基于逆向工程技術的鼠標殼造型設計

彭廣威

株洲職業技術學院機械工程系（湖南 株洲 412001）

基于逆向工程技術的鼠標殼造型設計

彭廣威

株洲職業技術學院機械工程系（湖南 株洲 412001）

逆向工程是一種全新設計與制造技術，采用逆向方法進行產品造型設計和模具開發，是縮短產品開發周期，提高產品質量，進而建立自己的設計制造體系的重要手段。本文以了鼠標殼配合件為例，介紹了逆向工程技術3D造型的一般步驟和方法

鼠標殼； 逆向工程；Pro/E

引言

逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程、反向工程,是指根據測得的實物模型數據轉變為CAD模型的相關數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱。在制造業領域內，逆向工程有著廣泛的應用背景，已成為產品開發中不可缺少的一環。逆向工程已經成為聯系新產品開發過程中各種先進技術的紐帶,并成為消化、吸收先進技術, 實現新產品快速開發的重要技術手段。逆向工程技術，為快速制造提供了很好的技術支持，它已經成為制造業信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。逆向工程作為對已有產品進行數據測量擬合、分析、改進、設計、實現新產品開發的一種最佳手段，比從設計概念來完成產品的開發的正向工程要捷徑的多，因而可有效地支持新產品對市場的迅速響應。利用逆向工程進行模具制造有如下途徑：

1、利用逆向掃描系統獲得點云數據，經逆向工程軟件處理，在三維CAD軟件中進行造型，生成工程圖。依據工程圖，利用傳統方法制模具。

2、利用逆向工程系統獲得點云數據，經處理，在三維CAD軟件中進行造型，以STL文件格式輸入快速成型機中，制作快速成型件，利用快速成型技術制作模具。

3、利用逆向工程系統，經點云數據采集、處理，進行物體三維造型后，將文件轉換成數控機床所能識別的機代碼，通過數控加工中心直接進行模具加工。

本課題利用鼠標殼配合件的實物模型進行三維數據采集，在Pro/E中進行造型和優化設計，最后完成注射模具的數字化設計。

1 零件數據采集

目前，用來采集物體表面數據的測量設備和方法多種多樣，其原理也各不相同。不同的測量方法，不但決定了測量本身的精度、速度和經濟性，還使得測量數據類型的持續處理方法不盡相同。根據測量探頭是否接觸零件表面，數據的采集方法可以分為接觸式和非接觸式。在接觸式測量設備中，三坐標測量機(CMM)是應用最為廣泛的一種測量設備；在非接觸式測量方法中，結構光法被認為是目前最成熟的三維形狀測量方法。一般來說，三坐標測量機測量精度高，可根據工件形狀特點直接測量其特定的幾何特性，后續造型方便快捷，但測量速度慢。光學掃描儀速度快，但精度一般，且不易有測量陡峭面和復雜小平面的工件。

本項目測量物體為鼠標外殼，精度要求一般，外形平面較緩和，故采用光學掃描儀和游標卡尺結合進行數據采集。掃描儀采用北京博維恒信便攜式PCP系列三維光學掃描系統，主要部件包括三維相機(如圖1-a)及試樣旋轉臺(如圖1-b)。其原理是是將光柵條紋投影到物體表面，由CCD將拍攝到的條紋圖像輸入到計算機中，然后根據條紋按照曲率變化的形狀利用相位法和三角法等精確的計算出物體表面每一點的空間坐標（X、Y、Z），生成三維的可輸出色彩信息（R、G、B）的彩色面點云數據。

鼠標外殼分上下兩部分，配合精度要求較高，上殼外形曲面較復雜，下殼形狀簡單。打開旋轉臺控制軟件PCP及3D CaMega掃描軟件，調整好旋轉臺的距離并進行系統標注后，將鼠標上殼豎立用橡皮泥固定于旋轉臺上，拍攝4～5個角度的一組三維點云數據，如圖1所示。同組三維點云數據系統將自動進行拼接。再將上殼側立同樣拍攝4～5個角度的一組三維點云數據，掃描采集的點云數據以.XYZ文件格式保存。上殼掃描完成后，將下殼以同樣方法進行三維掃描。

