基于逆向工程的快速模具设计与制造

逆向工程

模具技术２００９．Ｎｏ．１

３９

文鞲编号：１００ｌ一４９３４（２∞９）Ｏｌ一００３９－０３

基于逆向工程的快速模具设计与制造

葛茂忠１，项建云２，孙建荚２

（１．常州轻工职业技术学院模具系，江苏常州２１３１６４；２。常州轻王职照技术学院

机械系，江苏常媸

２１３１６４）

摘要：将逆向工程技术应用到螺旋桨叶片的设计中，通过采用ＰＩＸ一３０量坐标测黄仪采集数据，利用ＣｏｐｙＣＡＤ软件系统进行数据处理，导入Ｐｒｏ／Ｅ软件进行三维卖体模型重建和快速模具设计与制造，从而缩短模具开发周期，降低开发成本。关键词：逆向工程；曲面重橡；ＣｏｐｙＣＡＤ，Ｐｒｏ／Ｅ；快速设诗与稍造中图分类号：ＴＰ３９１．７２

文献标识码：Ｂ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｈｏｒｔｅｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｃｙｃｌｅａｎｄｒｅｄｕｃｅｔｈｅＣＯＳｔｏｆｍｏｌｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｔｈｅＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｗａｓｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄｔｏｔｈｅｄｅｓｉｇｎｏｆｐｒｏｐｅｌｌｅｒｂｌａｄｅ．ＤａｔａｗｅｒｅｃｏｌｌｅｃｔｅｄｂｙｔｈｒｅｅｃｏｏｒｄｉｎａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇｍａｃｈｉｎｅＰＩＸ一３０，ｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙＣｏｐｙＣＡＤｓｏｆｔｗａｒｅ

ｓｙｓｔｅｍ．ＡｎｄＰｒｏ／Ｅｗａｓｕｓｅｄｔｏ

ｒｅｃｏｎｓｔｒｕｃｔ

３Ｄｍｏｄｅｌａｎｄｒｅａｌｉｚｅｒａｐｉｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃ—

ｔｕｒｉｎｇｏｆｔｈｅｍｏｌｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ；ｓｕｒｆａｃｅｆｅｅｏｎｓ￡ｒｕｃｔｉｏ珏：ＣｏｐｙＣＡＤ；Ｐｒｏ／Ｅ；ｒａｐｉｄｄｅｓｉｇｎａｎｄｍａｎｕｆａｃｔｕ“ｎｇ

０

引言

统的接触式测量法，如三坐标仪测量法；二是非接触式测量法，如投影光栅法、激光三角形法。在机械产髭戆开发过程孛，往往需将笈杂

本设诗采臻ＰＩＸ－３０三坐标测鬟仪采集数据。

的自由曲线曲面组成的实物样件，通过各种测逆向工程技术的第二步就是模型熏建，常量手段及曲蕊重构方法，将原有实物或影像转用造型软件大致可以分为两大类：一是专用的化为计算橇上的三维数字模鳖，在设计领域，这遴蠢软｛孛，如美鋈Ｉｍａｇｅｗａｒｅ公司懿Ｓｕｒｆａｃｅｒ、就是所谓的逆向工程或反求工程（Ｒｅｖｅｒｓｅ

Ｅｎ—

荚国ＤｅｌＣＡＭ公司的ＣｏｐｙＣＡＤ等。二是提供ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）。逆向工程怒将产品样件或影像经逆向处理模块的正向ＣＡＤ／ＣＡＭ／ＣＡＥ软件，过一定的手段转亿为计算机上的三维数字模型如ＰＴＣ公遥的Ｐｒｏ／Ｓｃａｎ－ｔｏｏｌｓ模块，ＥＤＳ公司的相关数字化技术和几何模型重建技术的总的ＵＧ／ＰｏｉｎｔＣｌｏｕｄ功能模块等。一般而言，无称。

