小平面特征逆向造型设计

1、目录摘 要Abstract第一章 绪论11.1 引言11.2 逆向工程的特点及意义11.3 逆向工程的一般流程21.4 逆向工程的发展和未来前景31.4.1 快速成型技术的发展31.4.2 逆向工程技术的发展31.4.3 逆向工程未来发展前景41.5 软件介绍51.5.1 Pro/E软件简介51.5.2逆向工程软件简介61.6 小平面特征介绍6第二章 小平面特征逆向工程的一般步骤82.1实体三维坐标数据的获取82.2 点云处理92.3 曲面重构112.4 实体建模12第三章 米老鼠头像模型重构133.1 米老鼠头像重构简要说明133.2 数据采集及预处理133.2.1 激光扫描仪采集数据133

2、.2.2 数据预处理133.3小平面处理143.3.1 点云数据处理143.3.2 包络处理143.3.3 小平面调整153.4 重新造型及实体化163.4.1 米老鼠头像重新造型163.4.2 实体化17总 结18参考文献19致 谢20插图清单图1-1 逆向工程和顺向工程对比2图1-2 逆向建模一般流程2图1-3快速成型主要工艺方法及其分类3图2-1 serein三维激光扫描仪8图2-2 三维扫描技术分类9图3-1 米老鼠头像点云13图3-2 小平面输入选项14图3-3 创建三角面14图3-4米老鼠头像包络后的三角面15图3-5 “破洞”修补15图3-6反向边造型16图3-7重新造型界面16

3、图3-8重新造型修改后局部视图17表格清单表1-1 逆向工程技术的广泛应用4表1-2 逆向工程未来发展的主要方面5表1-3 Pro/E的功能5表1-4 常见逆向工程软件6表2-1 曲面重构处理点云方法对比11平面特征逆向造型设计摘 要本次课程设计主要研究了逆向工程技术和小平面特征在曲面模型重建中的应用这两个方面。逆向工程技术包括数据获取、数据处理和曲面建模。首先扫描获取已有样品数据并进行数据处理，再根据样品的特点，采用逆向工程的方法辅以特征曲面完成曲线和曲面模型重建。小平面建模是Pro/E逆向工程建模的一部分，其基本原理是用模型样件的点云数据中的每一点与其相邻的两点构成一个三角形平面，用大量的

4、三角形平面表示曲面的大致情况。本次设计采用三坐标测量机或激光扫描仪完成复杂曲面的数据获取工作，能够高效率完成数据样品获取。设计运用imageware和Pro/E两种软件进行建模和数据处理，用Pro/E软件中小平面特征进行模型曲面重建，不断利用软件功能完成曲面模型的重建工作。研究表明，逆向工程技术得到的曲面重建模型，有效率高、精度高、质量好的优点，所以逆向工程具有较高的应用价值和重要的实际意义。关键词: 逆向工程；小平面特征；模型重建；imageware；Pro/E。Facet feature of reverse modeling designAbstractThis course desig

5、n mainly studies the technique of reverse engineering and facet feature in the application of surface model reconstruction of these two aspects. Reverse engineering technology including data acquisition, data processing, and surface modeling. By scanning to obtain sample data and the data processing

6、, and then according to the characteristics of the sample, adopt the method of reverse engineering feature surface curve and surface model reconstruction. Facet feature modeling is part of the Pro/E reverse engineering modeling, its basic principle is to use model samples of each point in the point

7、cloud data of the adjacent two points form a triangle plane, a general idea of the surface with plenty of triangle plane said. This design adopts three coordinate measuring machine or laser scanner data acquisition of the complex surface, can complete data samples to obtain high efficiency. Design u

8、sing Imageware and Pro/E software modeling and data processing, using Pro/E software for facet feature of model surface reconstruction, continuous use of the software function complete surface model reconstruction.Studies show that surface reconstruction model by reverse engineering technology, high

9、 efficient, high precision, good quality, so the reverse engineering with high application value and important practical significance.Key words: Reverse Engineering, Facet Feature, Restyle, imageware, Pro/E第一章 绪论毕业设计对于高等院校工科毕业生来说是极其重要的，它通过深入实践，能培养学生组织管理，分析问题，解决问题的能力，对我们以后走上工作岗位非常有帮助。对我们机械设计制造及其自动化专业

10、学生来说，在以后的工作过程中经常要用三维软件做实体曲面创建，并且了解逆向工程的步骤及作用对于以后实践具有重要的意义。做毕业设计也可以综合过去所学的知识，因此，认真完成毕业设计非常重要。1.1引言逆向工程又称作反求工程，它是从实物模型到概念模型或者电子模型的一个反向分析、创新、优化的过程。这可以让我们可以在国内外已有的先进产品基础上进行推理、设计模型反求、再进行优化制造。这样一来可以打破西方国家对我国的技术封锁，能更好地消化和吸收国外先进技术，从而在学习的基础上研制出更先进的产品，以提高我国的综合国力。小平面特征是Pro/E逆向建模一个重要部分，而Pro/E逆向设计主要着重于航空航天，机械制造业

