在逆向工程曲面重构中UG／Imageware的应用

　　传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向工程(或顺向工程)，而相对于传统的设计而言，“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也称反求工程、反向工程等，它起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路，主要是通过3D数字化测量仪或光学设备对物理原型进行扫描，获得点云数据，再通过相应的处理软件如UG/Imageware等转变成曲面的过程。逆向工程的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程。在20世纪90年代初，随着现代计算机技术及测试技术的发展，逆向工程发展为一项以先进产品、设备实物为研究对象，利用CAD/CAM等先进设计、制造技术来进行产品复制、仿制乃至新产品开发的一种技术手段，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制作等。

　　1 Imageware处理逆向工程典型工作流程

　　1.1逆向工程的工作流程

　　逆向工程具体的工作流程是针对实际工作零部件(样品或模型)，利用3D数字化测量仪或光学扫描仪快速准确地测量样品表面或轮廓线条，得到样品点云数据，并加以点云数据处理、曲线处理、曲面处理后，重构模型并加以分析和加工。具体工作流程，如图l所示。

　　图1 逆向工程典型工作流程图

　　1.2 Imageware对点云数据的处理流程

　　在逆向工程的工作流程中，Imageware软件主要应用在点云数据处理、模型重建过程及相关误差评价。主要涉及到以下三个工作过程：点处理过程、曲线处理过程和曲面处理过程。

　　1.2.1点处理过程

　　读人点云的数据——软件能从大多数的数据来源中读入点云的数据。

　　如果需要，把分散的点云数据对齐一必须把模型中不能一次扫描或数字化的部分进行对齐，得到实物样件表面的完整点云。

　　清除不需要点——软件中有许多T具可以发现并纠正或最优化不合要求的点云数据。

　　预先规划创建曲面所需要的点，并把它显示出来——尽量提前规划所需要的点的数据，这样，将来所需要的曲线或曲面就可以直接南这些点来生成。

　　创建出所需点的片段——单一的或多重的点的片段，可以很容易地由平面或非平面点云的截线或其他的新方法来创建。

　　1.2.2曲线处理过程

　　决定要创建的曲线的类型。曲线可以设计得与点的片段一模一样，或让曲线更光滑些，或光滑与精确相结合。

　　由已存在的点创建出曲面。在这里有许多的可能性。

　　检查/修改曲线。检查曲线与点或其他曲线精确度、平滑度与连续相关性等面处理过程。

　　1.2.3曲面处理过程

　　决定要创建的曲面的类型。曲面就像曲线一样，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中。

　　由点云或曲线创建曲面。在这里有许多的可能性。检查/修改曲面。检查曲面与点或曲线或其他曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。

　　2 Imageware在逆向工程技术中的应用

　　根据imageware处理逆向工程主要过程及相关技术，利用该软件强大的点云处理功能，以大曲面为例，以4一边界法开始，创建曲线，结合UG NX4曲线曲面创建优势生成重构曲面，并进行相关的误差分析及曲面光顺评价，具体应用情况如下。

　　2.1曲面数据采集

　　在表面数字化技术中，根据测试方式不同将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。接触式有基于力——变形原理的触发式和连续扫描式数据采集以及基于磁场、超声波的数据采集等。而接触式主要有三坐标测量、激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。另外，随着工业CT技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程取得了应用。接触式扫描对物体表面的颜色和光照没有要求，物体边界的测量相对精确，但缺点是速度慢，对软质材料适应性差，而且测点分布可能不理想。非接触式测速高，相对而言它的精度较低而且对物体表面颜色和光照要求较高。近几年来，随着光学扫描技术的发展，光学扫描精度不断提高，作为非接触光学扫描技术得到了重视，并在工业领域得到越来越广泛的应用。#p#分页标题#e#

　　针对该曲面体积较小，要求精度较高，表面曲面程度复杂，我们采用德国ATOS光学扫描设备对该模型进行实体扫描，获得该模型的完整点云。德国ATOS光学扫描仪具有高质量的点云扫描精度，结构简单、便于携带、测量效率高、测量范围大、方便使用、性能稳定，首创的参考点拼合技术和先进的数码相机定位技术为ATOS的工业应用提供了良好的支撑。

　　2.2利用4一边界法对点云数据处理

　　曲面的原始点云数据处理是模型重构的关键环节，它的处理结果将直接影响后续重构模型的质量。这个过程主要包括：数据预处理，数据分块、数据光顺、三角化、数据优化、散乱数据处理等工作过程。在本例中，主要采用4一边界法处理数据。