论是专用的逆向软件，还是提供逆向模块的正

逆向工程技术主要包括采集数据、数据处向软件，在熬个逆向工程的ＣＡＤ模型建构上，

理、造型以及快速制造等几个步骤。第一步就都还不具备优秀而又理想通用的处理能力。故

是逡灞各种手段，采集实物摸型的有关数据。本设计采用Ｐｒｏ／Ｅ耨３ＤＭＡＸ嚣释软襻有机逆向工程采用的测量方法主要有两种：一是传

结合的方式，进行数据处理和模型重建。

收藕日期：２００８—０６—１１

作煮简奔：葛茂忠（１９７０一），勇，讲师。

万方数据

逆向工程

４０

ＤｉｅａｎｄＭｏｕｌｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＮ０１．２００９

螺旋桨叶片的设计与制造

１．１采集数糍

使用ＰＩＸ～３０三坐标测量仪扫描测量，得到点云数据。蓠先将桨时固定在｛鼍描平台上，调整扫描探头的扫描区域。使扫描区域正好包含浆叶的最大尺寸。然后进行自动测量，测蹙中点与点闻距及扫接线与扫攒线阀踅均可是电设定。测量数据以ＳＴＬ格式保存，便于以后用反求软件ＣｏｐｙＣＡＤ打开。

１．２数据处理

数据处理是逆向工程的关键一步，其处理效莱将直接影响后期模型重梅盼质量。本设计采用最简洁的方法，即通过人机交互判别明显坏点，然后将坏点、噪声点去除。接着对曲面的特征点、特德线进行判定，以获得满意的曲线，并进行光顺处理，为下一步曲面重构作好准备。

将测量数据用反求软件ＣｏｐｙＣＡＤ蠢开，因为ＣｏｐｙＣＡＤ软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。首先进行点延｛孛处理，将裰邻的基延捧成糯交，即由反求软件根据数搬点产生扫描线（图１），以方便ＣＡＤ建模时可作曲面融合或倒角等工作。点延｛枣后撮据扫描时的探夹半径，对整个数据面进行偏置，以获得桨叶表面的真实坐标（图２）。对模型进行三角化处理，并编辑三角形，进行添加和删除处理（图３）。设定参数，使桨叶模型产生特征构造线，对其表面进行分割，分别进行蘸瑟数盒（图４），注意各分割郝分要重叠，不髋产生缝隙，楚个曲面的拟合完成后，删除基础三角形。所建立的线框模型（图５）以ＣＡＤ系统逶用懿ｌＧＥＳ格式输痛，泼便予在其它ＣＡＤ系

重１扫接线

万方数据

嗣２对点数据进行探钳半径补偿

图３纛角化后的轮廓线

圈４分割拟裔

圈５浆韩的线框模型

统上进行线框模型镫合及边缘轮廓编辑的工作，扶两产生完整的实体模型。１．３三维建模

进行蘸蘑懿拟会时，软件ＣｏｐｙＣＡＤ所提供的工具较少，且面的质量不高。在很多时候，利用ＣｏｐｙＣＡＤ做成的面，常需要在其它三维建模较季孛孛修改。敲本设计选照Ｐｒｏ／Ｅ重构蘸面。在Ｐｒｏ／Ｅ中打开上述由ＣｏｐｙＣＡＤ导出的曲线

