畢業(yè)設(shè)計（論文）鋁合金轉(zhuǎn)向臂反向工程

目 錄中文摘要1英文摘要.21 引言31.1 反向工程簡介31.2 反向工程數(shù)據(jù)的測量與處理41.2.1 反向工程數(shù)據(jù)的測量41.2.2 反向工程數(shù)據(jù)處理51.3 CAD模型重建技術(shù)61.4 反向工程的應(yīng)用61.5 反向工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展71.6 反向工程的意義81.7 課題的來源、內(nèi)容和意義82 CAD曲面模型的構(gòu)建102.1 點云的采集102.2 Imageware軟件概況102.2.1 軟件簡介102.2.2 軟件優(yōu)點112.3 點云處理122.4 點云三角形網(wǎng)格化132.5 關(guān)鍵曲線的創(chuàng)建142.5.1 曲線創(chuàng)建原理142.5.2點云關(guān)鍵曲線的構(gòu)建142.6曲面的構(gòu)建162.6.1 曲面構(gòu)建原理162.6.2 幾個關(guān)鍵曲面的構(gòu)建172.6.3 曲面的質(zhì)量192.7 曲面倒角202.8 曲面的修剪212.9 整體曲面質(zhì)量評估223 創(chuàng)建實體數(shù)據(jù)模型244 轉(zhuǎn)向臂反向工程總結(jié)與展望264.1 全文總結(jié)264.2 結(jié)論264.3 展望26謝辭28參考文獻29鋁合金轉(zhuǎn)向臂反向工程作者 王鵬摘要：隨著計算機的發(fā)展和人們對產(chǎn)品要求的增加，CAD/CAE技術(shù)得到了廣泛的運用，反向工程就是現(xiàn)在產(chǎn)品和模具設(shè)計的主要方法之一，由此得到的精確的產(chǎn)品的CAD模型，為獲得高效、高精度的模具、產(chǎn)品的設(shè)計和制造方法提供了一種新的途徑，本課題的研究正是這一現(xiàn)象的具體體現(xiàn)。本文以具有代表性的復(fù)雜的曲面結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)向臂為研究對象，首先利用激光掃描設(shè)備對轉(zhuǎn)向臂零件進行實物掃描，獲得零件的點云；其次，利用逆向工程軟Imageware12.1對所得的點云進行處理，運用三維建模技術(shù)構(gòu)建關(guān)鍵曲線，將擬合的曲線形成平面或曲面，再由曲面構(gòu)造成三維實體；再其次，將所得的實體數(shù)模利用軟件自帶的評估功能進行評估，使數(shù)模與點云的誤差控制在合理的范圍之內(nèi)；最后，通過三維造型軟件的細微處理，得到了比較完整的數(shù)模。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)向臂；反向工程；點云；Imageware；CAD曲面模型Reverse engineering of aluminum alloy steering arm Abstract:With the development of the computer technology and the increasing of product requirements, CAD/CAM technology has been widely used, and reverse engineering is one of the main methods of product and tool design. Thus the precise CAD model was made, and it provided a new way for efficiency, high precision mould, product design and manufacturing method, and then this study was the concrete manifestation of this phenomenon. Tthe steering arm is a representative complex structure. Firstly, a laser scanning equipment was used to obtain the steering arm points data. Secondly, the data of points were pretreated by the RE software named IMAGEWARE 12.1. Three-dimensional modeling technology was used in establishing the key curve, then making curves form to plane or curved surface and establishing surface to get 3D entity. Thirdly, the author made a simple assessment on numerical model and error analysis between numerical model and data points to control error in the reasonable scope. Finally, through 3D modeling software fine processing get a relatively complete model. Thus the precise CAD model of steering arm was made. Keywords: Steering arm；Reverse engineering；cloud；Imageware；CAD surface model1 引言1.1 反向工程簡介“反向工程”（Reverse Engineering，RE），也稱逆向工程、反求工程、三坐標點造型、抄數(shù)等。