PROE产品设计:工业产品的逆向工程技术及应用

 逆向工程技术(Reverse Engineering，RE)是通过对一个物体或系统的物理结构分析，获得产品技术原理和工作原理的过程。逆向工程技术在产品开发过程中是指与传统产品正向设计相反的思路，从现有实物模型着手，利用各种测量设备获得测量的数据，创建出相应实物产品数字模型的技术手段。目前，逆向工程技术已经发展成为一个通过三维扫描实物的实际尺寸和现有物理组件的结构，迅速建立三维CAD模型的过程。逆向工程可以实现在原有产品的技术文件丢失时进行重建，可提高新产品的开发效率，还可用于产品分析和学术研究等。

    1 逆向工程概况

    逆向工程的原则是“从有到无”，根据产品已经存在的模型，通过各种测量和三维几何建模方法，从原始模型到创建出三维的计算机数字模型，推出产品设计数据的逆过程。目前，主流逆向工程是由三维扫描仪对现有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到三维点云数据，通过逆向工程软件进行数模重建，然后对重建表面进行评估和分析，转换生成IGES或STL数据，为快速原型或数控加工做好准备。

    1.1 常用数字化测量方法

    逆向工程技术中，三维扫描是最基本步骤。这是获得原始点云数据的最直接、最理想的方法。原始点云数据的背后是逆向处理的基本依据。因此，三维扫描的点云数据直接影响逆向建模成功与否。扫描设备根据测量方法可分为两类：

    (1)接触测量：根据不同的测量头，可分为触发式和连续式。三坐标测量机是上个世纪60年代开发的高效精密测量仪器，是一种精度高、柔性强的数字化测量设备。

    (2)非接触式测量：根据不同的原理，可分为三角形法、结构光方法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、超声法、色谱法、CT和MRI等。

    1.2 点云文件编辑处理

    点云数据通过非接触测量方法获得的结果是非常庞大的，往往会有很多杂点和噪声点。这些点会对后续的模型重建过程有不利影响。因此，需要在曲线重构之前对一些必要的数据进行处理和编辑，从而获得满意的点云数据，为曲面的重建做好准备。点云预处理包括点云过滤、点云对齐、减少噪音、补洞、封装和其他工作。

    1.3 三维曲面逆向建模

    逆向工程技术中的核心主题，是针对逆向工程产品CAD模型重构。由散乱的产品表面点数据拟合，创建出产品曲面或实体，最后通过曲面编辑和曲面缝合操作，构建完整的产品模型。自由曲面的重建是最重要的技术手段。

    目前共有3个类别的从点云曲面进行拟合的算法：四边域的参数曲面拟合、三边域的曲面拟合、基于多面域的表面拟合。曲面拟合四边形参数的NURBS曲面具有通用性好、算法稳定、曲面编辑能力强、良好的表面质量等特点，已成为主流的曲面拟合方法。

    创建产品的CAD模型，从而进一步进行CAM加工制造或CAE分析，并复制该产品的外观。在一般情况下，CAD模型是由许多不同的几何形状相结合，且每个都具有几何形状的特性。因此，如果逆向工程技术应用在产品设计中，该产品的原始CAD模型进行逆向，它不是使用一个简单方法来完成，而必须考虑产品外观的几何特征，选择适当的曲面创建方法，才可能得到良好的几何形状，以满足产品的外观要求。因此，要掌握产品模型的逆向过程中数据采集方法、曲面特性、曲面的表面特征，在产品曲面的重建过程中可以节省大量的时间，提高效率。

    2 工业产品的三维扫描

    工业产品工件是车辆中常用的安全锤，为正式量化生产，需要先获得三维数字化模型。

    2.1 三维扫描设备

    WinBDD系列三维扫描仪，采用对产品表面非接触式三维光学扫描。产品可以对复杂的自由曲面、柔软易变形或磨损的产品模型表面进行数据采集。该扫描仪超越传统激光扫描仪的低精度、低效率和行程限制等缺陷。

    在扫描之前，工件表面需要喷显像剂和贴标记点。由于要双面扫描，需要在较为平坦的表面贴上标记点。经过扫描后获得点云，如图2所示。图中可以隐约看到5个标记点的位置。
 2.2 点云文件编辑处理