11、和汽车工业，在现实生活中有广泛应用。1.2逆向工程的特点及意义在当今瞬息万变的产品市场中，企业能够有效利用市场占据竞争优势的关键在于快速吸取经验并生产出合乎市场要求的产品。根据统计，各国百分之七十以上的技术来源于国外，而现在由于各种原因我们往往都会为难于外来先进产品只有一个实物样品或者手工模型，没有任何数据档案，有时甚至连一张可供参考的CAD图纸也不存在，无法得到样品准确数据就给我们后续工作带来了很大障碍，无法采用先进的设计手段和先进制造技术进行生产。但是逆向工程技术很好地解决了这一问题。所谓逆向工程，是相对顺向工程而言的，就是再现或者反求一个产品，即首先采用各种测量手段然后再进行三维几何建模

12、，将原有的样品实物转化为计算机上的三维数字模型。计算机技术的快速发展，也使得这些高尖技术在现代制造业有很好应用并发展。在制造业中，传统顺向的从设计到制造，产品从无到有、从概念到实体的生产工程已经不再是必由之路。传统的制造方法属于用模具类比式（Analog type）复制，可以进行小批量生产，但是无法获取工件尺寸数据并建立图档，并且模型较死，无法做任何外形修改。这些问题无疑会影响后续的方案的进展。传统的这些制造方法耗时长且效率低，现代制造方法必将取代传统方法。现代制造方法中，数字化的逆向工程系统就为制造业提供了一个一体化的三维制造路线，它是从样品到获取样品数据再到最终形成产品的过程。逆向工程不仅

13、可以有效掌握国内外先进技术，让先进技术为我所用，而且可缩短产品研发周期，提高生产效率。逆向工程技术可以方便快捷地在已有产品基础上参与新产品的开发与设计，研究已有产品的优点和不足，加快新产品的更新换代。企业和设计人员可以充分利用逆向工程技术快速吸收原产品的优点，在继承优点基础上进行各种创新设计，设计出更适合现代市场的产品，从而增强了企业的核心竞争力。在当今世界经济一体化和经济全球化的大环境面前，国家、企业面临的竞争越来越激烈，要想生产力发展和社会进步，抓紧高科技成果异常关键。如何更快且更好地发展科技和经济，已成为世界各国发展自己提高国家综合国力首要考虑的问题。充分利用别国已经取得的科技成并加以消

14、化吸收与创新已成为世界各国普遍使用的方法，在学习过程中本国的实力也逐步提升。对我国来说，逆向工程技术的应用对我国打破别国对我国的技术封锁并缩短与发达国家的差距具有特别重要的意义。逆向工程主要设备是三维高速激光扫描机或者三坐标测量机，扫描机器对已有的样品模型进行准确、高速扫描，计算机上会得到它的三维轮廓数据，得到数据后再利用逆向工程软件进行曲线、曲面重构，并对重构的曲面进行精度分析、公式计算、修改去噪，最后重构以后再进行数控加工。可通过CAD/CAM 软件处理传输来的标准数据（由于经过数据处理的数据品质已经非常高了，故称为标准数据）来完成最终造型。图1-1是顺向工程和逆向工程的步骤对比。图1-1

15、 逆向工程和顺向工程对比逆向工程应用领域也相当广泛，涉及模具制造业、汽车、军工业、电子产品、计算机零件、电子游戏、玩具、生活用品、医学等各个方面。1.3逆向工程的一般流程图1-2 逆向建模一般流程如图1-2为逆向工程一般流程图。从图1-2中可看出，现代逆向工程的一般流程为:(1)模型曲面分析(2)确定扫描方案(3)进行实体点云扫描(4)进行点云数据处理(5)建立需要的曲线(6)建立曲面(7)实体建模。数据测量、数据处理和曲面建模是逆向工程的主要三大模块，逆向工程的整个过程也由它们三大模块构成。数据测量有两大类别，接触式测量和非接触式测量。其中接触式测量主要采用三坐标测量机，它又分为触发式和连续

16、式；非接触式测量分为光学式测量和非光学式测量，主要有光学测量、电磁测量和超声波测量几种。数据处理的过程就是为了达到后续工作的要求而处理样品扫描后的三维数据，它的工作主要为数据预处理、数据调整、数据分块、数据密度修改、数据光顺、噪音去除和数据优化几个方面。曲面建模目前比较常用的方法有曲线拟合造型方法，点数据网络化实体模型造型方法和曲面片直接拟合造型方法，这是逆向工程中最复杂的一个环节。1.4 逆向工程的发展和未来前景1.4.1快速成型技术的发展快速成型技术发展于20世纪末，是在计算机基础上由CAD/ CAM、CNC、激光、精密仪器等集成技术发展起来的一项先进制造技术。现代快速成型方法如图1-3所

