硅谷杂志：基于逆向工程的零件反求设计与制造 |
| 2012-07-15 14:42 作者：朱建能 周继伟 吴正 来源：硅谷网 HV： 编辑： 【搜索试试】
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硅谷网7月15日消息 （原文载于《硅谷》杂志6月刊）反求设计与制造是逆向工程的重要组成部分，以PCP系列便携式光学三维扫描系统为基础，介绍逆向工程技术在零件反求设计与制造中的应用。利用三维数字化激光测量仪准确、快速地测量出工件的轮廓坐标，通过Winmoire扫描软件得到零件模型各个面的轮廓点云数据，再通过Cloudform拼接软件将各个面的轮廓点云数据合成为三维点云数据模型，最后通过Geomagicstudio11建模软件进行曲面重构，并对重构的曲面进行分析和优化，最终生成STL数据，据此进行快速成形加工得到零件。
近年来，先进的产品及模具的设计与制造技术促进了工业的快速发展，在瞬息万变的产品市场中，能否快速地生产出合乎市场要求的产品是成败的关键。在只有零件模型，没有图纸和数据的情况下，工程技术人员难以得到零件的准确尺寸，特别是对于表面形状复杂的零件，加工制造就更为繁杂，甚至根本无法实现。逆向工程技术为这一难题提供了一种可行的解决方案：样品→数据→产品，这为制造业提供了一个全新、高效的三维制造路线。下面就以鼠标的反求设计与制造过程，介绍这一零件反求制造与设计技术的方法。
1逆向工程技术
逆向工程（ReverseEngineering）也称反求工程，是对产品设计过程的一种描述。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据的过程，它针对现有的样品或模型，利用三维数字化激光测量仪准确、快速的测量出工件的轮廓坐标，并加以编辑、修改、建构曲面后，将数据传至CAD/CAM数控系统或快速成形系统，将样品模型制作出来。逆向工程产品设计过程如图1所示。
图1逆向工程产品设计过程
2PCP系列便携式光学三维扫描系统的组成
2.1系统硬件组成
PCP系列便携式光学三维扫描系统硬件主要包括以下部分：PCP300光学三维扫描仪、专业三脚架、精密数控自动拼接系统转台、标定块、控制盒、电源（16V）、用于传输控制指令数据线、加密锁、包含相机驱动、控制软件、图像反求软件和点云处理软件的光盘。
2.2系统软件组成
1）控制程序：控制光学三维扫描仪的LED灯，控制曝光时间、相机拍摄图像和转台旋转，为winmoire三维反求软件提供清晰的条纹图像和白光图像；
2）winmoire软件：通过对两幅不同拍摄角度的物体附带光栅图像的特征参数的提取，能够自动识别画面内的被测物体，可以非常精确的反求出二维图像表征物体的三维点云；
3）CloudForm软件：三维后数据处理软件功能模块，主要是对采集得到的三维型面数据进行后数据预处理，形成较好的统一三维型面点云数据；
4）Geomagicstudio11建模软件：完成三维型面点云数据从合并—设计—构建模型的全过程。
2.3系统主要技术参数
型号：PCP-300型，单次拍摄范围（mm）：300*240，拍摄距离（mm）：350，景深（mm）：-90～+90，图像分辨率（像素）：1280*1024，测量精度（mm）：0.025，电源（V）：DC16。
3零件的反求设计与制造过程
3.1转台标定
转台标定的原理是通过计算标定块在0度和30度的位置差别，得出转台的旋转中心，并记录在电脑的三维坐标系中。标定结束后若改变转台和扫描仪的相对位置，需重新标定。具体步骤如下：
1）打开转台程序，首先选择正确的串口，点击“连接”按钮连接转台，并点击“置零”按钮使转台置零回到零位；
2）将标定块放到转台的中心位置，打开Winmoire软件，在Cal/Align下进入CameraTableAlign进行转台标定；
3）点击GetImage进行拍摄得到条纹图像，然后点击Zplate在左边的条纹图像上框选出一块，选定区域不要超出标定块的范围，而且标定块两侧面积要尽量大；再点击xplate，在标定块的中间棱边的右边画出一条红色直线，注意超出框的上下边，然后点击yplate，以同样的方法在中间棱边的左边画一条黄色直线；