2 掃描數據處理

2.1 數據格式轉換

以該公司自帶的CloudForm軟件對掃描點云數據進行簡單處理和格式轉換。先在CloudForm軟件操作窗口中導入所掃描的.XYZ格式的三維點云組，去除雜亂點，以.asc格式導出，每一組點去數據可導出為一個點云文件，如圖2所示。

圖1 PCP系列三維光學掃描系統

圖2 CloudForm點云處理和格式轉換

2.2 點云組拼接及網格化實體模型

利用Geomagic Studio軟件對鼠標殼.asc格式的多組點云進行拼接、封裝、曲面光順、和孔洞填充、邊界修補等處理。最后創建基準面、基準軸和基準點，將全局坐標與創建的各基準對齊，完成后的網格化三角面鼠標殼模型如圖3所示。完成后的點云數據以.STL格式保存，作為三維CAD軟件造型設計的數據。

3 Pro/E逆向造型設計

圖3 Geomagic處理后的網格化實體模型

圖4 逆向造型設計的鼠標上殼

圖5 逆向造型設計鼠標下殼

圖6 完成整體設計后的鼠標殼組件

鼠標殼為上下配合件，先完成鼠標上殼的逆向造型設計，再以上殼為基準件，在組件中進行下殼的造型設計。

3.1 鼠標上殼造型設計

鼠標上殼形狀較復雜，外形曲面的造型需充分利用Pro/E軟件的重新造型模塊和曲面造型工具，并且將逆向反求與正向造型相結合，提高模型重構效率。

其造型基本方法為：新建鼠標上殼零件文件→插入Geomagic處理后的.STL格式的三角小平面特征數據→根據小平面特征創建構造曲面的骨架線→外形曲面構建及合并、曲面分析及調整→零件其它結構特征創建。完成逆向造型設計后的鼠標上殼如圖4所示。

3.2 鼠標下殼造型設計

鼠標下殼形狀較簡單，其外形曲面和主要結構特征可在零件模式下根據小平面特征進行創建，而與上殼的配合部分可在與上殼裝配后的組件中進行設計。在組件設計中，以上殼的配合結構為參照基準創建下殼的配合結構。完成造型設計后的鼠標下殼零件如圖5所示，上下殼裝配組件如圖6所示。

4 結束語

在整個逆向工程工作流程中，樣件的三維數據測量是基礎，也是逆向工程整個過程的首要前提。測量數據的好壞直接影響到原型CAD模型重建的質量。數據處理是關鍵，從測量設備所獲取的點云數據，不可避免地會帶入誤差和噪聲，而且數據龐大，只有通過數據處理才能提高精度和曲面重建的算法效率。曲面重構逆向造型是當中最繁瑣最困難的一步，要求有一定的產品和工藝經驗，準確地理解產品原型的構造和功能，在進行解剖、消化和吸收的基礎上進行仿型設計和改進設計。

陳雪芳等主編. 逆向工程與快速成型技術應用[M].北京：機械工業出版社.2009

彭廣威. 逆向工程技術及在模具制造中的應用[J]. 模具工程. 2008.4

劉曉宇編著.Pro/ENGINEER逆向工程設計完全解析[M]. 北京：中國鐵道出版社. 2010

Style Design of Mouse Shell based on Reverse Engineering

PENG Guang-wei
(Zhu- Zhou Professional Technology College, Zhu Zhou, Hunan 412001)

As a new method of design and manufacture, Reverse Engineering Technology is an important approach used in the Product Style Design and the Development of Mould to shorten the period of exploitation，improve the quality of product and fi nally set up own system for design and manufacture. In this article, the procedure and method of reverse engineering are presented by using mouse shell fi tting piece.

Mouse Shell Reverse Engineering Pro/E

TQ320

彭廣威(1975-),男,碩士，講師。研究方向：模具設計與制造