ProEngineer在逆向工程曲面造型上的应用

　　Pro/ Engineer 在逆向工程曲面造型上的应用
　　摘 要
　　介绍了在逆向工程曲面建模过程中,使用美国PTC 公司的Pro/Engineer 三维造型软件,处理由三坐标测量机所测得的大量点数据,建立符合工程要求的曲面的方法。着重阐述了由大量数据点进行不规则曲线、曲面反求的完整技术。探讨了在Pro/ Engineer 环境下,直接从三坐标测量机产生的数据文档生成合乎工程要求的三维曲线,进而生成三维曲面的方法。通过对实验测量的涡轮表面数据的处理,在Pro/ Engineer 中建立了符合工程要求的涡轮曲面,从而证实了本方法的确实可行性。
　　关键词:逆向工程;Pro/ Engineer 软件;三维曲线;曲面建模
　　Appl ications of Pro/ Engineer in ReverseEngineering Surface
　　Model ing
　　Abstract
　　Introduced in the process of reverse engineering in surface modeling by Pro/ Engineer software produced by PTC corp. ,and theway to build satisfactory surface models composed of large 3D - points datum surveyed by CMM (Coordinate Measuring Machine) . Theemphasis is to build anomalistic curves and surfaces from numbers of datum. This paper especially probes into how to produce engineering 3D - curve directly from CMM datum file under Pro/ Engineer environment . Through dealing with the datum of turbo gathered by CMMand building turbo surface ,the method is proved to be feasible.
　　Key words :reverse engineering ;pro/ engineer software ;3D - curve ;surface modeling
　　0  引 言
　　在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下,在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD 模型,并以此为依据生成数控加工的NC 代码,加工复制出一个相同的零件,即所谓的逆向工程(Reverse Engineering) 。逆向工程一般可分为四个阶段:零件原形的数字化、从测量数据中提取零件原形的几何特征、零件原形CAD模型的重建、重建CAD 模型的检验与修正。当零件原形数字化后形成一系列的空间离散点,生成原形的CAD 模型就是要在这些离散点的基础上,应用计算机辅助几何设计的有关技术,构造零件原形的CAD 模型。通常对于含有自由曲面的复杂型面,用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的,一般首先按照原形所具有的特征,将测量数据点分割成不同的区域,各个区域分别拟合出不同的曲面,然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体[ 1 ] 。
　　1  Pro/ Engineer 软件
　　Pro/ Engineer 系统是美国参数技术公司( ParametricTechnology Corporation ,简称PTC) 的产品。PTC 公司提出的单一数据库、参数化、基于特征、全相关的概念改变了机械CAD/ CAE/ CAM 的传统观念,这种全新的概念已成为当今世界机械CAD/ CAE/ CAM 领域的新标准。利用该概念开发出来的第三代机械CAD/ CAE/ CAM 产品Pro/Engineer 软件能进行复杂的模型造型,尤其是曲面功能,灵活运用可以建立符合工程需要的大部分模型。Pro/ En2gineer 软件还有模具设计和NC 程序设计功能,在完成模型建立后,可以非常方便地生成模具和NC 代码,实现产品的快速改形,能够满足系列化、多样化的要求。逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有CAD/ CAM 系统,不需要另外搭建新平台。逆向工程在CAD/ CAM 系统中的逆向工程技术不是一个孤立的技术,它和测量技术及现有CAD/ CAM 系统有着千丝万缕的联系。人们可以利用Pro/ Engineer 的强大功能来构建逆向工程技术,将数字化仪采集的点云信息进行处理,创建出符合工程要求的曲线和曲面。
　　2  用Pro/ Engineer 进行曲面建模
　　下面以某涡轮叶片的曲面建模过程为例,来说明怎样利用Pro/ Engineer 来进行逆向工程。
　　2. 1  曲面构造流程
　　在某些情况下得到的往往是一些离散的三维数据点,如何将这些数据点构造需要的模型,这是逆向工程需要解决的问题。在工程上,希望能直接用Pro/ Engineer 来生成理想的曲面,然后可以利用Pro/ Engineer 的数控加工功能生成NC 代码。
