基于ImageWare的逆向工程技术

张子佩

介绍了逆向工程的概念、特点及工作流程，通过话筒的反求设计阐述了用ImageWare对点云数据进行数据处理、曲面重建及造型的过程。介绍了由大量数据点进行曲线、曲面反求的设计方法，研究表明ageWare在逆向工程技术中的应用具有重大的意义。
        
- o0 s- F. Y, `        1 逆向工程的一般工作流程
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4 s% F" B; y/ ?: L& L        逆向工程(Reverse Engineering，RE)也称反求工程，它是从一个存在的零件或原型入手，首先对其进行数字化处理，然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等，最后制造出产品的过程.逆向工程具体的工作流程是针对一现有工件(样品或模型)，利用3D数字化测量仪，准确、快速地量取样品表面点数据或轮廓线条，加以点数据处理、曲面创建，修改后，传至CAD/CAM系统，再由CAD系统传至CNC加工机床或快速成型机来制作工件或模具。逆向工程的一般工作流程见图1。
        
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" N7 J; P7 A; _) K) A        图1 逆向工程的工作流程图
        
0 C  K+ E) E6 Q6 H- r        ImageWare作为逆向工程的造型软件，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能，可以处理几万至几百万的点云数据，根据这些点云数据构造的曲面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。ugNX3 软件作为高端的CAD/CAM软件整合了从产品设计、曲面造型、模具设计以及模具数控加工编程的能力，对产品的后期处理、修整以及模具设计加工有着极大的优势。本文通过话筒的反求设计，详细阐述了ImageWare在逆向工程中的应用，整个设计过程采用了美国UGS公司的ImageWare软件和UnigraphicsNX3(以下简称UG NX3)软件。
        
        2 点云数据采集
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        在表面数字化技术中，根据测试方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统的测量方法是以三坐标测量机(CMM)为代表的接触式。接触式方法对物体表面的颜色和光照没有要求，它具有噪声低、精度高(可达土0.5μm) 、重复性好等优度慢、效率低，对软质材料适应性差，需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿.由于近年在分区域测量技术上的突破.使得非接触式投影光栅法的测量精度得到了进一步的提高，如德国GOM公司的ATOS流动光学三维扫描仪，测量速度大于43000点/s，单幅照片可扫描点数最大可达400000点，单幅照片精度为士0.03mm ，整体测量精度达到0.1 mm，光学扫描仪还具有测量范围大、携带方便等优点.本文采用德国GOM公司的ATOS光学扫描仪(ATOS I 600 EU)进行话筒数据采集，其测量精度为0.1mm/0.5m, ATOS扫描仪在测量时可随意围绕被测物体移动，利用11 幅不同宽度的光栅反射信息，再经数据影像处理系统计算得到实物表面点数据。话筒初始点云图见图2。
        
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        图2 话筒初始点云图
        
' z  n2 L# k- c$ A        3 点云放据处理
        
/ J  m7 J5 C5 G. c- S        数据处理是逆向工程建模中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。此过程中经常包括以下几方面的工作:
        
        ①数据预处理:如噪声处理、多视拼合等，增强数据的合理性及完备性；
        
$ T% p% e$ Y3 ^- U: `+ m        ②数据分块：整体曲丽的拟合往往较难实现，通常采用分片曲面的拼接采形成整块曲面；
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$ N- R3 c- M9 m* y        ③数据光顾：通常采用局部回弹法、圆周率法、最小二乘法和能量法等来实现；
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        ④三角化STL(STereo Lithography)：直接为RPM(Rapid Prototyping&Manu facturing)产生切片数据和为Bezier(贝塞尔曲线)三角曲面造型奠定基础；
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        ⑤数据优化：压缩不必要的曲面片内的数据点，减少后期计算量；
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6 h. R* ~! p5 b/ K* M. [9 p        ⑥散乱数据处理:对于具有较复杂形状的工件，测量数据中必然有一部分是无序的，须建立数据点间的拓扑关系。
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        3.1 点云的除杂
        
        噪声杂点的存在影响到曲线、曲面的生成，因此去除杂点势在必行.去除噪声点常用程序判断滤波法、N点平均滤汲法以及自适应滤波法等.该例中采用N点平滤被法进行降噪、除杂。
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          3.2 点云的过滤
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0 c6 P3 f1 i4 ]3 X) F& }% E        点云的过滤主要有均匀采样法、弦差分法、空间采样法和包围盒法4 种，因该例中点云数据量大，为保证大曲率区域点云的准确度，采用弦差分法进行点云过滤，并对点云数据进行优化，删除不必要的数据点，适当降低点云的密度，加快计算机处理的速度。
        
        图3为经过点云对齐、三角化、光顾和稀化得到的话筒点云图，输出*.STL文件，以便ImageWare软件对点云进行后序处理。
        
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        图3 处理后的话筒点云图
        
1 i$ ^1 O- G. X4 y        3.3 用ImageWare进行曲面模型的重构
        
        在逆向工程中，常用的曲面有Bezier 、BSpline、NURBS和三角Bezier曲面等。基于曲线的曲面重建方法的原理是在数据分割的基础上，首先由测量点插值或拟合出组成曲面的网格祥条曲线，再利用系统提供的混合、扫掠、曲线延伸等曲面造型功能进行曲面模型重建，最后通过延伸、求交、过渡等操作，将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。
        
        特征线的提取是整个曲面重构的关键，根据话筒的外形特点划分出二次曲面的区域，并且把这些二次曲面拟合构造。先对话筒点云作必要截面线.然后剔除截面店、云的杂点并进行必要的光j颐，最后把点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。ImageWare对曲线进行分析，利用铺面工具，得到点云网格，若有漏洞，可以利用补洞工具将破洞填充；对生成的曲面片进行曲率检查.确定生成的曲面光滑、无扭曲变形；然后，将生成的曲面片拟合，生成整个曲面飞再进行整体曲面评价，使曲面符合光顺准则。
        
        在ImageWare中将关键曲面设计完成后，考虑到后期的结构设计、模具设计与数控加工，将由面导出到 UG NX3系统中。在对曲面进行适当修剪、倒圆角以及其它细节处理后得到最终的产品模型，如图4 所示.如果要对该产品做快速原型，可以通过UGNX3的数据接口输出STL数据格式文件进行快速原型制造；如果要进行模具设计，可以直接利用UGNX3中的模具设计模块——Moldwizard而不用再导出到其它CAD系统。模具设计完成后进入UG NX3的加工创造(Manufacturing)模块，就可以完成对产品模具的数控加工编程.整个产品从逆向设计到模具设计、制造不需要进行频繁的数据转换，节省了大量的时间，也避免了产品数据在交换过程中的局部丢失和重复设计。
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啥也不说了，楼主就是给力！

wx5566899

楼主给力！

以勒

holon_zbc

楼主，您好！
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chuangying34

哈哈，给力，学习了