它是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(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，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)換為工程設(shè)計模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造過程。它源于精密測量和質(zhì)量檢驗，是設(shè)計下游向設(shè)計上游反饋信息的回路1從廣義上講，反向工程可分以下三類：（1）實物反向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能反向、性能反向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的反向。實物反向的對象可以是整機、零部件或組件。（2）軟件反向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。其有三類：既有實物，又有全套技術(shù)軟件；只有實物而無技術(shù)軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。（3）影像反向：設(shè)計者既無產(chǎn)品實物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計產(chǎn)品，該種反向稱為影像反向2。目前，國內(nèi)外有關(guān)反向工程的研究主要集中在幾何形狀的反向，即重建產(chǎn)品實物的CAD模型，稱為“實物反向工程”。反向工程示意圖如圖1-1所示3。新產(chǎn)品數(shù)字化模型原始設(shè)計參數(shù)還原意圖理解反向軟件實物原型數(shù)據(jù)獲取新產(chǎn)品計算機輔助分析產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品數(shù)字化模型CAD系統(tǒng) 規(guī)律識別 改型設(shè)計原型修改圖1-1 反向工程流程圖1.2 反向工程數(shù)據(jù)的測量與處理1.2.1 反向工程數(shù)據(jù)的測量數(shù)據(jù)測量是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。其測量原理是將被測產(chǎn)品放置于三坐標測量機的測量空間內(nèi)，可以獲得被測產(chǎn)品上各個測量點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)，高效、高精度地獲取產(chǎn)品的數(shù)字化信息是實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵4。現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類： （1） 接觸式數(shù)據(jù)采集方法 接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標測量機，測量時可根據(jù)實物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點數(shù)及其分布，然后確定測量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關(guān)測頭，當測頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時，由于探針受理變形觸發(fā)采樣開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括機械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。采用觸發(fā)式測頭的優(yōu)點在于適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的測量；通用性較強，適用于尺寸測量和在線應(yīng)用；體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用；由于測量數(shù)據(jù)點時測量機處于勻速直線低速狀態(tài)，測量機的動態(tài)性能對測量精度的影響較小。但由于測頭的限制，不能測量一些易碎、易變形的零件及被測零件的一些細節(jié)之處。另外接觸式測量的測頭與零件表面接觸，測量速度慢，測量后還要進行測頭補償，數(shù)據(jù)量小，不能真實的反映實體的形狀。 （2） 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運用光學(xué)原理進行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點問題，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實形狀。