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1、基于逆向工程的现代制造技术研究孙建林(甘肃畜牧工程职业技术学院电子信息工程系，甘肃省武威733006)摘 要，本文介绍应用Pro/E软件进行逆向工程设计的具体步骤，强调了逆向工程技术与NC加工技术或RP技术相结 合能使企业产品开发、研制周期大大缩短,为新产品进入市场创造先机，为企业带来巨大经济效益，深受制造业的重视。关键词：逆向工程，基本原理，Pro/E三维重构:系统整合Based on the reverse engineering of modern manufacturing technology research/Sun Jianlin(Gansu animal husbandry p
2、rojects Vocational and Technical College mechanical engineering, Wuwei, Gansu Province 733006)Abstract: This paper introduces Pro / E software reverse engineering design of the concrete steps that reverse engineering technology and NC machining technology or combination of RP technology enables ente
3、rprises product development, greatly shorten the development cycle for new products to enter the market to create opportunities , bring tremendous economic benefits for enterprises, the importance attached by the manufacturing sector.Key words: reverse engineering, basic tenets, and Pro / E 3D recon
4、struction; systems integration1引言逆向工程技术是近儿年迅速发展起来的一门新兴学科，也称反求工程。它包括形状反求、工艺反求 和材料反求。但目前逆向工程技术研究较多的是基于零件实物样件的儿何模型的反求，即从已有的物理 模型或实物零件产生相应的CAD模型，进而对其进行改进设计和制造。在市场竞争更加激烈、产品技术 含量不断提高、制造周期不断缩短的今天，逆向工程技术己越来越受到人们的重视。逆向工程主要是依靠高度集成化、可视化、开放型的计算机技术和网络技术，构筑产品，从概念构 思、产品设计、工程分析、工艺制造、应用工程、市场服务，全过程实现无纸化、高精度、系统化的操 作平台
5、。虽然，目前仍需制造样品，进行实物试验、论证和评价，但这已经不是一种重要的手段，最终 将会取消这一过程。就这种思维的方法而言，是思维先于实体、实体用于反证思维的逆向逻辑形式，国 际制造业界称之为逆向工程。实施逆向工程的目的是为了更好地实现产品设计的并行工程，使产品设计 及其相关过程实行同步作业，并使之优化，大大提高产品设计的一次成功率，从而缩短周期，降低成本, 减少风险，提高质量，增强企业竞争力。2逆向工程的基本原理传统以来，工业产品的开发均是循着序列严谨的研发流程，即顺向的产品开发程序，由设计师依据 产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图制作手工模型，或以建构CAD
6、 儿何模型，最后进行NC或RP(Rapid Prototype)的加工.程序。此类开发工程亦通称为顺向工程(Forward Engineering)。顺向工程的流程如图1、图2所示。图1组件的顺向工程开发流程图2顺向工程中的产品造型设计加工流程逆向工程通常执行模型的仿制、开发工作。基于原型或实物的逆向工程因其快捷的开发方式，极大 地缩短了产品的开发周期，因而在设计和制造领域有着广泛的技术需求。特别是对于没有原始儿何信息 的零件，逆向工程是完成零件精确儿何造型的唯一手段，因而在模具设计和制造中成为技术热点。同时 由于逆向工程能够提供原始产品的主要外形特征，进而对其儿何外形进行改进，实现产品的快速
7、改形, 能够满足系列化、多样化的要求。传统的复制方法是用立体散刻机或靠模铢床，制作出1： 1等比例的 模具，再进行批量生产。这种复制方式无法建立工件尺寸的图形文件，也无法做任何外形修改，因此已 为数字化的逆向工程系统所取代。目前所称的逆向工程是针对现有工件，利用3D数字化测量仪器准确、 快速测量工件的表面点数据或轮廓线条，并加以创建曲面、分模、加工，制作所需模具；或由CAD系统 生成的STL模型文件传至快速成型机(RAPID PROTOTYPING MACHINE),将样品模型制作出来，直至达 到满意效果。在许多逆向工程.应用实例中，并不是要完全仿制原有的产品，而只是要掌握原有的设计理 念，经
8、过调整来建立一个类似的设计模型，因此逆向工程所涵盖的意义不只是重制(RE-MAXUFACTURING), 也包括了再设计(RE-DESIGN)，其过程如图3所示。图3逆向工程流程图因此,逆向工程可归纳为:功能导向(Functionally-oriented)、描述模式(Descriptive mode)、 系统仿造(System as-is)、以及非所属数系统(Non-legacy system)。逆向工程常用于仿制过程。即必须对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘和各种先 进的测量方法，将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM系统构造实 物的CAD模
