0引言

　　隨著目前制造業產品開發周期的縮短，以實物模型為設計依據的逆向工程技術，作為CAD/CAM軟件三維設計制造系統的一個有機補充部分，在新品開發及改型中應運而生。逆向工程(RE，Reverse Engineering)，也稱反求工程，反向工程，是針對現有工件(樣品或模型，尤其適合復雜不規則的自由曲面)，利用3D數字化測量儀器準確、快速地測量出輪廓的三維坐標值，并根據這些坐標點通過三維幾何建模方法重建實物的CAD模型的過程。與從無到有的正向設計工程相比，逆向工程是一個從有到無的創新設計過程。逆向工程具體流程如圖l所示。

　　圖1 逆向工程流程圖

　　1數據獲取

　　在逆向工程中，復雜曲面的測量采集(實體數字化)是關鍵的一步。數字化點云的特點和采集精度直接影響著逆向工程技術的方法選擇和實體CAD模型的重構精度。隨著傳感技術、測控技術、制造技術及軟件工程等相關技術的發展，目前復雜曲面零件數據采集主要有兩類：接觸式和非接觸式。接觸式測量就是測頭與實物表面接觸，通過規定掃描方式測量數據，目前比較常用的是三坐標測量機(CMM)，適合于一般幾何形體測量，如平面、圓、圓柱、圓錐和圓球等的測量，它具有精度高、重復性好等優點，缺點是速度慢、效率低、測量探頭易磨損、不適于柔軟實物的測量。而非接觸測量如激光、結構光等方法。測量速度快，適合測量薄、軟工件及具有復雜曲面的工件。本文所述自行車鞍座采用實驗室現有的四軸CNC鐳射掃描系統進行數據采集，屬于非接觸式測量，系統成員包括：CCD鐳射掃描探頭、四軸CNC電動機床、CNC控制器、個人電腦PC、影像獲取卡及掃描軟件，測量速度約在1000-24000pts./s,掃描速度快且能保證高數據質量，掃描后輸出*asc(ASCⅡ)格式的文件。

　　2數據處理

　　2.1逆向工程軟件Imageware

　　逆向工程中的模型重構是以離散點云為基礎，應用相關軟件獲取實物的三維CAD模型，為了適應逆向工程技術的發展，專用的逆向工程軟件相繼面市。Imageware 由美國EDS公司出品，是最著名的逆向工程軟件，正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。

　　Imageware作為逆向工程造型軟件，具有強大的測量數據處理、曲線曲面擬合、誤差檢測功能，可以處理幾萬甚至幾百萬的點云數據，根據這些點云數據構造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質和曲面連續性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據誤差以及平面度、圓度等誤差。Imageware軟件在處理點云數據，線面擬合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段與輔助功能完備的商用CAD/CAM軟件相比還有不小差距。

　　因此，為了獲得高效率高品質的重構模型，我們利用Imageware進行點云數據處理，構建模型的邊界線和主要的特征線，將其保存為ICES格式的文件導人Pro/E中構建曲面，完成實體造型。

　　2. 2點云數據預處理

　　在Imageware軟件中打開掃描好的*. asc ( ASCⅡ)格式的點云數據，并通過快捷鍵Ctrl + I查看點云的詳細資料，以便更好的了解點云信息，有助于后續操作。同時由于模型的對稱性，只需要構造模型的一半，另一半可以鏡像得到，因此我們可以選擇掃描質量較高的一半點云數據作為編輯對象。數據預處理包括數據平滑、數據清理、補齊遺失點、數據對齊等，其目的是去除異常噪聲數據、壓縮冗余數據等。對明顯的噪音點可以用Circle-Select Points命令手動刪除。圖2為經過數據預處理的原始點云數據，圖3為掃描質量較高的一半點云的它角網格化模型，從三角網格化模型我們可以更清楚的了解重建對象的最終形狀，可以調整Neighborhood Size(鄰域尺寸)值優化三角網格化的效果，一般取點與點之間距離的3一5倍。

　　圖2逆向工程流程圖

　　圖3 三角網格化模型

　　2. 3數據對齊

　　把掃描測量時建立的點云坐標系和Imageware系統的世界坐標系的方位統一起來，這樣做的目的是為了下一步更便于擬訂截面線的位置或其他的建模操作。其基本操作如下:

　　(1)在點云上找出可供定位的線和面特征，通過各種方式來制作對齊特征(直線、圓、球面及平面等);

　　(2)在世界坐標系中作出這些線和面的相似形;

　　(3)使用Imageware中的stepwise對齊工具進行對齊。

　　對齊是逆向建模的基本操作，這里我們將點云擺放到關于YZ平面對稱，基本操作包括:

　　利用交互方式選擇點云的邊緣點，由點通過Con-struct-Surface From Cloud-Fit Plane命令擬合成基準面;再由Create-Plane-Center/Normal命令通過坐標原點、垂直于X軸生成一個基準面，用stepwise對齊工具來對齊坐標，并將對其后的點云用Modify-Orient-ResetHome命令在該位置固定下來。