文件（ＩＧＥＳ文件），完成线框模型后，通过Ｉｎｓｅｒｔ

—Ｓｗｅｐｔｂｌｅｎｄ—Ｓｕｒｆａｃｅ，煮用前面所建立的线

逆向工程

模具技术２００９．Ｎｏ．１

框模型建立３Ｄ光滑曲面。在建面的过程中，需要注意面与面之间的光顺，同时可以利用Ａｎａｌ—

ｙｓｉｓ分析所建立的曲面的光滑程度和曲面的曲

率分布状况，最后利用Ｅｄｉｔ－－ Ｓｏｌｉｄｌｙ将所建立的曲面生成实体，完成３Ｄ实体建模（图６）。

圈６桨叶的理想３Ｄ模型

１．４快速模具设计与制造１．４．１快速模具设计

利用Ｐｒｏ／Ｅ的Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ模块Ｍｏｌｄ－

的模具设计流程：设计模型一创建模具模型一

设置收缩率一创建模具工件一创建浇注与冷却

系统一创建分型面一分割模具体积块一抽取模

具元件和开模仿真。可以生成模具的成形零件

——型芯（图７）和型腔（图８），并产生最终的零

件和完整的模具装配模型。

图７型芯

圈８型腔

万方数据

４１

１．４．２

快速模具制造

将通过快速模具设计得到的模具零件导入Ｐｒｏ／Ｅ的Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ模块中的ＮＣ

Ａｓｓｅｍ－

ｂｌｙ进行ＮＣ加工程序制作，根据型腔曲面选择不同的刀具和加工方式，设置合理的工艺参数、切削用量、主轴转速等参数，最终利用Ｐｒｏ／Ｅ生成的ＮＣ加工Ｇ代码输入加工中心加工出模具零件。

２

结论

采用ＣｏｐｙＣＡＤ和Ｐｒｏ／Ｅ两种软件有机结

合的方式，将逆向工程技术应用到螺旋桨叶片的设计中，通过采集数据、数据处理、模型重建以及模具快速设计与制造等几个步骤，可以获得螺旋桨叶片样品或模具，从而极大的提高产品的设计效率，缩短产品的开发周期，降低产品的开发成本。目前逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原中，它不仅用于借鉴和吸收国外的高新技术成果，而且能避开现有的专利设计，创造设计出新的产品，已经成为人们实现产品概念设计与复杂设计的有力武器。随着集成化逆向工程技术系统的研究，以软件的智能化来代替人工干预的不足，可进一步缩短产品设计制造周期，降低产品开发成本，提高产品设计质量，增强模具企业的市场竞争能力。

参考文献：

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计开发的革命［，Ｊ－Ｉ．昆明理工大学学报，２００１，２６

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［３］Ｃｏｌｌｉｎ

Ｂｒａｄｌｅｙ．Ｃｏｍｐｕｔｅｒｖｉｓｉｏｎｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓｉｎ

ｒｅ—

ｖｅｒｓｅ

ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ［，Ｊ］．ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｓｉｇｎ＆Ａｕ—

ｔｏｍａｔｉｏｎ，１９９８，４（２）：１０１—１１２．

［４３李翔鹏．Ｐｒｏ／Ｅ——模具设计篇［Ｍ］－北京：人民

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ｃａｖｉｔｙ进行模具设计，根据Ｐｒｏ／ＭＯＬＤＤＥＳＩＧＮ

逆向工程

基于逆向工程的快速模具设计与制造

作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：

葛茂忠， 项建云， 孙建英， GE Mao-zhong， XIANG Jian-yun， SUN Jian-ying

葛茂忠,GE Mao-zhong(常州轻工职业技术学院,模具系,江苏,常州,213164)， 项建云,孙建英,XIANG Jian-yun,SUN Jian-ying(常州轻工职业技术学院,机械系,江苏,常州,213164)模具技术

DIE AND MOULD TECHNOLOGY2009，""(1)1次

参考文献(4条)

1.徐人平.杨维平 快速原型技术带来产品创新设计开发的革命[期刊论文]-昆明理工大学学报 2001(04)2.刘之生.黄纯芝 反求工程技术 1992

3.Collin Bradley Computer vision techniques in re-verse engineering 1998(02)4.李翔鹏 Pro/E--模具设计篇 2006

相似文献(10条)

1.期刊论文 金茜.JIN Qian 基于Imageware的逆向工程曲面重构技术 -机电工程技术2009,38(11)

阐述了Imageware软件的特点和主要模块,分析了Imageware软件的一般流程,通过具体实例介绍了Imageware软件在逆向工程曲面重构中的应用.

