芻議Pro/E軟件的反求工程技術(shù)與應(yīng)用

姚輝

摘要：文章在概述反求工程與Pro/E軟件特點的基礎(chǔ)上，對Pro/E軟件的反求設(shè)計方法進(jìn)行研究，結(jié)合實際案例，對Pro/E軟件的反求工程應(yīng)用進(jìn)行探索。實踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術(shù)應(yīng)用，可以有效縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低產(chǎn)品研發(fā)成本，綜合效益良好。

關(guān)鍵詞：Pro/E軟件；反求工程；反求設(shè)計

中圖分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0030-03

1 反求工程與Pro/E軟件特點概述

反求工程，指的是在沒有具體工程圖紙的條件下，依據(jù)實際物體模型并進(jìn)行測量，對測量信息進(jìn)行分析與處理，構(gòu)造其CAD模型過程，通過實際模型反求出設(shè)計模型的一種過程。具體而言，反求工程是通過對實際物體的測量，獲得一個實體模型或一個曲面，通過應(yīng)用CAD/CAM技術(shù)進(jìn)行修改與重構(gòu)，在重構(gòu)自由曲面與建立相應(yīng)CAD模型后，通過相應(yīng)操作可以進(jìn)行零件設(shè)計、模型修改、模具設(shè)計、生成數(shù)控加工指令等。反求工程，即逆向工程，其與傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計存在著較大差異，主要包括形狀反求、工藝反求與材料反求等內(nèi)容，屬于一種消化與吸收先進(jìn)技術(shù)的方法與技術(shù)組合，在提高技術(shù)水平、生產(chǎn)效率、增強企業(yè)核心競爭力等方面發(fā)揮著重要作用，在現(xiàn)代工業(yè)與醫(yī)學(xué)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

Pro/E軟件完全建立于CAE/CAM集成軟件的基礎(chǔ)之上，在三維造型領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。Pro/E軟件改變了傳統(tǒng)應(yīng)用線框與表面模型轉(zhuǎn)換實體模型的方法，而是通過三維實體模型對產(chǎn)品模型進(jìn)行描述。Pro/E軟件本身具有著唯一的關(guān)系數(shù)據(jù)庫，在設(shè)計過程中，其設(shè)計環(huán)節(jié)均是在一個數(shù)據(jù)庫之下進(jìn)行，如工程圖出現(xiàn)修改或變動，則三維模型會出現(xiàn)改變，NC加工刀具路徑則會自動更新。Pro/E軟件具有參數(shù)化與特征設(shè)計三維實體造型技術(shù)，可以實現(xiàn)產(chǎn)品概念設(shè)計，有利于構(gòu)建零件族概念庫。Pro/E軟件與CAD系統(tǒng)存在著很大差異，其功能更為強大，并提供工業(yè)機械設(shè)計、模型設(shè)計、機構(gòu)分析、有限元分析及關(guān)系數(shù)據(jù)庫，其軟件支持與絕大部分CAD/CAM軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，可以輸入輸出數(shù)十種數(shù)據(jù)文件，屬于一種十分理想的反求工程設(shè)計與制造軟件。

2 Pro/E軟件的反求工程技術(shù)研究

2.1 Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取

Pro/E軟件反求中的數(shù)據(jù)獲取是關(guān)鍵所在，指的是采取一定的測量方法或測量設(shè)備，對實體表面若干組點的空間三維坐標(biāo)進(jìn)行測量作業(yè)，從而獲得“數(shù)據(jù)點云”。Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取方法主要包括以下途徑：

（1）三坐標(biāo)測量。三坐標(biāo)測量儀是一種典型的接觸式測量方式，盡管其效率比不上非接觸式，但其高精度、高智能化都使得在產(chǎn)品反求工程中獲得了廣泛的應(yīng)用。在使用時，將被測產(chǎn)品放置于測量儀可及的測量范圍內(nèi)，測量頭在實體產(chǎn)品快速移動，通過傳感器將路徑點坐標(biāo)值進(jìn)行紀(jì)錄。三坐標(biāo)測量儀對產(chǎn)品顏色、材質(zhì)以及光照條件等不存在特殊要求，其精度可以達(dá)到30μm，尤其在外形較為簡單，內(nèi)腔不復(fù)雜的產(chǎn)品中具有良好的應(yīng)用效果。

