复杂曲面PROE环境下的逆向工程.docx
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复杂曲面PROE环境下的逆向工程
复杂曲面PROE环境下的逆向工程
[摘要]本文研究了逆向工程的关键技术，并应用于复杂曲面的模型重建。
逆向工程的关键技术包括：
数据获取、数据处理和模型重建。
通过对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。
根据复杂曲面的特点，采用逆向工程方法完成模型重建工作。
采用serein激光扫描仪高效率、高精度地完成复杂曲面的数据获取工作。
应用imageware和Pro/E软件完成曲面的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。
运用Pro/E软件中小平面特征和重新造型的方法，重复利用软件优势，完成曲面模型的重构工作。
研究表明，采用逆向工程的方法完成曲面模型，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法，具有重要的实际意义和较高的应用价值。
[关键词]逆向工程；小平面特征；重新造型；imageware；Pro/E
1.1.引言
逆向工程（ReverseEngineering）也称反求工程，是相对正向设计而定义的一种设计方法，是从实物模型到电子模型或理论概念的一个反向推理、挖掘、优化的系统过程，在国内外各个领域被广泛应用。
它的意义不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进技术，更体现在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论和思想上的创新，这对于我国科技进步和制造业的发展具有十分重要的意义。
Pro/ENGINEER是美国PTC公司于1988年开发出的参数化建模软件系统，它广泛应用于机械、电子航天、模具、工业设计、汽车和玩具等行业。
其所提供的独立几何、小平面特征和重新造型等模块都可完成逆向反求工作。
1.2.逆向工程特点和过程
在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品就成为企业成败的关键。
由于各种原因往往我们都会遇到只有一个实物样品或手工模型，没有图纸或CAD数据档案，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，没法得到准确的尺寸，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍。
但是逆向工程技术很好的解决了这一问题。
随着计算机技术的飞速发展，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。
通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在CAD领域，这就是所谓的逆向工程。
传统的复制方法是用立体雕刻机或液压三次元靠模铣床制作出一比一成等比例的模具，再进行量产。
这种方法属于类比式（Analogtype）复制，无法建立工件尺寸图档，也无法做任何的外形修改。
这为后续的改进设计造成很大程度上的麻烦。
传统的复制方法时间长而效果不佳，已渐渐为新型数字化的逆向工程系统所取代。
逆向工程系统就专门为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。
并给出一个一体化的解决方案：
样品→数据→产品。
逆向工程通常是以专案方式执行模型的仿制工作。
往往制作的产品没有原始设计图档，而是委托单位交付一件样品或模型，如木鞋模、高尔夫球头、玩具、电气外壳结构等，由制作单位复制（Copy）出来。
因为有长期专门从事逆行工作的专业技术人员，所以工作效率很高。
逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行快速成型或CNC数控加工。
逆向工程应用领域相当广泛，有军工、模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、高尔夫球业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面。
逆向工程建模的一般流程图
图1.1逆向建模一般流程
模型曲面分析——确定扫描方案——进行实体点云扫描——进行点云数据处理——建立需要的曲线——建立曲面——实体建模（如图1.1所示）。
1.3.快速成型的技术原理、早期发展和特点功能
1.3.1.快速成型原理
企业的发展战略已经从60年代“如何做的更多”、70年代“如何做的更便宜”、80年代“如何做的更好”发展到90年代的“如何做的更快”。
快速成型（也称快速原型）制造技术（RapidPrototyping&Manufacturing，RP&M）就是在这种背景下逐步形成并得以发展的。