　　2. 4構建邊界線和特征曲線

　　Imageware有3種構建曲線的方法：插值曲線( Interpolate Curve )、均勻曲線(Uniform Curie)和公差曲線(Tolerance Curve)。插值曲線是最精確的一種，因為它能通過點云上的每一個點，因此插值曲線與點云的誤差為零。由于點云有噪聲點，造成了插值曲線的光順性不高，因此在曲線創建中，很少用到插值曲線。均勻曲線在曲線創建中使用最多，相比于插值曲線，均勻曲線并非通過點云上每個點，但相比插值曲線有更好的光順性。公差曲線即在用戶指定的曲線與點云的公差范圍之內，以最少的控制點和節點的數量生成的曲線。因此我們選用均勻曲線構建車座的邊界線和特征曲線。

　　2.4.1構建邊界線

　　用Construct—Cross Section-Cl0ud Parallel命令在x=0處創建剖面，截取截面點云，如果直接用截得的點擬合曲線，發現曲線仍然不太光順，這是因為點云數據不光順導致的，因此在獲得截面點云后，用Modify里的平滑(.Smooth)功能和刪減數據(Data Reduction)功能分別對點云數據進行高斯過濾和不必要數據點的刪減，然后用Construct-Curve From Cloud.Unifonm Curve命令擬合邊界線。圖4為擬合好的兩條邊界線。

　　圖4擬合好的邊界線

　　2.4.2構建特征曲線

　　也就是創建點云的中間控制曲線，具體步驟包括：

　　(1)用Evaluate.Curvature-Cloud Curvatur命令對點云進行曲率分析，目的是將點云分塊¨1，提取每一個特征塊的邊界線便是我們需要的特征曲線。特征曲線與邊界線的構建方法相同，特征曲線的提取可以用點處理命令，以X軸為法向的多個平面來剖切點云，StartPoint(起始點)設置方法可以根據鼠標的尺寸設定，也可以靈活運用Auto Calculate Spacing功能，讓軟件自動判斷生成切割面之間距離;

　　(2)設定分割面數量。Cross Section(剖切面)的數量通常來說，分割面越多，則最后能夠提取的特征曲線也越多，就越能反應點云特征。但在保證擬合誤差的前提下，提取適當數量的分割面，可以減小工作量，提高效率，并有效減少擬合后曲面不光順的幾率。

　　通過曲率分析數據分塊的結果，最終確定分割面數量為lO個，既保證能夠更逼近曲面原貌，又不至于使分割面過于密集。由剖切面截得的點云最終擬合出的曲線如圖5所示。

　　圖5特征曲線

　　3曲面擬合，CAD模型重構

　　復雜曲面零件一般由多張曲面混合而成，主要是二次曲面和自由曲面。自由曲面的表示通常是用B樣條曲面和NURBS曲面，在Pm/E中根據提取的邊界線和特征曲線，用NURBS曲面擬合得到重構曲面。NURBS曲面可以用如下方程表示：

　　式中：

　　——曲線控制點;

　　——ⅣU尺BS曲面的基函數。

　　在Pro/E中導入來自Imageware軟件IGES格式的曲線，應用Pro/E的高級曲面造型、編輯功能，我們可以很方便的構造成一個完整的曲面，但是，在曲面生成之前，為了保證鏡像后兩曲面的連續性，應先創建曲面生成時的參考約束曲面。具體步驟如下：

　　(1)以特征曲線與對稱邊界線的交點為起點，做垂直于對稱邊界線所在平面的直線，然后在其交點處做其與特征曲線相切的約束，這一步驟可以在Pm/E下完成，也可以在Imageware環境中生成，最終得到的直線組如圖6所示。

　　圖6約束直線組

　　(2)在所創建直線組的另一端將對稱邊界線所在的平面用平移工具得到另一平面，在這一平面上做對稱邊界曲線的投影線，如圖7所示。

　　圖7投影曲線

　　(3)用邊界混合命令生成曲面片如圖8所示，以此曲面為約束曲面。

　　圖8 約束曲面片

　　將之前創建的特征曲線和邊界線利用邊界混合命令生成模型的曲面片，并將其以igs格式保存并輸入到Imageware軟件中，與原始點云數據相比較得到的誤差分析結果如圖9所示，其中紅色部分表示曲面與點云誤差較大，根據分析對曲面再做微調整，調整后的模型曲面如圖10所示。

　　圖9 誤差分析

　　圖l0 調整后的曲面

　　最后用鏡像工具得到完整的模型曲面片。這樣通過約束創建的曲面鏡像以后中間不會出現棱角，連接比較平滑。此外，Pro/E提供了功能強大的曲面分析工具，可以對曲面進行高斯曲率、截面曲率、斜率、反射曲線、加亮曲線和半徑值等分析，為即時檢驗設計曲面的質量提供方便，以便設計出高質量的符合工程要求的曲面。

　　檢查曲面光順后就可以把曲面片構造成實體：將生成的兩個曲面片用合并工具合成一個整體，再用加厚命令使其生成實體。最終得到自行車鞍座的CAD模型如圖11所示。

　　圖11 最終CAD模型

　　4 結束語

　　通過對自行車鞍座曲面擬合的實例，可以看出采用逆向工程CAD技術。利用不同軟件各自的優勢，不僅能夠得到原實物精確的復制品，而且可以進一步修改并進行產品的創新設計與開發，提高產品開發的效率與質量。