非接觸式數(shù)據(jù)采集方法采用非接觸式探頭，由于沒有力的作用，適用于測量柔軟物體；非接觸式探頭取樣率較高，在50次/秒到23000次/秒之間，適用于表面形狀復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的測量，如汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征的影響（顏色、光度、粗糙度、形狀等）的影響較大，目前在多數(shù)情況下其測量誤差比接觸式探頭要大，保持在10m級以上。該方法主要用于對易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數(shù)據(jù)的零件、不考慮測量成本及其相關(guān)軟硬件的配套情況下的測量5。總之，在只測量尺寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式測量；考慮測量成本且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式測量；對產(chǎn)品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測量；對離散點的測量采用掃描式；對易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測量數(shù)據(jù)的零件進行測量時采用非接式測量方法6。1.2.2 反向工程數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一項重要的技術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了后續(xù)CAD模型重建過程能否方便、準確地進行。根據(jù)測量點的數(shù)量，測量數(shù)據(jù)可以分為一般數(shù)據(jù)點和海量數(shù)據(jù)點；根據(jù)測量數(shù)據(jù)的規(guī)整性，測量數(shù)據(jù)又可以分為散亂數(shù)據(jù)點和規(guī)矩數(shù)據(jù)點；不同的測量系統(tǒng)所得到的測量數(shù)據(jù)的格式是不一致的，且?guī)缀跛械臏y量方式和測量系統(tǒng)都不可避免地存在誤差。因此，在利用測量數(shù)據(jù)進行CAD重建前必須對測量數(shù)據(jù)進行處理7。數(shù)據(jù)處理工作主要包括：數(shù)據(jù)格式的轉(zhuǎn)化、多視點云的拼合、點云過濾、數(shù)據(jù)精簡和點云分塊等8。每個CAD/CAM系統(tǒng)都有自己的數(shù)據(jù)格式，目前流行的CAD/CAM軟件的產(chǎn)品數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和格式各不相同，不僅影響了設(shè)計和制造之間的數(shù)據(jù)傳輸和程序銜接，而且直接影響了CMM與CAD/CAM系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊。目前通行的辦法是利用幾種主要的數(shù)據(jù)交換標準（IGES、STEP、AutoCAD的DXF等）來實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊8。1.3 CAD模型重建技術(shù)CAD模型重建，即反向造型，是根據(jù)坐標測量機得到的數(shù)據(jù)點實物對象的模型。根據(jù)實物外形的數(shù)字化信息，可以將測量得到的數(shù)據(jù)點分成兩類：有序點和無序點（散亂點）。由不同的數(shù)據(jù)類型，形成了不同的模型重建技術(shù)9。目前較成熟的方法是通過重構(gòu)外形曲面來實現(xiàn)實物重建。常用的曲面模型有Bezier、B-Spline（B樣條）、NURBS（非均勻有理B樣條）、和三角Beizer曲面。反向工程的CAD模型重構(gòu)過程主要包括：點處理過程、曲線處理過程和面處理過程，即點曲線曲面過程。這一部分的工作主要使用反向工程軟件實現(xiàn)1，本課題要采用的反向工程軟件為Imageware軟件。1.4 反向工程的應(yīng)用（1） 新產(chǎn)品的開發(fā)現(xiàn)在產(chǎn)品正朝著美觀化、藝術(shù)化的方向發(fā)展，產(chǎn)品的工業(yè)美學(xué)設(shè)計逐漸納入創(chuàng)新設(shè)計的范疇。為實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計，可將工業(yè)設(shè)計和反向工程結(jié)合起來共同開發(fā)新產(chǎn)品。（2） 產(chǎn)品的仿制和改型設(shè)計在只有實物而缺乏相關(guān)技術(shù)資料（圖紙或CAD模型）的情況下，利用反向工程技術(shù)進行數(shù)據(jù)測量或數(shù)據(jù)處理，重建與實物相符的CAD模型，并在此基礎(chǔ)上進行后續(xù)的操作，如模型修改、零件設(shè)計、有限元分析、誤差分析、數(shù)控加工指令生成等，最終實現(xiàn)產(chǎn)品的仿制和改進。該方法可廣泛應(yīng)用于摩托車、家用電器、玩具等產(chǎn)品外形的修復(fù)、改造和創(chuàng)新設(shè)計，提高了產(chǎn)品的市場競爭力。（3） 快速模具制造為了在激烈的市場競爭中生存和發(fā)展，模具制造業(yè)引進了各種先進的設(shè)計技術(shù)。