快速成型将计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机数字控制（CNC）、激光、精密伺服驱动和新材料等先进技术集成一体。
依据计算机上构成的工件三维设计模型（图1.2（a）），对其进行分层切片，得到各层截面的二维轮廓（图1.2（b））。
按照这些轮廓，成形装置选择性地固化-层层的液态树脂（或切割-层层的纸，烧结-层层的粉末材料，喷涂-层层的热熔材料或粘结剂等），形成各个截面轮廓（图1.2（c））并逐步顺序叠加成三维工件（图1.2（d））。
图1.2快速成型制作过程
快速成形技术彻底摆脱了传统的“去除”加工法-部分去除大于工件的毛坯上的材料来得到工件。
而采用全新的“增长”加工法，用层层的小毛坯逐步叠加成大工件，将复杂的三维加工分解成简单的二维加工的组合。
因此，它不必采用传统的加工机床和工模具，只需传统加工方法的10％-30％的工时和20％-35％的成本，就能直接制造出产品样品或模具。
由于快速成形具有上述突出的优势，所以近年来发展迅速，已成为现代先进制造技术中的一项支柱技术，实现并行工程（ConcurrentEngineering，简称CE）的必不可少的手段。
1.3.2.快速成型工艺方法
目前快速成型主要工艺方法及其分类见图1.3所示
图1.3快速成型主要工艺方法及其分类
1）立体光固化成型法（SL,Stereo-Lithography）
光固化法（SL）是目前最为成熟和广泛应用的一种快速成型制造工艺。
这种工艺以液态光敏树脂为原材料，在计算机控制下的紫外激光按预定零件各分层截面的轮廓轨迹对液态树脂逐点扫描，使被扫描区的树脂薄层产生光聚合（固化）反应，从而形成零件的一个薄层截面。
完成一个扫描区域的液态光敏树脂固化层后，工作台下降一个层厚，使固化好的树脂表面再敷上一层新的液态树脂然后重复扫描、固化，新固化的一层牢固地粘接在一层上，如此反复直至完成整个零件的固化成型。
SL工艺的优点是精度较高，一般尺寸精度可控制在0.01mm;表面质量好;原材料利用率接近100%;能制造形状特别复杂、精细的零件;设备市场占有率很高。
缺点是需要设计支撑;可以选择的材料种类有限;制件容易发生翘曲变形;材料价格较昂贵。
该工艺适合比较复杂的中小型零件的制作。
2）选择性激光烧结法（SLS,SelectiveLaserSintering）
选择性激光烧结法（SLS）是在工作台上均匀铺上一层很薄（100μ-200μ）的作金属（或金属）粉末，激光束在计算机控制下按照零件分层截面轮廓逐点地进行扫描、烧结，使粉末固化成截面形状。
完成一个层面后工作台下降一个层厚，滚动铺粉机构在已烧结的表面再铺上一层粉末进行下一层烧结。
未烧结的粉末保留在原位置起支撑作用，这个过程重复进行直至完成整个零件的扫描、烧结，去掉多余的粉末，再进行打磨、烘干等处理后便获得需要的零件。
用金属粉或陶瓷粉进行直接烧结的工艺正在实验研究阶段，它可以直接制造工程材料的零件。
SLS工艺的优点是原型件机械性能好，强度高，无须设计和构建支撑，可选材料种类多且利用率高（100%）。
缺点是制件表面粗糙，疏松多孔，需要进行后处理，制造成本高。
采用各种不同成分的金属粉末进行烧结，经渗铜等后处理特别适合制作功能测试零件;也可直接制造金属型腔的模具。
采用蜡粉直接烧结适合于小批量比较复杂的中小型零件的熔模铸造生产。
3）熔融沉积成型法（FDM,FusedDepositionModeling）
这种工艺是通过将丝状材料如热塑性塑料、蜡或金属的熔丝从加热的喷嘴挤出，按照零件每一层的预定轨迹，以固定的速率进行熔体沉积。
每完成一层，工作台下降一个层厚进行迭加沉积新的一层，如此反复最终实现零件的沉积成型。
FDM工艺的关键是保持半流动成型材料的温度刚好在熔点之上（比熔点高1℃左右）。
其每一层片的厚度由挤出丝的直径决定，通常是0.25~0.50mm。
FDM的优点是材料利用率高，材料成本低，可选材料种类多，工艺简洁。
缺点是精度低;复杂构件不易制造，悬臂件需加支撑;表面质量差。
该工艺适合于产品的概念建模及形状和功能测试，中等复杂程度的中小原型，不适合制造大型零件。
4）分层实体制造法（LOM,LaminatedObjectManufacture）
LOM工艺是将单面涂有热溶胶的纸片通过加热辊加热粘接在一起，位于上方的激光切割器按照CAD分层模型所获数据，用激光束将纸切割成所制零件的内外轮廓，然后新的一层纸再叠加在上面，通过热压装置和下面已切割层粘合在一起，激光束再次切割，如此反复逐层切割、粘合、切割；直至整个模型制作完成。
LOM工艺优点是无需设计和构建支撑;只需切割轮廓，无需填充扫描;制件的内应力和翘曲变形小;制造成本低。
缺点是材料利用率低，种类有限;表面质量差;内部废料不易去除，后处理难度大。
该工艺适合于制作大中型、形状简单的实体类原型件，特别适用于直接制作砂型铸造模。
5）三维印刷法（3DP,ThreeDimensionalPrinting）
三维印刷法是利用喷墨打印头逐点喷射粘合剂来粘结粉末材料的方法制造原型。
3DP的成型过程与SLS相似，只是将SLS中的激光变成喷墨打印机喷射结合剂。
