刘薇娜，陈 韬，杨立峰

(长春理工大学 机电工程学院，长春 130022)

0 引言

逆向工程(也称反求工程)是对于传统的从概念、图样到制造出产品的设计制造顺序来说的。它主要是指将已有的产品模型或实物模型转化为工程设计模型或概念模型，也就是说通过现有的测量设备对实物原型进行测量，得到“点云”数据，再以点云数据作为依据，进行逆向cad模型重建，并在此基础上对已有的产品进行剖析、深化和再创造，这种思维先于实体、再由实体反证出产品设计概念，是一个系统工程。它用途广泛，涉及的技术主要有现代精密测量技术、数据处理技术、数字化技术、cad技术、cam技术等［1］。

1 CATIA V5逆向功能简介

CATIA V5开发了专门的逆向工程模块，包括数据的输入输出、误差点的去除、遗漏点的填补、网格曲线的提取到网格曲面的修复及生成等。在用CATIA V5软件逆向的过程中，不仅仅要用到数字化外形编辑模块(DSE:Digitized Shape Editor)，还要配合使用零件设计(PD:Part Design)、创成式曲面设计(GSD:Generative Shape Design)、快速曲面重构(QSR:Quick Surface Reconstruction)、自由曲面设计(FS:Free Style等模块混合设计出想要逆向零件。

2 表面数字化方法

现在采集工件表面外围形状的测量设备很多，其中各测量设备的工作原理也各不相同。各种数字化测量方法如图1所示。

图1 数字化测量方法图

接触式测量方法的优点在于测量精度高配合测量软件能够快速检测工件，对被测物体的色、分光情况没有要求。其缺点在于逐点测量，速度较慢，耗时较长，塑料件、橡胶件等工件在测量时会出现变形。目前在接触式测量中应用最广泛的就是三坐标测量仪。

非接触式测量方法的优点在于采点速率高，能获取大量的点云，塑料件、橡胶件等软质材料件测量不受影响。其缺点在于比接触式测量精度低，对于深孔，深槽等结构采集不到数据点。目前在非接触式测量中应用较为广泛的是双目立体式光学扫描仪。

2.1 仪器介绍

采用双目立体式光学扫描仪。仪器的测量范围:120mm×100mm-1800mm×1500mm;仪器的扫描精度为10～100μm;精度达0.03mm。如图2所示。

图2 双目立体式光学扫描仪

2.2 仪器工作原理

双目立体视觉测量技术使用两个固定位置的图像采集器，如摄像机、成像仪等，从两个角度多批次获取被测工件的多幅图像，在视觉成像的原理基础上对获取来的图像进行处理，以此来获得被测工件上的三维坐标。

根据仪器采集坐标的不同位置将双目立体视觉测量技术分为两种不同的结构方式:汇聚结构、平行结构。

2.3 扫描实例

工件为一个铝制的零件，如图3所示。

扫描前先处理工件表面，如果表面过于吸收光或过于反光，必须用显像剂处理。然后在工件的表面贴上参考标记点。通常我们要扫描一个工件时，我们需要对此工件进行多角度的多次扫描，这样才能得到完成的扫描结果。通过应用多视图拼接技术，选择一个绝对坐标系，把单幅扫描的点云数据拼接起来。扫描时要注意，扫描的每一幅图像都至少要看到不在同一条直线上的4个点，且后一幅图像一定要看到前一幅图像的少数3个参考点。

将得到的点云数据转成stl、igs、Gom-3d等文件格式，导入CAITA V5软件中，应用逆向模块和快速成型模块重构模型，重构后制造零件模具。图4为工件扫描完毕后，将stl格式的数据模型在CATIA V5软件中进行重构的模型［2］。

图3 逆向零件图

图4 零件点云数据图

3 零件的逆向造型

汽车脚踏板零件在车身上是一个非常重要的零件，虽然它是铸造件，但是它在装配中的精度要求也是很高的，所以在逆向的过程中，要保证逆向造型的光顺度、平整度［2］。

3.1 数据点的分析处理

在薄壁复杂铸造零件的逆向造型中，对点云数据的预处理是十分重要的工作，点的好坏直接影响到曲线的光顺度以及和模型的贴合性，最终影响逆向造型的精度。

在点云数据的测量中，由于仪器的系统误差、测量精度、噪声点、震动等不可避免的外界环境因素，测量的点云数据往往存在着大量的重合。有些区域点云过于密集，其中还掺杂的坏点。所以要通过过滤的方法过滤掉少量坏点和把密集的点云过滤均匀。其中过滤点云有两种算法:公差球法、弦高差法。［4］

