石永芳，孙文磊，张汉国，姜宏
| 通过对犁臂三维测量、点云数据处理及三维模型重建整个过程的介绍，说明了如何利用逆向工程技术进行产品的再开发设计以及采用软件Imageware及UGNX完成此项技术的关键问题。并对模型的精度进行了检测。 | |
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一、逆向工程简介
在信息化的现代社会中，制造行业的竞争日趋激烈。产品更新速度不断加快，生产方式日趋小批量、多品种。逆向工程技术在此背景下应运而生并得到迅猛发展。
逆向工程，是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型，逆向工程流程图见图1。
图1 逆向工程流程图
逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括：①新零件的设计；②已有零件的复制；③损坏或磨损零件的还原；④提高模型的精度；⑤数字化模型的检测。
二、犁臂的三维数据测量
1. 数据采集实施条件
在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头是应用光学及激光的原理进行测量的。
针对犁臂表面形状较为复杂的特点，采用非接触式的光学扫描仪进行三维数据测量。测量设备为德国GOM公司的ATOS光学扫描仪(ATOSI600EU)该扫描仪的主要优点是：可随意绕被测物体进行移动利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m，测量精度为0.1mm0.5m，扫描方式为光栅原理及GPS定位原理。
2. 犁臂的扫描过程
首先，由于犁臂的颜色为暗灰色，依据测量要求要在犁臂表面喷涂显像剂；其次，由于犁臂的表面形状较为复杂，因此无法从一个方位完成对犁臂的一次性扫描，需要贴定位点，保证在转换各角度扫描犁臂时每次都可同时扫描到3个以上的公共定位点，贴点后的实物照片见图2；接着，根据犁臂的形状，进行多个角度不同方位的扫描，再在ATOS软件中，通过公共定位点把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个犁臂外形的扫描。
图2 犁臂实物
3. 点云数据的初步处理
数据的初步处理，即对点云的初步处理，如噪声去除、过滤、光顺、网格化等。数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。针对犁臂外型测量获得的散乱点云数据，应用专用软件进行犁臂点云数据的预处理。
4. 删除散乱点云噪声数据
扫描获取的点云中包含许多噪声，如实验台底面这些噪声在进行各种点线面处理之前应将其删除。将点群放大、变换各种角度以方便地看到整个三维空间内的噪声，然后针对各个噪声点采用软件中的"删除"功能将其删掉。
5. 点云的精简
在逆向工程技术中采集点的数量一般都很大，单幅照片可扫描点数最大可达400000个。如此庞大的数据需要在曲面重构之前进行精简处理，以提高运算速度。图3为扫描完成后经过删除散乱点云噪声数据精简处理后得到的犁臂外形点云文件。
图3 ATOS扫描仪扫描的犁臂原始点云
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三、点云数据的处理及模型重建
Imageware软件，其功能比较强大，除具备多种数据处理方法和部分规则特征识别能力外，还具有自动曲面拟合、强大的曲线曲面编辑处理、模型评估检查等功能，并能针对不同格式的数据提供转换数据格式的接口。Unigraphics(简称UG)是当前面向制造行业的CAIDCADCAECAM高端软件。UG软件使得用户能够数字化地创建和获取三维产品造型，它被广泛应用于概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。基于上述优点，在对犁臂的点云数据处理及模型重建过程中采用了Imageware软件和UGNX软件。
1. 用Imageware软件对点云数据进行处理
（1）对齐点云数据
点云数据的对齐是进行数据处理的重要环节。初始的点云数据与我们通用的三维坐标系有一定的夹角，为方便构建犁臂的三维几何模型，需要对点云数据进行方位对齐。首先，需要创建参考基准平面，在此，使用Imageware软件提供的Creat/Surface /Primitive/Plane功能创建出三个相互垂直的平面，平面的中心点指定为(0，0，0)。其次，需要创建相应的对齐平面，根据犁臂的外形特点，任意选取其中一个孔的两个垂直平面作为对齐平面，使用Modify/Extract/Circle-Select Points功能将此孔两个垂直平面的点云先分割出来，然后利用Construct/Surface/From/Cloud/Fit Plane功能拟合出这两个平面，在拟合平面的过程中，要随时检测点云和平面之间的偏差，确保偏差在±0.2㎜以内，以保证与原型的一致性。
为了构建第三个垂直平面，将拟合出的两平面延伸至相交，创建交线，过交线上一点，分别在两平面上做垂直于交线的两条直线，然后由这两条直线创建出第三个垂直平面。最后，选取Modify/Align/Stepwise功能将点云数据与参考基准平面对齐。为了确定两定位孔的位置和尺寸，可用类似方法将此孔的第三个垂直平面和球面以及另一孔的三个平面和球面拟合出来，并测得方孔的距离为12.50㎜。
（2）截面线及其边界线的提取
截面线及其边界线的提取是整个曲面重构的关键。首先，利用Construct Cross Section Cloud Parallel功能对犁臂点云做出必要的截面线，把截面点云拟合成曲线；其次，采用功能Construct Feature Line Sharp Edges将犁臂点云的四条边界线提取出来，然后把边界点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。为了确保截面线和边界线的精度，在任何一条截面线和边界线的构建过程中，都要随时检测点云和曲线之间的偏差，确保特征线在±0.2mm偏差范围内，以保证与原型的一致性。图4为犁臂的截面特征曲线及其边界线。
图4 犁臂的截面特征曲线及其边界线
（3）曲面拟合
将曲线的方向、起始点位置都修改一致后即可采用功能ConstructSurfaceLoft进行曲面拟合。该功能主要是利用一组独立的3D曲线创建一个NURBS曲面。首先选中需要拟合的所有曲线，然后选择起始点的连续性，选择切线的方向，选择结束点的连续性，最后进行曲面拟合。
2. 用UGNX软件构建犁臂模型
在UGNX软件中直接读取Imageware软件的*.IMW格式文件，把在Imageware中构建好的曲线、平面以及曲面导入到UGNX中，上述的点云对齐步骤可保证坐标系的一致性。由于犁臂是等壁厚的，测得壁厚为7.70㎜，利用UGNX软件提供的片体加厚功能对调入的曲面进行加厚处理。利用拟合好的平面和球面对定位孔进行重构，由于球心中心位置可能不在方孔的中心线上，就需要对球心位置进行调整，最终保证球心与方孔中心线位置重合。图5为在UGNX软件中完成的三维犁臂模型。
图5 在UGNX软件中完成的三维犁臂模型
四、犁臂的三维几何模型误差分析
犁臂三维几何模型的误差主要包括由产品样件采集点云数据产生的误差、由测量设备的精度产生的误差、由点云数据重新构建犁臂的三维数字模型过程中产生的误差。图6为犁臂三维模型和实测点云的检测图。从图6上我们不难看出，明显的误差往往发生在细小复杂的特征处，如边缘、凹槽处，由于这些地方在测量时无法完全扫描到，这给后来的重构带来较大的误差。
图6 犁臂三维模型和实测点云的检测图
五、结束语
利用ATOS光学扫描仪、Imageware和UGNX强大的造型功能相结合，可以比较容易地对复杂产品进行数字化逆向工程设计。逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收了实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大。将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。