该技术制造致密的陶瓷部件具有较大的难度，但在制造多孔的陶瓷部件（如金属陶瓷复合材多孔坯体或陶瓷模具等）方面具有较大的优越性。
1.3.3.快速成型技术的早期发展
1892年，J．E．BLanther在他的美国专利（#473901）中，曾建议用分层制造法构成地形图。
这种方法的原理是将地形图的轮廓线压印在一系列蜡片上，然后按轮廓线切割蜡片，并将其粘结在一起，熨平表面，从而得到三维地形图。
1902年，CarloBaese在他的美国专利（#774549）中，提出了用光敏聚合物制造塑料件的原理，这是现代第一种快速成形技术——“立体平板印刷术”（StereoLithography）的初始设想。
1940年，Perera提出了在硬纸板上切割轮廓线，然后将这些纸板粘结成三维地形图的方法。
50年代之后，出现了几百个有关快速成形技术的专利。
许多学者又提出了用一系列轮廓片形成三维地形模型的新方法（图1.4）。
图1.4三维地形模型的制作
1976年，PaulLDimatteo在他的美国专利（#3932923）中，进一步明确地提出先用轮廓跟踪器将三维物体转化成许多二维轮廓薄片，然后用激光切割这些薄片（图1.5），这些设想与现代另一种快速成形技术——“物体分层制造”（LaminatedObjectManufacturing）的原理极为相似。
图1.5层与层之间的连接
1986年，CharlesWHull在他的美国专利（#4575330）中，提出了一个用激光照射液态光敏树脂，从而分层制作三维物体的现代快速成形机的方案。
随后，美国的3Dsystems公司据此专利，于1988年生产出了第一台现代快速成形机SLA—250（液态光敏树脂选择性固化成形机），开创了快速成形技术发展的新纪元。
在此后的10年内，涌现了10多种不同形式的快速成形技术和相应的快速成形机，如薄形材料选择性切割（LOM）、丝状材料选择性熔融（FDM）和粉末材料选样性烧结（SLS）等，并且在工业、医疗及其它领域得到了普遍的应用。
到1998年为止，全世界已拥有快速成形机4259台，快速成形机制造公司约27个，用快速成形机进行对外服务的机构331个。
不仅如此．还派生出一个全新的领域—快速模具制造（RapidTooling），从而使快速成形成为现代制造业必不可少的支柱技术。
我国从上世纪90年代初开始进行有关快速成形技术的研究及开发，现己取得令人瞩目的进展。
其中，华中科技大学（原华中理工大学）较早的开发了系列LOM快速成形机；清华大学进行了多种快速成形技术的研究，并推出了类似LOM、FDM等快速成形机的产品；华中科技大学和北京隆源自动成型系统有限公司也推出了SLS快速成形机的产品；西安交通大学、上海联泰科技等推出了SLA快速成形机。
此外，香港大学、香港中文大学、香港科技大学、香港理工大学、南京航空航天大学、浙江大学、中北大学等也开展了有关设备、材料和工艺的研究；香港快速原型科技中心、深圳生产力促进中心、天津生产力促进中心等为普及和推广快速成形技术进行了卓有成效的工作。
可喜的是，一些汽车、摩托车、家用电器和模型制造行业已装备快速成形机，面向社会的快速成形服务中心和政府支持的快速成形中心正在建立和扩大．愈来愈多的工业界对快速成形技术重要性的认识日益加深。
1.3.4.快速成型技术的特点功能
采用快速成形技术之后，设计者在设计的最初阶段，就能拿到实在的产品样品，在单个零件和装配部件的级别上，对产品设计进行校验和优化，并可在不同阶段快速地修改、重做样品，甚至做出试制用工模具及少量的产品。
这将给设计者创造一个优良的设计环境，提供一个快捷、有力的物理模拟手段，无需多次反复思考、修改，即可尽快得到优化结果，从而能显著地缩短设计周期和降低成本。
制造者在产品设计的最初阶段，也能拿到实在的产品样品、甚至试制用的工模具及少量产品，这使得他们能及早地对产品设计提出意见，最大限度地减少失误和返工，大大节省工时、降低成本和提高产品质量。
在产品设计的最初阶段也能拿到实在的产品样品，甚至少量产品，这使得他们能据此及早、实在地向用户宣传和征求意见，以及进行比较准确的市场需求预测，而不是仅凭抽象的产品描述或图纸、样本来推销。
所以，快速成形技术的应用可以显著地降低新产品的销售风险和成本，大大缩短其投放市场的时间和提高竞争能力。
用户在产品设计的最初阶段，也能见到产品样品、甚至少量产品，这使得他们能及早、深刻地认识产品，进行必要的测试，并及时提出意见，从而可以在尽可能短约时间内，以最合理的价格得到性能最符合要求的产品。
快速制造技术周期短、工艺简单、易于推广、制模成本低、精度和寿命能满足某种特定的功能需要，综合经济效益良好，是一种快捷、方便、实用的制造技术，特别适用于新产品开发试制、工艺验证和功能验证以及多品种小批量生产。
快速成型技术与数控机床的主要区别在于高度柔性。
无论是数控机床还是加工中心，都是针对某一类型零件而设计的。
如车削加工中心，铣削加工中心等。
对于不同的零件需要不同的装夹，用不同的工具。
虽然它们的柔性非常高，可以生产批量只有几十件、甚至几件的零件，而不增加附加成本。
但它们不能单独使用，需要先将材料制成毛坯。
