利用Imageware和Pro／E软件进行的自行车鞍座曲面反求设计

　　0引言

　　随着目前制造业产品开发周期的缩短，以实物模型为设计依据的逆向工程技术，作为CAD/CAM软件三维设计制造系统的一个有机补充部分，在新品开发及改型中应运而生。逆向工程(RE，Reverse Engineering)，也称反求工程，反向工程，是针对现有工件(样品或模型，尤其适合复杂不规则的自由曲面)，利用3D数字化测量仪器准确、快速地测量出轮廓的三维坐标值，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物的CAD模型的过程。与从无到有的正向设计工程相比，逆向工程是一个从有到无的创新设计过程。逆向工程具体流程如图l所示。

　　图1 逆向工程流程图

　　1数据获取

　　在逆向工程中，复杂曲面的测量采集(实体数字化)是关键的一步。数字化点云的特点和采集精度直接影响着逆向工程技术的方法选择和实体CAD模型的重构精度。随着传感技术、测控技术、制造技术及软件工程等相关技术的发展，目前复杂曲面零件数据采集主要有两类：接触式和非接触式。接触式测量就是测头与实物表面接触，通过规定扫描方式测量数据，目前比较常用的是三坐标测量机(CMM)，适合于一般几何形体测量，如平面、圆、圆柱、圆锥和圆球等的测量，它具有精度高、重复性好等优点，缺点是速度慢、效率低、测量探头易磨损、不适于柔软实物的测量。而非接触测量如激光、结构光等方法。测量速度快，适合测量薄、软工件及具有复杂曲面的工件。本文所述自行车鞍座采用实验室现有的四轴CNC镭射扫描系统进行数据采集，属于非接触式测量，系统成员包括：CCD镭射扫描探头、四轴CNC电动机床、CNC控制器、个人电脑PC、影像获取卡及扫描软件，测量速度约在1000-24000pts./s,扫描速度快且能保证高数据质量，扫描后输出*asc(ASCⅡ)格式的文件。

　　2数据处理

　　2.1逆向工程软件Imageware

　　逆向工程中的模型重构是以离散点云为基础，应用相关软件获取实物的三维CAD模型，为了适应逆向工程技术的发展，专用的逆向工程软件相继面市。Imageware 由美国EDS公司出品，是最著名的逆向工程软件，正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。

　　Imageware作为逆向工程造型软件，具有强大的测量数据处理、曲线曲面拟合、误差检测功能，可以处理几万甚至几百万的点云数据，根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。Imageware的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据误差以及平面度、圆度等误差。Imageware软件在处理点云数据，线面拟合方面有其特色，但是提供的曲面造型手段与辅助功能完备的商用CAD/CAM软件相比还有不小差距。

　　因此，为了获得高效率高品质的重构模型，我们利用Imageware进行点云数据处理，构建模型的边界线和主要的特征线，将其保存为ICES格式的文件导人Pro/E中构建曲面，完成实体造型。

　　2. 2点云数据预处理

　　在Imageware软件中打开扫描好的*. asc ( ASCⅡ)格式的点云数据，并通过快捷键Ctrl + I查看点云的详细资料，以便更好的了解点云信息，有助于后续操作。同时由于模型的对称性，只需要构造模型的一半，另一半可以镜像得到，因此我们可以选择扫描质量较高的一半点云数据作为编辑对象。数据预处理包括数据平滑、数据清理、补齐遗失点、数据对齐等，其目的是去除异常噪声数据、压缩冗余数据等。对明显的噪音点可以用Circle-Select Points命令手动删除。图2为经过数据预处理的原始点云数据，图3为扫描质量较高的一半点云的它角网格化模型，从三角网格化模型我们可以更清楚的了解重建对象的最终形状，可以调整Neighborhood Size(邻域尺寸)值优化三角网格化的效果，一般取点与点之间距离的3一5倍。

　　图2逆向工程流程图

　　图3 三角网格化模型

　　2. 3数据对齐

　　把扫描测量时建立的点云坐标系和Imageware系统的世界坐标系的方位统一起来，这样做的目的是为了下一步更便于拟订截面线的位置或其他的建模操作。其基本操作如下:

　　(1)在点云上找出可供定位的线和面特征，通过各种方式来制作对齐特征(直线、圆、球面及平面等);

　　(2)在世界坐标系中作出这些线和面的相似形;

　　(3)使用Imageware中的stepwise对齐工具进行对齐。

　　对齐是逆向建模的基本操作，这里我们将点云摆放到关于YZ平面对称，基本操作包括:

　　利用交互方式选择点云的边缘点，由点通过Con-struct-Surface From Cloud-Fit Plane命令拟合成基准面;再由Create-Plane-Center/Normal命令通过坐标原点、垂直于X轴生成一个基准面，用stepwise对齐工具来对齐坐标，并将对其后的点云用Modify-Orient-ResetHome命令在该位置固定下来。