反向工程技術(shù)快速模具制造的應(yīng)用主要體現(xiàn)在兩個方面：一是以樣本模具為對象，對其進行測量重建CAD模型，在此基礎(chǔ)上生成模具加工程序；另一種情況是以實物零件為對象，為了利用CAD/CAM技術(shù)來加工模具，首先要將實物轉(zhuǎn)化為CAD模型，并在此基礎(chǔ)上進行模具設(shè)計。（4） 快速原型制造快速原型制造，綜合了機械、CAD、數(shù)控、激光以及材料科學(xué)等各種技術(shù)，已成為新產(chǎn)品開發(fā)、設(shè)計和生產(chǎn)的有效手段，其制作過程是在CAD模型的直接驅(qū)動下進行的。反向工程恰好可為其提供上游的CAD模型。兩者相結(jié)合組成了產(chǎn)品測量、建模、修改、再測量的閉環(huán)系統(tǒng)，可實現(xiàn)設(shè)計過程的快速反復(fù)迭代。（5） 產(chǎn)品的數(shù)字化檢測這是反向工程一個新的發(fā)展方向，對加工后的零部件進行掃描測量，獲得產(chǎn)品實物的數(shù)字化模型，并將該模型與原始設(shè)計的幾何模型在計算機上進行數(shù)據(jù)比較，可以有效檢測制造誤差，提高檢測精度。（6） 醫(yī)學(xué)領(lǐng)域斷層掃描先進的醫(yī)學(xué)斷層掃描儀器，如CT等能夠為醫(yī)學(xué)研究與診斷提供高質(zhì)量的斷層掃描信息，為人體器官的CAD模型提供了良好的條件。（7） 服裝、頭盔等的設(shè)計制造根據(jù)個人形體的差異，采用先進的掃描設(shè)備和曲面重構(gòu)軟件，快速建立人體的數(shù)字化模型，從而設(shè)計出頭盔、鞋子、服裝等產(chǎn)品，并使人們在互聯(lián)網(wǎng)上就能定制自己所需的產(chǎn)品，同樣可以應(yīng)用于航空領(lǐng)域的宇航服等。（8） 藝術(shù)品、考古文物等的復(fù)制應(yīng)用反向工程技術(shù)，還可以對工藝品、文物等進行復(fù)制，可以方便的生成基于實物模型的計算機動畫、虛擬場景等10。除了以上提到的應(yīng)用，在其他的應(yīng)用領(lǐng)域上反向工程技術(shù)也存在著巨大的潛能。1.5 反向工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展在反向工程的基礎(chǔ)研究方面，國內(nèi)外已做了大量的工作，主要集中在CAGD領(lǐng)域的曲面重構(gòu)和實體重構(gòu)算法研究。國際市場目前已出現(xiàn)了不少商用的逆向工程軟件系統(tǒng)。國內(nèi)有關(guān)逆向工程的基礎(chǔ)研究也在不少單位內(nèi)展開，如浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，并取得了一定成果。在應(yīng)用研究方面，被廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品改型、仿型設(shè)計、產(chǎn)品檢測和誤差分析等方面。反向工程在數(shù)據(jù)處理、曲面擬合、規(guī)則特征識別、專用商業(yè)軟件和三維掃面儀的開發(fā)等方面已取得非常顯著的進步。但在實際應(yīng)用中，整個過程仍需大量的人工交互，操作者的經(jīng)驗和素質(zhì)影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證，因此反向工程技術(shù)依然是目前CAD/CAE領(lǐng)域一個十分活躍的研究方向11。幾何建模是反向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時也是影響反向工程速度的瓶頸環(huán)節(jié)，因此，提高反向工程幾何建模的自動化程度和通用性是目前反向工程研究的一個重點方向。同樣，提高反向工程系統(tǒng)的集成性也是非常重要的，當遇到CAD模型并不是必需的，或者為了最快的制造產(chǎn)品時，就需要把數(shù)字化系統(tǒng)與CMM直接結(jié)合。另外，有些產(chǎn)品需要多次進行CAE分析（例如注塑模、注塑件的設(shè)計），由數(shù)據(jù)點直接產(chǎn)生CAE模型，這樣可以極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計、分析過程12。1.6 反向工程的意義反向工程作為吸收和消化現(xiàn)有技術(shù)的一種先進設(shè)計理念，其意義不僅僅是仿制，應(yīng)該從原型復(fù)制走向再設(shè)計。以現(xiàn)在的產(chǎn)品為原型，對反向工程所建立的CAD模型進行改進得到新的產(chǎn)品模型，實現(xiàn)產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。CAD模型是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的基礎(chǔ)，還原實物樣件的設(shè)計意圖，注重重建模型的再設(shè)計能力是當前反向工程的CAD建模的重點。三維重建只是實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)，再設(shè)計的思想始終貫穿于反向工程的整個具體而詳細的過程，將反向工程的各個環(huán)節(jié)結(jié)合起來，集成CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/RP等先進技術(shù)，使之成為相互影響和制約的有機整體，從而形成反向工程技術(shù)為中心的產(chǎn)品開發(fā)體系13。