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逆向工程中CAD模型构建技术及应用

2009-02-11 09:13:15  来源:万方数据

摘要:文中探讨了目前主流逆向软件Imageware的技术特点,并结合案例给出三维CAD模型重构确实可行的技术途径,展望了逆向软件未来的发展方向
关键词: 逆向工程 image

    1 引言

    相对由概念设计到图样,再制造出产品的正向工程,逆向工程(RE)是从实物到CAD模型,再到后续的CAM加工、有限元分析及快速成型等,是一项以先进产品、设备实物为研究对象,利用计算机辅助设计与加工技术进行产品复制、改进乃至新产品开发的技术手段。其中,由实物获取点云数据进而构建出实物的CAD模型是十分关键的一步。

    Imageware是应用于逆向工程处理的先驱软件,其提供了逆向工程方面的A曲面设计和曲面评估最好的功能,具有强大的测量数据处理、曲线曲面拟合、误差检测功能,可处理多至几百万的点云数据,由点云数据构造的曲面具有良好的品质和曲面连续性。软件的模型检验功能可以方便、直观地显示曲面模型与实际测量间的数据误差。通常逆向建模得到的是外观曲面,需要多种检测曲面品质的工具,而IrnageWare软件具备了这些功能。在实际模型构建中,单纯逆向工程设计软件还存在一定的局限性。虽然软件处理点云数据的功能较强但曲面构建过程很大程度上依靠工程人员的经验,有些设计精度难达到高的水平,软件智能化、集成化程度较低。

    在逆向软件出现之前,CAD模型的重构是依赖于正向的CAD/CAE/CAM软件来实现的,如Pro/E、UG、CATIA等,Pro/E便是其中的一个代表,其用于处理点云数据并进行逆向曲面设计的模块有:ICDM Surf,、Pro/DESIGER、Pro/SCANTOOLS 在曲面建构方面,Pro/Scan-tools除了可以基于曲线、基于曲面创建无任何父子关系的型曲面,还可以直接应用参数化环境下的二次曲面设计与编辑、自由曲面设计与编辑等功能创建参数化曲面,所以在具体工程构建中,一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式,以尽可能高的效率得到符合要求的CAD模型。

    2 点云数据预处理

    逆向工程的首要工作是获取反映物体外形结构的空间点集。在此基础上,才可进行后期的建模、改进及制造。点云数据的获取现有接触式与非接触式两种。前者测量设备的探头将接触物体,因而测量数据有较高的准确性和可靠性。但是,探头因接触物体会造成磨损需要经常维护;而且,对于较软的物体,因承受一定的测量作用力会发生变形使数据失真;此外,接触测量是逐点进行的,大大制约了测量速度。非接触式测量是利用声、光、电磁等与物体表面发生相互物理作用来获取物体表面的点云数据。其克服了接触测量的一些缺点,具有测量效率高、测量物体质地不限等优点,得到越来越广泛的运用。本例使用德国ATQS光学扫描仪获取鼠标的点云数据,该设备具有高质量的扫描精度,且测量效率高、测量范围大、性能稳定的优点,参考点拼合技术和先进的数码相机定位技术为其工业应用提供了良好的支撑。

    2.1点云数据对齐

    点云数据对齐分两种情况下需要进行,一是在测量同一物体时,因为某种原因需要多次分开测量,在测量完成后需将各点云对齐得一完整点云数据;二是点云数据在世界坐标系下处于非需要位置,为方便后续的处理,需要进行重新调整,使其表征的物体主要平面与坐标平面垂直(或平行)。本例中鼠标点云数据需要进行第二种情况的对齐,为后面点云的剖切、几何对象的构建、编辑创造条件。选用Modify-Extract-Circle-Select Point析出底部点云,分割后得一平面点云,选用Construct-Surface from C1oud-Fit Plane拟合得鼠标底所在平面。使用视图对齐底平面,旋转视图900,选用Cross Section-Cloud Interactive剖切得鼠标底部四个支撑角及中间滚球的截面点云,排序、光顺,给定公差拟合出支撑角的截面曲线(椭圆、圆)。利用这些几何对象可作得鼠标的对称平面(垂直底面)。将两平面与鼠标点云做成组对象,用分步对齐方式( Stepwise)将鼠标的底面和对称平面分别与世界坐标中的两坐标平面对齐,从而使点云数据在世界坐标系中摆正。

    2.2清除杂点

    在实际扫描过程中,由于环境和物体本身特征(表面的清洁度、反光性等的影响,使点云数据中不可避免地混有杂点。对于较集中的杂点主要用Modify-Extract-cir-cle-Select Point,方式割除,分散的少量点则用Modify-Scan Line-Pick Delete Points清除。

    2.3点云数据光顺与精简

    数据平滑有三种方式:中值、平均、高斯。前两者均通过取一定数量点取平均值来取代原始点,使点云光顺,中值方式去数据毛刺的效果较好;高斯方式平均效果小,能够较好的保持原数据的形貌。本例选择高斯数据平顺方式,Modify--Smooth菜单下的命令进行平滑处理,光顺的同时能保证点云数据的质量。

    非接触式测量法获取的点云数据相对较大,会使运算速度降低,所以大多需要进行数据的精简,方法有统一抽样、空间抽样、弦偏离抽样,三种方法各有特点。统一抽样法是基于原始数据的连续顺序而保留点。这种方式能较好地保留原始结构特征的同时减少较多的点云数量;空间抽样法是从空间抽样的角度来考虑的,忽略了点云的排列顺序,只是平衡地减少点云,而易导致形状变化大的特征被淡化或丢失;弦偏离抽样法是从形状的角度去考虑,在形状变化较大的区域保留更多的点,而在形状变化小的平坦区域内保留了更少的点a7鼠标原始点云数据有40多万个点,由于各处形状变化起伏小,点云分布较均匀,在实际应用中使用统一抽样法能获得较好的精简效果。