而RP技术具有最高的柔性，对于任何尺寸不超过成形范围的零件，无需任何专用工具就可以快速方便的制造出它的模型（原型）。
从制造模型的角度，快速成型具有数控机床无法比拟的优点，即快速方便、高度柔性。
零件的模型或原型虽然只反映出最终零件的几何特性，不能反映出全部的机械性能。
但已经使RP技术受到极大的欢迎。
德国奔驰公司的WernerPullman博士在IMS快速产品开发国际会议上讲：
“购买一辆车，首先考虑的是它的客观印象，然后是它的技术特性，如马力、安全设备等。
像噪音、操作性能和款式等特性是作出购买决定的重要因素。
但这些特性只有通过物理原型来评价。
因此高质量的功能原型在产品开发中是重要的方面，不能被数字模型和分析所取代。
”在美国福特汽车公司，RP&M技术被用于为多种目的制造模型：
设计者和工程师可以拿着他们设计概念的实物模型进行早期的观察、验证，反复改进和优化。
快速制造零件原型，快速将CAD的数字模型转换成实体模型的RP技术已被人们所接受，并受到产业界的广泛欢迎。
1.4.软件介绍
1.4.1.Imageware软件简介
Imageware是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。
拥有广大的用户群，如BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Toyota。
Imageware为自由曲面产品设计方面的所有关键领域提供了应用驱动的解决方案。
空前先进的技术保证了用户能在更短的时间内进行设计、逆向工程，并精确地构建和完全地检测高质量自由曲面。
最新的产品版本更注重于高级曲面、3D检测、逆向工程和多边形造型，为产品的设计、工程和制造营造了一个直觉的柔性设计环境。
Imageware提供了模块化的产品来满足用户的不同需求，这样的设计完全围绕产品从概念设计、工模具设计和检测、样机，以至生产加工这一产品全生命周期，目的在于提高产品质量，缩短上市时间。
用户在第一次使用时就可以配置最适合其流程的产品，使用这些工具是保证产品开发周期顺利进行的关键。
Imageware12主要用来做逆向工程，它处理点云数据的流程遵循，点—曲线—曲面的原则，整个流程简单清晰明了，而且软件操作容易，对系统性能要求也不高。
1）点云处理功能
a）读入点云数据,将分离的点云对齐在一起（如果有需要）。
有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云。
Imageware12软件可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的点信息将点云对齐。
b）对点云进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。
由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，Imageware12软件有很多工具来对点云进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。
c）通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。
一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点云；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。
提前规划可以避免以后走弯路。
d）根据需要创建点的网格或点的分段。
Imageware12软件能提供很多种生成点的网格和点的分段工具，这些工具使用起来灵活方便，还可以一次生成多个点的分段。
2）曲线创建功能
a）判断和决定生成哪种类型的曲线。
曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的（捕捉点云代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。
b）创建曲线。
根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。
控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。
c）诊断和修改曲线。
可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。
Imageware12软件提供很多工具来调整和修改曲线。
3）曲面创建功能
a）决定生成那种曲面。
同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面，或两者兼顾。
根据产品设计需要来决定。
b）创建曲面。
创建曲面的方法很多，可以用点云直接生成曲面（Fitfreeform），可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点云和曲线的信息来创建曲面。