3.2 生成特征曲线

特征曲线包括边界线和特征线条两种，在零件的点云数据中包括边界线和一些过渡曲线。

零件的边界曲线的生成:先把零件的点云数据提取出来，对点云进行网格化处理，如图5所示。然后利用网格边界提取功能提取网格边界。如果边界曲线不理想，可以通过调节曲线的功能，来调整曲线。

零件的过渡曲线不是很明显，所以只能通过扫描点的方式来获取特征曲线。先扫描在特征上的一些点云，切取点云上的影像过渡曲线数据，然后利用3D曲线绘制切取下的过渡曲线，调节光顺度，使其完整的贴合。曲率圆柱轮廓的切取点云轮廓如图6所示。

图5 零件网格图

图6 切面拟合曲线轮廓图

3.3 构建基本曲面

构建基本曲面基于两种方法:基于规则平面的建模方法和基于切片数据(截面数据)的建模方法。

3.3.1 基于规则平面的建模方法

此类方法多用于点云特征比较规整，易于提取与拟合的轮廓特征。

(1)应用CATIA V5 DSE模块中的点云可视化(Activate)显示截面点云，在QSR模块中应用Basic Surface Recognition命令拟合出贴合于点云的平面。

(2)检验平面与点云的贴合程度，使其无限接近，然后应用特征面延伸命令将此平面延伸，延展成一个足够大的面，以便以后与其他面裁剪。

(3)其余平面以此类推，做出相互交叉的平面，然后彼此相剪，得到所求的部件的形状特征，如图7所示。

3.3.2 基于切片数据(截面数据)的建模方法

此类数据的曲率变化大，数据分布于一组平行的截面上，拟合起来十分麻烦。需要逐个切片，生成轮廓线，拟合成光顺曲线，在通过曲线的轮廓和延伸趋势，构建这段曲面。

(1)构造截面线:应用CATIA V5界面中的命令在点云上切取截面线。在此要选择好切平面的位置和方向，使切得的曲线曲率不要过大，将其曲线延伸后，能与相接曲面相切。否则做出来的曲面和相邻曲面的衔接会是一条很明显的棱，这样就达不到反求的精度，因此这点一定要注意。

(2)根据生成的特征曲线，建立特征曲面，通过调整特征曲面上的特征控制点，实现曲面与点云的最大贴合，完成拟合。

(3)利用拟合曲面剪切实体，生成所需要的反求实体特征，如图8所示。

图7 基于规则平面建模

图8 实体轮廓特征

4 结语

在逆向造型中，要保证造型出来的曲面具有良好的品质，则需要把握许多重要环节，现总结以下几点:

(1)测量仪器:要想获得误差小，精度高的点云数据和测量仪器的好坏是分不开的，数字化测量仪器分为两类，一是接触式测量，二是非接触式测量。非接触式测量方法使用方便，运算速度快，测量精度也高，广泛应用在逆向工程测量中。

(2)点云的预处理:在点云测量中，难免会产生误差点、噪音点等坏点，要对照实例把一些可辨别的坏点去掉。

(3)特征曲线的提取:利用CATIA V5软件中的切面命令将点云的特征曲线提取出来，然后再通过3D曲线进行绘制，绘制过程中要对曲线进行适时的调整，绘制完成后再光顺曲线，让它与点云做到最大贴合。

(4)利于曲线生成曲面:先构建大面再构建小面，同时可以用大面构建的曲面绝对不用若干小面拼接。通过拟合曲面，生成反求实体特征。

［1］刘之生.反求工程技术［M］.北京:机械工业出版社，1992.

［2］于起峰，陆宏伟，刘肖琳.基于图像的精密测量与运动测量［M］.北京:科学出版社，2002.

［3］张祖勋，张剑清.数字摄影测量学［M］.武汉:武汉测绘科技大学出版社，1996.

［4］金涛，童水光，等.逆向工程技术［M］，北京:科学出版社，2003.