引言
在产品开发和制造过程中，己广泛使用计算机几何造刑技术，但是仍有许多产品，由于种种原因最初并不是由计算机辅助设计模刑描述的，设计和制造者面对的是实物样件。为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，以期利用计算机辅助制造、快速原形制造工具、产品数据管理及计算机集成制造系统等先进技术对其进行处理或管理。目前，与这种从实物样件获取产品数学模型相关的技术，己发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的分支，即“逆向工程”，或称反向工程、反求工程。
本文将介绍一种基于某三坐标测量机进行的曲面逆向工程研究，并以Pro/E的Pro/SCANTOOLS为例，简单地展示了应用效果。
1 技术路线
在本项目中，笔者开发了相关程序模块，利用三坐标测量机采集点云数据；然后利用自行开发的格式转换器将点云数据转换成IGES数据格式；最后利用逆向设计软件处理点云，得到相关的几何型面，用于后续的设计。
1.1 点云采集
通过触发式数据采集方法，利用EOS544三坐标测量机和MH20i手动测头，在三坐标测量机测量软件WinMeil Plus提供的二次开发平台下，针对不同的情况开发独立点扫描、曲线扫描和曲面扫描3个程序块完成点云采集。
1.1.1 硬件条件
三坐标测量机是综合利用精密机械、微电子、光栅和激光干涉等先进技术的测量仪器。利用x、y、z3个相互垂直的坐标轴，组成三 维参考系，利用导轨上装有的位移测量系统，和装在z轴上的三维电子探头，可在空间各方向对复杂零件如箱体、模具、外壳、发动机零件的尺寸、形状和相互位置，进行高精度和高效率的测量。而且可通过计算机实现整个测量过程和数据处理的程序化。其测量精度高、通用性好，被广泛用于机械制造、电子工业、汽车工业、航空及国防工业等。在本项目中，笔者利用EOS544三坐标测量机配置MH20i手动测头在Winmeil Plus通用测量软件的平台下完成数据采集。
1.1.2 点云采集程序模块
Winmeil Plus是EOS544三坐标测量机的基本测量和控制软件，它运行于WINDOWS2000之下,软件兼有易用性和灵活性，可应用于手动和自动测量机,并支持单臂和双臂测量配置。Winmeil Plus用户界面友好，采用WINDOWS菜单模式，并具有丰富的编程语言，为用户二次开发和特殊应用编程提供了开放性。编程语言丰富，包括元素测量、数据输出、文件操作、算术计算和逻辑运算。
在本项目中，在Winmeil Plus通用测量软件的平台下，利用其自学习功能，开发了独立点扫描、曲线扫描和曲面扫描3个程序块完成点云采集。
(1)独立点采集
该程序模块用于测量机手动进行点采集。主要用于简单形体零件的关键点采集和边界点采集。
(2)线采集程序
该程序模块主要用于回转体零件轮廓点云采集或简单型面零件的点云采集。
(3)面采集程序
该程序模块主要用于不规则曲面点云的采集。
(4)障碍处理
在点云采集过程中，曲面的形状可能较为复杂，有的地方会有明显的凸起。这样，在测针快速移动的过程中，很容易与这些凸起的地方发生碰撞。为了避让这些障碍点，在点云采集程序中加入了安全点设置。首先手动将测针移动到安全点附近，然后使用WinMeil的GETPOS()函数,读取当前点的位置,此位置即为测针快速移动过程中应该避让的位置。在测量机自动快移过程中，经过该点时，系统自动进行回避处理。
(5)主动精度控制
在点云采集过程中，我们通过设置最大搜索距离和最小搜索距离来主动地控制点云采集精度。当搜索距离大于最大搜索距离时，系统认为出现了负突变（出现负向坏点或型面负向发生突变）；当小于最小搜索距离时，系统认为出现了正突变（出现正向坏点或型面正向发生突变）。这几种情况对后续的几何型面重构都是不利的，我们在系统中通过这2个参数的设置，采用细分的方式重测，有效而主动地控制测量精度，去除坏点。
1.2 数据转换
EOS544三坐标测量机的主要功能是进行几何量和几何量误差的精密测量,其测量软件WinMeil将测得的数据保存为自己独特的数据格式。这种数据格式CAD/CAM软件不能直接读取,测量软件也没有提供相应的数据格式转换途径。因此必须编写数据格式转换器完成数据格式的转换。
每一个CAD系统都有自己的数据文件，数据文件格式与每个CAD系统自己的内部数据模式密切相关。目前已制定了几个主要数据交换标准，如IGES格式、STEP格式等，还有一种尽管不是标准，但由于CAD系统的使用者众多，形成了事实上的企业标准，最为典型的是AutoCAD的DXF图形数据交换文件。除此之外，为方便不同系统的数据转换，一些商品化的CAD/CAM系统都备有多个数据交换接口，如Pro/E系统就具有IGES、STEP、DXF、SET、VDA、PDGS、CDRS等多种输入、输出转换格式。
其中IGES数据格式能被大多数CAD/CAM软件所接受。因此，本课题中通过编写数据格式转换器完成从三坐标测量机数据格式到IGES数据格式的转换。另外，格式转换器还能实现测量机测量数据编辑、IGES数据编辑等功能。
1.3 曲面造型
目前，市场上已经有一些成熟的逆向工程软件，比较有代表性的有GeoMagic、ImageWare、CopyCAD、RapidForm等。另外，很多流行的商品化CAD/CAM软件也相继提供了曲面重建模块以满足逆向工程的需要，如UG公司Unigraphics软件中的PointCloud模块、美国PTC公司Pro/Engineering软件中的Pro/SCANTOOLS模块、以色列CIMATRON公司Cimatron软件中的ReEnge模块等。PTC公司的ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)、Pro/SCANTOOLS可根据相关数据较好的实现曲面重建。
在本课题中，主要使用Pro/Engineering的Pro/SCANTOOLS模块进行曲面构造。
Pro/SCANTOOLS提供了一组工具，利用这些工具可将输入曲面、面组、三角测量数据或原始数据转换到可制造模型中。
利用Pro/SCANTOOLS可执行以下任务：
(1)输入、生成和过滤原始数据；
(2)输入几何，包括曲线、曲面和多面数据；
(3)创建和修改曲线；
(4)手工或自动修复几何；
(5)将几何从后续特征收缩到造型特征。
Pro/SCANTOOLS是一个完全集成于Pro/ENGINEER实体建模中的逆向曲面构建包，新版中的功能有很大的提高。可以接受有序点（测量线）也可以接受点云数据，可以用来构建非A级的自由曲面，一般的工业产品如电器产品、一般的塑料件、汽车内饰件等均能应用该模块得到圆满的解决。
结语
本文所介绍的曲面重构技术，以三坐标测量机作为点云数据采集装置，以测量软件WinMeil Plus为点云采集程序开发的平台，以自行开发的格式转换器进行数据转换，以Pro/Engineering的Pro/SCANTOOLS模块进行曲面构造，提供了一条复杂曲面反求设计的途径，对于模具设计等行业有一定的应用价值。
9/25/2008
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