论文部分内容阅读
摘要：反求设计与制造是逆向工程的重要组成部分，以某汽车灯罩为研究对象，首先利用三维光学面扫描系统对零件进行测量，获取三维点云数据，然后利用Geomagic Studio对点云数据进行处理，进行曲面重构，并对重构的曲面进行分析和优化，得到实物原型的CAD模型。
关键词：逆向工程；三维光学面扫描； Geomagic；CAD模型
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）09-01-01
O 引言
逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程、反向工程，是指根据测得的实物模型数据利用工程CAD软件（如Pro/E、UG等）的造型功能进行曲面重构（建模），将实物和设计特征用于产品分析和制造[1]。目前，随着新的逆向工程原理和技术的不断引人，逆向工程已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带。在新产品开发过程中居于核心地位，广泛应用于产品的改型与创新设计，成为消化吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要技术手段。而逆向参数化建模不仅可以提取原始设计信息，重建更为精确的CAD模型，更加有利于实现模型的参数化修改，方便逆向基础上的二次设计。
在产品设计与制造中，有些用户没有提供图纸或CAD数据档案，只提供产品样件，而且这类产品大多具有复杂曲面外形，用常规方法无法测量其尺寸并绘出图形，产品的制造就更为繁杂，用传统的设计和制造方法时间长而且效果不佳，甚至无法解决。这时需要一个具体化的解决方案：样品──数据──产品。先进的CAD/CAM 技术的应用，特别是在其中逆向工程技术的应用发挥了重要作用，逆向工程系统为此类问题提供了一个全新、高效的三维设计与制造方法[2]。逆向工程过程是由三坐标测量机对已有的样品或模型进行测量，得到其三维轮廓数据，配合反求工程软件和三维CAD/CAM 软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果和再设计等，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行数控加工或快速成型，图1为逆向工程基本操作流程图。
图1 逆向工程基本操作流程图
1.测量系统设备原理介绍
实物模型的数字化采集是逆向工程技术的首要而关键的一步，数字模型结果的好坏直接影响到最终CAD模型曲面质量的优劣。目前，逆向工程使用的数字化工具可分为接触方法和非接触方法，接触式测量通过测头与模型表面接触实现表面数据的获取；非接触式测量以计算机图像处理为主要手段，如激光三角法、结构光法、CT扫描等。三维光学面扫描系统是对传统的激光扫描仪的一个重大突破，扫描仪和扫描物体的相对位置都可以变换，这样大大提高了扫描范围和不同场合的扫描可行性 。笔者采用的西安交通大学自主研发的密集点云测量系统，测试获取点云可以进行多视拼合和重叠面删除。XJTUDP系统能够进行大幅面的关键点快速测量，XJTUOM系统能够获得复杂曲面密集点云。XJTUDP系统配合XJTUOM使用，能够快速获得高精度超大物体的三维坐标.
XJTUOM测量系统的基本原理是：测量时光栅投影装置投影多幅多频光栅到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标，
三维光学面扫描系统，广泛应用于三维复杂曲面的逆向设计和三维全尺寸检测。XJTUOM可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量。与传统的三坐标测量仪和激光三维扫描仪相比具有速度快、精度高、易操作、可移动等特点，在物体的单面测量和多面拼接的精度和准确度上达到了国际先进水平。对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合。
2.采用Geomagic Studio对点云数据处理
Geomagic Studio是应用越来越广泛专业逆向工程软件，该软件是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大。它以先进的数学模型、曲面构建理论为基础.能快速地整理曲面点云数据，自动产生网格 可建构任意复杂的精确曲面模型，创造从原型曲面测量点云，到多边形数据的高品质三维模型产品。
曲面重建是逆向工程中最为重要的部分，其中Geomagic Studio曲面重建通过对点云的多边形网格化处理并对网格使用Bezier或者NURBS曲面进行拟合来创建曲面，即将点云数据文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型软件Geomagic Studio，将曲面重建分为3个阶段，即点阶段、多边形阶段和曲面阶段 。
2.1 点阶段
由于环境光或操作的影响，点云数据文件不可避免地带有多余和错误的噪点，可在点阶段对这些噪点进行删除处理。Geomagic有两种删除点云方式：手动删除和自动删除。手动删除是使用选择工具选择所不需要的点进行删除； 自动删除是执行“非连接项”对不需要的孤立点云的直径进行定义，再将定义范围之内的点删除。一般情况下，由于初始点云数量很大，可达到上百万以上，会使得计算速度较慢，所以要对初始点云数据采样处理，
2.2 多边形阶段
