韩凤霞

摘 要：提出了先进制造技术领域的逆向工程与自动编程技术相结合的开放实验课程，并给出实施方案。实验内容包括：手持式激光扫描仪对物体表面进行扫描、获取点云数据、利用Geomagic Design X 2014软件进行模型的构建，将三维模型导入UG中，生成数控加工程序，最后在加工中心上完成模具型腔的加工。通过该开放实验，使学生对逆向的设计流程以及自动编程技术有了完整的了解，培养了学生的探索精神和创新精神，顺应了产业界对人才培养的最新要求。

关键词：逆向工程 开放实验 模型 Geomagic Design

中图分类号：G64 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（c）-0136-02

逆向工程是指通过一定手段从实物样件中获得产品的CAD模型的相关数字化测量技术、数据处理、图形处理、几何模型重建技术和加工制造技术的总称。

逆向工程应用在以下领域：①有产品但没有产品设计图样或设计图样不完整，没有CAD模型的情况下。②应用在模具行业（应用在经常需要反复修改原始设计的模具型面）模具样品开发；汽及车类、家电制品、运动器材、玩具、陶瓷等。③损坏或磨损零件的还原，应用在破损的文物、艺术品的修复上。④应用在新产品开发和创新设计上。

培养学生适应现代设计与制造工程领域实践能力的重要手段。

目前，高校的开放实验已经成为培养学生创新能力、实践能力的重要手段，探索适合本科生的开放实验模式和实验载体，成为亟待解决的问题。

1 目前实体逆向建模的方法

逆向工程的一般流程：样件三维数据测量 数据处理 CAD三维模型重构

模型加工制造

目前，三维表面数据采集方法可以分为接触式和非接触式两大类。

接触式数据采集方法有基于力触发原理的触发式和连续数据扫描式。接触式的典型测量设备是三坐标测量机。接触式测量的优点是准确性和高可靠性，对被测样件的材质和反射性无特殊的要求，不受物体表面颜色的影响；缺点是测量速度慢，测量过程中存在着摩擦力和弹性变形，对软质、易变形、超薄样件或尺寸小于测头直径的微细部分等测量均受限制。

非接触式数据采集方法主要是利用光学原理，非接触式的典型测量设备是激光三维扫描、光栅照相式三维扫描仪

包括激光三角测量法、激光测距法、结构光法、光栅测量法等。这种数据采集方法的优点是速度快、自动化程度高、不受样件材质和薄厚的影响，排除了由测量摩擦力和接触压力引起的模型变形测量误差，测量数据量大，能充分反映被测样件的表面形状信息；缺点是易受样件反射特性和环境光的影响。

该实验采用海克斯康便携式三坐标ROMER关节臂测量机，手持式激光扫描仪扫描的精度高，速度快。

该开放实验选用的逆向软件为Geomagic design x 2014，该软件能够实现正逆向相结合的建模方法。Geomagic由美国Raindrop公司出品的逆向工程和三维检测软件。可以轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。

具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。处理复杂形状或自由曲面形状是，效率比传统CAD软件提高了10倍。

2 开放实验的流程

2.1 数据处理

通过测量机得到的点云数据，导入到Geomagic design x 2014软件中，对点云数据进行孤点的删除、噪声滤除。通过扫描2次的公共区域将点云对齐，并进行平滑、采样等简化处理将处理后的点云进行三角面片封装，封装成（*.stl）。

2.2 三维模型的重构

模型重构是对处理后的数据，利用逆向工程软件进行曲线的拟合、曲面的拟合，再通过线面的求交，拼接，匹配，连接成光滑曲面，从而获得产品模型的一个过程，是逆向工程中最重要和最复杂的一个阶段。

（1）对封装后的多边形进行修复：对于扫描的可乐瓶上有洞的区域，利用Geomagic的补洞功能进行修补。在修补过程中，为了高效率的旋转模型，设置只显示25%的点被显示出来即可。利用Fill Holes命令，既可以修补平面孔也可以修补曲面孔，点击洞的边缘，程序会按照曲率修补孔洞。

（2）可乐瓶的建模：逆向三维建模，在Geomagic design x 2014 的“设计”界面中完成，经过分析可乐瓶的特征结构，瓶子主体为回转体零件，可在提取回转区先后进行旋转实体，平口、瓶身、瓶底的细节部位可进行扫描、阵列、布尔操作等具体的步骤如下：①构造可乐瓶的主体部分。首先建立坐标系，可乐瓶为平面对称结构，坐标系原点设在瓶子的对称面上，利用直线和圆弧命令拟合瓶子的回转母线，如图2所示，利用回转功能生成瓶子的主体；②可乐瓶细节的构建。平口的螺纹部分，采用正向，根据点云数据测得螺距为3mm，利用正向建模功能构建螺纹曲线；瓶底部分，首先利用按扫描命令生成实体、然后按照圆周阵列，最后利用布尔运算生成瓶底的凹槽结构。瓶子整体建完模型后如图3所示，经过布尔运算生成瓶底的凹腔模型。

2.3 可乐瓶底的数控加工

将建好的模型，导入UG中，进入加工模块，加工工步分为：粗加工、半精加工、精加工。对于每一个加工工步都将进行以下设置：创建mill_contour加工方式，刀具子类型选择球形立铣刀， 选择几何体，毛坯选择自动模块，完成对工件和毛坯边界的定义，完成切削参数的设置，自动生成加工程序。并在加工中心上完成可乐瓶底的数控加工，如图4所示。

3 结语

逆向工程作为一种高效的产品设计思路和方法，可以迅速、精确、方便地获得实物的三维数据及模型。为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。它改变了传统产品设计开发模式，大大缩短了产品开发的时间周期，提高产品研发的成功率。

学生通过亲身参与逆向工程开放实验，从实验样品的选型、逆向软件的建模、UG数控程序的编制、数控加工，学生经过这系列的过程，掌握了逆向工程的流程的基本研究方法以及相应的技能。在实验过程中培养了独立探索的能力和创新精神。

参考文献

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[2] 蔡敏，成思源，杨雪荣，等.基于Geomagic Design Direct的残缺数据实体重构[J].组合机床与自动化加工技术，2015（3）：21-23.

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