2.学位论文 信德乾 基于逆向工程的曲面重构和误差分析 2004

在科技竞争日益激烈的今天,充分利用外国的科技成果并加以消化吸收与创新,发展自己的新技术,是迅速缩小我国与其它国家的技术差距、节省科研资金、缩短科研时间并快速创造新产品的有效方法,也是极大促进民族经济高度发展的有力的战略措施.逆向工程作为一种消化、吸收先进技术并开发新产品的重要手段,对于形成我国具有自主知识产权的制造业来说有着十分重要的意义,因此,受到了我国工业和学术界的高度重视.本文主要采用曲面重构的数学方法和逆向工程专业性软件Surface对曲面模型重构技术进行了实现,分析了重构曲面过程中的误差来源,明确重构曲面的误差.研究常用于进行逆向测量的设备,包括接触式测量设备和非接触式测量设备,比较了逆向设备的优缺点,及其适用的不同场合,据此得出对不同逆向对象采用不同特点的设备的结论.利用天远三维数据扫描仪对车灯壳体进行扫描测量,获取点云数据,取得测量过程的结构框图.对数量庞大的点云数据进行简化处理,提出了两种简化方法——数据平滑和数据精简,并且对点云数据进行三角化精简处理;提出数学拟合算法构造边界线;采用数学上的曲面重构的方法——基于四条边界和基于放样法分别构建曲面;研究利用专业逆向软件Surface,实现从测量得到的点云数据进行重构曲面模型,包括数据的处理方法,点云数据的拟合算法,采用四边界法和放样法对曲面重构,得出了重构模型,解决四边界法构造的曲面拼合问题.提出进行误差评价的指标,分析在重构过程中的误差来源,包括原型误差、测量误差、数据处理误差、造型误差;并结合Surface软件对点数据处理误差、曲面重构误差进行分析,其中分析曲面重构误差时,区别由放样法得到的重构误差和由四边界法得到的重构误差;考虑精度调整需要兼顾与工作效率的平衡关系、制造的技术能力及对创新设计的影响.

3.期刊论文 周君.胡磊 基于逆向工程的车身曲面重构方法及光顺技术研究 -北京汽车2007,""(4)

利用逆向工程基础数据信息得到的经过初步处理的车身点云,并结合相关软件进行分析,探讨了汽车车身曲面重构以及曲面光顺技术的应用问题.

4.学位论文 金鑫 基于小波分析和自适应网格拟合的逆向工程研究 2009

复杂曲面重构是逆向工程实现自由曲面零件数字化仿制和改进的一项重要技术，拥有非常广阔的应用前景。一般的曲面重构都是由测量点云经过预处理，三角网格剖分，点云分块，然后对分块点云分别进行曲面重构。这类方法中的自由曲面重构过程相当繁琐费时，而且精度难以保证。由此，我们派生出由整块的三角网格直接进行曲面重构的思想，并且能够实现自动化，它可跳过复杂且难以控制的点云分块环节。<br>　　

通常对实物进行采样的测量方法应用较多的是非接触式测量，我们一般运用的是激光扫描仪，这种测量方法所采得的数据点会包含许多随机噪点，这些点的存在对点云的曲面重构质量有很大的影响。基于这些随机噪点是一种较高频率分量的信号，我们派生出利用小波分析理论进行降噪，滤除这些随机噪点，为接下来的复杂曲面重构提供有利条件。<br>　　

本文首先通过研究现有的测量设备数据采集的原理、方法及特点，通过大量零件表面数据的测量，比较自由曲面测量的各种手段，并采用TDV800型激光扫描仪测得典型零件的含有随机噪声散乱点云作为研究对象，对数据点进行数据拼合、滤波、精简及坐标变换等预处理操作，其主要是研究利用小波技术进行降噪，即对信号进行多次小波分解，分解后得到近似系数和细节系数，再对细节系数作用阈值抑制噪声，重建信号达到降噪的目的。小波分解后，可以在各个层次选择阈值，对噪声成分进行抑制，手段更加灵活。更重要的是可以根据某些频段分离出来的系数随时间的变化，通过某些准则来确定其是信号本身所包含的信息，还是噪声。<br>　　

