0前言

　　計算機技術的發展推動了先進制造技術的進步并逐漸得到普及，逆向工程技術作為先進制造技術倍受制造業的青睞。結合快速發展的激光技術和數控技術，逆向工程正在成為汽車、航空航天、模具、玩具和船舶等工業領域產品設計制造的重要手段。它基于實物模型來獲得造型數據、提取模型參數，通過模型重構吸收和消化先進的設計思想、制造理念以及產品制造過程中的管理方法，并通過對其修改和再優化設計獲得更為適應市場要求的產品。這種設計思想和制造方法大大降低了產品的生產周期，提高了生產效率，是一門涉及計算機圖形學、計算機圖像處理、微分幾何、計算幾何、數理統計和軟件工程等多門學科的CAD技術。逆向工程實現流程如圖1所示。

　　

　　參數化設計已經成為機械CAD系統的重要開發手段，在工程實際中得到廣泛應用。Pro/E所具備的參數化尺寸驅動、基于特征和單一數據庫等特點，使其成為國際上參數化設計軟件的標準。Pro/E軟件中的ICEMSurf、Pro/Scantools(掃描工具)以及Pro/Designer模塊均具有逆向功能，其中Pro/Scantools模塊是專門用于逆向工程的工具模塊。掃描工具是一種非參數化環境工具，它可使用戶專注于模型構造這一特定區域，并用不同的造型工具來獲得期望的形狀和曲面屬性。文章闡述了利用通用CAD/CAM軟件Pro/E系統對掃描線點數據進行模型重構以及NC加工的方法和步驟。

　　1測量數據的讀取

　　Pro/Scantools不僅可以接收測量數據中的有序點數據，也能接收散亂點云數據。利用掃描工具環境中的獨立幾何可從原始數據創建期望的形狀。在掃描工具環境中，輸入測量數據的方法有2種：

　　(1)新建-實體零件，點擊主菜單的[插入]，[獨立幾何]命令，然后再選擇[幾何]/[示例數據來自文件]，指定測量數據的密度模式(高密度/低密度)，確立坐標系，選中所要讀取的點云數據。對彈出的"原始數據"對話框中的各項參數進行設定和選擇，便完成了掃描工具環境下測量數據的讀取。此時系統會自動根據測量點擬合成曲線，稱該曲線為掃描曲線。

　　(2)選擇[插入]/[共享數據]/[自文件]命令，讀人測量數據，再進入掃描工具環境。這里的原始數據可以是點數據也可以是曲面數據。

　　2測量數據的預處理

　　數據處理是逆向工程的關鍵技術之一，由于測量誤差和干擾環境因素的影響，在測量數據的過程中不可避免地出現噪聲點、數據遺失或冗余數據等現象，這些都是影響后續模型重構質量的主要因素。因此，在模型重構之前要對所測得的數據進行處理，稱之為數據預處理，數據預處理的內容包括測量數據的噪聲點去除、數據精簡和數據平滑等。數據預處理的目的是為了使數據點在滿足重構精度的前提下盡量簡單，這些工作都可以在Pro/Scantools模塊中完成。

　　點擊工具欄里的圖標可以對已經自動擬合的掃描曲線進行修改。選中掃描曲線，彈出[修改掃描]菜單，可對掃描曲線進行相應地連接、斷開、刪除和重組等操作。在[修改運動]對話框中點擊[接受]按鈕即完成了對掃描點的修改。通過以上對數據的直接處理，即可獲得令人滿意的掃描曲線集。圖2和圖3為處理前和處理后的掃描曲線。

　　

　　3創建型曲線

　　掃描曲線不能直接生成曲面，要通過復制掃描曲線的方法來獲得型曲線。點擊菜單欄里的[幾何]/[曲線]命令，彈出如圖4所示的菜單。[自示例數據]：選中掃描曲線即可將其復制成型曲線。[通過點]：根據所選擇的若干個掃描點創建型曲線。[自曲線]命令項中有2種生成型曲線的方法：(1)依據給定的點數生成型曲線;(2)依據給定的允許公差范圍生成型曲線。