　　一般来说，一个曲面有4个边界，用户通常希望创建出最大可能的曲面，如果用户需要一个比较复杂的曲面来获取所有的特征，用户可以将曲面分割为更小的曲面。最好的开始方法是提取点云的4条边界，并且由这4条边界来创建曲线，然后可以得到一个足够大的包含点云上所有的特征的曲面。具体步骤如下：

　　(1)从点云底部创建一个剖切截面来提取边界信息，用来创建曲面底部的边界曲线。选择Construct→Cross Section→loudParallel。

　　(2)改变视图，利用区域选择命令分割上下左右点云，选择Modify→Extract→Cirele—Select Parallel得到4条边界点云。

　　(3)选择Construct→Curve from Cloud→Tolerance Curve创建基于公差的4条曲线，公差0.1mm，如图2所示，并选择Evaluate→continuitry→Curve to Curve检查曲线间的连续性，发现有两条曲线不连续。

　　图2 4边界曲线

　　(4)编辑和修改曲线，使曲线对齐。选择Modify→Extend，Modify→Snip→Snip Cunre(s)延长和剪切曲线，选择Modify→Continuity→Match 2 Curves对齐曲线，使用Modify→Parameteri-zation→Insert/Remove Curve Knot(s)删除节点。

　　(5)编辑和修改曲线，使曲线均匀并且兼容。选择Modify→Parameterization→Reparameterize Curve使其中一条曲线变为均匀曲线，然后以该曲线为基准，重新参数化其它三条曲线。

　　(6)检查曲线点云误差精度对比。选择Measure→Curve to→Cloud Difference命令，选择所有生成曲线与对应点云，设置最大公差为0.5执行，结果如图3所示。

　　图3 曲线与点云之间误差对比

　　通过误差对比，可以看出误差基本在0.1公差附近，如果这里误差太大，可以重设曲线的参数或者用修改控制点的方法使曲线进入误差范围内。

　　2.3曲面模型重建和造型

　　在整个曲面的逆向工程过程中，三维CAD模型重建是最关键、最复杂的一环。因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持。

　　2.3.1 Imageware曲面重构

　　利用Imageware软件进行模型重建主要有两种方法，即曲线拟合造型和曲面片直接拟合造型。本次主要采用曲线拟合造型方法对模型飞机翅膀进行模型重建。曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一种常用的模型重建方法是，先将数据点通过插值(Interpolation)或逼近(Approximation)拟合成样条曲线(或参数曲线)，再利用造型工具，如Sweep、Blend、Lofting、四边曲面(Boundary)等，完成曲面片造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型。通过准备扫描线、创建薄片、点云切层、剖切截面、隐藏点云、显示线型等。

　　在上步中我们已经创建4条边界曲线，现在用Surface by Boundary命令来创建曲面，选择Construct→Surface→Surface By Boundary，沿顺时针或逆时针依次选取4条边界曲线，生成曲面拟合曲线，如图4所示。#p#分页标题#e#

　　图4 曲面曲线显示

　　然后利用所有曲线视图和原始点云对齐，这样将用更多的元素创建曲面以捕捉曲面上的更多特征，使点云在视图中的前方和后方拥有最少数量的点。选择View →Align view to →Cloud实现，选择Construct→ Surface →Fit w/Cloud and Curves来建构曲面，并选择Measure →Surface to→ Cloud Difference检查曲面与云点之间的误差距离。如图5所示，从图中可以看出，最大误差距离为0.113mm,误差距离小于0.2mm,满足我们的误差范围。

　　图5 Imageware曲面与点云误差对比

　　2.3.2 UG NX4 中曲面生成

　　在UG系统中，采用基于曲面的构造方法创建曲面，将Imageware中生成的四边界曲线保存成.imw格式，导入UG NX4中，点击Surface工具栏中Through Curve(s)正确。

　　选取截面1、2，生成曲面，并进行光顺评价，如图6、图7所示。

　　图6 创建曲面

　　图7 UG NX4曲面光顺评价

　　3 结束语

　　结合曲面自身特点，采用ATOS扫描仪得到点云数据，利用逆向造型软件Imageware强大的点云数据处理功能，采用4-边界法在Imageware进行点云数据处理、曲线处理、曲面处理等，重构曲面模型并进行模型误差评价。利用UG NX4的曲面创建优势，将Imageware中提取4-边界曲线，导入UG NX4中创建曲面并进行光顺分析，直到得到最优化曲面。不仅能够得到原实物的精确复制品，还可以进一步创新，对设计模型进行优化和完善。这种设计方法大大缩短了设计开发周期，提高产品的设计效率