（2）CT掃描測量。CT掃描測量以X射線衰減系數(shù)為測量依據(jù)，對被測物品進(jìn)行斷層截面掃描，通過重建斷層截面圖像，按照斷層圖像位置進(jìn)行物體三維信息構(gòu)建。CT掃描測量屬于一種非接觸式數(shù)字化測量技術(shù)，可以實現(xiàn)對被測物體內(nèi)部形狀與結(jié)構(gòu)的無損測量，其操作設(shè)備造價較高，設(shè)備體積較大，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用，然而其技術(shù)可以對物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行透視，可以在不解體與非接觸的條件下實現(xiàn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)及形狀測量分析，其未來應(yīng)用前景較好。

（3）數(shù)碼照相測量。數(shù)碼照相測量其獲取物體三維坐標(biāo)值主要是依據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個或多個攝像機拍攝視差與攝像機位置空間幾何關(guān)系來確定，通過應(yīng)用兩個或兩個以上相機對目標(biāo)特征點作測量，其測量技術(shù)的實現(xiàn)存在著一定困難，主要為數(shù)字圖像提取與匹配精度問題。

Pro/E軟件的反求數(shù)據(jù)獲取除了測量技術(shù)以外，還包括激光掃貓儀測量、聲學(xué)法、磁學(xué)法等。

2.2 測量數(shù)據(jù)處理

反求工程中的數(shù)據(jù)處理是一項重要環(huán)節(jié)，對數(shù)據(jù)處理結(jié)果的優(yōu)劣將會對后續(xù)的曲面重構(gòu)的質(zhì)量和效率產(chǎn)生直接影響。在數(shù)據(jù)獲取過程中多存在著一些無用數(shù)據(jù)，這主要是由于受到人為因素、設(shè)備因素及其他因素的影響，這些無用的數(shù)據(jù)將會對后續(xù)處理精度帶來干擾。而數(shù)據(jù)處理常用的方法主要有數(shù)據(jù)排序及矢量化、數(shù)據(jù)濾波、坐標(biāo)變換以及數(shù)據(jù)的簡化等，測量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)處理的主要對象，在完成對其測量編輯之后，可以根據(jù)不同條件和需要，采用多種格式進(jìn)行輸出。在反求工程中，采取人機交互方式進(jìn)行數(shù)據(jù)噪聲去除較為方便，然而其方法無法對大量的數(shù)據(jù)點云進(jìn)行有效處理，而分塊濾波技術(shù)則是當(dāng)前在噪聲點過濾處理中速度較快、精度較好的一種，其工作原理是通過對實體表面特征分界點與幾何特征元素進(jìn)行提取，按照一定順序?qū)⑵淝娣謮K處理，對各種數(shù)據(jù)及特征元素進(jìn)行噪聲判斷并過濾處理。在實際工程中無論是接觸式測量法還是非接觸式，所得到的點云基本上都具有一些規(guī)律，因此，我們可以根據(jù)這些規(guī)則信息并針對其不同特征，采取相應(yīng)的處理方法。

2.3 三維建模研究

從本質(zhì)上來看，點云數(shù)據(jù)的處理過程即是建立于離散點云數(shù)據(jù)的三維建模過程，數(shù)據(jù)點云的處理多采取數(shù)據(jù)調(diào)整、數(shù)據(jù)密度修改、復(fù)制區(qū)域修剪、數(shù)據(jù)光順處理、尖角保留等手段。產(chǎn)品反求工程三維建模質(zhì)量是由曲線、曲面擬合是否光順及擬合曲線鏈接是否光滑來決定的。由此可以看出，三維建模時應(yīng)充分重視曲線與曲面光順處理。

曲線光順的條件主要包括三個，分別為曲線二階幾何連續(xù)、曲率變化具備均勻性、曲線不存在多余拐點與奇點。在三維建模時，為確保曲線光順，首先應(yīng)對曲線中壞點進(jìn)行找尋，進(jìn)行壞點坐標(biāo)值修改，然后進(jìn)行曲線粗光順處理，讓曲線中曲率基本保持一致，確保曲線單凹性或單凸性，最后對曲線進(jìn)行精光順處理，保持曲線中每個曲線段其曲率變化基本一致。