　　2. 4构建边界线和特征曲线

　　Imageware有3种构建曲线的方法：插值曲线( Interpolate Curve )、均匀曲线(Uniform Curie)和公差曲线(Tolerance Curve)。插值曲线是最精确的一种，因为它能通过点云上的每一个点，因此插值曲线与点云的误差为零。由于点云有噪声点，造成了插值曲线的光顺性不高，因此在曲线创建中，很少用到插值曲线。均匀曲线在曲线创建中使用最多，相比于插值曲线，均匀曲线并非通过点云上每个点，但相比插值曲线有更好的光顺性。公差曲线即在用户指定的曲线与点云的公差范围之内，以最少的控制点和节点的数量生成的曲线。因此我们选用均匀曲线构建车座的边界线和特征曲线。

　　2.4.1构建边界线

　　用Construct—Cross Section-Cl0ud Parallel命令在x=0处创建剖面，截取截面点云，如果直接用截得的点拟合曲线，发现曲线仍然不太光顺，这是因为点云数据不光顺导致的，因此在获得截面点云后，用Modify里的平滑(.Smooth)功能和删减数据(Data Reduction)功能分别对点云数据进行高斯过滤和不必要数据点的删减，然后用Construct-Curve From Cloud.Unifonm Curve命令拟合边界线。图4为拟合好的两条边界线。

　　图4拟合好的边界线

　　2.4.2构建特征曲线

　　也就是创建点云的中间控制曲线，具体步骤包括：

　　(1)用Evaluate.Curvature-Cloud Curvatur命令对点云进行曲率分析，目的是将点云分块¨1，提取每一个特征块的边界线便是我们需要的特征曲线。特征曲线与边界线的构建方法相同，特征曲线的提取可以用点处理命令，以X轴为法向的多个平面来剖切点云，StartPoint(起始点)设置方法可以根据鼠标的尺寸设定，也可以灵活运用Auto Calculate Spacing功能，让软件自动判断生成切割面之间距离;

　　(2)设定分割面数量。Cross Section(剖切面)的数量通常来说，分割面越多，则最后能够提取的特征曲线也越多，就越能反应点云特征。但在保证拟合误差的前提下，提取适当数量的分割面，可以减小工作量，提高效率，并有效减少拟合后曲面不光顺的几率。

　　通过曲率分析数据分块的结果，最终确定分割面数量为lO个，既保证能够更逼近曲面原貌，又不至于使分割面过于密集。由剖切面截得的点云最终拟合出的曲线如图5所示。

　　图5特征曲线

　　3曲面拟合，CAD模型重构

　　复杂曲面零件一般由多张曲面混合而成，主要是二次曲面和自由曲面。自由曲面的表示通常是用B样条曲面和NURBS曲面，在Pm/E中根据提取的边界线和特征曲线，用NURBS曲面拟合得到重构曲面。NURBS曲面可以用如下方程表示：

　　式中：

　　——曲线控制点;

　　——ⅣU尺BS曲面的基函数。

　　在Pro/E中导入来自Imageware软件IGES格式的曲线，应用Pro/E的高级曲面造型、编辑功能，我们可以很方便的构造成一个完整的曲面，但是，在曲面生成之前，为了保证镜像后两曲面的连续性，应先创建曲面生成时的参考约束曲面。具体步骤如下：

　　(1)以特征曲线与对称边界线的交点为起点，做垂直于对称边界线所在平面的直线，然后在其交点处做其与特征曲线相切的约束，这一步骤可以在Pm/E下完成，也可以在Imageware环境中生成，最终得到的直线组如图6所示。

　　图6约束直线组

　　(2)在所创建直线组的另一端将对称边界线所在的平面用平移工具得到另一平面，在这一平面上做对称边界曲线的投影线，如图7所示。

　　图7投影曲线

　　(3)用边界混合命令生成曲面片如图8所示，以此曲面为约束曲面。

　　图8 约束曲面片

　　将之前创建的特征曲线和边界线利用边界混合命令生成模型的曲面片，并将其以igs格式保存并输入到Imageware软件中，与原始点云数据相比较得到的误差分析结果如图9所示，其中红色部分表示曲面与点云误差较大，根据分析对曲面再做微调整，调整后的模型曲面如图10所示。

　　图9 误差分析

　　图l0 调整后的曲面

　　最后用镜像工具得到完整的模型曲面片。这样通过约束创建的曲面镜像以后中间不会出现棱角，连接比较平滑。此外，Pro/E提供了功能强大的曲面分析工具，可以对曲面进行高斯曲率、截面曲率、斜率、反射曲线、加亮曲线和半径值等分析，为即时检验设计曲面的质量提供方便，以便设计出高质量的符合工程要求的曲面。

　　检查曲面光顺后就可以把曲面片构造成实体：将生成的两个曲面片用合并工具合成一个整体，再用加厚命令使其生成实体。最终得到自行车鞍座的CAD模型如图11所示。

　　图11 最终CAD模型

　　4 结束语

　　通过对自行车鞍座曲面拟合的实例，可以看出采用逆向工程CAD技术。利用不同软件各自的优势，不仅能够得到原实物精确的复制品，而且可以进一步修改并进行产品的创新设计与开发，提高产品开发的效率与质量。