　　首先,在三坐标测量机上,将模型重要的点测量出来,然后将数据通过特殊的方法输入到Pro/ Engineer 中,以生成轮廓曲线和控制曲线,再利用这些曲线生成曲面,最后将曲面光顺化后,就可以进行下一步的工作,比如建造模型或者生成NC 代码。具体过程如图1 所示。但是,Pro/Engineer 的点、线、面的绘制中,都没有提供由三点坐标直接生成的功能。不过,可以利用Pro/ Engineer 的其它强大的功能来间接生成由三维坐标控制的点、线和面。
　　2. 2  零件原形的数字化及转换
　　通常采用三坐标测量机(CMM) 或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。这种测量机一次采样只能获取一个点的三维坐标值,采样多个数据后形成点云。点云如果测量数据过密,计算量大,将会影响操作速度,这时可用简化手段去掉冗余点云。这种数据是测量仪输出的默认文档格式, Pro/ Engi2neer 是无法直接读取的,需要转换成可读取的格式。Pro/Engineer 虽然直接提供了许多线和面的生成方式,却没有直接提供由文档类数据生成线、面的方法,需要由另外的方法间接生成由文档数据控制的线。在Pro/ Engineer 创建扫描实体或者曲面的草绘扫描线时,只要给定坐标轴,就可以直接创建由3 . pts 文档格
　　式控制的3D 曲线[ 2 ] ,可以利用这个功能来将测量仪文档格式转换成符合要求的Pro/ Engineer 曲线。
　　过程如图2所示。
　　2. 3  轮廓曲线及控制曲线的生成
　　创建曲面的方法很多,可以用点阵直接生成曲面,可以用曲线通过变截面扫掠、四个边界线等方法生成曲面,也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面[ 3 ] 。这里,笔者采用由曲线来创建曲面。曲线可以是精确通过点阵的,也可以是很光顺的(通过点阵代表的曲线主要形状进行混合) ,或介于两者之间。利用3 . pts 格式文档,可以非常方便地由从3D 测量仪得到的电子数据文档生成空间曲线,这些曲线通过测量点,并且样条拟合,如图3 所示。曲线创建好后,可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好,但是可能会出现波动,曲线粗糙而不光顺,控制点减少则曲线较为光顺。观察并调整曲线的曲率分布,对于变化较急剧的地方要手工干涉,可以手工调整曲线曲率至曲线平滑。用这种方法,可以将测量机上测得的电子数据经过处理后,转换成三维曲线,最后得到模型线框图,如图4 所示。
　　2. 4  区域分割及分段混合
　　由轮廓曲线可以看到,曲线是空间的,而且有的地方曲率变换比较大。因此,由一次曲面混合生成符合要求的曲面,是有困难的。特征提取和数据分割对数据进行分块可将复杂的数据处理问题简化,有利于提高曲面拟合的精度。一个零件,是由很多单独的曲面构成,对于每一个曲面,要根据特性判断用什么方式来构成。人们可以根据曲线的形状,人为地将曲面划分为几个区域,各个区域进行分段混合。由曲面构造的方法有多种,如拉伸、旋转、放样、扫掠、边界拟合和曲线拟合等,可以以轮廓线为扫描轮廓线,控制线为扫描混合界面来生成曲面,也可以以轮廓线为边界,控制线为逼近方向。分块拟合曲面时,难免会有小块区域被遗漏。当条件不满足时,可采用剪断、拼合、复合边界线的方法来创造新的分块拟合曲面,以满足要求。曲面拟合可以分为插值和逼近两种方式。使用插值方法拟合曲面通过所有数据点,适合于测量设备精度高、数据点坐标比较精确的场合;使用逼近的方法所拟合的曲面不一定通过所有的数据点,适用于测量数据较多、测量数据含噪声较高的情况[ 2 ,3 ] 。分段拟合后的结果如图5 所示。
　　2. 5  曲面光顺化
　　分段拟合后的曲面与曲面之间是有棱角的,很不光顺。在工程上,曲面应该光滑过渡,才能被很好地加工出来。这里将生成的多段曲面进行数据拼合,在数据拼合的过程中,要注意面片之间的内在连续性。对于有要求的曲面,应以边界曲线和与相邻曲面的连续性,以法向、相切、曲率连续等约束条件作为已知控制条件,来保证拟合出的面片使得曲面与曲面交界处光顺连续。这样整张曲面就消除了棱角,呈现出非常光顺的表面。处理后的曲面如图6 所示。
　　2. 6  曲面分析
　　曲面完成后,应该进行诸如任意截面的连续性、曲面曲率连续性等检查,以便查看曲面拟合的优劣,在设计的任何时候都可以查出曲面缺陷,进行适时的修改,避免在加工阶段生产出不合格的产品。进行高斯曲率、截面曲率、斜率、反射曲线、加亮曲线和半径值等分析,方便了设计人员即时检验设计曲面的质量,以便设计出高质量的符合工程要求的曲面。
　　3  结 论
　　逆向工程一般是通过三坐标测量机或激光扫描机等数据采集设备获取复杂零件的三维数据点,进而利用软件进行数据点处理,实现模型设计。逆向工程主要包含两项内容,一是实物模型表面数据点的获取,即数字化技术;二是曲面造型技术。逆向工程技术与NC 加工技术或者快速成型技术相结合能使产品开发、研制周期大大缩短,为新产品进入市场创造先机,从而带来巨大经济效益。逆向工程通常执行模型的仿制、开发工作。基于原型或实物的逆向工程因其快捷的开发方式,极大地缩短了产品的开发周期,因而在设计和制造领域有着广泛的技术需求。特别是对于没有原始几何信息的零件,逆向工程是完成零件精确几何造型的惟一手段,因而在模具设计和制造中成为技术热点。同时由于逆向工程能够提供原始产品的主要外形特征,进而对其几何外形进行改进,实现产品的快速改形,故能够满足系列化、多样化的要求。
　　参考文献:
　　[1 ]  王志奎. CimatronCAD/ CAM 软件在汽车排气管逆向工程[2 ]  云杰媒体工作室. Pro/ ENGINEER 中文版零件设计高级指
　　南[M] . 北京:北京大学出版社,2003.
　　[ 3 ]  严 烈. Pro/ ENGINEER 2001 高级应用与实例[M] . 北京:
　　冶金工业出版社,2003.Pro/ Engineer 提供了许多曲面分析工具,可以对曲面