我國是最大的發(fā)展中國家，消化、吸收國外先進產(chǎn)品技術(shù)并進行改進是重要的設(shè)計手段。反向工程技術(shù)產(chǎn)品的改進設(shè)計提供了方便、快捷的工具，它借助先進的技術(shù)開發(fā)手段，在已有產(chǎn)品基礎(chǔ)上設(shè)計新產(chǎn)品，縮短開發(fā)周期，可以使企業(yè)適應(yīng)小批量、多品種的生產(chǎn)要求，從而是企業(yè)在激烈的市場競爭中處于有利地位。反向工程的應(yīng)用對我國企業(yè)縮短與發(fā)達國家的差距具有特別重要的意義14。1.7 課題的來源、內(nèi)容和意義1、 課題的來源：與某企業(yè)的合作項目。2、 課題的內(nèi)容：對鋁合金轉(zhuǎn)向臂（如圖1-2）進行測量、分析，再通過反向工程求得準確的CAD曲面模型，最后通過UG處理獲得三維實體模型。3、 課題的意義：在只有實物，而沒有圖紙和參數(shù)的情況下，想要對實物復(fù)制，再加工生產(chǎn)，甚至是改進，就必然要進行反向工程建模過程。課題正是對此類問題的具體研究。圖1-2 轉(zhuǎn)向臂實物圖2 CAD曲面模型的構(gòu)建2.1 點云的采集上文介紹了一些不同的點云采集方法，本課題采用接觸式三坐標測量設(shè)備采集點云。利用KZ-50/P80b三維激光掃描儀對鋁合金轉(zhuǎn)向臂鍛件進行掃描。在采集數(shù)據(jù)以前，要在鍛件表面噴一層熒光粉，在噴灑時應(yīng)注意厚度不要過大，只需要薄薄均勻的一層就可以。在掃描的過程中，注意不可干擾或移動被測物體，盡量保證外界光線的穩(wěn)定，光線不可太強，否則會影響測量的精度和效果。數(shù)據(jù)采集時，通過變化角度，并觀察電腦上的效果，來進行準確的數(shù)據(jù)采集，此過程需注意的是，對那些較復(fù)雜的區(qū)域要特別關(guān)注，盡量使該區(qū)域數(shù)據(jù)采集完全，否則會不利于后續(xù)的圖形構(gòu)建。掃描完成后用.asc格式保存，以便Imageware軟件進行處理。如圖2-1為采集的點云，總體質(zhì)量還可以。圖2-1 采集的點云2.2 Imageware軟件概述2.2.1 軟件簡介Imageware 由美國EDS 公司出品，后被德國Siemens PLM Software所收購，現(xiàn)在并入旗下的NX產(chǎn)品線，是最著名的逆向工程軟件，Imageware因其強大的點云處理能力、曲面編輯能力和A級曲面的構(gòu)建能力而被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設(shè)計與制造領(lǐng)域。該軟件擁有廣大的用戶群，國外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Raython、Toyato 等著名國際大公司，國內(nèi)則有上海大眾、上海交大、上海DELPHI、成都飛機制造公司等大企業(yè)。Imageware 軟件特別適用以下幾個方面：（1） 企業(yè)只能拿出真實零件而沒有圖紙，又要求對此零件進行修改、復(fù)制和改型。（2） 在汽車、家電等行業(yè)要分析油泥模型，對油泥模型進行修改，得到滿意的結(jié)果后將此模型的外形在計算機中建立電子樣機。（3） 對現(xiàn)在的零件工裝等建立數(shù)字化圖庫。（4） 在模具行業(yè)，往往需要手工修模，修改后模具型腔數(shù)據(jù)必須及時地反映到相應(yīng)的CAD設(shè)計中，這樣才能最終制造出符合要求的模具15。2.2.2 軟件優(yōu)點（1）Imageware開創(chuàng)了自由曲面造型技術(shù)的新天地，它為產(chǎn)品設(shè)計的每一個階段從早期的概念到生產(chǎn)出符合產(chǎn)品質(zhì)量的表面，直到對后續(xù)工程和制造所需的全3D零件進行檢測，都提供了一個獨一無二而又綜合的進行3D造型和檢測的方法。（2）Imageware的發(fā)展方向是將高級造型技術(shù)和創(chuàng)意思想推向廣義的設(shè)計、逆向工程和潮流市場，其最終結(jié)果就是提供加速設(shè)計、工程和制造，以使集成、速度和效率達到一個新水平。（3）Imageware允許用戶非常自由地憑直覺創(chuàng)建模型，同時在3D環(huán)境下快速地探究和評估形狀設(shè)計。由于Imageware的開發(fā)專注于特定工業(yè)，所以它提供了直接的數(shù)據(jù)交換能力和標準3D CAD接口，允許用戶很容易地將模型集成到任何環(huán)境。圖2-2是Imageware 12.1的操作窗口。圖2-2 Imageware 12.1的操作窗口2.3 點云處理上文已經(jīng)介紹了一些點云數(shù)據(jù)獲得的方法，無論是接觸式測量還是非接觸式測量，在掃描時都不可避免地會引入一些數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近16。測量數(shù)據(jù)中的壞點可能會使該點及其周圍的曲面偏離原始曲面，同時由于實物幾何拓撲和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量式會存在部分測量盲區(qū)，給后續(xù)造型帶來影響。