还可以通过其他例如圆角等生成曲面。
c）诊断和修改曲面。
比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点云对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。
Imageware12是著名的逆向工程软件，其广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件领域。
而且拥有以上专业的点云到曲面的造型功能，在进行逆向工程时是一个不错的工具。
1.4.2.Pro/Engineer软件逆向工程模块简介
Pro/ENGINEER软件由美国参数技术公司开发而成，是机械CAD/CAM软件的后起之秀，它采用统一的数据库，集三维实体和曲面造型、装配造型、三维工程图、数控加工、有限元分析、机构运动仿真、钣金设计、加工和装配工艺过程。
设计及模具设计等功能于一体，特别是其全参数化和全相关功能强大的实体造型技术，精悍、统一的数据库和能支持所有UN平台Windows，Windows/NT，使它成为快速成型技术行业中市场占有率最高的CAD软件。
PTC公司开发的产品中，具有逆向功能的有：
ICEMSURF、Pro/DESIGNER（CDRS）、Pro/SCANTOOLS、FacetFeature和Restyle。
1）ICEMSurf模块
ICEMSurf是一个可以构造A级自由曲面的工具，它可以直接构造曲面（无须先构造曲线）并可对曲面质量进行动态评价，在汽车、摩托车外覆盖件，内饰件等自由曲面的构建过程中具有优势，但在重构自由曲面时对测量数据的完整性要求比较严格。
ICEMSurf也可用于曲面的设计，但此曲面并非传统意义上的曲面模型。
只是把点云数据转换成三角面片，通过三角面片来求解截面线、边界线和特征线，也可用来做RP或NC加工编程。
2）Pro/Designer模块
Pro/Designer是一个工业设计的造型模块，主要应用于概念设计，它可以方便地调整各条型线，从而得到设计师想要得到的结果。
用于逆向工程时，可以用于少量测量数据点、仅有主要型线和边界线的情况，从这个意义上来说它不是一个完整的逆向，操作者反求的主要是产品的造型思想。
3）Pro/SCANTOOLS模块
Pro/SCANTOOLS是一个完全集成于Pro/ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，且可以用来构造非A级的自由曲面，一般应用于电器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。
Pro/SCANTOOLS是一个非参数化环境工具，设计人员可以专注设计模型的特定区域，使用不同的工具来获得期望的形状及曲面属性。
在Pro/SCANTOOLS模块下，可以输入多种格式的扫描数据，并可对高密度的数据进行智能滤波。
同时可根据选取的扫面数据创建型值曲线，并可在曲面上创建型值曲线。
在Pro/SCANTOOLS模块下，也可以输入几何特征，如曲线、曲面或多面数据等。
4）FacetFeature模块
FacetFeature（小平面特征）是Pro/ENGINEER新增的建模工具，可以输入实物模型扫描点云数据或用三坐标测量机所测得的数据，可以纠正设备误差引起的点云数据错误，也可以对点云进行点云去噪、点云精简、平滑滤波、点云数据点修补、三角网格划分和三角平面处理等。
Restyle模块
Restyle（重新造型）是一个逆向工程环境，用来在多面（小三角形平面）数据的顶部重建或构造曲面CAD模型。
1.逆向工程一般步骤
2.1实体三维数据的获得——扫描
数据测量是逆向工程中后续处理的基础,目前,模型数字化的方法主要分为非接触式测量和接触式测量两大类。
其中,接触式测量是量头与实物表面有接触,常用的设备有:
三坐标测量机、数控机床（NC）测量装置、专用数字化仪等。
这种方式比较成熟,但测量速度和精度比较低,而且不适合柔软实物的测量。
随着计算机技术与光电技术的发展,以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到快速发展,如激光三角形测量与光栅法等。
本文采用深圳市思瑞精密仪器有限公司开发的SEREIN三维激光扫描仪,完成对实物的数据测量,整机结构如图3.1所示。
图3.1三维激光扫描仪
在进行逆向工程时，三维扫描是最基本的一步。
它是获得原始点云数据的最直接的方法，也是最理想的方法。
原始点云数据是后面进行逆向处理的根本依据，因此三维扫描得到点云数据的好坏直接影响到逆向建模的成功与否。
三维扫描是集光、机、电和计算机技术于一体的高新技术，主要用于对物体空间外形和结构进行扫描，以获得物体表面的空间坐标。
它的重要意义在于能够将实物的立体信息转换为计算机能直接处理的数字信号，为实物数字化提供了相当方便快捷的手段。
高速三维扫描及数字化系统在逆向工程中发挥着巨大作用。
三维扫描技术能
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