17、示。图1-3 快速成型主要工艺方法及其分类1.4.2逆向工程技术的发展逆向工程技术始于20世纪80年代初期，目前正处于高速发展阶段，各国工业和学术界都高度重视关于逆向工程的研究，如美国UVP等一些公司和日本一些知名工业研究所已经开始对逆向工程技术和设备大力开发研究。逆向工程与快速成型制造技术相结合也逐步推翻传统的开发设计和制造模式，让以前传统制造方法无法解决的一些问题得到有效处理, 例如复杂形体的三维建模和曲面难以加工等，实现了产品的快速生产。当下竞争日趋激烈,快速成型和逆向工程的结合极大缩短了企业产品的市场开发周期,提高了核心竞争力。各国不仅加速开展逆向工程的研究工作，而且一些重要的全国性甚

18、至国际间的学术会议都将逆向工程及其相关技术作为一个重要的会议专题来讨论。从记载的会议记录及后续文献发表的情况来看，很多国家都已形成了一批长期从事逆向工程研究和文献发表的单位和个人，成果逐年递增。各国对逆向工程的重视还不仅仅表现在普遍进行的会议和研究上，成立逆向工程技术研究中心，政府注入大量资金发展和支持逆向工程相应的专业软件公司，同时世界上众多国家建成了制造逆向工程技术使用过程中所需设备的公司，再加上众多从事这些项目的个体、教育科研机构和基金会，都可以体现逆向工程在当今世界制造业发展中的地位。这么多投入者就形成一个强大的集体，为逆向工程技术的发展和应用做出巨大贡献并创造了很好的发展空间。随着计

19、算机、数控和测量技术以及制造业的快速发展，世界各国为了提升国家综合软实力并提高生产率，都在吸收各个行业世界先进技术和经验。逆向工程技术在各领域的应用十分广泛，如表1-1所示。表1-1逆向工程技术的广泛应用序号应用领域具体表现1飞机、汽车、家电等产品的开发这些产品的设计师一般习惯于根据实物模型来判断，加上这些产品对空气动力性能和美学设计要求较高，所以产品几何外形通常采用模具，而不是应用CAD软件直接进行设计的，因此，一般都是制造完比例模型再利用逆向工程技术进行重建2对已有的构件做局部修改如果原始设计没有三维CAD模型，若通过数据测量后逆向重构，将CAD模型进行修改后加工成与实际符合的CAD模型，

20、生产效率将显著提高3无数据设计生活中总有些时候缺乏二维设计图样或者原始设计参数，则需要充分利用现有的CAD/CAM等先进技术进行产品的创新设计，逆向处理转化为理论模型4损坏零件的替代现实生产制造中，如航空发动机等一些大型设备经常因为某一零部件的损坏而停止运行，如果通过逆向工程手段，可以迅速找到问题根源来替代零件，从而提高设备的使用寿命5特殊领域制造在一些特殊领域，逆向工程也能发挥重大作用，如艺术品、考古文物的复制，特别是医学中人的骨骼、关节等的复制，需要首先建立几何模型再进行制造6工业产品无损检测借助工业CT技术，逆向工程可以无损检测，首先快速定位工业产品的内部缺陷再拟合出物体的外部形状与国外

21、如火如荼的逆向工程研究热相比，逆向工程技术在我国国内的研究起步较晚，我国直到20世纪90年代中期才得到一些发展与推广。而且我国研究资金投入少，缺乏创新性，主要局限于一些大学和科研院所，并且严重滞后于生产实际，这与发达国家相比显得相形见绌，面临的挑战也颇多。美国作为逆向工程研究发展的龙头，目前已在国内建立了一体化的逆向工程中心，它是包括测量、设计、快速成型、数控加工的一体系统。商品化的逆向工程设备和系统软件也已在英、德、法、日、韩、台湾等许多发达国家和地区建立并投入使用，这些国家也早已将三坐标测量机和三维扫描仪这些高端测量设备广泛应用于实际生产中。1.4.3逆向工程未来发展前景逆向工程的研究日渐

22、引起重视并且已经取得了很大的成绩，特别表现在数据处理、接口设计、曲面片拟合、改善文档、几何特征识别、软件升级和坐标测量机的研究开发上，它的前景也普遍被人们看好。但是在实际应用当中，分析了国内外在逆向工程方面的研究现状会发现，过程中还是存在一些明显的问题，例如逆向工程整个过程仍需配合大量人机交互工作，设备操纵者的技能、经验和综合素质也有待提高，还没有系统全面的有关“点云”数据造型问题的理论研究，逆向工程操作中很难保证自动重建曲面的光顺性，这些问题都直接影响着产品的质量。为了逆向工程在未来获得更广阔的发展前景和发展空间，也为了更好地利用逆向工程技术为现代制造业造福，未来的逆向工程发展必须要在以下关

