论文逆向工程在农机零件设计中的应用，该文是有关逆向工程论文写作参考范文与逆向工程和农机和零件相关论文写作参考范文.
摘 要：三维CAD模型的重建是逆向工程中的关键技术,对目前逆向工程CAD建模及软件技术进行了分析和总结,以Imageware软件为例讨论了逆向工程在农业机械零件设计中的应用和研究.
关键词：逆向工程；农业机械；UG；Imgeware
1 逆向工程的工作原理
逆向工程（ReverseEngineering,RE）,亦称反求工程、反向工程.它是针对现有工件（样品或模型,尤其复杂不规则的自由曲面）利用3D数字化测量仪快速、准确地获取物体的三维轮廓数据,在经过数据处理、曲面重构、编辑、修改后,传送至CAD/CAM系统作进一步设计,再由CAM软件生成加工程序送至CNC机床制作所需的模具；或者由CAD系统生成机加工图纸,由传统机床加工出产品零件；或者生成STL（STereoLithography）文件传送至快速成型机制作样品模型.
在应用实践上,目前逆向工程主要有两个模式.
1）按正向设计思路来进行,以三维CAD平台为主,以逆向工程软件为辅.通过逆向工程软件进行点云处理,并获取一些必要的特征线,构建一些主要的曲面,进而在CAD软件中进行特征重建和实体造型.
2）“全逆向NURBS（Non-UniformRationalB-Spline）重构”,即所有设计过程都在逆向工程软件中完成.通过产品点云生成三角网格模型,进而进行NURBS曲面重构,最终获得完整的、由众多曲面片光滑拼接而成的曲面模型.
2 逆向工程造型的关键技术
逆向工程造型的关键技术主要涉及4个方面：①数据测量技术；②数据预处理技术；③曲面重构技术；④曲面的光顺品质分析和优化技术.
2.1 数据测量技术
主要任务是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据.根据测量探头或传感器是否和实物接触,测量方法可分为接触式和非接触式两类.接触式测量方法包括了机械手和三坐标测量机；非接触式测量方法包括了磁学测量、光学测量、声学测量等,其具体的测量手段包括激光扫描测量法、投影光栅法、层切法和工业CT法等.测量数据常用诸如IGS、STL和STEP等通常格式来存储,以方便不同软件之间的数据交互.
2.2 测量数据预处理技术
实际工程中,由于测量的数据点非常密集,而且测量的产品外形数据会不可避免地引入数据误差（比如尖锐边和边界附近的测量数据、测量数据中的坏点等）,这就需要对测量数据云进行数据处理.数据处理的主要内容包括数据的平滑、噪声的去除、数据的精简、多视数据的拼合、数据的插补及数据的区域分割等工作.考虑到曲线曲面构造方法要求精度及光顺性等不尽相同,并且对测量数据质量、密度及组织形式方面的要求多种多样,因此上述数据预处理技术可以按需选择使用.
目前常用的逆向工程软件包括了Imageware/GeomagicStudio,CopyCAD,ＲapidForm和CATIA.其中在数据预处理方面能力最强、应用最广泛的软件为Imageware.它不仅可以对数以百万计的点云进行去噪、分割、拼合、空隙缝合、数据平滑以及精简等处理,具有很强的误差检测能力,并且还能构造出具有良好品质的曲面,在计算机部件、电子、航空航天和汽车等领域得到了广泛应用.
2.3 曲面重构技术
逆向工程的目标就是建立能够被CAD系统接收的曲面模型并便于后续数据处理.目前在逆向工程中曲面重构算法主要分为三边域曲面重构方法和四边域参数曲面重构方法两类.
三边域曲面构造以三角Bezier曲面为理论基础,方法适合于表现无规则复杂型面的物体；但是三角曲面不能反映零件的高层次几何特征,并且在光顺性和可编辑方面都不太理想.与三边域曲面相比,基于测量数据的四边域参数曲面是一种更为精确的模型表示方式.
四边域参数曲面（包括Bezier曲面、B样条曲面和NURBS曲面）是将参数的矩形域映射到三维空间中的一个具有矩形边界的曲面.特别是NURBS方法,由于其强大的优越性,已经成为CAD软件中描述产品几何形状的通用方法.通常在得到了预处理后的点云数据后,可以选用CATIA,UG,Pro/E,Solidworks等软件来生成曲线和曲面.
