芻議Pro/E軟件的反求工程技術與應用

姚輝

摘要：文章在概述反求工程與Pro/E軟件特點的基礎上，對Pro/E軟件的反求設計方法進行研究，結合實際案例，對Pro/E軟件的反求工程應用進行探索。實踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術應用，可以有效縮短產品開發周期，降低產品研發成本，綜合效益良好。

關鍵詞：Pro/E軟件；反求工程；反求設計

中圖分類號：TB472 文獻標識碼：A 文章編號：1009-2374（2014）15-0030-03

1 反求工程與Pro/E軟件特點概述

反求工程，指的是在沒有具體工程圖紙的條件下，依據實際物體模型并進行測量，對測量信息進行分析與處理，構造其CAD模型過程，通過實際模型反求出設計模型的一種過程。具體而言，反求工程是通過對實際物體的測量，獲得一個實體模型或一個曲面，通過應用CAD/CAM技術進行修改與重構，在重構自由曲面與建立相應CAD模型后，通過相應操作可以進行零件設計、模型修改、模具設計、生成數控加工指令等。反求工程，即逆向工程，其與傳統產品設計存在著較大差異，主要包括形狀反求、工藝反求與材料反求等內容，屬于一種消化與吸收先進技術的方法與技術組合，在提高技術水平、生產效率、增強企業核心競爭力等方面發揮著重要作用，在現代工業與醫學領域獲得廣泛應用。

Pro/E軟件完全建立于CAE/CAM集成軟件的基礎之上，在三維造型領域發揮著重要作用。Pro/E軟件改變了傳統應用線框與表面模型轉換實體模型的方法，而是通過三維實體模型對產品模型進行描述。Pro/E軟件本身具有著唯一的關系數據庫，在設計過程中，其設計環節均是在一個數據庫之下進行，如工程圖出現修改或變動，則三維模型會出現改變，NC加工刀具路徑則會自動更新。Pro/E軟件具有參數化與特征設計三維實體造型技術，可以實現產品概念設計，有利于構建零件族概念庫。Pro/E軟件與CAD系統存在著很大差異，其功能更為強大，并提供工業機械設計、模型設計、機構分析、有限元分析及關系數據庫，其軟件支持與絕大部分CAD/CAM軟件進行數據交換，可以輸入輸出數十種數據文件，屬于一種十分理想的反求工程設計與制造軟件。

2 Pro/E軟件的反求工程技術研究

2.1 Pro/E軟件的反求數據獲取

Pro/E軟件反求中的數據獲取是關鍵所在，指的是采取一定的測量方法或測量設備，對實體表面若干組點的空間三維坐標進行測量作業，從而獲得“數據點云”。Pro/E軟件的反求數據獲取方法主要包括以下途徑：

（1）三坐標測量。三坐標測量儀是一種典型的接觸式測量方式，盡管其效率比不上非接觸式，但其高精度、高智能化都使得在產品反求工程中獲得了廣泛的應用。在使用時，將被測產品放置于測量儀可及的測量范圍內，測量頭在實體產品快速移動，通過傳感器將路徑點坐標值進行紀錄。三坐標測量儀對產品顏色、材質以及光照條件等不存在特殊要求，其精度可以達到30μm，尤其在外形較為簡單，內腔不復雜的產品中具有良好的應用效果。

（2）CT掃描測量。CT掃描測量以X射線衰減系數為測量依據，對被測物品進行斷層截面掃描，通過重建斷層截面圖像，按照斷層圖像位置進行物體三維信息構建。CT掃描測量屬于一種非接觸式數字化測量技術，可以實現對被測物體內部形狀與結構的無損測量，其操作設備造價較高，設備體積較大，限制了該技術的推廣應用，然而其技術可以對物體內部結構進行透視，可以在不解體與非接觸的條件下實現內部結構及形狀測量分析，其未來應用前景較好。

（3）數碼照相測量。數碼照相測量其獲取物體三維坐標值主要是依據同一個三維空間點在不同空間位置的兩個或多個攝像機拍攝視差與攝像機位置空間幾何關系來確定，通過應用兩個或兩個以上相機對目標特征點作測量，其測量技術的實現存在著一定困難，主要為數字圖像提取與匹配精度問題。

Pro/E軟件的反求數據獲取除了測量技術以外，還包括激光掃貓儀測量、聲學法、磁學法等。

2.2 測量數據處理

反求工程中的數據處理是一項重要環節，對數據處理結果的優劣將會對后續的曲面重構的質量和效率產生直接影響。在數據獲取過程中多存在著一些無用數據，這主要是由于受到人為因素、設備因素及其他因素的影響，這些無用的數據將會對后續處理精度帶來干擾。而數據處理常用的方法主要有數據排序及矢量化、數據濾波、坐標變換以及數據的簡化等，測量數據是數據處理的主要對象，在完成對其測量編輯之后，可以根據不同條件和需要，采用多種格式進行輸出。在反求工程中，采取人機交互方式進行數據噪聲去除較為方便，然而其方法無法對大量的數據點云進行有效處理，而分塊濾波技術則是當前在噪聲點過濾處理中速度較快、精度較好的一種，其工作原理是通過對實體表面特征分界點與幾何特征元素進行提取，按照一定順序將其曲面分塊處理，對各種數據及特征元素進行噪聲判斷并過濾處理。在實際工程中無論是接觸式測量法還是非接觸式，所得到的點云基本上都具有一些規律，因此，我們可以根據這些規則信息并針對其不同特征，采取相應的處理方法。