4）点击CalcParam，图像即变为白色，选择Select选项中的Aalign，再点击GetImage，这时转台将自动旋转30度后自动拍摄，得到一个新的条纹图像；
5）同样按照操作3进行画线后点击CalcParam，标定完成。此时相机和转台已经建立共同的坐标系，不可再移动，只需把物体放到转台中间位置进行多面扫描即可。
3.2对被测零件进行扫描
首先观察被测物体，估计其大小，如果被测物体小于扫描仪的扫描范围，则可确定一次扫描一组的方案；反之，可设定多组多次测量方案，通过改变扫描仪和被测物体的相对位置来完成测量。同时，观察被测物体的色泽，细节形状，如果有透明、反光、长丝状以及大块黑斑的部分，则需要使用辅助方法进行拍摄，如在物体表面喷涂显影剂等。具体步骤如下：
1）在拍摄之前先放置好鼠标零件，启动控制程序，通过窗口观察零件的位置，从而调整相机的左右高度，使零件件的拍摄位置处于窗口的中心，并且通过调整相机与零件的距离使图中所示的标记点和窗口中心的十字基本重合；
2）调整扫描仪系统的视频、白光、条纹等参数，以获得更好的三维图像质量，以便后期反求处理；
3）打开winmoire软件进行试拍验证，首先在菜单File－new新建一个文件，再选择Scan里面的ImageGage，进入对话框，点击Image按钮进行拍摄；
4）进行三维反求，点击ReWindow，在左边的条纹图像上框选取出需要计算处理的区域，点击Execte执行计算处理，得到处理好的数据；5）拍摄成功后，可以重复上述操作，对鼠标零件进行全方位的拍摄，得到多幅点云图像，以便后期三维制作，文件以默认*.OUT格式保存。
3.3三维点云数据处理
CloudForm三维点云数据处理软件可以对点云片进行表面平滑、删点、缝合、分割、整合、手动拼接、多点对应拼接、智能精确拼接、组数据与组数据的拼接，形成较好的统一三维型面点云数据。具体步骤如下：
1）打开CloudForm三维点云数据处理软件，导入一组内拍摄的所有片数据，通过选择和显隐等选项，对每一片数据进行单独编辑；
2）手动删除方式可以删除不理想或无用的点云，除噪方式可以消除片内波纹和噪声，补点方式可以为片内填补小孔洞，通过以上方式的修改和优化，可以得到较好的鼠标零件点云片数据；
3）进行对应点拼接。选择一块鼠标零件点云片数据作为基准片，点击对应点拼接图标，并选择切分窗口将两片点云变成两个区域，选择3个不在同一直线上的对应点进行拼接；
4）最后执行“拼接—最佳拼接”，得到最佳拼接效果的三维点云数据，文件保存为默认的“asc”格式。
3.4建模处理
Geomagicstudio11建模软件主要完成三维型面点云数据从合并—设计—构建模型的全过程。具体步骤如下：
1）打开并选中所有全部“asc”格式文件，分别删除非连接项和体外弧点，并选择减少噪音-自由曲面形状-应用-确定-删除，得到较完整的三维型面点云数据模型；
2）多次执行全局注册，得到着色的三维立体鼠标模型，通过填充孔、补洞、网络医生等方式优化模型，达到最佳效果，并保存为“STL”格式文件，以便快速成形加工之用。
3.5快速成形加工
快速成形技术是以三维数据模型为基础，将三维模型切分为一系列二维平面，按照一定的顺序沉积或固化出物理实体的过程。将建好的“STL”零件模型导入快速成形机床控制软件，确定零件的大小与位置，选择加工方向，设置支撑方式，设置好相应参数，最终加工出鼠标零件。
4结束语
反求设计与制造是现代逆向工程中的重要技术，通过反求分析可以达到吸收先进技术，促进科技成果进步，实现技术创新的目的。从以上实例可以看到，逆向工程为零件产品设计与制造提供了一种新的技术与方法，提高了产品设计与制造精度，实现了无图纸化加工并缩短了产品开发周期，是发展高新技术、提升经济效益的重要技术手段。
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