    Geomagic Studio软件是Geomagic公司的一款核心软件，它在点云处理方面有明显优势。Geomagic Studio软件可以作为CAD、CAE和CAM工具，输出行业标准格式，包括STL、IGES、STEP和CAD等文件格式。Geomagic的软件处理点云功能强大，能够满足逆向扫描点云处理的要求。

    一般点云要经过“着色点”功能后获得比较明显的点云。经过对齐、合并和拼接点云数据功能，获得比较完整的点云文件。通过使用“断开体外连接”“体外孤点”“减少噪音”等操作后，可获得较为满意的点云文件，使用“封装”功能，获得小三角形状曲面。通过“网格医生”“删除钉状物”“填孔”等功能，对封装后曲面的缺陷进行维修和编辑。最后，通过输出STL格式文件，如图3所示。

    2.3 NX软件进行曲面建模

    进行工业产品逆向建模时，首先要进行工件摆放设置，然后考虑产品外观各部分的成形方法。NX常用的曲面造型包括拉伸、旋转、通过曲线组、通过曲线网络、直纹等方法。最后考虑取点的截面位置以及创建截面的数量多少。

    参照产品实物模型，在安全锤的头部考虑使用旋转功能造型。要获得头部旋转的截面，需要创建图4左侧所示的基准平面。通过截面曲线功能获得截面点云，绘制旋转截面曲线进行造型，获得图4中右侧所示的造型。

    使用NX快速造面功能获得图5所示的手柄部分曲面。

    通过曲面的修剪与延伸功能，将手柄部分的曲面延伸，利用水平面进行曲面镜像。使用水平面截切STL模型，获得尾部的点云，创建如图6所示的曲面。对两个曲面进行互相修剪得到端部结构。

    手柄曲面对面部分，与尾部曲面造型同理进行创建，获得图7左图所示的图形。然后通过曲面加厚功能，获得图7右图所示结构。

    通过曲面缝合、布尔运算求和等操作，获得产品主体造型。经过细节部分处理和倒圆角后获得最终的产品数模，如图8所示。

    3 产品的检验与对比

    曲面的评价方法主要是基于表面光顺性来评价，也可以通过改变所述表面的曲率进行评价，但没有严格的评价标准作为曲率的预定值。在大多数情况下，是以人眼对表面质量进行评价。因此，光顺性评价是非定量的考核指标。

    Geomagic Qualify软件是逆向工程中常用的检查软件。使用Geomagic Qualify软件能迅速检测产品设计中的CAD模型和制造的产品实物之间的差异。将图6中STL模型作为参考，将图1中模型作为测试件，可获得检测结果。对产品的头部对比检测结果如图9所示。平均偏差控制在0.2mln以内。
4 产品快速成型制造

    熔融沉积型(Fused Deposition Modeling，FDM)，又被称为“丝状材料选择性熔覆”。熔融沉积成型也遵循一定的原理。这些原理主要包括：(1)加热喷头受控于数控系统，并严格按照产品零件的截面轮廓信息，运动于X—l，平面之上；(2)热属性丝状材料将在供丝机构的运送下抵达热熔喷头，在经过加热和熔化之后处于熔融状态；接着被挤出喷嘴，并被涂抹于工作台表面，经冷却和固化之后，形成了一层薄片轮廓(厚约0.1mm)；(3)一层截面的成型工作完毕之后，工作台的高度将会下降，并继续下一层熔覆，如此循环反复，逐层堆积，最后便形成3D产品零件。

    作为快速成型的第一个环节，在分层之前应做好以下准备：对三维模型进行检查，看是否存在空洞、裂缝、实体相交等，明确成型方向。

    在Aurora软件中，对支撑的添加多为自动方式而非手动方式；对模型的分层处理过程既有多个模型的同时分层，也有单一模型的独立分层。在单一模型的分层过程中，应首先选定需要分层的模型。

    根据产品逆向设计需要进行3D打印，对产品进行0.35mm厚度的分层。分层参数设置如图10所示。


    分层后获得图11所示的结果。其中框架部分为产品，内侧黑色部分为支撑，下部白色部分为基底。

  
    5 结语