曲面光順的條件主要包括曲面關(guān)鍵曲線光順、曲面高斯曲率變化具備均勻性，曲面中網(wǎng)格線不存在多余拐點。在三維建模處理時，為做到曲面光順，多采取以下處理措施：對曲面縱向曲線進(jìn)行光順處理，在新型值點的基礎(chǔ)上生成曲面橫向樣條曲線，并對其進(jìn)行光順處理，再一次生成曲面縱向樣條曲線并進(jìn)行光順處理，通過檢查與調(diào)整，確保曲面所有縱向與橫向樣條曲線可以滿足光順要求，在保證其處理光順的基礎(chǔ)上，構(gòu)造光順曲面。

應(yīng)用Pro/E軟件，執(zhí)行Datum Point /Offset Csys命令輸入數(shù)據(jù)點云，在Scantool模型下連線，在連線過程中，應(yīng)保證變化趨勢較小的地方其數(shù)據(jù)點較少，消除明顯偏離整體趨勢的點，從而避免因過多點引起曲線不光順問題。完成3D Curve線后，通過Create/Surface/Advanced構(gòu)建3D光滑曲面，在構(gòu)建3D光滑曲面的過程中，應(yīng)充分重視面與面之間是否光滑，可以通過Analysis對曲面曲率與曲面光滑度進(jìn)行綜合評價，應(yīng)用Create/Protrusion/Use Quilt將構(gòu)建曲面生成為實體，從而實現(xiàn)三維建模。在構(gòu)建三維模型后，可以通過Pro/E軟件中的View/advanced Photo render對三維模型進(jìn)行渲染，通過軟件分析方法對所構(gòu)建的模型進(jìn)行分析，確保其曲線、曲面精度，保證模型構(gòu)建質(zhì)量。

2.4 產(chǎn)品制造

應(yīng)用Pro/E軟件，將構(gòu)建的三維模型導(dǎo)入到軟件中的Manufacturing模塊，可以進(jìn)行模型NC加工，通過Pro/E軟件NC加工G代碼輸入到加工中心，從而進(jìn)行產(chǎn)品加工；應(yīng)用Pro/E軟件Part模塊，可以導(dǎo)出STL文件并應(yīng)用快速原型制造系統(tǒng)進(jìn)行原型制造；Pro/E軟件Model模塊支持磨具設(shè)計作業(yè)，可以生成磨具型腔與型芯，從而進(jìn)行零件生產(chǎn)。

3 Pro/E軟件反求工程具體應(yīng)用研究

以牙齒作為Pro/E軟件反求工程研究對象，牙齒數(shù)據(jù)點云采集采取CT掃描方式，對其軟件反求應(yīng)用進(jìn)行研究，具體反求過程為：應(yīng)用Pro/E軟件進(jìn)行CT掃描數(shù)據(jù)點云讀取，并對數(shù)據(jù)點云進(jìn)行處理、編輯，最終形成曲線、蒙面、構(gòu)建牙齒模型。具體步驟為：第一步，將CT掃描數(shù)據(jù)點云導(dǎo)入到Pro/E軟件，通過數(shù)據(jù)處理獲取精確數(shù)據(jù)點云，具體如下圖1所示：

第二步，在上圖中選擇出代表牙齒齒形輪廓線的數(shù)據(jù)點并提取，應(yīng)用Pro/E軟件將Scantool模塊作連線處理獲得其輪廓線；第三步，執(zhí)行Pro/E軟件相應(yīng)指令，構(gòu)建牙齒曲面與平底面；第四步，將曲面與平底面進(jìn)行合并處理，通過軟件Protrusion Use Quilt Solid將合并曲面轉(zhuǎn)為齒形實體。

4 結(jié)語

反求工程技術(shù)為產(chǎn)品制造與模型構(gòu)建提供了一種新的方式，其技術(shù)應(yīng)用在提高企業(yè)技術(shù)水平、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、提高企業(yè)市場競爭力等方面具有著重要現(xiàn)實意義。本文在概述反求工程與Pro/E軟件特點的基礎(chǔ)上，重點從數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、三維建模、產(chǎn)品制造四個方面對Pro/E軟件反求工程技術(shù)進(jìn)行探究，結(jié)合實際案例，對Pro/E軟件的反求工程技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行研究，實踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術(shù)應(yīng)用綜合效益突出，其應(yīng)用前景廣闊。

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