23、键技术方面有所突破。见表1-2表1-2逆向工程未来发展的主要方面序号主要方面具体突破1数据测量方面发展逆向工程专用测量设备，设备最好实现能自动测量和规划路径，并进一步提高速度与精度2数据的预处理方面开发出一种通用的数据处理软件，应对不同数据格式，省去格式转化一环3曲面拟合方面能够有效控制曲面的光顺性，并且能够进行无阻碍光滑拼接4数据处理软件方面逆向工程软件在接受测量设备的数据时可通过一系列操作得到品质优秀的曲线、曲面，能直接得到标准数据格式并将曲线、曲面数据传输给CAD/CAM 软件，完成最终造型5点云处理方法的修改针对“点云”数据处理和曲面造型中有的商业CAD系统不接受一些功能不全面的“点云

24、”以及难以顺利解决复杂曲面重构等问题，需要改进或提高“点云”的可操作性1.5软件介绍1.5.1Pro/E软件简介Pro/E即Pro/Engineer，是美国参数技术软件公司发明的一种一体化三维软件，它以参数化著称，最早应用了参数化技术，是当今CAD/CAE/CAM主流软件之一，得到了业内公司广泛认可，在国内外设计制造加工中有着重要地位。Pro/E可以选择自己的模块，可采用单一数据库解决相关特征性问题，进行草图绘制，零件设计，曲面建模，加工装配、钣金设计等。Pro/E有着不同的专用功能，像抽壳，片体，筋，槽，倒角等，可以满足设计者不同的要求，可以绘制不同复杂造型，让绘图样品的造型变得更加圆滑自然

25、。Pro/E的具体功能如表1-3。表1-3 Pro/E的功能序号功能具体例子1特征驱动平键、凸台、槽、倒角等2参数化样品尺寸、精整度、载荷、边界条件等3通过零件的特征值之间、载荷和特征参数之间、边界条件与特征参数之间关系进行设计表面积4支持大型、复杂组合件的设计规则排列、交替排列等程序化方法5完全相关性任何地方变动会引起相关变动在三维设计软件中，一些绘图设计软件修改参数只会满足某一部分的修改，而Pro/E能赋予零件符号式尺寸，它的一个参数改变会引起其他部件也有相应修正和改动，比较方便操作，这样会让造型的优化更加趋于完美，而且它的造型不仅可以在软件屏幕上显示，还可以传到彩色打印机上操作。Pro/

26、E有许多模块可以满足逆向工程工作，比如小平面模块、独立几何模块、重新造型模块等。Pro/E的逆向设计主要着重于航空航天、模具设计、汽车、玩具、机械制造等行业。Pro/E逆向工程一般第一步需要进行物体数据化，即采集物体表面的空间坐标值，一般采用三坐标测量机或激光扫描仪。第二步需要分析物体的几何特征，依据数据来进行分割，再来分析物体的设计及表面加工特征。第三步就是用Pro/E构建物体的三维模型，处理前面分割后的三维数据，拟合表面模型，得出实物处理后的三维模型。第四步即检验修正拟合的三维模型。随着科技发展日益加速，Pro/E在逆向工程中的应用将更加广泛，对于制造业的发展将具有更加重要的意义。1.5.

27、2逆向工程软件简介逆向工程软件通常都用于扫描样品三维坐标获取点云，然后处理生成的结果点云，通过点云处理生成最终造型。逆向工程的一项最重要的技术环节是数据处理，它直接决定了后续工作的效果。点云数据处理包括去噪、数据精简、数据平滑、提取特征、点云分割等诸多方面，其中一个关键性环节是去噪，一般测取的三维几何坐标都是一些离散点，其中或多或少存在着一些噪声点，所以需要去噪处理数据。常见的逆向工程软件有Geomagic、Imageware、RapidForm、CopyCAD四种，具体应用见表1-4。表1-4常见逆向工程软件序号软件名称开发来源具体功能1Geomagic美国雨点公司具有丰富的数据处理手段，能

28、高效处理复杂形状，可以快速构造出多张连续的曲面模型，还可为技术后续应用提供理想的选择2ImagewareUG NX具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能，可处理大量点云数据，且点云品质良好，曲面连续性高3RapidForm英国DelCam公司它的优势是处理测量数据的曲面造型，而且能与系列中的其他软件集成，方便用户使用4CopyCAD韩国INUS公司主要用于处理扫描数据曲面建模、医疗图像建模、艺术品测量建模、高级图形生成1.6小平面特征介绍 小平面建模是Pro/E里面一个工程模块，是一种创建曲面的方法，它是依据以三角面代替曲面的原理，利用模型扫描点云中的每一个点和其相邻两点组成一个三角形