因此，需要在曲面重構(gòu)前對點云進行一些必要的處理，以獲得滿意的數(shù)據(jù)，為曲面重構(gòu)過程做好準備。此課題是利用接觸式測量的方法獲得點云數(shù)據(jù)，存在曲面復(fù)雜的區(qū)域，這導(dǎo)致獲得點云數(shù)據(jù)會存在一定量的壞點，這就要求在構(gòu)建曲面以前，必須對其進行處理，直至得到滿意的點云數(shù)據(jù)。點云的處理過程：對已經(jīng)存在的物理模型進行分析決定什么是下游工程的需要用各種測量技術(shù)從模型中得到點的數(shù)據(jù)讀入點云的設(shè)計（如有需要對齊點云數(shù)據(jù)）清除不需要的點規(guī)劃創(chuàng)建面所需的點并顯示這些點。如圖2-3所示1。圖2-3 點云的處理過程經(jīng)過處理后會得到非常均勻精簡的點云。如圖2-4為處理后的點云局部圖。圖2-4 處理后的點云局部圖2.4 點云三角形網(wǎng)格化將點云三角形網(wǎng)格化可以更直觀的把點云顯示出來，更加方便的在點云上進行曲面構(gòu)建。在imageware12.1中使用命令構(gòu)造/三角形網(wǎng)格化（M）/點云三角形網(wǎng)格化（C）即可進行點云三角形網(wǎng)格化。三角形網(wǎng)格化是一個緩慢的過程，之后會得到如圖2-5所示的三角形網(wǎng)格后的點云。圖2-5 三角形網(wǎng)格化后的點云2.5 關(guān)鍵曲線的創(chuàng)建2.5.1 曲線創(chuàng)建原理點云三角形網(wǎng)格化后就可以在Imageware 12.1中創(chuàng)建制作曲面的關(guān)鍵曲線了。定義一條曲線的元素包括節(jié)點、控制頂點、階數(shù)、段數(shù)、方向和起始端點。Imageware 12.1軟件提供的曲線主要有：等參數(shù)化（Isoparametric Curve），曲面邊界曲線（Surface Boundary），貝塞爾曲線（Bezier），B樣條曲線（B-spline），非均勻有理B樣條曲線（NURBS）等。曲線的處理過程：規(guī)劃要創(chuàng)建曲線的類型由已經(jīng)存在的點創(chuàng)建曲線檢查和修改曲線。如圖2-6所示1。在每一個點網(wǎng)絡(luò)內(nèi)創(chuàng)建一條恰當?shù)那€檢查曲面的精度和光順性創(chuàng)建更精確的曲線，光順存在的曲線每條曲線是否足夠精確和光滑？ 否 是檢查曲線連續(xù)性所有曲線需要或有某種連續(xù)性編輯曲線 否 是創(chuàng)建曲面 圖2-6 曲線處理過程2.5.2點云關(guān)鍵曲線的構(gòu)建本課題在構(gòu)建曲線中主要采用了交互模式3D B-樣條、圓（3點）、3點圓弧、直線等命令。以下是幾條關(guān)鍵曲線的構(gòu)建過程。（1） 轉(zhuǎn)向臂側(cè)面點云曲線的構(gòu)建轉(zhuǎn)向臂凹側(cè)面可以看做一個整體弧形曲面，為了便于操作，將其分為三個部分，在每部分點云的中間位置利用交互模式3D B-樣條做一條曲線，其操作及所得曲線如圖2-7所示。圖2-7 交互模式3D B-樣條命令操作及構(gòu)建的曲線凸側(cè)面可從中間圓柱體部分分為兩部分用上述同樣方法來獲得曲線。（2） 圓柱體曲線構(gòu)建圓柱體的曲線構(gòu)建主要運用圓（3點）和3點圓弧命令來執(zhí)行。在柱體地面用圓（3點）命令作的一圓，柱體側(cè)面運用3點圓弧命令得到圓弧，如圖2-8所示。 （a） 圓（3點）命令及其構(gòu)建的圓 （b） 3點圓弧命令及其構(gòu)建的圓弧圖2-8 圓柱體曲線構(gòu)建過程（3）平面曲線構(gòu)建平面曲線由兩條直線構(gòu)成，采用直線命令執(zhí)行，如圖2-9所示。圖2-9 平面曲線構(gòu)建過程曲線構(gòu)建后要對曲線進行編輯，進而為后續(xù)構(gòu)建曲面創(chuàng)造好的條件。曲線編輯可以歸納為以下四步：（1）除去曲率為零的點。通過該操作去除“Inflection”點以壓平曲線中存在的凸包或凹陷。（2）修整曲線。通過減少控制點，以改變曲線相容性并松弛曲線。（3）重新參數(shù)化曲線。通過重新參數(shù)化曲線，可重新改變控制點的分布，以改善曲線光順性。（4）曲線光順性評估。這一步是來驗證最終創(chuàng)建的曲線是否具有足夠的光順性，具體是通過觀察曲率梳（該點處的曲率值）的連續(xù)性來判斷該處的曲線是否光順。如果沒有符合光順性要求，則需要通過移動曲線上的控制點來改變該處的曲率，直到獲得滿意的曲線為止。2.6曲面的構(gòu)建2.6.1 曲面構(gòu)建原理在構(gòu)建曲面的時候我們一般從光順性，精確度兩方面來考慮，但這兩方面往往是相沖突的。一般情況下，只要誤差沒有超過容許范圍，更側(cè)重于要求高質(zhì)量的曲面。曲面構(gòu)建流程是：規(guī)劃要創(chuàng)建的曲面類型由已經(jīng)存在的曲線或者點云創(chuàng)建曲面檢查和修改曲面，如圖2-10所示1。和曲線的表示相同，Imageware軟件曲面也主要由基于B樣條曲線的曲面和基于非均勻有理B樣條曲線的曲面等類型。定義一個曲面的參數(shù)包括正、負法矢面，U、V方向、控制點、階次等參數(shù)。決定要創(chuàng)建的曲面類型每個曲面是否足夠精確和光滑？檢查曲面的精度和光順性創(chuàng)建更精確的曲面，約束曲面到點云 否 是所有曲面都滿足連續(xù)性的要求檢查曲面連續(xù)性編輯曲面 否 創(chuàng)建曲面 是 圖2-10 曲面構(gòu)建的一般流程2.6.2 幾個關(guān)鍵曲面的構(gòu)建（1） 較光滑平面的獲得在圖2-9中通過曲線構(gòu)建得到兩條相互垂直的B-樣條曲線，通過延長命令使兩條曲線長度符合要求，如圖2-11。