基于逆向工程的開放實驗教學研究

韓鳳霞

摘 要：提出了先進制造技術領域的逆向工程與自動編程技術相結合的開放實驗課程，并給出實施方案。實驗內容包括：手持式激光掃描儀對物體表面進行掃描、獲取點云數據、利用Geomagic Design X 2014軟件進行模型的構建，將三維模型導入UG中，生成數控加工程序，最后在加工中心上完成模具型腔的加工。通過該開放實驗，使學生對逆向的設計流程以及自動編程技術有了完整的了解，培養了學生的探索精神和創新精神，順應了產業界對人才培養的最新要求。

關鍵詞：逆向工程 開放實驗 模型 Geomagic Design

中圖分類號：G64 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）07（c）-0136-02

逆向工程是指通過一定手段從實物樣件中獲得產品的CAD模型的相關數字化測量技術、數據處理、圖形處理、幾何模型重建技術和加工制造技術的總稱。

逆向工程應用在以下領域：①有產品但沒有產品設計圖樣或設計圖樣不完整，沒有CAD模型的情況下。②應用在模具行業（應用在經常需要反復修改原始設計的模具型面）模具樣品開發；汽及車類、家電制品、運動器材、玩具、陶瓷等。③損壞或磨損零件的還原，應用在破損的文物、藝術品的修復上。④應用在新產品開發和創新設計上。

培養學生適應現代設計與制造工程領域實踐能力的重要手段。

目前，高校的開放實驗已經成為培養學生創新能力、實踐能力的重要手段，探索適合本科生的開放實驗模式和實驗載體，成為亟待解決的問題。

1 目前實體逆向建模的方法

逆向工程的一般流程：樣件三維數據測量 數據處理 CAD三維模型重構

模型加工制造

目前，三維表面數據采集方法可以分為接觸式和非接觸式兩大類。

接觸式數據采集方法有基于力觸發原理的觸發式和連續數據掃描式。接觸式的典型測量設備是三坐標測量機。接觸式測量的優點是準確性和高可靠性，對被測樣件的材質和反射性無特殊的要求，不受物體表面顏色的影響；缺點是測量速度慢，測量過程中存在著摩擦力和彈性變形，對軟質、易變形、超薄樣件或尺寸小于測頭直徑的微細部分等測量均受限制。

非接觸式數據采集方法主要是利用光學原理，非接觸式的典型測量設備是激光三維掃描、光柵照相式三維掃描儀

包括激光三角測量法、激光測距法、結構光法、光柵測量法等。這種數據采集方法的優點是速度快、自動化程度高、不受樣件材質和薄厚的影響，排除了由測量摩擦力和接觸壓力引起的模型變形測量誤差，測量數據量大，能充分反映被測樣件的表面形狀信息；缺點是易受樣件反射特性和環境光的影響。

該實驗采用海克斯康便攜式三坐標ROMER關節臂測量機，手持式激光掃描儀掃描的精度高，速度快。

該開放實驗選用的逆向軟件為Geomagic design x 2014，該軟件能夠實現正逆向相結合的建模方法。Geomagic由美國Raindrop公司出品的逆向工程和三維檢測軟件。可以輕易地從掃描所得的點云數據創建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為NURBS曲面。

具有豐富的數據處理手段，可以根據測量數據快速構造出多張連續的曲面模型。處理復雜形狀或自由曲面形狀是，效率比傳統CAD軟件提高了10倍。

2 開放實驗的流程

2.1 數據處理

通過測量機得到的點云數據，導入到Geomagic design x 2014軟件中，對點云數據進行孤點的刪除、噪聲濾除。通過掃描2次的公共區域將點云對齊，并進行平滑、采樣等簡化處理將處理后的點云進行三角面片封裝，封裝成（*.stl）。

2.2 三維模型的重構

模型重構是對處理后的數據，利用逆向工程軟件進行曲線的擬合、曲面的擬合，再通過線面的求交，拼接，匹配，連接成光滑曲面，從而獲得產品模型的一個過程，是逆向工程中最重要和最復雜的一個階段。

（1）對封裝后的多邊形進行修復：對于掃描的可樂瓶上有洞的區域，利用Geomagic的補洞功能進行修補。在修補過程中，為了高效率的旋轉模型，設置只顯示25%的點被顯示出來即可。利用Fill Holes命令，既可以修補平面孔也可以修補曲面孔，點擊洞的邊緣，程序會按照曲率修補孔洞。

（2）可樂瓶的建模：逆向三維建模，在Geomagic design x 2014 的“設計”界面中完成，經過分析可樂瓶的特征結構，瓶子主體為回轉體零件，可在提取回轉區先后進行旋轉實體，平口、瓶身、瓶底的細節部位可進行掃描、陣列、布爾操作等具體的步驟如下：①構造可樂瓶的主體部分。首先建立坐標系，可樂瓶為平面對稱結構，坐標系原點設在瓶子的對稱面上，利用直線和圓弧命令擬合瓶子的回轉母線，如圖2所示，利用回轉功能生成瓶子的主體；②可樂瓶細節的構建。平口的螺紋部分，采用正向，根據點云數據測得螺距為3mm，利用正向建模功能構建螺紋曲線；瓶底部分，首先利用按掃描命令生成實體、然后按照圓周陣列，最后利用布爾運算生成瓶底的凹槽結構。瓶子整體建完模型后如圖3所示，經過布爾運算生成瓶底的凹腔模型。

2.3 可樂瓶底的數控加工

將建好的模型，導入UG中，進入加工模塊，加工工步分為：粗加工、半精加工、精加工。對于每一個加工工步都將進行以下設置：創建mill_contour加工方式，刀具子類型選擇球形立銑刀， 選擇幾何體，毛坯選擇自動模塊，完成對工件和毛坯邊界的定義，完成切削參數的設置，自動生成加工程序。并在加工中心上完成可樂瓶底的數控加工，如圖4所示。

3 結語

逆向工程作為一種高效的產品設計思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得實物的三維數據及模型。為產品提供先進的開發、設計及制造的技術支撐。它改變了傳統產品設計開發模式，大大縮短了產品開發的時間周期，提高產品研發的成功率。

學生通過親身參與逆向工程開放實驗，從實驗樣品的選型、逆向軟件的建模、UG數控程序的編制、數控加工，學生經過這系列的過程，掌握了逆向工程的流程的基本研究方法以及相應的技能。在實驗過程中培養了獨立探索的能力和創新精神。

參考文獻

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