29、平面，用大量三角形平面代替曲面大致形状的过程。在Pro/E小平面模块环境中，需要对点云数据进行去噪、修剪、精简、包络等处理后才能形成多面体特征，整个过程关键步骤有：（1）造型前准备（2）输入点云数据（3）点云数据处理（4）包络处理（5）小平面粗调（6）小平面精整。Pro/E小平面特征的引入大大减少了Pro/E对逆向工程软件的依赖，再加上Pro/E点云处理后质量高、效果好，使得点云特征造型的应用面大大拓宽了。11第二章 小平面特征逆向工程的一般步骤2.1 实体三维坐标数据的获取数据获取是逆向工程的首要环节，其中三维扫描是最基本的一步，由它获得点云数据最理想、最直接，而点云数据为后面进行逆向工作做

30、好铺垫，它的精度、速度直接影响后续工作的效果好坏，是后续工作高质量完成的前提，所以准确获取数据就显得尤为重要。数据获取一般要经过测量，数据测量就是借助工具获取实体的参数并系列化，在逆向工程中一般是获取样品的表面轮廓，即各点的坐标。测量设备分二维和三维两类，二维在制造业中应用较少，基本上都是应用于摄影等行业，而逆向工程的测量设备都是三维的，因为三维更容易挖掘样品深度信息，更适合逆向几何反求。接触式测量是最初的测量方式，后来发展到光学式、磁学式等非接触式测量。接触式测量指的是跟实物有接触，常用接触式设备有三坐标测量机、数控测量装置、专用数字仪等。这种测量方式效率低、测量精度低、适应性差,测量探头必

31、须进行半径补偿，精细测量有限制，还经常出现一些测量探头涉及不到的盲区，不适合柔软实物的量。图2-1 serein三维激光扫描仪随着计算机技术的发展，非接触式逐渐成为了测量的主要方式，逆向工程现在都是采取非接触式测量。非接触式有光学式、电磁式、工业CT法、超声波测量、核磁共振等，逆向工程现在一般用三维激光测量仪居多，特别是SEREIN三维激光扫描仪非常常见（如图2-1）。激光扫描是一种不与实物接触的测量方法，激光照射到物体表面，并接受漫射光成像点，根据照射点、成像点和表面反射点三点的三维坐标，计算出物体的三维坐标，这种方法非常适合易变性、复杂曲面的测量。三维激光扫描是集光、机、电和计算机等多项技

32、术于一体的高新技术，速度快、精度高，而且其测量结果还能直接与多种软件接口连接作用。它通过激光测量得到坐标即是将实物的立体信息转换为数字信号，这些数字信号就可以供计算机直接处理。随着它在CAD、CAM、CIMS等技术中的应用日益普及，比如这些数据能直接与CAD/CAM/CIMS等软件接口连接并在系统中对点云数据进行去噪、调整、修补，然后再送到加工中心制造，可以极大缩短产品制造周期，所以它对于现代制造业具有重要的意义。三维扫描技术历经很长发展历程，从产生到现在各个过程中的扫描原理各不相同，图2-2为三维扫描几种关键技术。图2-2 三维扫描技术分类2.2 点云处理 三维扫描结束后，扫描仪获取的大量三

33、维数据就称作点云数据（Point Cloud），三维激光扫描仪测量的点云一般为密集点云。测量结束后，由于任何设备测量结果都不可避免或多或少地存在着误差，而且测量系统还受到周围环境的影响，所以在进行数据模型重构之前必须对获取的数据进行有效处理，这样才能为后面的逆向工程模型重构和实体制造操作打下基础。点云处理主要包括了点云预处理、点云去噪、数据精简及修补漏洞、特征提取、点云分割与重组这几个环节。此次小平面逆向工程研究在获取样品点云数据以后，要经历以下几个步骤。第一，需要进行数据预处理。先导入点云数据，有的点云可直接导入，有的要转化为软件处理需要的数据格式。在用Pro/E进行数据处理时，先要设置操作

34、环境，然后选中系统坐标系，设置可见点的百分比和扫描方向，点击预览生成，会出现扫面点的曲线的生成，这就是完成了数据的导入和预处理。第二，点云去噪处理。由于样品表面轮廓的获取需要很高的精度才能完成后续的工作，但是无论是接触式测量还是非接触式测量都会出现一些数据误差，尤其是实物边界点和一些尖点的测量更容易产生误差。测量中的错误点或者是超差点称为噪声点，它的存在直接影响后续逆向工程的工作，导致形成的模型与实物之间有很大的差距，严重影响精度要求和性能要求。所以为了提高后续工作的质量，必须对原始数据进行点云去噪，在满足曲面精度的前提下，还要尽可能减少多余数据，防止过多相互干扰。去噪的主要方法有人机交互法，

