基于UG的逆向工程的曲面重建

基于UG的逆向工程的曲面重建

邓龙军

长安大学汽车学院车辆工程系，西安（710054）

E-mail：sdlgdlj@

摘 要：本文介绍了逆向工程技术的定义及其发展状况，系统的分析、阐述了逆向工程的工作流程，其流程分为数据采集、数据处理和曲面重构三个过程；并以斯太尔重型货车中桥主减速器壳体为例，用A TOS非接触式光学测量系统获取三维点云数据，在Imageware软件中对点云进行数据处理，最后通过UG进行曲面重构并生成了驱动桥主减速器壳体模型；说明了逆向工程在现代设计过程中的应用。

关键词：逆向工程；数据采集；点云；曲面重构

1. 引言

传统的产品实现是在没有任何现成产品的情况下，从概念设计到工程图纸，再根据图纸制造出产品的过程，也称正向工程。逆向工程（Reverse Engineering, RE）也称反求工程，是在没有产品设计图纸或图纸不完整但有现成产品的情况下，对产品实物进行测量和分析，获取点云数据，然后进行数据处理、重构几何模型、并生成数控程序，由数控机床重新加工复制出产品的过程[1]。与传统方法相比，逆向工程具有缩短产品开发周期、提高产品开发效率从而降低产品成本的优势，作为一门比较新的技术，已经逐渐被国内外各工业领域所接受和推广。现已被广泛应用于航空航天、汽车、医疗器械、冲压模具、注塑模具、消费电子等领域[2]。

2. 逆向工程的工作流程

逆向工程作为将现有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型并在此基础上对产品进行解剖、深化和再造的过程，一般包括数据采集、数据处理和曲面重构及建模。其工作流程如图1所示[3,4]。

图1.逆向工程总体流程图

3. 点云数据采集

因为使用较高精度的大量点云能实现更精确的形状描述和最后的曲面拟合，所以对汽车覆盖件、主减速器壳等复杂结构进行逆向工程，采集点云数据时常采用较高精度的大量点云的采集方法，而抛弃传统的采集数据的思想 [5]。

按照测头结构原理可将其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。接触式比较常用的有三坐标测量机（CMM），但由于与被测物体接触将产生

压力，使被测物体产生变形，测量误差较大。非接触式则应用光学及激光原理进行扫描，测量精度高[6]。

针对斯太尔中桥主减速器壳结构复杂及需求精度高等特点，本文采用德国GOM公司生产的A TOS非接触式光学测量系统对其进行测量，如图2所示。

ATOS测量系统主要由光栅投影设备

及两个工业级的CCD Camera所构成，其

原理就如同人类的两只眼睛，藉由光栅投

影在待测物体表面上，并加以粗细变化及

位移，配合CCD Camera将所撷取的数字

影像通过计算机运算处理，即可实现对工

件的高分辨率高速扫描，得知待测物的3D

外型[7-8]。

图2..A TOS非接触式光学测量系统

由于桥壳的颜色为暗灰色，依据A TOS非接触式光学测量系统的测量要求，首先要在桥壳表面喷涂显像剂；其次，由于桥壳的表面形状较为复

杂，无法从一个方位完成对桥壳的一次性扫描，需要贴

定位点，保证在转换各角度扫描桥壳时每次都可同时扫

描到3个以上的公共定位点，贴点后的实物照片见图3；

接着，根据桥壳的形状，进行多个角度不同方位的扫描，

最终完成整个桥壳外形的扫描。扫描完后，要对数据进

行处理，然后将其导出.txt格式的文件并拷贝出以备建

模用。

4. 数据处理 图3. 主减速器壳实物

由于测量设备的操作局限性，从实物上扫描来的点云总是存在着杂点、缺失或不均匀等缺陷，首先需要用Imageware对点云进行初步的处理。

将txt格式的文件导入Imageware软件中，对点云数据（如图4所示）进行处理，利用Imageware中的【Polygonize Cloud】功能对点云进行三角化处理，处理后如图5所示。将简化后的文件另存为.stl格式文件。

图4.主减速器壳点云图5.格栅化后点云

5. 曲面重构

5.1曲面重构方法

曲面重构是根据数据采集信息来恢复原始曲面的几何模型，一般可分为基本曲面重构和自由曲面重构。基本曲面重构是指规则的解析几何平面，如球面、圆柱面等。自由曲面一般是由多个非规则曲面构成，重建起来相对困难一些。

在逆向工程中，主要有3种曲面构造的方案。

（1）以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案。

（2）以三角Bezier曲面为基础的构造方案。

（3）以多面体方式描述曲面物体，在Imageware中采用B样条曲线构造曲面。

5.2曲面重构过程

（1）打开UG软件，将处理好的点云数据导入进来，根据主减速器壳的结构，对于规则部分，可利用点云对其尺寸进行控制通过实体建模方法直接完成建模；对于不规则部分如主减速器大齿轮轮包及外部形状等，采用对片体进行加厚和首先建立形状相似但比实际尺寸大的实体，然后对其进行修剪而成型的建模方法。

（2）以桥壳配合面大圆为基准，建立基准面。

（3）在基准面上画出底座草图，拉伸相应厚度得桥壳底座。

（4）以底座底面为基准做出主减速器轴承座，要注意轴承座间的配合。

（5）以底座顶面为基准，参考点云做出主减速器大齿轮轮包。首先划分网格，划分网格后主减速器的轮包见图6。以轮包四个顶点建立自由曲面，以同样的方法对所建曲面进行网格划分，参照点云网格对所建曲面进行调整，最后对片体进行加厚，得到如图7所示的模型。

图6.主减速器壳轮包划分网格图7.主减速器壳轮包模型

（6）按顺序建立桥壳其它外部模型，由于有些部位内外不一致，所以只通过片体加厚是不能满足要求的。这需要对桥壳内部参照点云及内部组件尺寸进行必要的修剪。

（7）对其进行倒角、倒圆以及打孔和螺纹处理，完善中桥主减速器壳结构，保存文件，最后的中桥主减速器壳见图8。