基于UG_Imageware的汽车反光镜的逆向设计

基于UG/Imageware的汽车反光镜的逆向设计刘博，刘悦，王倩(长春理工大学，吉林长春130022)摘要:使用专业的逆向工程软件(UG和Imageware)对汽车反光镜进行逆向设计，在Imageware中对点云进行了精确的处理，并在UG中进行三维模型重构，再把三维模型导回Imageware中将三维模型与初始点云进行比较，结果表明这种设计方式能够非常精确地表示实体的各项特性。关键词:逆向工程;Imageware;UG;模型重构中图分类号:TP3文献标识码:A文章编号:1007－4414(2012)05－0086－03ThereversedesignofcarreflectorbasedonUG/ImagewareLiuBo，LiuRui，WangQing(Changchununiversityoftechnology，ChangchunJiling130022，China)Abstract:Thereflectorofcarisdesignedwithprofessionalreverseengineering(RE)software(UGandImageware)，thepointcloudsareprocessedinImageware，3DmodelisreconstructedinUG，finally，3DmodelisimportedtoImagewareagain．Comparing3Dmodelwiththeinitialpointclouds，theresultshowsthedesignistheaccuratewaytoreflectthecharacterofen-tity．Keywords:RE;Imageware;UG;modelreconstruction1引言逆向工程RE(ReverseEngineering)也称几何逆向，是一个从有到无的过程，是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，根据已经存在的产品模型的测量、数据处理，并在此基础上构造出产品的三维CAD模型，对其进行再设计的过程［1］。图1为逆向工程流程.。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象［2］。通过数字化测量设备(如三坐标测量机、光学测量设备等)获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM模型系统完成产品的制造2逆向工程的应用作为产品设计的一种手段，在20世纪90年代，逆向工程就开始引起各国工业界的高度重视，而这项技术在制造业领域中的应用也越来越广泛。逆向工程主要应用在以下几个方面。(1)虽然计算机辅助设计(CAD)技术迅猛发展，各种商业软件日益强大，但就目前看来，还没有一款软件能够独立完成一些模具表面复杂曲面的设计，还是需要利用泡沫模型来代替实体，运用逆向工程技术将模型转换为CAD模型，在CAD中改善模型的参数，使其日渐完善，再次制造模具时就可以利用这个模型进行加工，大大减少修模量，提高模具的生产效率，降低模具制造成本。(2)有些设计师的工作是要让作品趋向完美，就需要利用逆向工程技术将这些模型用数学的模型表达，通过比例运算得到完美的真实尺寸的CAD模型。(3)以已有的产品为基准点进行设计已经成为了当今产品设计的一条理念，为了加速缩短与发达国家的差距，利用逆向技术充分吸收国外先进的设计的制造成果，能使我国的产品具有更高的起点。(4)逆向工程在艺术品、考古文物的复制上也能起到关键的作用，另外，在医学方面，人体内的器官，外形的结构，都需要逆向工程来完成其实体的模型构建。3逆向工程的主要技术逆向工程技术的流程为:对事物样件进行坐标数据采集，得到表面几何数据，然后进行数据合并、简化、三角化、去噪等预处理;由于测量模型通常由多个面组成，因而还需要对测量数据进行分块，再进行曲面拟合，最后导入CAD系统进行产品模型重构。逆向工程主要有以下几项技术［4－6］:数据采集技术、数据处理技术、模型重构技术等。3．1数据采集技术数据采集是指通过特定的测量方法和设备，将物体表面形状转换成几何空间坐标点，从而得到逆向建模和尺寸评价所需要的数据。选择快速而精确的数据采集系统，是逆向工程成功的先决条件，它在很大程度上决定了所设计产品的最后总质量，以及工作的效率和成本。3．2测量数据处理无论是哪一种测量方式，在数据采集的过程中都会采集到杂点，噪声点甚至是错误的采集点的数据;而且根据测量的目的不同，最终所需要的点数据的数量、点云之间的距离均有不同要求;这些也需要软件的协助进行删选。