9、型，输出NC加工指令或用STL文件马区动快速成型机制造出产品或原型，其工艺流程如图1 所示。其中实线部分是本文讨论的逆向工程的技术流程，虚线部分为逆向工程的另一条技术路线。三维 数据测量、数据处理、三维重构是逆向工程的三大关键技术。(1) 儿何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状；(2) 数据处理：处理所获得的三维数据，使其符合后续操作的要求；(3) CAD建模：建立一个完整的CAD模型，从而能够借以描述产品的全部相关信息。3. 1三维数据的采集在逆向工程中，准确、快速、全面地获取实物的三维儿何数据，印对物体的三维儿何形面进行三维 离散数字化处理，是实现逆向工程的基础。数据的采集是指采
10、用某种测量方法和设备测出实物各表面的 若干组点的儿何坐标，可以有多种方式进行数据采集。在表面数字化技术中，根据测量方式的不同可以 将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统方法就是以三坐标测量机(CMM)为代表的接触式， 也是实际工程中常用的方式，精度相对精确，但易于损伤测头和划伤被测零件的表面。3. 2数据处理数据处理是逆向工程的关键一步，结果将直接影响后期模型重构的质量，此过程包括以下儿方面的 工作：(1)数据预处理；(2)数据分块；(3)数据光顺；(4)数据优化。在Pro/E程序中，选用主菜单命令File/New中新建一个实体零件,然后选择主菜单命令 Application/Scan
11、-tools,指定数据密度模式(低密度模式)，建立坐标系，读入数据后即可生成曲 线。若原始测量数据存在较大的误差，必须用去除噪声点(Remove Scan Point)的方法去除那些偏差较 大的点。也可通过新建扫描曲线(Create Scan Curve) 连接扫描曲线(Join Scan Curve) 分开扫描曲 线(Separate Scan Curve)等方法，对曲线进行直接处理，即可获得大致令人满意的曲线。生成扫描曲 线后，即可创建光滑曲线，用给定点数法(Number of Points)等方法对曲线进行调整和光顺处理。3. 3 CAD建模在逆向工程中，三维CAD模型的重建是指利用产品
12、表面的散乱点数据，通过插值或者拟合，构建一 个近似模型来逼近产品原型。三维CAD模型的重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环，是后续产 品加工制造、快速成形、工程分析和产品再设计的基础。产品的三维CAD建模是指从一个己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 体离散测点的网格化、特征提取、表血分片和曲面生成等，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。其内容涉及计算机、图像处理、 图形学、计算儿何、测量和数控加工等众多交又学科和工程领域，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。在实际的
13、产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品形面往往由多张曲面混合而成。由于组成曲 面类型的不同，因此，CAD模型重建的一般步骤为：先根据儿何特征对点云数据进行分割，然后分别对 各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体, 即重建的CAD模型。Pro/E有很多功能强大的模块，比如零件建模模块，工程图模块，数控加工模块等等，这里我们使 用零件建模模块进行反求建模。在零件（Part）模块下创建出3DCADModelo完成3DCADModel创建后，可进一步利用View/Advance d f Photorender制作高品质的渲染图。3. 4数控加工将创
14、建好的3DCADModel汇入Pro/E的Manufacturing模块，建立新的Pro/XC文件（创建新的Pro/NC 制造模型），在New菜单下选择NC组件选项按钮。在菜单管理器中选择制造模型选项、选择装配中的参 考模型项、打开建模的模型。选择制造设置，设置各种参数设置，其中包括机床、刀具、夹具、参照、 退刀等的设置。接下来就可以进行加工设置了，选择加工中的NC序列，在其中的加工中选择轮廓选项、 接着进行序列设置，包括刀具的选择、曲线的选择、参数的设置等，通过轮廓加工方法对凸轮的外轮廓 线进行加工。等确定各加工过程准确无误后就可以进行程序的输出了。在菜单管理器中选择CL数据选项、选择 输出
15、一轨迹一文件、选中CL文件和MCD文件选项，则NC加工程序的输出生成完成。至此，经过上述 反求建模，NC加工程序生成后，再将Pro/E生成的数控加工代码经过一定的手工设定后，送至电火化 线切割机或加工中心加工，即可完成模具零件的反求设计与制造。如前节所述，逆向工程首须使用精密的量测系统将样品轮廊尺寸快速量出坐标点群资料，然后再做 曲面处理及加工成形。故建立一食完整的逆向工程系统，须要下列基本配备：量测探头：有接触式（触发探头、扫圈探头）。非接触式（雷射位移探头、雷射干涉仪探头、线结构光及CCD扫圈探头、面结构光及CCD扫圈探头）。量测机台：有三次元量测仪、多轴专用机台、多轴关节式机械臂、及雷射
16、迫踪站等。点群数据处理软件：噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插补点。CAD/CAM软件：一般PC级或丁.作站级CAD/CAM系统。CAE软件：执行模流分析或强度分析。CNC工具机：执行模仁加工及模具制造。快速成型机：模型产生(有光化学法、粉末成型法、绕线成型法、切纸成型法等等)0量产机器: 塑料射出机、押出机、银金成型机等。当然，要完成一套逆向工程流程不难，但是要仿制得逼真则须技术支持。许多样品工件不是单纯凸 出的日由曲面所形成，碰到凹槽、开孔或基本儿何形状之处，仍须做形状辨识、建构及叠合处理(如大 哥大机壳、汽车扰流板等)。以上这些都是对逆向工程技术的一大挑战。5结论逆向工程技术，特别是三维模型重建，仍然是一项专业性很强的工作，除需了解产品特点、制造方 法和熟练使用CAD软件、逆向造型软件外，另一方面应熟悉上游的测量设备