另外，在拓扑结构重构过程中，将散乱点云进行等间隔区域分割，采用三角网格剖分手段来建立点云在空间的完整拓扑结构，同时设计三角面片的存储数据结构并保存输出三角面片，将所得三角面片进行四边形划分，利用参数化的曲线拟合所得的四边形曲线网格的边界线以及边界线上的法线，再利用参数化曲面对四边形面片进行整体构造，通过将参数化面片与被构造的数据点进行误差比较，在误差超出预设置值的情况下，再次对四边形面片进行细分，再次拟合，直至达到要求为止。<br>　　

针对本文各项研究，采用VC++编程开发工具结合OpenGL开放式图形库设计可视化应用软件以及MATLAB应用软件，通过叶子、叶片以及人脸等“点云”演示了软件的可操作性及本文中提出的小波降噪理论以及自适应网格拟合理论。

5.期刊论文 牟小云.MU Xiao-yun 逆向工程曲面重构中建摸策略的研究 -陕西理工学院学报（自然科学版）2007,23(4)

通过对实际产品反求过程中曲面重构技术的研究,提出了基于曲面特征的曲面建模策略和基于截面线特征的曲面建模策略,并对其在CAD模型重建中的具体应用进行了分析,为逆向工程建模提供理论指导,以提高反求工作的效率.

6.学位论文 孙剑萍 汽车覆盖件逆向工程的曲面重构 2006

在汽车产品开发中，车体成型技术是汽车行业的关键技术之一，而车体覆盖件成型技术又是汽车车体制造的关键。覆盖件特别是车身覆盖件的市场生命周期最短，变化最快。它直接关系到汽车产品的质量、外观和生产成本、开发周期以及产品的更新换代，是提高汽车竞争力的主要因素之一。由于汽车覆盖件具有形状复杂、结构尺寸大、精度高、表面质量要求严格等特点，因此，如何高效、高质量和低成本地开发设计与快速制造出具有流线外形的汽车覆盖件，已成为工业界竞争的焦点。

逆向工程是根据已有物理模型的测量数据来重建其数字化模型的过程，目前该技术已成为快速产品开发的四大支撑技术之一。海量点云的曲面重构是逆向工程的核心技术之一。它是根据曲面的数字信息，去恢复曲面原始几何模型的过程。

逆向工程

本文在全面分析国内外反求工程领域研究现状的基础上，把反求工程CAD建模中三维表面重构作为研究重点，对曲面重构中各软件间的数据交换进行了深入研究。提出了基于三角化模型截面线提取产品特征线的四边域曲面重构的方法。该方法不但对特征点提取进行了降维简化，把在三维数据点云中直接求取特征点，转化为在截面线上求点，而且综合了三角曲面法快速、灵活、边界适应性好和四边曲面法精确、光顺的优点。并以THUNDERRACER赛车模型的整车曲面造型为例，介绍了其复杂曲面的重构过程；以某汽车部分车体的一块曲面的快速制造为例，介绍了如何在各个造型软件中实现数据的交换及互补。

7.期刊论文 焦俊婷.于霖冲.JIAO Jun-ting.YU Lin-chong 基于RBF的玻璃钢天线罩逆向工程曲面重构 -玻璃钢/复合材料2007,""(1)

研究目的是通过人工神经网络方法重构玻璃钢天线罩曲面.径向基函数(RBF)神经网络具有很强的非线性逼近能力,根据给定的天线罩外表面数据及采集的天线罩内表面数据,采用RBF神经网络对玻璃钢天线罩进行逆向工程曲面重构.典型工程实例的计算结果证明,该方法的拟合、重构精度高,并且训练速度快,具有很高的实用推广价值.