3．3模型重构技术产品的三维CAD模型重构是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程，包含物体离散点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整个RE过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持［7］。其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD/CAM领域广泛关注的热点和难点问题［8］。4UG/Imageware在逆向设计中的应用利用UG/Imageware进行逆向设计需要经过多个步骤，下面以汽车反光镜的设计为例说明逆向设计的应用。4．1点云的初步处理利用Imageware软件把汽车反光镜的点云读入，查看点云的信息，观察其大致的形状。点云数据处理的好坏将直接影响后期模型重建的质量。为了加强点云的合理性，通常需要对点云做以下的预处理，以提高点云的质量、降低点云的误差［9－10］(1)无用点的手工删除，这一部分的数据主要是误采集到零件意外的点。(2)体外孤点的删除，主要是脱离于主点云以外的点数据。(3)噪声点的过滤，包括扫描时零件表面反光所带来的杂点，扫描时零件或者设备轻微震动引起的误差以及设备本身误差带来的杂点。(4)数据点采样，根据后续处理对点距离的要求，在保留边界的基础上进行数据采样，(5)补偿点的产生，在缺少点云数据的部分位置添加生成新的点数据。4．2点云的分块整块点云如果无法精确的进行处理，往往将点云分片进行处理。分块时需要把模型按照其外形特征大致分成几个部分，如一些地方曲率变化较大，则需要拟合一些曲线作为控制线，避免拟合得到的曲线产生较大的误差。4．3点云的光顺软件中用专业的数学语言来处理光顺问题，如圆周率法、最小二乘法，将点云优化，将不必要的点云全部剔除，这样能减少后期的计算量。如图2、3所示4．4点云的排序对于较复杂的点云数据，将一些无序的点云排列成有序的拓扑关系。完成后的点云数据如图4所示。4．5在UG中模型重构点云经过处理后，整个点云数据呈现出完美的结构轮廓。因为点云数据非常的复杂，在单一软件里很难把他完整的体现出实体的感觉，所以在经过Im-ageware的软件处理后，再放到UG软件中进行细节上的处理。打开UG，进入建模界面，将Imageware里处理好的点云放入UG中，将图层分类，在建模的过程中将没必要处理的图层隐藏，将需要处理的点云连成曲线，并通过投影曲线、拉伸、偏置曲线、截面、替换面、布尔运算、拔模、边倒圆、抽壳、着色等工具将点云数据变成汽车反光镜的模型，如图5所示。4．6对模型进行误差检测完成反光镜的三维模型后，再把UG中重构的三维模型导入Imageware中，比较分析最终重构的三维模型和扫描的点云之间的偏差。通过彩色的区域对比就能够清晰的显示出来，直观的了解到曲面和点云之间的差异值。从差异值的大小就能够判定所做的三维模型是否具有实体的各项特性，并且能够验证实验的精确性，如图6所示。5结语本文介绍了逆向工程从数据采集、数据处理、模型重构的整个过程，并利用Imageware、UG等逆向软件对其进行操作，使得模型完全呈现与实体一致的特征。逆向工程用较快的处理方法，精确的处理手段，为产品的加工生产提供了最方便的途径，这种方式将会在未来拥有更广泛的运用。参考文献:［1］张学昌．逆向建模技术与产品创新设计［M］．北京:北京大学出版社，2011．［2］高永祥．三维建模与制造———UGNX逆向造型、数控加工［M］．北京:机械工业出版社，2010．［3］李强，王红梅.实物反求工程中的模型重建技术［J］．机械制造与研究，2003(4):70－72．［4］柯映林．反求工程CAD建模理论、方法和系统［M］．北京:机械工业出版社，2005．［5］何炳蔚，林志航．逆向工程中的数据点云的分割［J］．机械制造，2003，4(10):11－14．［6］王枫红，郑时雄，陈锦昌．逆向工程中自由曲面重构的算法探讨［J］．现代制造工程，2002(11):68－70．［7］盛忠起，蔡光起．逆向工程及曲面重建技术［J］．机械设计及制造，2001，12(6):102－103．［8］周儒荣，张丽艳，苏旭，等．海量散乱点的曲面重建算法研究［J］．软件学报，2001，12(2):249－255．［9］陈志杨．基于三角曲面的逆向工程CAD建模方法［J］．中国机械工程，2003，14(8):698－701．［10］刘洋，卢军，李雯雯，等．快速逆向工程技术及应用［J］．机械，2009(5):