圖2-11 樣條曲線然后，對樣條曲線進行控制點調(diào)整，盡可能使得樣條曲線和點云之間的偏差較小。調(diào)整好之后就要利用掃掠命令掃掠出所需曲面。在掃掠的過程中，要正確選擇路徑曲線和輪廓曲線，如圖2-12為掃掠命令和掃掠出的曲面。圖2-12 掃掠曲面操作（2） 圓柱體側(cè)面的構(gòu)建將圖2-8得到的圓和圓弧兩條樣條曲線編輯后，以圓周為路徑曲線，圓弧為輪廓曲線進行掃掠，得到圖2-13的掃掠曲面。圖2-13 圓柱體側(cè)面掃掠曲面（3） 曲線拉伸構(gòu)建曲面在對凹槽里的面和弧形面進行構(gòu)建時不適合用掃掠曲面的方式來進行操作，就可以選擇用一條曲線縱向拉伸來獲得曲面。對圖2-7里的樣條曲線進行拉伸操作可得到圖2-14的曲面，其中拉伸長度根據(jù)鍛件的尺寸選為20mm，拉伸方向根據(jù)點云的合適位置選為X方向。圖2-14 拉伸曲面2.6.3 曲面的質(zhì)量（1） 編輯曲面要保證曲面質(zhì)量，即曲面與點云的實際誤差要小于0.1000mm。在掃掠或拉伸出曲面后應(yīng)當對曲面進行編輯，使其盡量與點云靠攏直至重合。以掃掠出的平面曲面為例，先對曲面的B樣條重新分配，把階數(shù)和跨度調(diào)到適當?shù)闹?。然后，修改樣條曲線的控制點和曲線節(jié)點使曲面不斷向點云靠攏，如圖2-15所示。這是一個比較精細耗時的過程。圖2-15 曲面編輯（2）曲面質(zhì)量評估圖2-16顯示了在所創(chuàng)建曲面外的點在法向距離曲面的分布。從顯示的情況來看，掃掠面的點云在法向距離曲面的數(shù)值較小，符合精度。圖2-16 曲面質(zhì)量評估2.7 曲面倒角Imageware中將各個曲面構(gòu)建完成后，就要對其進行相應(yīng)的處理，讓其連接在一起，如橋接、匹配、合并曲面、倒曲面圓角等。這里著重說倒曲面圓角。下面以轉(zhuǎn)向臂較小頭部兩個側(cè)面的倒曲面圓角為例。首先，執(zhí)行命令構(gòu)建/倒角/曲面，在彈出的對話框中選擇要倒圓角的曲面，并對照點云選取合適的圓角半徑，最后形成如圖2-17所示的圓角。其次，進行曲面質(zhì)量評估。圖2-18顯示了在曲面圓角外的點在法向距離曲面的分布。從顯示的情況來看，掃掠面的點云在法向距離曲面的數(shù)值較小，符合精度。否則要通過調(diào)節(jié)圓角半徑，以及曲面的交線來提高圓角曲面的質(zhì)量。這個過程受創(chuàng)建曲面步驟的影響很大，如果曲面創(chuàng)建的質(zhì)量不高，或者曲面的交線不合理，會嚴重影響圓角曲面的質(zhì)量。由于在創(chuàng)建曲面時，很難做到十分的精確，所以此時要不斷的修改曲面，主要是為了得到合理的交線。圖2-17 創(chuàng)建圓角曲面圖2-18 圓角曲面的評價2.8 曲面的修剪各個區(qū)域都創(chuàng)建完以后，就要修剪曲面，將多余的部分刪除。首先，將每個過渡曲面邊界的曲線投影到相鄰的曲面上，此時要視情況選擇是沿著曲面法向還是視圖向量來投影，如圖2-19所示。其次，利用命令修改/分割/分割曲線，用點分割以及捕捉端點的方式，將曲線在相交處剪斷，如圖2-20所示。最后，利用命令修改/修剪/修剪曲面區(qū)域，將多余的曲面修剪掉，如圖2-21所示。圖2-19 投影曲線到曲面上圖2-20 修剪曲線圖2-21 修剪曲面2.9 整體曲面質(zhì)量評估經(jīng)過以上的操作步驟后，最終得到轉(zhuǎn)向臂的CAD曲面模型，如圖2-22、2-23所示。圖2-22 俯視圖圖2-23 側(cè)視圖轉(zhuǎn)向臂CAD曲面構(gòu)建出來以后可以將其與原先的點云進行比較，即比較曲面與點云的偏差，如圖2-24所示。圖2-24 設(shè)定參數(shù)參數(shù)設(shè)定好后檢測結(jié)果如圖2-25所示。圖2-25 點云和曲面的偏差從上圖中可以看出，大部分曲面都是綠色的，這表示偏差較小，而黃色、藍色大都出現(xiàn)在曲率變化較大的區(qū)域，這是由于在創(chuàng)建曲面時，此區(qū)域的曲面編輯較為困難，不容易保證精度；從整體來說構(gòu)建的曲面與點云的偏差較小。由圖可知，點云到曲面之間的偏差的絕對值的最大值不超過1，符合要求。3 創(chuàng)建實體數(shù)據(jù)模型CAD曲面模型建立并進行質(zhì)量檢測后，接著就要被導(dǎo)入UG NX6.0進行縫合，最終得到三維實體數(shù)據(jù)模型。首先將IMW格式的曲面模型轉(zhuǎn)換為x_t格式的模型，以便在NX6.0里被讀取。文件被打開后運用縫合的命令對相鄰曲面片體逐一縫合，選公差值為0.5000，如圖3-1所示。圖3-1 曲面片體縫合所有曲面片體縫合完畢之后，就要對模型進行檢測，如圖3-2所示。如檢測有未縫合的面，則要繼續(xù)縫合，有多余的面則要刪除，最終得到一個三維實體模型，如圖3-3所示。圖3-2 模型檢測圖3-3 轉(zhuǎn)向臂三維實體模型4 轉(zhuǎn)向臂反向工程總結(jié)與展望4.1 全文總結(jié)本文深入探討了反向工程的基本理念以及基于反向工程技術(shù)的轉(zhuǎn)向臂的CAD曲面重建過程，并最終通過UG得到三維實體模型的問題。（1） 在高科技日益發(fā)展的今天，反向工程技術(shù)具有很強的技術(shù)優(yōu)勢。