8.学位论文 郭建华 基于逆向工程的汽车覆盖件曲面重构系统的研究 2004

伴随着CAD/CAM/CAE技术在汽车制造业的应用和推广,世界汽车工业得以迅速发展.近些年,我国汽车工业经过与国外著名汽车设计和制造公司的合作与交流,设计和制造能力都得到了较大发展.但其中有些关键技术尚未完全掌握,与国际先进水平有一定差距.汽车外覆盖件的设计和制造就是其中之一.如何借鉴国外先进设计制造业技术,如何加快传统设备的改造升级,提高我国制造业的整体水平,是摆在我们面前的一个重要课题.逆向工程(反求工程)设计作为一种新兴的设计方法和手段,在汽车模具设计和改型方面正发挥着越来越重要的作用.基于逆向工程产品设计的重点在于如何准确再现原始物体表面的拓扑结构并在此基础上构造出精确的曲面模型,本文就曲面反求造型中的几个关键技术——数据点的拓扑重建、基于特征的区域划分、散乱数据点曲面重构方法进行了详细的探讨,并根据基于逆向工程的汽车外覆盖件曲面建模特点,提出了一些新的概念和算法.具体包括:1、对当前曲面数据采集方法的特点进行了分析,重点阐述了ATOS三维非接触式扫描仪的工作原理以及用其准确采集大范围数据点时应注意的问题和处理对策.给出了由其测得的SAN2000前围模具的部分数据点云图.2、对经过多视拼合的数据点云的滤噪、精简、光顺等预处理方法进行了研究.提出了一种改进的三维栅格的点的精简算法.该算法首先建立数据点的邻近结构,然后根据角度对邻近点进行排序,在此基础上实现了数据点的自适应精简.并通过例子验证了该算法的有效性.3、对如何通过构造流形网络结构来揭示数据点间拓扑关系的方法进行了探讨.介绍了基于协调映射完成曲面Delaunay三角剖分的方法.给出了一种快速查找离散点所在三角形域的新方法.基于曲率关系,完成了三角网络的整体优化.4、针对汽车零部件及其模具表面自由曲面较多,形状复杂等特点,提出了以边界为中心、以区域划分、曲面拟合和曲面拼接为基本步骤的B样条曲面重构方法.介绍了采用曲率极值法结合边界搜索算法提取特征点对数据点云进行半自动区域划分的新方法.并利用该方法完成了SAN2000部分前围模具测量点的数据划分.5、在以上研究的基础上,以NURBS理论为数学模型,采用MFC和OpenGL结合的三维图形开发技术,构造了针对汽车覆盖件曲面造型系统的软件程序结构.给出了基本功能模块的部分数据结构和部分实现代码.

9.期刊论文 乌秀春.胡丽娟.赵洪波.WU Xiu-chun.HU Li-juan.ZHAO Hong-bo 基于逆向工程的车门外板曲面重构 -拖拉机与农用运输车2009,36(1)

利用三坐标测量仪测得轿车车门外板的点云数据,经数据处理后,应用CATIA软件中的相关模块进行曲面重构.以此为例探讨如何由实物或样品反求产品CAD模型的逆向设计的一般流程.

10.期刊论文 张明魁.饶锡新.钟春华.Zhang Mingkui.Rao Xixin.Zhong Chunhua 逆向工程与曲面重构技术 -现代制造工程2006,""(4)

重点分析逆向工程中常用的三种曲面重构方法,即B样条曲面、NURBS曲面及三角Bézier曲面的构造理论及方法,并介绍获得高质量重构曲面所必须的几项关键技术,即曲面点云数据的获取技术、测量数据的分割技术,曲面拟合及光顺技术.

本文链接：http://www.77cn.com.cn/Periodical_mjjs200901012.aspx

授权使用：厦门华天涉外职业技术学院(xmhtswzyjsxy)，授权号：e10bf79e-02e7-4fd1-bcfa-9e2b010154fe

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