Pro/ E 软件的反求工程技术与应用
摘　要
介绍了反求工程的步骤和方法,论述了Pro/ E 软件系统的相关特点及其在反求工程设计技术中的应用,重点讨论了模型的建立、曲面光顺、曲面连接等技术,并举例介绍了基于Pro/ E 软件的反求工程技术的应用。
关键词:反求工程; Pro/ E ; 三坐标测量仪; 快速原型; 三维建模

Technique and Appl ication of Reverse Engineer Based on Pro/ Engineer
Abstract
Reverse engineer (RE) has been widely used in manufacturing field. This paper int roduces the stepand method of reverse engineer. It also discussed the specialties of Pro/ e software system and the applied tech2nology in RE. It emphasizes on the module building , smoothing and const ructing of surface etc. It gives anexample explaining the method of reverse engineer.
Key words :reverse engineer ;Pro/ E ;three2dimension coordinate measure machine ;rapid prototyping ;3D modeling

0 　前言
随着科技的日新月异和市场全球化趋势,世界范围内的市场竞争越来越激烈。要在激烈的市场竞争中占有一席之地,企业不仅要有适应市场需求的产品,还必须不断提高产品的品质和性能、缩短产品的生产周期,以保持持久的竞争能力,这就对产品开发人员提出了更高的要求。学习先进的技术、引进先进的装备、采用先进的设计技术是推动企业技术进步、提高企业产品竞争能力的重要途径。反求工程( reverse engineering) 是近些年发展起来的消化、吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合,其主要目的是改善技术水平、提高生产效率、增强竞争能力,其应用领域主要是现代工业和某些医学领域(如骨骼、关节等) 。本文介绍了在Pro/ E 三维设计软件环境中实现产品反求的过程,并以一个具体的实例说明反求工程的应用。
1 　Pro/ E 软件的特点
 Pro/ E 是美国参数化技术公司( Paramet ricTechnology Corporation ,简称PTC) 的软件产品,它是新一代CAD/ CAM 软件的杰出代表。Pro/ E 用三维实体模型来描述工程师所设计的产品模型,不再运用线框和表面模型转换成实体模型的手段;
 Pro/ E 有唯一的关系数据库,所有设计环节都公用这一数据库,一旦工程图有任何修改,三维模型随之改变,NC 加工的刀具路径也会自动更新; Pro/ E的基于参数化、特征设计的三维实体造型技术,能实现新产品开发中的概念设计,也可方便地依照工业标准的零件族概念建库。Pro/ E 与传统仅提供绘图工具的CAD 系统有着极大的不同,它提供了一套完整的解决方案,包括工业设计、机械设计、模具设计、加工制造、机构分析、有限元分析及关系数据库管理;Pro/ E 软件能与几乎所有的CAD/ CAM软件进行数据交换, 能输入输出像IGES、SET、VDA、Neut ral 、CADAM 和CGM 等20 多种数据文件,且能与CADDS、U G、I2DEAS、MasterCAM 和SOL IDWORK等CAD/ CAM 软件系统交换数据,是理想的扫描数据后处理软件系统。
2 　基于Pro/ E 软件的反求设计方法
2. 1 　反求中的数据获取(Data Capturing)
数据获取是指采用某种测量方法或测量设备测出实物各表面的若干组点的空间三维坐标,形成“数据点云”。
2. 1. 1 　三坐标测量
三坐标测量仪作为一种精密的测量手段,在产品反求过程中得到了广泛的应用,它的测量方法属于接触式测量,是利用传感器实现测量头在工件上的快速移动,从而快速记录下路径点的坐标值。它的特点是具有较高精度(可达30μm) ,并且对数字化物体的材质、颜色等无特殊要求,对外形比较简单、无复杂内腔的物体是一种较为有效的数字化手段。
2. 1. 2 　CT 扫描
CT 扫描的测量方法是属于非接触式数字化测量,这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X 射线的衰减系数为依据,经处理重建断层截面图像,再根据不同位置的断层图像来建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。虽然它有造价高,设备体积大等缺点,但由于其具有对内部结构的透视能力,能非接触、不解体地实现物体内部结构与形状测量分析,所以有着很好的应用前景。
2. 1. 3 　数码照相
数码照相测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(或多个) 摄像机拍摄的视差,以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。数码照相的测量方法用于对两个(或多个) 摄象机共同视野内的目标特征点进行测量,它不需要伺服机构等扫描装置。该方法实现的最大困难在于空间特征点在多幅数字图像中提取与匹配的精度等问题。近来出现了将具有空间编码特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法,有效解决了测量特征提取和匹配的问题,但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。