35、弦高差法和曲线检查法。人机交互法是逆向工程去噪最简单的方法，首先逆向软件云点中会显示哪些是明显的噪声点，将它们直接删除就可以完成初步的去噪处理。弦高差法适合云点较为密集的场合，它通过计算一个点与前后两点的弦的距离完成处理。曲线检查法最为实用，它首先拟合成一条样条曲线，再利用最小二乘法计算数据点到样条曲线的欧式距离，认定是噪声点后会剔除掉。第三，数据精简、平滑及光顺。当测量数据较多时，这些数据不仅占用计算机很大的存储空间，而且对传输和显示极为不利，所以数据精简能大大提高效率。针对一些尖点、边界点等扫描不到或扫描不清的区域，首先要通过数据插补的方法来补齐数据。当数据冗多时，需要进行精简，主要有包围

36、法、精确法、比例数据精简和利用边界修正法几种方法。为了消除噪音点对建模的影响，还有必要进行数据平滑，这样就保持了待求参数所能提供的信息不变，而且能得到精确的模型，为后续特征提取获得良好效果。数据平滑有高斯滤波、均值滤波、中值滤波、标准中值滤波几种常见方法，主要原理就是计算平均值得出中值来代替原始数据。数据光顺从字面上理解就是使数据光滑、顺眼，在数据处理过程中不允许对测量云点过多修改来满足光顺的要求，一些要点比如说边界上的某些特征点必须保留，这也是出于边界多样性的考虑，它们不能被视为“坏点”。第四，特征提取。逆向工程中的特征提取是利用点云数据和边界曲线进行构造，用数学方法构造成逆向曲线和曲面。特

37、征提取技术在逆向工程中有着重要的意义，主要是能提高建模效率、建模精度和修改能力，有利于逆向创新。主要的逆向特征有二次曲面、过度曲面、圆柱面、回转面以及一些复杂的自由曲面，一般采用交互方式进行点云切片和曲面拟合算法两种进行构造。第五，点云分割与重组。实物的模型一般具有多个曲面特征，如果直接进行拟合重构的话会加大处理难度，所以很有必要进行点云分割处理，把它们分成单一的几何特征来处理。主要的三种分割方法有基于边的分割、基于面的分割和聚类分割法，基于边的分割主要是抓住边界点来判断是不是单一特征，基于面的分割主要判断是不是一个面上的数据，而聚类分割法需要根据点的局部几何特征对数据点进行聚类，通常利用到人

38、工神经网络。而点云重新多次扫描后形成的数据要进行手工“缝合”,即进行数据重组，因为目前一般的软件几乎都没有进行重定位整合的功能所以需要手工操作。手工操作时需要在测量件上两次选取定位基准点，要在测量过程中得出基准点的坐标值，然后按照一定的判断规则得到各基准点的精度，再在相应软件中显示各测量点的坐标值并作移动处理，数据重组的目的是要求所有测量数据都要整合到一个定位下面。第六，包络处理。进行完上述操作后必须要进行保存， 然后需要做的是包络处理，包络处理也是点云处理的最后一步。包络处理即对点云进行小平面构造，然后需要修改和调整使其满足给定要求，点击“包络”后形成了三角形小平面，然后要对其进行小平面粗调

39、和小平面精调。小平面粗调自动化程度高，但是精度较低，要经过按长度选取、压浅、穿透、压深、移除腹板几个过程。小平面精调正好和粗调相反，自动化程度低但是精度高，可以细化控制，经过填充边、填充、填充层几个重要步骤后小平面精调就完成了。2.3 曲面重构曲面重建是整个逆向工程三维几何重建的最关键、最复杂的环节，也是逆向工程的主要目的，只有这样才能进行后续设计和制造。作为逆向工程的核心技术，它依据扫描并处理后的点云数据来建立CAD模型，并且导入像小平面这样的一些特征来获取模型。根据点云数据生成参数化造型的不同和拓扑结构的不同，主要有以下几大类扫描方法：（1）采用通用CAD软件方法，以B样条或NURBS曲面

40、为基础的曲面构造方案（2）以三角Bezier曲面为基础的曲面重构方案（3）以多面体方式来表达曲面物体以上方法中第一种和第二种比较常见，经常运用在CAD/CAM系统中，特别是B样条在逆向工程中应用最多。虽然三角网络平面是曲面重构的一个重要领域，但是三角网络平面顶点众多，给曲面造型编辑带来很大麻烦，一旦减少顶点就难以保证其精度，而B样条比较简单而且点云光顺性好，所以使用最为广泛。在逆向工程中，创建CAD模型仿制出产品的外形并进一步CAM处理和快速成型制造必须要考虑实物的外形，因为每一种几何形状都有其特性，要想将一件产品应用于逆向工程，必须考虑产品外形的几何特性，在众多处理方法中选择适当的那一个，这