对点阶段处理完成的点云进行封装处理，构造三角形网格，即进入多边形阶段。在多边形阶段，若模型有三角形未填充到的部分则执行“填充孔”命令，系统自动对表面执行基于曲率填充，该命令对曲率变化比较有规律的表面有较好的填充效果，对整个表面进行光顺处理，可得到光滑的表面的过程；
2.3 曲面阶段
在曲面阶段可对模型各分块区域的类别探测、构建曲面片、构建栅格及拟合曲面等操作而完成NURBS重构。从而提高最终生成的CAD模型的质量 。在NURBS曲面模块下首先执行“探测轮廓线” 命令对模型进行曲率检测，通过对模型表面曲率变化较大的区域进行中心线抽取得到的轮廓线可将模型分为多个区域；再执行“延伸轮廓线”命令，根据轮廓线生成延伸线，延伸线的作用是在各分块曲面之间形成过渡曲面，使各分块之间得到良好的过渡。
创建完各分块区域和过渡曲面后，执行“构建曲面片”将其自动产生曲面。使每块曲面曲率变化尽量均匀，从而在拟合曲面时能够更好地捕捉到三角网格曲面的外形，较低拟合误差，使每块曲面尽量为四边域曲面。如图10所示构建网格，自动将每一块曲面片内产生U、V，控制线；如图11所示构建栅格，根据模型数据的特征和大小制定数目系统自动评估。
图10 灯罩网格曲面 图11 灯罩栅格曲面
拟合曲面是完成重构的最后环节，即产生由多个NURBS曲面片构成的完整曲面，各曲面片之间链接，经过对CAD模型结果分析可知，利用NURBS模块的曲面片类型识别和拟合功能，其拟合精度和表面质量都可以得到较大的提高。另存成IGS或STEP格式导到Pro/E三维软件可以进行产品的二次设计
3 总结
以汽车灯罩零件为例，结合最新的XJTUOM三维扫描系统和Geomagic逆向工程软件阐述了从实物模型CAD模型的整个过程。XJTUOM三维扫描系统具有便携性，自定位等优点；Geomagic Studio具有自动识别表面特征的功能，能够解读模型各分块区域的原始设计意图，从而可以大幅度提高重建模型曲面的质量。随着逆向工程中数字化扫描设备和CAD重建软件的功能和效率的不断提高，逆向工程技术将得到更加广泛的应用。
参考文献：
【1】齐建雄，牛文杰.逆向工程中的曲面重构研究[J].机械设计，2009，（增刊）：53-54.
【2】许智钦，孙长库.3D逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社。2002
【3】成思源，洪树彬，杨雪荣.逆向工程技术综合实践.北京：电子工业出版社，2010
【4】成思源，谢韶旺.Geomagicstudio逆向工程技术及应用.北京：清华大学出版社，2010
【5】西安交通大学. XJTUDP三维光学摄影测量系统用户手册v7.0.2010
作者简介
李华雄（1987年5月）、男（汉族）、广东阳江人、助理实验师，本科学历，主要从事快速制造工作
关键词：逆向工程；三维光学面扫描； Geomagic；CAD模型
中图分类号：TH 文献标识码：A 文章编号：1009-914x（2014）09-01-01
O 引言
逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程、反向工程，是指根据测得的实物模型数据利用工程CAD软件（如Pro/E、UG等）的造型功能进行曲面重构（建模），将实物和设计特征用于产品分析和制造[1]。目前，随着新的逆向工程原理和技术的不断引人，逆向工程已经成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带。在新产品开发过程中居于核心地位，广泛应用于产品的改型与创新设计，成为消化吸收先进技术，实现新产品快速开发的重要技术手段。而逆向参数化建模不仅可以提取原始设计信息，重建更为精确的CAD模型，更加有利于实现模型的参数化修改，方便逆向基础上的二次设计。
在产品设计与制造中，有些用户没有提供图纸或CAD数据档案，只提供产品样件，而且这类产品大多具有复杂曲面外形，用常规方法无法测量其尺寸并绘出图形，产品的制造就更为繁杂，用传统的设计和制造方法时间长而且效果不佳，甚至无法解决。这时需要一个具体化的解决方案：样品──数据──产品。先进的CAD/CAM 技术的应用，特别是在其中逆向工程技术的应用发挥了重要作用，逆向工程系统为此类问题提供了一个全新、高效的三维设计与制造方法[2]。逆向工程过程是由三坐标测量机对已有的样品或模型进行测量，得到其三维轮廓数据，配合反求工程软件和三维CAD/CAM 软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果和再设计等，最终生成IGES或STL数据，据此就能进行数控加工或快速成型，图1为逆向工程基本操作流程图。
图1 逆向工程基本操作流程图
1.测量系统设备原理介绍
实物模型的数字化采集是逆向工程技术的首要而关键的一步，数字模型结果的好坏直接影响到最终CAD模型曲面质量的优劣。目前，逆向工程使用的数字化工具可分为接触方法和非接触方法，接触式测量通过测头与模型表面接触实现表面数据的获取；非接触式测量以计算机图像处理为主要手段，如激光三角法、结构光法、CT扫描等。三维光学面扫描系统是对传统的激光扫描仪的一个重大突破，扫描仪和扫描物体的相对位置都可以变换，这样大大提高了扫描范围和不同场合的扫描可行性 。笔者采用的西安交通大学自主研发的密集点云测量系统，测试获取点云可以进行多视拼合和重叠面删除。XJTUDP系统能够进行大幅面的关键点快速测量，XJTUOM系统能够获得复杂曲面密集点云。XJTUDP系统配合XJTUOM使用，能够快速获得高精度超大物体的三维坐标.