2.4 曲面的光顺品质分析和优化技术
曲面光顺品质的评价及优化技术是逆向工程中曲面质量的保证.曲线的光顺工作一般按如下步骤进行：①找坏点并修改其坐标值；②粗略光顺,使得曲线上各分段曲线的曲率符号一致,从而保证曲线的单调凹凸；③精细光顺,使得曲线上的各分段曲线曲率均匀变化,曲线、曲面的光顺品质检查方法包括各种曲率分析法、光照模型分析法以及等值线分析法等.上文中提到的4款曲面造型软件均提供了多种曲面光顺品质分析方法,其中使用最多的是曲率分析法.光顺品质优化通过调整原始曲面的形状,在其形状变化满足给定约束的前提下使曲面变得更光滑.
3 逆向工程的实例应用
本文以某农机冷却水管的三维逆向设计过程为例进行研究与探讨.
3.1 系统标定
开始扫描前应先标定系统,标定的精度将直接影响系统的扫描精度.如果在使用过程中已标定过系统,在系统未发生任何变动的情况下,进行下一次扫描时可以不用再进行标定.结合不同软件,系统标定主要包括：调整扫描仪角度、调整测量距离、调整十字及相机参数、选择标定板参数、采集标定板数据、标定计算、应用标定结果等内容.
3.2 扫描前期准备
在扫描之前要先做一些前期准备工作,如扫描的工件表面处理,选择和粘贴标志点.
3.2.1 扫描物体表面处理.工件的表面质量对扫描的进行也很重要,扫面物体的表面必须符合浅色、漫反射特征,如果扫描工件的表面太吸光或者太反光,则必须使用显影剂处理成符合要求的表面.只有亮但不反光的表面适合扫描,同时要保证工件表面干净,无明显的干扰污渍,同时也要将工件放平稳.
3.2.2 在物体表面贴标定点.为完整地扫描一个三维的物体,通常需要将被扫描物体表面贴上标志点,要求标志点粘贴牢固、平整.标志点要尽量随机贴在物体表面上的平坦区域,与曲面每边边缘的距离不宜过大,公共标志点至少为4个,由于图像质量、拍摄角度等多方面原因,有些标志点不能正确识别,因而尽可能多粘贴标志点,一般为5～7个为宜,不要人为的将标志点分组排列,标志点尽量不要贴在一条直线上.
3.3 实体扫描
扫描环境一定要在干扰光源比较少的地方进行,否则会使扫描成功的面积减少或扫描不上任何面.通过拼接扫描软件对标定点进行识别并标号,然后进行当前位置的扫描,当对其他面进行扫描时旋转角度不可过大,并务必要有重复的识别点,对于细节部分可以着重扫描,扫描后通过软件进行扫描文件的数据导出,完成数据采集.
3.4 点云的处理及三维重构
在对冷却水管点云数据处理及模型重建过程中采用了Imageware软件和UG软件.
3.4.1 用Imageware软件对点数据进行处理.1）对齐点云数据.点云数据的对齐是进行数据处理的重要环节.初始的点云数据与通用的三维坐标系有一定的夹角,为方便构建冷却水管的三维几何模型,需要对点云数据进行方位对齐.
2）截面线及其边界线的提取.截面线及其边界线的提取是整个曲面重构的关键.
首先,根据点云数据的内在特性,如曲率、法矢等的变化,即可寻找到点云数据的边界、棱边和孔洞等突出特征,即检测出特征点,把截面点云拟合成曲线.
其次,将冷却水管点云的边界线提取出来,然后把边界点云拟合成曲线,以便构造自由曲面.为了确保截面线和边界线的精度,在任何一条截面线和边界线的构建过程中,都要随时检测点云和曲线之间的偏差,确保特征线在偏差范围内,以保证与原型的一致性.
3）曲面拟合.将曲线的方向、起始点位置都修改一致后,即可进行曲面拟合.该功能主要是利用一组独立的3D曲线创建一个NURBS曲面.首先选中需要拟合的所有曲线,然后选择起始点的连续性,选择切线的方向,选择结束点的连续性,最后进行曲面拟合.
3.4.2 用软件进行冷却水管的三维重构.在UG中直接导入MW格式的文件,这样就把拟合好的特征曲线、曲面导入UG中,并且使这两种软件的坐标系保持一致.把输入的曲线、曲面作为参照基准进行造型,在造型时应注意孔的定位.使用UG的特征造型和曲面造型功能,最终完成冷却水管的三维造型.
4 结语
利用逆向工程技术进行农业机械产品开发,是一项实用性和综合性很强的技术.利用光学扫描仪作为获取实体表面三维数据的手段,用逆向工程软件Imgeware处理光学扫描仪得到的点云数据,用UG进行三维建模,还可以分析和比较三维模型与原产品的偏差以及逆向产品与原产品的偏差.利用逆向工程技术提高了农业机械产品开发的成功率、效率和质量,并且大大降低了农业机械产品的开发成本,缩短了产品的开发周期.
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参考文献：
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