41、样才能反求出良好的几何形状模型。比如小平面造型设计时，必须要根据需要造型的实物来选择方案和点云密集度。由此我们了解到想要提高效率就要在曲面重构之前了解样品的曲面特性及其曲面生成的数学模式。在曲面重构中，一般用近似法和插补法两种方法处理由三维扫描仪所得到的点云数据来建立曲面。表2-1曲面重构处理点云方法对比序号方法具体表现优缺点1近似法首先必须指定一个容许误差值和控制点起始数目，拟合出一个曲面后将测量的点投射到曲面上并分别求出点到面的误差量，控制误差量在容许误差值内优点是拟合的曲线不需要通过每个测量点，因此有抑制噪声的作用。缺点是如果数据很密集，则运算时间很长2插补法插补法原理是插补每个截面的点

42、数据，拟合成通过这些点的曲线，最后形成曲面优点在于得到的曲面准确，缺点是如果测量得到的点云数据含大量的噪声点则产生相当大的误差根据以上表格我们得出应该是具体点云情况来选择方法，如果点云的点很少而且噪声点较小，我们应该用插补法来进行曲面重构，如果扫描所得到的点云有大量数据点而且噪声点较大，则宜采用近似法。若还以插补法来重建，则扫描时所夹带的噪声点会夹带在曲面中，从而产生较大的误差，此时近似法对误差有抑制作用。在小平面逆向重构中，首先要点击“小平面处理”按钮，进入小平面界面，然后有小平面选取选项，主要有按长度选取、选取连接元件、反向选取、仅选取可见项四个步骤。完成后再进行小平面操作，进行小平面特征

43、重构，形成之后需要填充含有破洞的小平面，然后要整理模型中存在的尖点和过度生硬的地方，要进行小平面精整，即对小平面特征的细化，让小平面变得更加平滑，一般采用松弛法调整小平面的顶点位置来让曲面平滑，最后采用模型集管操作让所有小平面边界连成一个整体再稍作调整即完成对小平面特征的整个重构的框架。在完成小平面重构以后，直接重新实体造型前还需要在小平面上创建一些曲线和曲面来完成整个小平面创建过程。创建过程中可以捕捉点，也可以采取剖面或者曲面的边缘及锐边来进行创建，然后继续曲线或者曲面修改就可以完成整个操作。曲线修改有控制多边形法进行局部微调控制、造型点曲线编辑、添加环创建解析面等方法，最后的样条曲线和样条

44、曲面建成即完成操作，为后续工作做好准备。2.4 实体建模完成模型重够以后就要进行逆向工程技术的最后一步实体建模，这也是逆向工程的最终目的。三维实体建模能够对实物结构进行有限元分析、公差分析和生成数控加工代码，零件的特征能更加直观方便地被理解，所以在现代应用很广泛。而在三维实体建模中一种基于STL模型的逆向工程实体建模的方法应用广泛，它的基本原理是以三角形模型来代替样品外围轮廓的几何模型，这种方法得到的样品质量很高，所以得以应用。但是STL模型对数据还是有一定要求的，必须要通过检验才行，而且STL模型只记录了物体的外观信息，没有记录任何的拓扑信息，所以重建之前必须要建立拓扑信息才能继续工作。实体

45、重建一般步骤为检验数据信息、重建实体的拓扑信息、提取几何要素、建立几何要素间拓扑关系、重建整个模型几大部分。第三章 米老鼠头像的模型重构3.1 米老鼠头像重构简要说明 本次研究第三章通过米老鼠头像重构这样一个小实例来熟悉一下小平面特征逆向工程造型设计的全过程，米老鼠头像对称且曲面较多，需要用到Pro/E里的小平面对线和面的处理来重构，整个过程分为模型分析、造型前准备、输入点云数据、点云处理、包络处理、小平面处理和重新造型这几个步骤来完成。3.2 数据采集及预处理3.2.1激光扫描仪采集数据拿到样品后，首先使用激光三维扫描仪来获取米老鼠外观轮廓的的数据信息，具体操作步骤如下。首先打开电源，点击一

46、个红色按钮让机器归零，然后第二步点击对话框让对话框弹出，这时会出现输入密码提示，然后输入机器密码并确认，激活菜单，在菜单上找到激光按钮并打开，接着打开机器镜头，在仪器显示屏上会出现显示的网格，出现网格后就可以扫描了。在进行扫描时，必须不断旋转角度而且适时要调节T轴的圆心，为了消除T轴圆心在每次开机关机时造成的误差，所以每次开机之前都先要校正圆心。当一次扫描获取米老鼠头像点云数据以后必须将转工作台旋转120度准备第二次扫描，这个可以点击按钮自动完成。旋转完后与第一次扫描相同，要校正圆心并将角度清零后才能开始扫描。完成后旋转120度进行第三次扫描，步骤和前两次一样。全部做完后将三次结果在surfa