XJTUOM测量系统的基本原理是：测量时光栅投影装置投影多幅多频光栅到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图像，然后对图像进行解码和相位计算，并利用立体匹配技术、三角形测量原理，解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标，
三维光学面扫描系统，广泛应用于三维复杂曲面的逆向设计和三维全尺寸检测。XJTUOM可随意搬至工件位置做现场测量，并可调节成任意角度作全方位测量。与传统的三坐标测量仪和激光三维扫描仪相比具有速度快、精度高、易操作、可移动等特点，在物体的单面测量和多面拼接的精度和准确度上达到了国际先进水平。对大型工件可分块测量，测量数据可实时自动拼合。
2.采用Geomagic Studio对点云数据处理
Geomagic Studio是应用越来越广泛专业逆向工程软件，该软件是目前对点云处理及三维曲面构建功能最强大。它以先进的数学模型、曲面构建理论为基础.能快速地整理曲面点云数据，自动产生网格 可建构任意复杂的精确曲面模型，创造从原型曲面测量点云，到多边形数据的高品质三维模型产品。
曲面重建是逆向工程中最为重要的部分，其中Geomagic Studio曲面重建通过对点云的多边形网格化处理并对网格使用Bezier或者NURBS曲面进行拟合来创建曲面，即将点云数据文件生成CAD模型文件。作者采用的是快速曲面重建的典型软件Geomagic Studio，将曲面重建分为3个阶段，即点阶段、多边形阶段和曲面阶段 。
2.1 点阶段
由于环境光或操作的影响，点云数据文件不可避免地带有多余和错误的噪点，可在点阶段对这些噪点进行删除处理。Geomagic有两种删除点云方式：手动删除和自动删除。手动删除是使用选择工具选择所不需要的点进行删除； 自动删除是执行“非连接项”对不需要的孤立点云的直径进行定义，再将定义范围之内的点删除。一般情况下，由于初始点云数量很大，可达到上百万以上，会使得计算速度较慢，所以要对初始点云数据采样处理，
2.2 多边形阶段
对点阶段处理完成的点云进行封装处理，构造三角形网格，即进入多边形阶段。在多边形阶段，若模型有三角形未填充到的部分则执行“填充孔”命令，系统自动对表面执行基于曲率填充，该命令对曲率变化比较有规律的表面有较好的填充效果，对整个表面进行光顺处理，可得到光滑的表面的过程；
2.3 曲面阶段
在曲面阶段可对模型各分块区域的类别探测、构建曲面片、构建栅格及拟合曲面等操作而完成NURBS重构。从而提高最终生成的CAD模型的质量 。在NURBS曲面模块下首先执行“探测轮廓线” 命令对模型进行曲率检测，通过对模型表面曲率变化较大的区域进行中心线抽取得到的轮廓线可将模型分为多个区域；再执行“延伸轮廓线”命令，根据轮廓线生成延伸线，延伸线的作用是在各分块曲面之间形成过渡曲面，使各分块之间得到良好的过渡。
创建完各分块区域和过渡曲面后，执行“构建曲面片”将其自动产生曲面。使每块曲面曲率变化尽量均匀，从而在拟合曲面时能够更好地捕捉到三角网格曲面的外形，较低拟合误差，使每块曲面尽量为四边域曲面。如图10所示构建网格，自动将每一块曲面片内产生U、V，控制线；如图11所示构建栅格，根据模型数据的特征和大小制定数目系统自动评估。
图10 灯罩网格曲面 图11 灯罩栅格曲面
拟合曲面是完成重构的最后环节，即产生由多个NURBS曲面片构成的完整曲面，各曲面片之间链接，经过对CAD模型结果分析可知，利用NURBS模块的曲面片类型识别和拟合功能，其拟合精度和表面质量都可以得到较大的提高。另存成IGS或STEP格式导到Pro/E三维软件可以进行产品的二次设计
3 总结
以汽车灯罩零件为例，结合最新的XJTUOM三维扫描系统和Geomagic逆向工程软件阐述了从实物模型CAD模型的整个过程。XJTUOM三维扫描系统具有便携性，自定位等优点；Geomagic Studio具有自动识别表面特征的功能，能够解读模型各分块区域的原始设计意图，从而可以大幅度提高重建模型曲面的质量。随着逆向工程中数字化扫描设备和CAD重建软件的功能和效率的不断提高，逆向工程技术将得到更加广泛的应用。
参考文献：
【1】齐建雄，牛文杰.逆向工程中的曲面重构研究[J].机械设计，2009，（增刊）：53-54.
【2】许智钦，孙长库.3D逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社。2002
【3】成思源，洪树彬，杨雪荣.逆向工程技术综合实践.北京：电子工业出版社，2010
【4】成思源，谢韶旺.Geomagicstudio逆向工程技术及应用.北京：清华大学出版社，2010
【5】西安交通大学. XJTUDP三维光学摄影测量系统用户手册v7.0.2010
作者简介
李华雄（1987年5月）、男（汉族）、广东阳江人、助理实验师，本科学历，主要从事快速制造工作