UG塑胶模具设计：逆向工程与快速原型的三维模型重构

    面对国外先进的逆向反求产品，如英国3D -Scan-ner公司REPLICA激光快速扫描测量仪、美国EDS公司的UG(Jnigraphics NX)软件、以色列Cimatron公司的Cimatron CAD／CAM系统等，我国的逆向反求产品在功能和自动化程度上有待提升。RE技术不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进产品，更应该体现在逆向反求过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论上和思想上的创新，这对于科技进步和经济发展才具有更为重要的意义。

图1  逆向工程流程

1 数字化测量

    数字化测量是逆向工程中的基础，即数据采集阶段。目前点云的获取方法主要有两种，通过接触式仪器测量或非接触式仪器测量。接触式设备的测量精度高，适应性强，但是其效率低，而且只能测量质地较硬的表面；非接触式设备测量的效率高，精度较高。通过数字化测量，得到大量点云数据。点云数据质量的高低直接影响到逆向工程的进度，以及模型重构的质量。提高数字化测量的精度，是后续工作顺利进行的前提。

    本次测量通过使用Creaform公司的EXASCAN rM手持激光扫描仪对汤匙表面进行扫描，扫描过程如下所示：

    首先扫描工作平面。使用手持式激光扫描仪，扫描工作台。使用切平面的扫描方式，调整参数，切除距切平面0.1mm处以下的点。

    其次扫描汤匙表面。将汤匙放在工作台上，通过调整扫描仪与其的相对位置，得到汤匙表面的点云数据，如图2所示。

    最后输出扫描文件，进行下一步处理。

图2 用手持式激光扫描仪扫描汤匙表面

2 点云的预处理

    在曲面点云的测量过程中，由于设备缺陷、测量方法或者零件表面质量的影响，所得的点云数据必然有一定的误差，特别是曲面的边界和曲率变化较大的位置。点云预处理包括点云数据的光顺与平滑处理，去除噪点与异常数据、调整点云基准、重建点云的对称中心、对齐点云等。对点云进行预处理，为三维模型的重构提供了方便，提高了效率。

    利用Imageware软件，对汤匙表面的点云数据进行预处理。

    2.1 去除噪点

    数字化测量过程中会不可避免地遇到干扰，产生噪点。通过圈选点功能，删除明显噪点。

    2.2 数据简化

    由于扫描得到的点云数据量过大，需要减少点云量，以提高后续处理过程的速度。通过距离采样可实现点云数据的简化：更改点云显示方式为分散点，使用数据简化中距离采用功能，采集距离公差为1mm的点。简化结果为点数量从28179个降至6513个，减少了76%。

    2.3 点云对齐

    点云数据并不关于XY、YZ、XZ主平面对称，这为后续的处理带来了不必要的麻烦。调整视图，使其处于对称位置；使用截取互动点云截面功能，截取水平和垂直方向的点云。通过滑动条使点云沿视图垂直方向旋转90。，继续截取水平方向的点云，可得到三个互相垂直方向的点云。根据截取的点云，在三个方向内依次建立三点平面，得到点云的三个工作平面。创建群组，将原始点云、点云截面和工作平面放在同一个群组内，使其在定位的时候以整体的形式进行移动。分别以X、Y、Z轴为平面法向，创建中心法向平面。使用根据特征定位功能，以平面为配对类型，使用逐步配对方式，进行定位配对，完成点云对齐。

3 三维模型的重构

    在Imageware中，构建曲面主要有以下方法：根据点云截面提取特征线，由特征线拟合曲面造型；抽取点云，根据点的分布拟合NURBS  Non -UniformRational B-Splines)曲面。NURBS是目前自由曲面描述中最广为流行的技术，可统一表示Bezier、有理Bezier、均匀B样条和非均匀B样条曲面，已成为设置和建模曲面的行业标准，尤其适合于复杂的曲线建模曲面。NURBS曲面容易交互操纵，且创建它们的算法效率高，计算稳定性好。

    NURBS曲面的非均匀性就是指一个控制顶点的影响力范围可以通过调整而改变，且清晰直观，在创建不规则曲面时，通过调整控制点能够有效的修改NURBS曲面，提高曲面质量。NURBS曲面的主要影响指标为U、V方向的阶数，UxV阶曲面的控制点数量为UxV个，阶数越高，控制点的数量越多，曲面与点云的拟合度越好，偏差越小，但过高的阶数会影响曲面质量，所以一般不超过8x8阶。在根据点云构建NURBS曲面之后，测量点云偏差，根据偏差分布调整曲面的控制顶点，直至曲面达到所需的质量。

    在Imageware中主要完成特征曲面的重构，然后使用Pro/E软件对对曲面进行加厚、倒角，建立CAD模型，这样的方法简单而有效。圈选汤匙的主要特征曲面部分，根据点云曲率分布，把其分为三个部分进行曲面重构：圆形大面、汤匙手柄及二者连接处，如图3所示。

图3 点云三部分

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