47、cer里打开，其中一次点云如图3-1所示。图3-1米老鼠头像点云3.2.2数据预处理上诉操作完成数据获取工作，扫描完成后必须还要对获取的点云进行数据预处理而达到逆向工程造型的要求。在进行数据处理时，必须要转化成软件可以处理的格式，比如igs、pts、stl格式都是Pro/E可以处理的格式。造型之前要修改工作目录，新建一个目录，做好处理前准备后就可以输入点云数据了。做点云处理时首先要建立坐标系并删除明显不合群的点，即界外点，这些都是明显不需要的数据，需要开启过滤功能删除掉，如果保留会影响后续工作的进展。完成后就可以打开菜单栏中插入一栏，选中小平面特征，弹出如图3-2所示选项框就点击确定将点云带入

48、小平面模式。图3-2小平面输入选项3.3 小平面处理3.3.1点云数据处理打开小平面界面后首先在菜单栏找到“去噪处理”，先进行灵敏度设置开启降噪模式去除粗大噪声点，然后点击“填充”对头像上部分显示不全或者有破洞的区域进行填充处理，下一步对点云进行精简处理，需要点击“示例”选项，设定间距为0.5并按提示选项“统一抽样”点击选项框，让点云数据变得平滑和光顺。操作完这些步骤要点击“保存”，方便后续处理。3.3.2包络处理 首先点击“包络”，对处理完成的点云数据附着三角平面，即对各个点进行组合每三个点一组合创建完成三角面，创建的三角面及最后包络生成的米老鼠头像三角面如图3-3、3-4所示。图3-3创建

49、三角面图3-4米老鼠头像包络后的三角面3.3.3小平面调整包络后首先要进行小平面粗调，点击工具栏中的指令对头像三角面模型进行修改，粗调可以对头像点云的深浅进行调整，也可以点击“去除腹板”、“松弛”、“分样”等指令设置百分比、强度等，对米老鼠头像表面粗糙度进行修整，对耳朵的“破洞”进行填充等，示例如图3-5。图3-5“破洞”修补粗调是为了让点云在一定程度上得到修整，变得光顺，虽然精度有一定限度，但是可以使点云状况大为改善。粗调以后需要对头像进行精调，精调过程自动化程度低，需要耐心去操作，但是精度较高。先点击多面体面命令，进入精调界面，基本原理是系统通过精整算法来细化小平面特征，通过分舱处理把一个

50、小平面分成几个小平面来增加密度，也可以建立反向边构造空间四面体（如图3-6）或者分割、打断再重组，但是边界不发生任何变化，精调后的点云质量就会趋于完美了。图3-6反向边造型完成精调操作后，必须点击“集束”生成集管，作用是将所有小块点云连接成一个闭合的整体，但是必须建立在前面包络顺利完成的前提下，如果有噪声点就不能连续相接。集束完成再点击“确定”后就完成了整个小平面处理过程，即可以进行模型重构了。3.4 重新造型及实体化3.4.1米老鼠头像重新造型首先设定重新造型工作区域，在菜单栏找到“插入”，第二步点击“重新造型”，重新造型进入如图3-7所示界面。然后点击“自动曲面工具”“定义曲面片”，设置添

51、加曲面片数量为200，解析度数值为10，再点击“自动创建曲面”预览一下效果。创建完成后必须不断修改曲面，进行包括反向处理、删除多余小平面、分样等操作才能得到质量比较高的小平面造型。最后修改后局部造型图如图3-8所示。图3-7重新造型界面图3-8重新造型修改后局部视图3.4.2 实体化 当重新造型完成后是一个片体，需要对造型进行拉伸转化为实体，在拉伸界面里设置拉伸值为1，预览效果后在菜单栏找到“编辑”选项，选中后点击“实体化”即完成对米老鼠头像的整个重构过程。得到造型后即可以获取参数，然后制造模具并导入快速成型机进行快速成型加工了。- 15 -总 结为期半年的毕业设计即将结束了，回首这个难忘的过

52、程，自己感觉从中学到了很多东西，可谓受益匪浅！这次我做的题目是小平面特征逆向造型设计，以前我对这块内容还是比较陌生的，但通过这么长时间的学习，加上指导老师悉心的指导，我对逆向工程有了很多认识，对Pro/E软件操作也越来越熟练，特别对于小平面特征有了更深的理解。在设计过程中我曾遇到过各种各样的问题，有时候自己开始显得手足无措，完全不知道从什么角度来解决。特别是做到点云处理时，由于实例操作中米老鼠头像的点云比较复杂，自己对Pro/E知识了解也有限，所以经常有些点云修改处理时不知道如何操作。这时，我在老师的指导下去学习操作，自己到网上和图书馆查找资料，最后终于一步一步解决了问题。在这个逐渐解决问题的过程中我得到了很大锻炼，在巩固