0前言

　　計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展推動了先進(jìn)制造技術(shù)的進(jìn)步并逐漸得到普及，逆向工程技術(shù)作為先進(jìn)制造技術(shù)倍受制造業(yè)的青睞。結(jié)合快速發(fā)展的激光技術(shù)和數(shù)控技術(shù)，逆向工程正在成為汽車、航空航天、模具、玩具和船舶等工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品設(shè)計制造的重要手段。它基于實(shí)物模型來獲得造型數(shù)據(jù)、提取模型參數(shù)，通過模型重構(gòu)吸收和消化先進(jìn)的設(shè)計思想、制造理念以及產(chǎn)品制造過程中的管理方法，并通過對其修改和再優(yōu)化設(shè)計獲得更為適應(yīng)市場要求的產(chǎn)品。這種設(shè)計思想和制造方法大大降低了產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，提高了生產(chǎn)效率，是一門涉及計算機(jī)圖形學(xué)、計算機(jī)圖像處理、微分幾何、計算幾何、數(shù)理統(tǒng)計和軟件工程等多門學(xué)科的CAD技術(shù)。逆向工程實(shí)現(xiàn)流程如圖1所示。

　　

　　參數(shù)化設(shè)計已經(jīng)成為機(jī)械CAD系統(tǒng)的重要開發(fā)手段，在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。Pro/E所具備的參數(shù)化尺寸驅(qū)動、基于特征和單一數(shù)據(jù)庫等特點(diǎn)，使其成為國際上參數(shù)化設(shè)計軟件的標(biāo)準(zhǔn)。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(shù)化環(huán)境工具，它可使用戶專注于模型構(gòu)造這一特定區(qū)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(tǒng)對掃描線點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重構(gòu)以及NC加工的方法和步驟。

　　1測量數(shù)據(jù)的讀取

　　Pro/Scantools不僅可以接收測量數(shù)據(jù)中的有序點(diǎn)數(shù)據(jù)，也能接收散亂點(diǎn)云數(shù)據(jù)。利用掃描工具環(huán)境中的獨(dú)立幾何可從原始數(shù)據(jù)創(chuàng)建期望的形狀。在掃描工具環(huán)境中，輸入測量數(shù)據(jù)的方法有2種：

　　(1)新建-實(shí)體零件，點(diǎn)擊主菜單的[插入]，[獨(dú)立幾何]命令，然后再選擇[幾何]/[示例數(shù)據(jù)來自文件]，指定測量數(shù)據(jù)的密度模式(高密度/低密度)，確立坐標(biāo)系，選中所要讀取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。對彈出的"原始數(shù)據(jù)"對話框中的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和選擇，便完成了掃描工具環(huán)境下測量數(shù)據(jù)的讀取。此時系統(tǒng)會自動根據(jù)測量點(diǎn)擬合成曲線，稱該曲線為掃描曲線。

　　(2)選擇[插入]/[共享數(shù)據(jù)]/[自文件]命令，讀人測量數(shù)據(jù)，再進(jìn)入掃描工具環(huán)境。這里的原始數(shù)據(jù)可以是點(diǎn)數(shù)據(jù)也可以是曲面數(shù)據(jù)。

　　2測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理

　　數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)之一，由于測量誤差和干擾環(huán)境因素的影響，在測量數(shù)據(jù)的過程中不可避免地出現(xiàn)噪聲點(diǎn)、數(shù)據(jù)遺失或冗余數(shù)據(jù)等現(xiàn)象，這些都是影響后續(xù)模型重構(gòu)質(zhì)量的主要因素。因此，在模型重構(gòu)之前要對所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，稱之為數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)預(yù)處理的內(nèi)容包括測量數(shù)據(jù)的噪聲點(diǎn)去除、數(shù)據(jù)精簡和數(shù)據(jù)平滑等。數(shù)據(jù)預(yù)處理的目的是為了使數(shù)據(jù)點(diǎn)在滿足重構(gòu)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(diǎn)擊工具欄里的圖標(biāo)可以對已經(jīng)自動擬合的掃描曲線進(jìn)行修改。選中掃描曲線，彈出[修改掃描]菜單，可對掃描曲線進(jìn)行相應(yīng)地連接、斷開、刪除和重組等操作。在[修改運(yùn)動]對話框中點(diǎn)擊[接受]按鈕即完成了對掃描點(diǎn)的修改。通過以上對數(shù)據(jù)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(chuàng)建型曲線