　　無論采用什么方法，得到的型曲線都不會很理想，所以在創建完型曲線之后，需要對型曲線進行修改和調整，使生成的曲線盡量光順。點擊工具欄里的才圖標，選擇需要修改的型曲線在彈出的[修改曲線]菜單欄中，Pro/Scantools提供了3種修改型曲線的方法：(1)利用曲線的控制多邊形扭曲曲線;(2)利用曲線的型值點扭曲曲線;(3)將曲線擬合到指定的參照點。曲線創建完成之后，可通過曲線的曲率分析來判斷曲線的光順性，并可以改變曲線與其他曲線之間連續性(連接、相切、曲率連續)。點擊[分析][曲線分析]"曲率]命令進行曲率分析，若曲率變化較大，則需要進一步光順調整。經過微調光順后的樣條曲線建立的3D模型比較美觀，圖形不會造成區域性突變。對型曲線進行反復修改和調整之后，可得到與源曲線接近的最終型曲線，為后續的曲面造型工作做好準備。

　　

　　4創建型曲面

　　光順調整后的型曲線是生成曲面的主要依據。首先判斷需要生成何種曲面，然后利用Pro/E系統強大的曲面造型功能來構建自由曲面。選擇菜單命令[特征]。[創建][曲面][新建][高級]、[邊界混合]，按順序選擇截面曲線作為邊界線，最后需檢查曲面的光順性及與其他曲面的連續性。當曲面曲率變化比較均勻時，即達到設計要求。若曲面質量很差，需對不合理的曲面進行修改，直至曲面讓人滿意為止。圖5是在Pro/Scantools環境下創建的型曲線，以此為特征線并運用Pro/E的造型功能生成的曲面如圖6所示。點擊菜單欄[編輯]/[實體化](或加厚)命令，選擇或輸入相應的選項或參數，即可使曲面轉化為實體如圖7所示。最后在生成的3D模型實體的基礎上進行倒角優化或者改進設計，直至滿足設計要求。

　　

　　5數控加工

　　Pro/NC模塊能夠完成數控加工的全部過程。其工作過程是：首先利用制造模塊的圖形編輯功能，將設計零件的幾何圖形繪制到計算機，形成零件的圖形文件，然后利用數控編輯模塊進行刀具軌跡處理，由計算機自動對零件加工軌跡的每個節點進行計算和數學處理，在生成刀位數據文件后，經過相應的后處理，自動生成數控加工程序。步驟大致如下：

　　(1)創建CAD模型;(2)建立操作;(3)定義NC工序和模擬加工屏幕顯示;(4)創建刀位數據文件;(5)將CL文件轉化為機床控制器數據文件。

　　6 Pro/E環境下逆向建模實例

　　圖8為一個旋轉件的有序點數據，通過對數據的處理得到掃描曲線，在掃描曲線的基礎上創建了如圖9所示的型曲線，根據型曲線建立型曲面并實體化的CAD模型如圖10所示。

　　 　　

　　

　　結語

　　離散數據的幾何造型涉及和需要解決的問題很多，如造型方法的選擇、拓撲結構的捕獲、網格生成算法和網格優化、曲面控制點的參數優化和曲面的拼接等無不是逆向工程的熱點。本文介紹了利用Pro/E軟件對離散數據進行模型重構的方法和步驟，說明了通用CAD/CAM軟件系統平臺能夠在復雜曲面實物逆向工程中發揮重要作用。雖然Pro/Scantools模塊具有逆向反求功能，但自動化程度不高，需要太多的人工干預。隨著逆向工程的發展，逆向反求與正向設計必將集優勢于一體，從而提高反求效率和精度。為了提高幾何精度和減少重構時間，在逆向反求的數據預處理中將會應用到具有智能性的群智能學習和啟發式搜索，神經網絡技術、蟻群算法，遺傳算法等先進的算法和技術將在逆向工程技術中得到更加廣泛的應用。