[建筑]逆向工程技术在犁臂测量和建模中的应用.doc

逆向工程技术在犁臂测量和建模中的应用 -------------------------------------------------------------------------------- （2006-12-27 18:05:58 ） 一、逆向工程简介 在信息化的现代社会中，制造行业的竞争日趋激烈。产品更新速度不断加快，生产方式日趋小批量、多品种。逆向工程技术在此背景下应运而生并得到迅猛发展。 逆向工程，是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型，逆向工程流程图见图1。 图1 逆向工程流程图 逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括：①新零件的设计；②已有零件的复制；③损坏或磨损零件的还原；④提高模型的精度；⑤数字化模型的检测。 二、犁臂的三维数据测量 1. 数据采集实施条件 在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头是应用光学及激光的原理进行测量的。 针对犁臂表面形状较为复杂的特点，采用非接触式的光学扫描仪进行三维数据测量。测量设备为德国GOM公司的ATOS光学扫描仪(ATOSI600EU)该扫描仪的主要优点是：可随意绕被测物体进行移动利用光带经数据影像处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m，测量精度为0.1mm0.5m，扫描方式为光栅原理及GPS定位原理。 2. 犁臂的扫描过程 首先，由于犁臂的颜色为暗灰色，依据测量要求要在犁臂表面喷涂显像剂；其次，由于犁臂的表面形状较为复杂，因此无法从一个方位完成对犁臂的一次性扫描，需要贴定位点，保证在转换各角度扫描犁臂时每次都可同时扫描到3个以上的公共定位点，贴点后的实物照片见图2；接着，根据犁臂的形状，进行多个角度不同方位的扫描，再在ATOS软件中，通过公共定位点把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个犁臂外形的扫描。 图2 犁臂实物 3. 点云数据的初步处理 数据的初步处理，即对点云的初步处理，如噪声去除、过滤、光顺、网格化等。数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响到后期模型重构的质量。针对犁臂外型测量获得的散乱点云数据，应用专用软件进行犁臂点云数据的预处理。 4. 删除散乱点云噪声数据 扫描获取的点云中包含许多噪声，如实验台底面这些噪声在进行各种点线面处理之前应将其删除。将点群放大、变换各种角度以方便地看到整个三维空间内的噪声，然后针对各个噪声点采用软件中的删除功能将其删掉。 5. 点云的精简 在逆向工程技术中采集点的数量一般都很大，单幅照片可扫描点数最大可达400000个。如此庞大的数据需要在曲面重构之前进行精简处理，以提高运算速度。图3为扫描完成后经过删除散乱点云噪声数据精简处理后得到的犁臂外形点云文件。 图3 ATOS扫描仪扫描的犁臂原始点云 三、点云数据的处理及模型重建 Imageware软件，其功能比较强大，除具备多种数据处理方法和部分规则特征识别能力外，还具有自动曲面拟合、强大的曲线曲面编辑处理、模型评估检查等功能，并能针对不同格式的数据提供转换数据格式的接口。Unigraphics(简称UG)是当前面向制造行业的CAIDCADCAECAM高端软件。UG软件使得用户能够数字化地创建和获取三维产品造型，它被广泛应用于概念设计、工业设计、详细的机械设计以及工程仿真和数字化制造等各个领域。基于上述优点，在对犁臂的点云数据处理及模型重建过程中采用了Imageware软件和UGNX软件。 1. 用Imageware软件对点云数据进行处理 （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。初始的点云数据与我们通用的三维坐标系有一定的夹角，为方便构建犁臂的三维几何模型，需要对点云数据进行方位对齐。首先，需要创建参考基准平面，在此，使用Imageware软件提供的Creat/Surface /Primitive/Plane功能创建出三个相互垂直的平面，平面的中心点指定为(0，0，0)。其次，需要创建相应的对齐平面，根据犁臂的外形特点，任意选取其中一个孔的两个垂直平面作为对齐平面，使用Modify/Extract/Circle-Select Points功能将此孔两个垂直平面的点云先分割出来，然后利用Construct/Surface/From/Cl