　　掃描曲線不能直接生成曲面，要通過復(fù)制掃描曲線的方法來獲得型曲線。點(diǎn)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(shù)據(jù)]：選中掃描曲線即可將其復(fù)制成型曲線。[通過點(diǎn)]：根據(jù)所選擇的若干個掃描點(diǎn)創(chuàng)建型曲線。[自曲線]命令項(xiàng)中有2種生成型曲線的方法：(1)依據(jù)給定的點(diǎn)數(shù)生成型曲線;(2)依據(jù)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(chuàng)建完型曲線之后，需要對型曲線進(jìn)行修改和調(diào)整，使生成的曲線盡量光順。點(diǎn)擊工具欄里的才圖標(biāo)，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(diǎn)扭曲曲線;(3)將曲線擬合到指定的參照點(diǎn)。曲線創(chuàng)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(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。點(diǎn)擊[分析][曲線分析]"曲率]命令進(jìn)行曲率分析，若曲率變化較大，則需要進(jìn)一步光順調(diào)整。經(jīng)過微調(diào)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(qū)域性突變。對型曲線進(jìn)行反復(fù)修改和調(diào)整之后，可得到與源曲線接近的最終型曲線，為后續(xù)的曲面造型工作做好準(zhǔn)備。

　　

　　4創(chuàng)建型曲面

　　光順調(diào)整后的型曲線是生成曲面的主要依據(jù)。首先判斷需要生成何種曲面，然后利用Pro/E系統(tǒng)強(qiáng)大的曲面造型功能來構(gòu)建自由曲面。選擇菜單命令[特征]。[創(chuàng)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(xù)性。當(dāng)曲面曲率變化比較均勻時，即達(dá)到設(shè)計要求。若曲面質(zhì)量很差，需對不合理的曲面進(jìn)行修改，直至曲面讓人滿意為止。圖5是在Pro/Scantools環(huán)境下創(chuàng)建的型曲線，以此為特征線并運(yùn)用Pro/E的造型功能生成的曲面如圖6所示。點(diǎn)擊菜單欄[編輯]/[實(shí)體化](或加厚)命令，選擇或輸入相應(yīng)的選項(xiàng)或參數(shù)，即可使曲面轉(zhuǎn)化為實(shí)體如圖7所示。最后在生成的3D模型實(shí)體的基礎(chǔ)上進(jìn)行倒角優(yōu)化或者改進(jìn)設(shè)計，直至滿足設(shè)計要求。

　　

　　5數(shù)控加工

　　Pro/NC模塊能夠完成數(shù)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(shè)計零件的幾何圖形繪制到計算機(jī)，形成零件的圖形文件，然后利用數(shù)控編輯模塊進(jìn)行刀具軌跡處理，由計算機(jī)自動對零件加工軌跡的每個節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算和數(shù)學(xué)處理，在生成刀位數(shù)據(jù)文件后，經(jīng)過相應(yīng)的后處理，自動生成數(shù)控加工程序。步驟大致如下：

　　(1)創(chuàng)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(chuàng)建刀位數(shù)據(jù)文件;(5)將CL文件轉(zhuǎn)化為機(jī)床控制器數(shù)據(jù)文件。

　　6 Pro/E環(huán)境下逆向建模實(shí)例

　　圖8為一個旋轉(zhuǎn)件的有序點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過對數(shù)據(jù)的處理得到掃描曲線，在掃描曲線的基礎(chǔ)上創(chuàng)建了如圖9所示的型曲線，根據(jù)型曲線建立型曲面并實(shí)體化的CAD模型如圖10所示。

　　 　　

　　

　　結(jié)語

　　離散數(shù)據(jù)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)的捕獲、網(wǎng)格生成算法和網(wǎng)格優(yōu)化、曲面控制點(diǎn)的參數(shù)優(yōu)化和曲面的拼接等無不是逆向工程的熱點(diǎn)。本文介紹了利用Pro/E軟件對離散數(shù)據(jù)進(jìn)行模型重構(gòu)的方法和步驟，說明了通用CAD/CAM軟件系統(tǒng)平臺能夠在復(fù)雜曲面實(shí)物逆向工程中發(fā)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(yù)。隨著逆向工程的發(fā)展，逆向反求與正向設(shè)計必將集優(yōu)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(gòu)時間，在逆向反求的數(shù)據(jù)預(yù)處理中將會應(yīng)用到具有智能性的群智能學(xué)習(xí)和啟發(fā)式搜索，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、蟻群算法，遺傳算法等先進(jìn)的算法和技術(shù)將在逆向工程技術(shù)中得到更加廣泛的應(yīng)用。