    2.4点云分割

    逆向构建当中,物体往往不是由一张曲面构成,而是由多张曲面联接而成。因此,需要根据物体外形将数据分割成代表不同曲面的点云片,分割方式决定后期的曲面制作方法,直至最终的曲面质量,所以此时就需要充分考虑整个对象的制作方法。分割时尽量避免点云片数过多,因为这样会增加后期曲面的“缝合”而降低曲面的质量。通常有两种方法来分割曲面。一种是自下而上的方法:选定种子点,由种子点向外延伸,判断其周围领域的点是否属于同一个曲面直到漫延到不连续的点为止,得到的点数据作为一个组合。这种方法只能是粗略地划分,并且需要反复地比较才能得到满意的结果。另一种是自上而下的方法:先将点数据看着一个曲面,如果不能用方法一次构建成功,那么将进行划分,直到划分为尽可能少的可构建的点云片。这种方法由于针对性强曲面划分成功率相对较高通常用得较多。但其需要解决分割边界与物体边界不一致,致使后期曲面“缝合”时,边界光顺性差的问题。相对来说,在实际的运用中第二种方法较为常用,尤其对结构相对复杂的物体进行逆向造型时,尽管会带来后期曲面连接处理且光顺性差的问题。在本例中根据鼠标的结构特征将点云分成顶面、侧面、底面及连接面,如图1所示

图1

    3 曲面构建

    3.1构建特征曲线

    曲线的构建尽可能遵循几个原则:用最少的数量控制点创建曲线,否则在曲线后期的放样和平滑过程中兼容性方面会有潜在的问题;尽量在处理过程中使用简单曲线,如直线、圆弧、圆等;在达到精度要求的前提下生成低order, spans值的曲线,以降低曲线的自由度,当曲线的阶次增加时,将需要用更多的时问来保证曲率的连续性,轻微的调整就会极大地影响曲线。基于前期鼠标点云的分割,构建特征曲线如图2所示。

图2

    3.2构建基本曲面

    曲面生成方法有多种,除与其他CAD软件的相同Sweep、Loft、Ruted、Revolution等常用生成曲面方式以外,Imagewara软件特有的Uniform Surface,  Fit w/Cloud and Curve等方式在生成曲面时读取点云数据,生成曲面能很好地吻合于原始数据。适合于曲面曲率变化较多的情况。本例中,鼠标顶面采用的就是Uniform Surface方式,保证了曲面较好的光顺性,再利用前期构建的曲线修剪得到曲面的边界。侧面基于曲面的特征,采用对特征曲线进行扫描来获得。底面利用点云数据并选用Construct-Surface from Cloud-Fit Plane进行拟合,再经边界曲线修剪完成。如图3所示。

图3

    3.3在Pro/E中构建曲面

    用Imageware软件完成主要曲面,过渡面以及一些非四边区域的洞用Imageware制作起来非常麻烦甚至不成功,所以工程人员常将数据导人其他的软件进行后期的制作。本例鼠标两顶面的过渡面、顶面与底面的过渡面将在Pro/E软件中完成。以IGS格式引人Imageware构造的特征线及基本曲面片(点云、辅助线等摒弃),应用Pro/E的高级曲面造型、编辑功能,如拉伸、旋转、放样、扫掠、边界拟合和曲线拟合,经过对曲面的桥接、合并、裁剪等制作,可以方便的把模型构造成一个完整的曲面,如图4所示。

图4

    4 误差检验

    Imageware软件具有强大的检验与评估功能。无论是对点云的处理还是在曲线、曲面的生成与编辑过程中都将使用到,最终完成的三维曲面模型将利用检验功能与点云进行误差分析从而确认是否符合精度要求;使用评估功能了解曲面间的连续性,确保后续的CAD设计、CAM加工、有限元分析及快速成型。检验功能主要有:云、曲线、曲面同种对象的误差检验,曲线、曲面两种对象与点云的误差检验。评估功能主要有:点云与曲线、曲面的偏差检测,点云、曲线曲率计算,连续性评估,高光检测,反射线检测及多个曲面连续性检测等。在Pro/E中完成最后曲面的制作之后以IGS格式导入Imageware。软件中,分别使用评估、检验功能进行曲面连续性的检测以及点云与三维模型的误差分析。误差分析如图5所示。最大误差在±0.5mm之间。如果达不到公差要求,要将三维模型进行调整。直至达到要求为止。在Imageware软件的误差分析界面下进行曲面的调整可动态地观察公差值的变化。

图5

    5 结束语

    当前逆向软件的模型重构还存有一些不足之处。主要有两个方面,一方面是,对点云数据资料进行曲面的规划和分割,以及曲面的制作,很大程度上依赖于工程人员的经验和技能,无参数化,或数值量化,点云数据和曲面的误差超差后的曲面微调花费时间多而效率低。另一面是Imageware,是一个非实体的建模环境,逆向重构的曲面模型只有通过数据格式的转换,才能为其他的通用CAD/CAE/CAM软件调用来进行后续的制作。

    模型重建中逆向处理软件Imageware结合正向CAD软件Pro/E,充分利用其强大三维模型的构建功能及参数化设计优势;Scan-tools,逆向模块可以无缝地对接Pro/NC模块和实体设计模块;完备的快速成型和有限元分析的功能,完成产品的再造型并进行后续的下游工程是一切实可行的有效途径。今后,提高软件的智能化程度,降低对工程人员的依赖;以参数化的方式构建曲面将是逆向设计软件的未来发展的方向。


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