（2）轉(zhuǎn)向臂CAD曲面重構(gòu)技術(shù)在Imageware12.1中的具體體現(xiàn)：點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理，包括誤差點、噪聲點的剔除，點云數(shù)據(jù)平滑、光順以及最終點云數(shù)據(jù)的坐標定位；關(guān)鍵曲線的創(chuàng)建，包括如何提取關(guān)鍵的界面線點云，截面點云的參數(shù)后處理，關(guān)鍵曲線的擬合，曲線參數(shù)化模型修改等；CAD曲面的重構(gòu)，包括曲面的創(chuàng)建，曲面參數(shù)化修改，曲面質(zhì)量的評估，曲面的倒圓角以及多個面相交過渡處的處理；曲面的評估。包括關(guān)鍵的參數(shù)設(shè)定以及分析。（3）UG NX6.0強大的功能為三維實體模型提供了有利條件。4.2 結(jié)論反向工程在制造業(yè)得到越來越廣泛的運用，反向工程的一些關(guān)鍵技術(shù):如數(shù)字化技術(shù)、反向設(shè)計軟件系統(tǒng)已日益完善。今后反向工程將在產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計中發(fā)揮更大的作用。Imageware軟件是一個專業(yè)的反向設(shè)計軟件，具有十分豐富的反求設(shè)計功能，可以高效、高精度的構(gòu)建CAD模型。本文借助于現(xiàn)有的計算機軟、硬件技術(shù)條件，運用反向工程（RE）軟件對煤轉(zhuǎn)向臂進行CAD模型的重構(gòu)，在使用Imageware建立轉(zhuǎn)向臂的CAD曲面時，作者對點云進行了數(shù)據(jù)簡化、誤差點去除、關(guān)順處理等操作，為后來數(shù)據(jù)處理的高效性和最終模型的精度提供了保證。在制造領(lǐng)域，采用反向工程技術(shù)可以快捷的制作產(chǎn)品模型，并對外形進改良，可以得到形狀美觀，符合使用要求的產(chǎn)品，從而縮短研發(fā)的周期，提高經(jīng)濟效益。4.3 展望反向工程屬于一門開拓性、綜合性、實用性較強的技術(shù)，屬于新興的交叉學(xué)科分支，其不僅僅只在于仿制，更多的是進一步創(chuàng)新。在很多領(lǐng)域西方發(fā)達國家都領(lǐng)先于我們，而反向工程技術(shù)恰好為我們提供了一些學(xué)習(xí)創(chuàng)新的機會。我們可以應(yīng)用這一技術(shù)去提高我們工業(yè)生產(chǎn)的水準，去縮短別人的技術(shù)優(yōu)勢。1參考文獻1 單巖，謝斌飛. Imageware逆向造型技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：清華大學(xué)出版社，2006.1-9.2 成思源.逆向工程技術(shù)綜合實踐M.北京：電子工業(yè)出版社，2010.12-17.3 金濤，童水光.逆向工程及技術(shù)M.北京：機械工業(yè)出版社，2003.2-3.4 Ping Xueliang，Zhou Rurong，An Luling.Application of grey systerm theory to processing of measuring data in reverse engineering J.Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003，1:36-415 楊雪榮，張湘?zhèn)?，成思源，?基于三坐標測量機的曲面數(shù)字化方法研究J.工具技術(shù)，2009,43（6）：109-111.6 Sabry F.El-Hakim，Nicolino J.Pizzi.Multicamera vision-based approach to flexible feature measurement for inspection and reverse engineering J.Optical Engineering，1993，32（9）：2201-2215.7 張學(xué)昌.逆向建模技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計M.北京：北京大學(xué)出版社，2009.41-45.8 劉偉軍，孫玉文.逆向工程原理方法及應(yīng)用M.北京：機械工業(yè)出版社，2008.5-6,48-49.9 柯映林.反求工程CAD建模理論、方法和系統(tǒng).北京：機械工業(yè)出版社，2005.6.10 謝韶旺.逆向工程技術(shù)及應(yīng)用M.北京：清華大學(xué)出版社，2010.31-3811 史桂蓉，邢淵，張永清.反向工程應(yīng)用現(xiàn)狀及研究方向J.機械科學(xué)和技術(shù)，2000,19（4）：654-655.12 黃小平，杜曉明，熊有倫.逆向工程中的建模技術(shù)M.湖北：中國機械工程出版社，2001.539-542.13 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，2004.12-13.14 李建軍，溫建勇，肖祥芷.逆向工程及其相關(guān)技術(shù)J.機械與電子，1999,03（2）:21-23.15 李真，邢淵.反向工程在實際生產(chǎn)中的應(yīng)用J.造船技術(shù)，2001,03（5）：34-36.16 劉軍強，高建民，李言，等.基于逆向工程的點云數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)研究J.儀器儀表與檢測，2005，（7）：73-75.