2. 2 　数据处理
数据获取中由于各种人为及随机因素的影响,数据中包含影响以后工序的无用数据(噪声点有时可达5 %) 。采集的数据点往往可达几十兆,甚至上千兆,对这些大量的、没有拓扑关系的散乱数据必须加以处理才能满足反求的要求。在反求工程中,最简单的噪声去除方法是人机交互,这种方法有着明显的缺陷,不能处理大量的“数据点云”。常用的处理方法有程序判断滤波、N 点平均滤波以及预测误差递推辨识与卡而曼滤波相结合的自适应滤波法等。目前提出的分块滤波技术可实现噪声点的快速、精确过滤,其基本思想是提取实体表面的特征分界线和具有明显几何特征的几何元素,依次将整个曲面分块,对平滑面片数据、特征分界线、明显特征几何元素分别进行噪声判断,这样可实现较为准确的过滤。
Pro/ E 软件有处理点数据的专用模块Pro/Scantools ,通过此模块可以对点云数据进行识别、修剪、密度修改、优化(包括数据调整、数据光顺和尖角保留) 等操作,最后得到很精确的点云数据。一般通过测量仪器获取的点数据格式有IGES、DXF 和IBL 等几种, Pro/ E 软件对这几种格式的点云数据都可以识别和处理。
2. 3 　三维建模
基于离散点云数据的三维建模过程,实质上就是点云数据的处理过程。其通用手段有数据调整、复制区域修剪、数据密度修改、数据光顺、尖角保留等。建立模型的好坏取决于曲线、曲面拟合是否光顺及曲面连接是否光滑,曲线、曲面的光顺特别重要。曲线光顺应满足3 个条件:曲线二阶几何连续;曲线没有奇点和多余拐点;曲率变化均匀,应变能较小。曲线光顺可分3 步进行:寻找坏点,并修改坏点的坐标值;粗光顺,使曲线上各段的曲率符号一致,保证曲线单凸或单凹性;精光顺,使曲线上各段的曲率变化均匀,满足光顺的要求。满足曲面光顺的条件是:构成曲面的关键曲线光顺;曲面的网格线无多余拐点;曲面高斯曲率变化均匀。光顺曲面的方法是:先光顺曲面的纵向曲线,然后通过新型值点生成横向样条曲线并光顺,重新生成纵向样条曲线并光顺,直至所有纵向、横向样条曲线都满足光顺准则,最后利用光顺的纵向、横向样条曲线构造出光顺曲面。打开Pro/ E 软件, 通过Datum Point/ Off setCsys 命令读入点云数据,在Standard 或Scantool模块下连线。连线时应注意,在变化趋势小的地方点尽量的少,对于明显偏离趋势的点略去,以免过多的点造成曲线不光顺。完成3D Curve 线后,通过Create/ Surface/ Ad2vanced 利用前面所建立的3D Curve 线建立3D 光滑曲面,在建面的过程中,需要注意面与面之间的光顺,同时可以利用Analysis 分析所建立的曲面的光滑程度和曲面的曲率分布状况,最后利用Cre2ate/ Prot rusion/ Use Quilt 将所建立的曲面生成实体完成3D 建模。建模后可通过Pro/ E 中的View/advanced →Photorender 进行渲染处理及Analysis →Model Analysis/ Curve Analysis/ Surface Analysis 分析方法来检验所建立的模型、曲线和曲面的合理性和精确度。
2. 4 　产品的制造
2. 4. 1 　产品的NC 加工
将前面完成的3D CAD Model 汇入Pro/ E 的Manufacturing 模块中进行NC 加工程序的制作,并利用Pro/ E 生成的NC 加工的G代码输入三轴(或五轴) 加工中心加工出产品。
2. 4. 2 　快速原型(Rapid Prototyping) 制造
在Pro/ E 的Part 模块中利用File | Export →Model →STL 导出STL 文件,利用快速原型制造系统进行快速原型制作。
2. 4. 3 　模具设计
应用Pro/ E 的Assembly 和Model 模块进行模具设计,生成模具的型芯和型腔,并产生最终的零件和完整的模具装配模型。
2. 5 　成品的检验
在用快速成形方法制成成品后,利用自动检查设备(如激光测量仪) 对成品进行检查,取得数据,再利用Pro/ Verify 模块对设计模型进行比较,检查复杂产品的制造精度。
3 　应用实例
现以牙齿的CT (计算机断层) 扫描的数据点云为例,介绍基于Pro/ E 软件反求的具体方法。反求过程为:利用Pro/ E 读取CT 扫描数据点云、进行点数据的处理、编辑成曲线、蒙面、重建牙齿模型。
a) 利用Pro/ E 软件读取通过CT 扫描得到的数据点,通过删选和划分得到比较精确的数据点云,如图1 所示;
图1 　处理后的数据点云
b) 从图示1 中提取能代表齿形轮廓线的数据点,然后通过Pro/ E 软件中的Scantool 模块进行连线得到代表齿形的轮廓线,如图2 所示;
c) 利用Create →Surface →Advanced →Bound2aries 创建,如图3 所示的Boundaries 曲面;
d) 利用Create →Surface →Flat 创建如图3 所示的Flat 平底面;
e) 将所创建的曲面和平底面合并(利用Create

图2 　通过Pro/ E 软件处理过的曲线

1 、2 、4 —平面底;3 —曲面
图3 　通过Pro/ E 建模得到的实体
→Surface →Merge 命令合并曲面) ;
f) 用Prot rusion →Use Quilt →Solid 将合并完成的曲面转为如图3 所示的齿形实体。
4 　结束语
反求工程开辟了制造零件和模具的新途径,为不能用传统方法制作或难以制作的零件和模型提供了一种新的制造手段;采用Pro/ E 软件的反求技术,不仅能实现新产品的快速开发,而且能实现产品原型设计生产和模具设计制造的系统集成,从而在很大程度上能节约产品开发的时间,降低产品生产的成本,增加产品的社会效益和经济效益。
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