Pro／E平台上的模型重构技术

　　0前言

　　计算机技术的发展推动了先进制造技术的进步并逐渐得到普及，逆向工程技术作为先进制造技术倍受制造业的青睐。结合快速发展的激光技术和数控技术，逆向工程正在成为汽车、航空航天、模具、玩具和船舶等工业领域产品设计制造的重要手段。它基于实物模型来获得造型数据、提取模型参数，通过模型重构吸收和消化先进的设计思想、制造理念以及产品制造过程中的管理方法，并通过对其修改和再优化设计获得更为适应市场要求的产品。这种设计思想和制造方法大大降低了产品的生产周期，提高了生产效率，是一门涉及计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、计算几何、数理统计和软件工程等多门学科的CAD技术。逆向工程实现流程如图1所示。

　　

　　参数化设计已经成为机械CAD系统的重要开发手段，在工程实际中得到广泛应用。Pro/E所具备的参数化尺寸驱动、基于特征和单一数据库等特点，使其成为国际上参数化设计软件的标准。Pro/E软件中的ICEMSurf、Pro/Scantools(扫描工具)以及Pro/Designer模块均具有逆向功能，其中Pro/Scantools模块是专门用于逆向工程的工具模块。扫描工具是一种非参数化环境工具，它可使用户专注于模型构造这一特定区域，并用不同的造型工具来获得期望的形状和曲面属性。文章阐述了利用通用CAD/CAM软件Pro/E系统对扫描线点数据进行模型重构以及NC加工的方法和步骤。

　　1测量数据的读取

　　Pro/Scantools不仅可以接收测量数据中的有序点数据，也能接收散乱点云数据。利用扫描工具环境中的独立几何可从原始数据创建期望的形状。在扫描工具环境中，输入测量数据的方法有2种：

　　(1)新建-实体零件，点击主菜单的[插入]，[独立几何]命令，然后再选择[几何]/[示例数据来自文件]，指定测量数据的密度模式(高密度/低密度)，确立坐标系，选中所要读取的点云数据。对弹出的"原始数据"对话框中的各项参数进行设定和选择，便完成了扫描工具环境下测量数据的读取。此时系统会自动根据测量点拟合成曲线，称该曲线为扫描曲线。

　　(2)选择[插入]/[共享数据]/[自文件]命令，读人测量数据，再进入扫描工具环境。这里的原始数据可以是点数据也可以是曲面数据。

　　2测量数据的预处理

　　数据处理是逆向工程的关键技术之一，由于测量误差和干扰环境因素的影响，在测量数据的过程中不可避免地出现噪声点、数据遗失或冗余数据等现象，这些都是影响后续模型重构质量的主要因素。因此，在模型重构之前要对所测得的数据进行处理，称之为数据预处理，数据预处理的内容包括测量数据的噪声点去除、数据精简和数据平滑等。数据预处理的目的是为了使数据点在满足重构精度的前提下尽量简单，这些工作都可以在Pro/Scantools模块中完成。

　　点击工具栏里的图标可以对已经自动拟合的扫描曲线进行修改。选中扫描曲线，弹出[修改扫描]菜单，可对扫描曲线进行相应地连接、断开、删除和重组等操作。在[修改运动]对话框中点击[接受]按钮即完成了对扫描点的修改。通过以上对数据的直接处理，即可获得令人满意的扫描曲线集。图2和图3为处理前和处理后的扫描曲线。

　　

　　3创建型曲线

　　扫描曲线不能直接生成曲面，要通过复制扫描曲线的方法来获得型曲线。点击菜单栏里的[几何]/[曲线]命令，弹出如图4所示的菜单。[自示例数据]：选中扫描曲线即可将其复制成型曲线。[通过点]：根据所选择的若干个扫描点创建型曲线。[自曲线]命令项中有2种生成型曲线的方法：(1)依据给定的点数生成型曲线;(2)依据给定的允许公差范围生成型曲线。

　　无论采用什么方法，得到的型曲线都不会很理想，所以在创建完型曲线之后，需要对型曲线进行修改和调整，使生成的曲线尽量光顺。点击工具栏里的才图标，选择需要修改的型曲线在弹出的[修改曲线]菜单栏中，Pro/Scantools提供了3种修改型曲线的方法：(1)利用曲线的控制多边形扭曲曲线;(2)利用曲线的型值点扭曲曲线;(3)将曲线拟合到指定的参照点。曲线创建完成之后，可通过曲线的曲率分析来判断曲线的光顺性，并可以改变曲线与其他曲线之间连续性(连接、相切、曲率连续)。点击[分析][曲线分析]"曲率]命令进行曲率分析，若曲率变化较大，则需要进一步光顺调整。经过微调光顺后的样条曲线建立的3D模型比较美观，图形不会造成区域性突变。对型曲线进行反复修改和调整之后，可得到与源曲线接近的最终型曲线，为后续的曲面造型工作做好准备。

　　

　　4创建型曲面

　　光顺调整后的型曲线是生成曲面的主要依据。首先判断需要生成何种曲面，然后利用Pro/E系统强大的曲面造型功能来构建自由曲面。选择菜单命令[特征]。[创建][曲面][新建][高级]、[边界混合]，按顺序选择截面曲线作为边界线，最后需检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性。当曲面曲率变化比较均匀时，即达到设计要求。若曲面质量很差，需对不合理的曲面进行修改，直至曲面让人满意为止。图5是在Pro/Scantools环境下创建的型曲线，以此为特征线并运用Pro/E的造型功能生成的曲面如图6所示。点击菜单栏[编辑]/[实体化](或加厚)命令，选择或输入相应的选项或参数，即可使曲面转化为实体如图7所示。最后在生成的3D模型实体的基础上进行倒角优化或者改进设计，直至满足设计要求。

　　

　　5数控加工

　　Pro/NC模块能够完成数控加工的全部过程。其工作过程是：首先利用制造模块的图形编辑功能，将设计零件的几何图形绘制到计算机，形成零件的图形文件，然后利用数控编辑模块进行刀具轨迹处理，由计算机自动对零件加工轨迹的每个节点进行计算和数学处理，在生成刀位数据文件后，经过相应的后处理，自动生成数控加工程序。步骤大致如下：

　　(1)创建CAD模型;(2)建立操作;(3)定义NC工序和模拟加工屏幕显示;(4)创建刀位数据文件;(5)将CL文件转化为机床控制器数据文件。

　　6 Pro/E环境下逆向建模实例

　　图8为一个旋转件的有序点数据，通过对数据的处理得到扫描曲线，在扫描曲线的基础上创建了如图9所示的型曲线，根据型曲线建立型曲面并实体化的CAD模型如图10所示。

　　 　　

　　

　　结语

　　离散数据的几何造型涉及和需要解决的问题很多，如造型方法的选择、拓扑结构的捕获、网格生成算法和网格优化、曲面控制点的参数优化和曲面的拼接等无不是逆向工程的热点。本文介绍了利用Pro/E软件对离散数据进行模型重构的方法和步骤，说明了通用CAD/CAM软件系统平台能够在复杂曲面实物逆向工程中发挥重要作用。虽然Pro/Scantools模块具有逆向反求功能，但自动化程度不高，需要太多的人工干预。随着逆向工程的发展，逆向反求与正向设计必将集优势于一体，从而提高反求效率和精度。为了提高几何精度和减少重构时间，在逆向反求的数据预处理中将会应用到具有智能性的群智能学习和启发式搜索，神经网络技术、蚁群算法，遗传算法等先进的算法和技术将在逆向工程技术中得到更加广泛的应用。