據(jù)掃描式。接觸式的典型測量設(shè)備是三坐標(biāo)測量機(jī)。接觸式測量的優(yōu)點(diǎn)是準(zhǔn)確性和高可靠性，對被測樣件的材質(zhì)和反射性無特殊的要求，不受物體表面顏色的影響；缺點(diǎn)是測量速度慢，測量過程中存在著摩擦力和彈性變形，對軟質(zhì)、易變形、超薄樣件或尺寸小于測頭直徑的微細(xì)部分等測量均受限制。

非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要是利用光學(xué)原理，非接觸式的典型測量設(shè)備是激光三維掃描、光柵照相式三維掃描儀

包括激光三角測量法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法、光柵測量法等。這種數(shù)據(jù)采集方法的優(yōu)點(diǎn)是速度快、自動化程度高、不受樣件材質(zhì)和薄厚的影響，排除了由測量摩擦力和接觸壓力引起的模型變形測量誤差，測量數(shù)據(jù)量大，能充分反映被測樣件的表面形狀信息；缺點(diǎn)是易受樣件反射特性和環(huán)境光的影響。

該實(shí)驗(yàn)采用?？怂箍当銛y式三坐標(biāo)ROMER關(guān)節(jié)臂測量機(jī)，手持式激光掃描儀掃描的精度高，速度快。

該開放實(shí)驗(yàn)選用的逆向軟件為Geomagic design x 2014，該軟件能夠?qū)崿F(xiàn)正逆向相結(jié)合的建模方法。Geomagic由美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件。可以輕易地從掃描所得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網(wǎng)格，并可自動轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。

具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀是，效率比傳統(tǒng)CAD軟件提高了10倍。

2 開放實(shí)驗(yàn)的流程

2.1 數(shù)據(jù)處理

通過測量機(jī)得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，導(dǎo)入到Geomagic design x 2014軟件中，對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行孤點(diǎn)的刪除、噪聲濾除。通過掃描2次的公共區(qū)域?qū)Ⅻc(diǎn)云對齊，并進(jìn)行平滑、采樣等簡化處理將處理后的點(diǎn)云進(jìn)行三角面片封裝，封裝成（*.stl）。

2.2 三維模型的重構(gòu)

模型重構(gòu)是對處理后的數(shù)據(jù)，利用逆向工程軟件進(jìn)行曲線的擬合、曲面的擬合，再通過線面的求交，拼接，匹配，連接成光滑曲面，從而獲得產(chǎn)品模型的一個過程，是逆向工程中最重要和最復(fù)雜的一個階段。

（1）對封裝后的多邊形進(jìn)行修復(fù)：對于掃描的可樂瓶上有洞的區(qū)域，利用Geomagic的補(bǔ)洞功能進(jìn)行修補(bǔ)。在修補(bǔ)過程中，為了高效率的旋轉(zhuǎn)模型，設(shè)置只顯示25%的點(diǎn)被顯示出來即可。利用Fill Holes命令，既可以修補(bǔ)平面孔也可以修補(bǔ)曲面孔，點(diǎn)擊洞的邊緣，程序會按照曲率修補(bǔ)孔洞。

（2）可樂瓶的建模：逆向三維建模，在Geomagic design x 2014 的“設(shè)計(jì)”界面中完成，經(jīng)過分析可樂瓶的特征結(jié)構(gòu)，瓶子主體為回轉(zhuǎn)體零件，可在提取回轉(zhuǎn)區(qū)先后進(jìn)行旋轉(zhuǎn)實(shí)體，平口、瓶身、瓶底的細(xì)節(jié)部位可進(jìn)行掃描、陣列、布爾操作等具體的步驟如下：①構(gòu)造可樂瓶的主體部分。首先建立坐標(biāo)系，可樂瓶為平面對稱結(jié)構(gòu)，坐標(biāo)系原點(diǎn)設(shè)在瓶子的對稱面上，利用直線和圓弧命令擬合瓶子的回轉(zhuǎn)母線，如圖2所示，利用回轉(zhuǎn)功能生成瓶子的主體；②可樂瓶細(xì)節(jié)的構(gòu)建。平口的螺紋部分，采用正向，根據(jù)點(diǎn)云數(shù)據(jù)測得螺距為3mm，利用正向建模功能構(gòu)建螺紋曲線；瓶底部分，首先利用按掃描命令生成實(shí)體、然后按照圓周陣列，最后利用布爾運(yùn)算生成瓶底的凹槽結(jié)構(gòu)。瓶子整體建完模型后如圖3所示，經(jīng)過布爾運(yùn)算生成瓶底的凹腔模型。

2.3 可樂瓶底的數(shù)控加工

將建好的模型，導(dǎo)入U(xiǎn)G中，進(jìn)入加工模塊，加工工步分為：粗加工、半精加工、精加工。對于每一個加工工步都將進(jìn)行以下設(shè)置：創(chuàng)建mill_contour加工方式，刀具子類型選擇球形立銑刀， 選擇幾何體，毛坯選擇自動模塊，完成對工件和毛坯邊界的定義，完成切削參數(shù)的設(shè)置，自動生成加工程序。并在加工中心上完成可樂瓶底的數(shù)控加工，如圖4所示。

3 結(jié)語

逆向工程作為一種高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得實(shí)物的三維數(shù)據(jù)及模型。為產(chǎn)品提供先進(jìn)的開發(fā)、設(shè)計(jì)及制造的技術(shù)支撐。它改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)模式，大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期，提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。

學(xué)生通過親身參與逆向工程開放實(shí)驗(yàn)，從實(shí)驗(yàn)樣品的選型、逆向軟件的建模、UG數(shù)控程序的編制、數(shù)控加工，學(xué)生經(jīng)過這系列的過程，掌握了逆向工程的流程的基本研究方法以及相應(yīng)的技能。在實(shí)驗(yàn)過程中培養(yǎng)了獨(dú)立探索的能力和創(chuàng)新精神。

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