2.3 三維建模研究

從本質上來看，點云數據的處理過程即是建立于離散點云數據的三維建模過程，數據點云的處理多采取數據調整、數據密度修改、復制區域修剪、數據光順處理、尖角保留等手段。產品反求工程三維建模質量是由曲線、曲面擬合是否光順及擬合曲線鏈接是否光滑來決定的。由此可以看出，三維建模時應充分重視曲線與曲面光順處理。

曲線光順的條件主要包括三個，分別為曲線二階幾何連續、曲率變化具備均勻性、曲線不存在多余拐點與奇點。在三維建模時，為確保曲線光順，首先應對曲線中壞點進行找尋，進行壞點坐標值修改，然后進行曲線粗光順處理，讓曲線中曲率基本保持一致，確保曲線單凹性或單凸性，最后對曲線進行精光順處理，保持曲線中每個曲線段其曲率變化基本一致。

曲面光順的條件主要包括曲面關鍵曲線光順、曲面高斯曲率變化具備均勻性，曲面中網格線不存在多余拐點。在三維建模處理時，為做到曲面光順，多采取以下處理措施：對曲面縱向曲線進行光順處理，在新型值點的基礎上生成曲面橫向樣條曲線，并對其進行光順處理，再一次生成曲面縱向樣條曲線并進行光順處理，通過檢查與調整，確保曲面所有縱向與橫向樣條曲線可以滿足光順要求，在保證其處理光順的基礎上，構造光順曲面。

應用Pro/E軟件，執行Datum Point /Offset Csys命令輸入數據點云，在Scantool模型下連線，在連線過程中，應保證變化趨勢較小的地方其數據點較少，消除明顯偏離整體趨勢的點，從而避免因過多點引起曲線不光順問題。完成3D Curve線后，通過Create/Surface/Advanced構建3D光滑曲面，在構建3D光滑曲面的過程中，應充分重視面與面之間是否光滑，可以通過Analysis對曲面曲率與曲面光滑度進行綜合評價，應用Create/Protrusion/Use Quilt將構建曲面生成為實體，從而實現三維建模。在構建三維模型后，可以通過Pro/E軟件中的View/advanced Photo render對三維模型進行渲染，通過軟件分析方法對所構建的模型進行分析，確保其曲線、曲面精度，保證模型構建質量。

2.4 產品制造

應用Pro/E軟件，將構建的三維模型導入到軟件中的Manufacturing模塊，可以進行模型NC加工，通過Pro/E軟件NC加工G代碼輸入到加工中心，從而進行產品加工；應用Pro/E軟件Part模塊，可以導出STL文件并應用快速原型制造系統進行原型制造；Pro/E軟件Model模塊支持磨具設計作業，可以生成磨具型腔與型芯，從而進行零件生產。

3 Pro/E軟件反求工程具體應用研究

以牙齒作為Pro/E軟件反求工程研究對象，牙齒數據點云采集采取CT掃描方式，對其軟件反求應用進行研究，具體反求過程為：應用Pro/E軟件進行CT掃描數據點云讀取，并對數據點云進行處理、編輯，最終形成曲線、蒙面、構建牙齒模型。具體步驟為：第一步，將CT掃描數據點云導入到Pro/E軟件，通過數據處理獲取精確數據點云，具體如下圖1所示：

第二步，在上圖中選擇出代表牙齒齒形輪廓線的數據點并提取，應用Pro/E軟件將Scantool模塊作連線處理獲得其輪廓線；第三步，執行Pro/E軟件相應指令，構建牙齒曲面與平底面；第四步，將曲面與平底面進行合并處理，通過軟件Protrusion Use Quilt Solid將合并曲面轉為齒形實體。

4 結語

反求工程技術為產品制造與模型構建提供了一種新的方式，其技術應用在提高企業技術水平、縮短產品研發周期、提高企業市場競爭力等方面具有著重要現實意義。本文在概述反求工程與Pro/E軟件特點的基礎上，重點從數據采集、數據處理、三維建模、產品制造四個方面對Pro/E軟件反求工程技術進行探究，結合實際案例，對Pro/E軟件的反求工程技術的應用進行研究，實踐證明，Pro/E軟件的反求工程技術應用綜合效益突出，其應用前景廣闊。

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