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逆向工程技术在水泵叶轮测量和加工中的应用
程新平 李力 张科
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本文通过对水泵叶轮扫描测量及三维模型构建这一实例，向读者介绍了逆向工程的概念和基本原理；光学扫描仪在逆向工程中扫描测量的优势；如何利用逆向工程软件Imageware处理水泵叶轮点云数据；用UG NX进行曲面创建和三维造型；以及如何利用逆向工程技术检测水泵叶轮加工精度。
一、逆向工程简介
逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。与传统的设计制造方法不同，逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，直至利用CNC加工机床或快速成型机来制造产品。
逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计。
(2)现成零件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维数字化模型。
(3)损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制。
(4)产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以及对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。
逆向工程技术为快速制造提供了很好的技术支持，它已经成为消化吸收和二次开发的重要途径之一。逆向工程技术主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据。曲面重建技术是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出型体曲线、曲面，最终重构三维模型。
逆向工程作为对已有产品进行数据测量拟合、分析、改进设计和实现新产品开发的一种重要手段，有效地加快了新产品响应市场的速度。逆向工程可以输出快速原型制作及模具加工的多种数据格式，并支持不同用途。
二、水泵叶轮的三维数据测量
1．数据采集实施条件
随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的物体表面几何数据获取方法，检测设备为产品三维数据的获取提供了硬件条件。目前，使用较多的有德国、英国、意大利、美国等国家生产的三维扫描仪和三坐标测量机。从测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种。其中，接触式测量又可分为硬测头和软测头，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息，比较常用的是三座标测量机（CMM）。非接触式测量可分为光学法、工业ＣＴ、超声波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中，光学测量法应用最为广泛。典型的光测头是运用光学与激光的原理，包括激光扫描、光学扫描。
2．光学扫描仪在曲面扫描中的优势
实物的三维离散采样速度及数据质量是影响逆向工程技术应用的重要因素之一。三坐标测量机(ＣＭＭ)是一种较为成熟的接触式测量设备。它具有噪声低、精度高（可达±0.5μｍ）、重复性好等优点。它的缺点包括测量速度慢、效率低；对软体对象难以做精密测量；需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿等。测量数据的特点是高精度低密度。
由于近年在分区域测量技术上的突破，使得投影光栅法的测量精度得到进一步的提高。比如说德国ＧＯＭ公司的ATOS流动光学三维扫描仪，测量速度大于43000点/ｓ，单幅照片可扫描点数最大可达400,000个点，单幅照片精度为±0.03ｍｍ，整体测量精度小于0.1ｍｍ/ｍ。光学扫描仪尤其便于复杂曲面的扫描，而CMM只能测量复杂曲面上有限的点，不能完整反映出曲面的形状。虽然其测量单点精度较高，但用有限的点去描述复杂曲面反而使整体精度大大降低，而光学扫描仪则恰恰相反。另外，光学扫描仪还具有测量范围大、携带方便等优点。ATOS光学扫描仪配合高分辨率数码照相系统使扫描范围可达8m×8m甚至更大，并且可以很方便地移动到实物现场工作。它不仅适于复杂轮廓的扫描，而且常用于汽车、摩托车内外饰件的逆向造型工作。
笔者在此采用德国GOM公司的ATOS光学扫描仪（ATOS I 600 EU）进行数据采集，测量精度为0.1mm/0.5m。扫描方式：光栅原理及GPS定位原理。ATOS扫描仪在测量时，可随意围绕被测物体移动，利用十一幅不同宽度的光栅反射信息，再经数据影像处理系统计算处理，即可得到实物表面点数据。
3．水泵叶轮扫描的前期准备工作
为了方便叶轮扫描和保证扫描的精确性，需对叶轮做必要的前期准备，如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器与软件校准等。
4．水泵叶轮扫描过程
叶轮的整个外形都需要扫描，因此无法完成对叶轮的一次性扫描。根据叶轮的形状，如图1所示，把零件分成上、下两部分，分别进行扫描。然后再在ATOS软件中，通过公共参考点把分别扫描所得的两个文件合并为一个整体。

（图片） （图片）

图1 水泵叶轮实物照片 图2 ATOS扫描仪扫描的水泵叶轮原始点云

叶轮外形大致尺寸为φ370×85。在对ATOS扫描系统进行校准后，就可以对水泵叶轮上下部分多个角度的不同方位进行扫描。扫描软件依据参考点，把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个叶轮外形的扫描。图2为扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到的叶轮外形点云文件。接下来输出*.STL文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理。
三、用Imageware和UG NX对点云进行处理及三维重构
首先要确定叶轮基本形状的曲面类型，然后采用 Imageware软件来做逆向处理，处理数据的流程遵循“点——曲线——曲面”的原则。
1．用Imageware软件对点云数据进行处理
Imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征，做出一些辅助的基准，以便把叶轮点云进行方位对齐，为提取截面线做准备。
叶轮的点云数据中含有许多杂点，因此需把杂点过滤掉。并对点云数据进行优化，删除不必要的数据点。适当降低点云的密度，可以加快计算机处理的速度。
(1)特征线的提取
特征线的提取是整个曲面重构的关键。根据叶轮外形特点，划分出二次曲面的区域，如：平面、圆柱面、球面等。并对叶轮点云进行分割，把这些二次曲面拟合构造平面、圆柱面或球面，或直接做出特征。平面可以用三点或两相交直线来确定，圆柱面则以截面线和矢量来确定。对于自由曲面，需构造出曲面的特征线。先对叶轮点云做出必要截面线，然后剔除截面点云的杂点进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。
叶轮与轴连接部位是内螺旋槽，在测量时十分困难。在此，关键是做出螺旋线，然后测量出螺距，最后在UG NX软件中构造标准的螺旋线。首先以孔的中心为圆点作一个圆并投影在螺旋面点云上，产生螺旋截面线点云，拟合产生螺旋线，最后通过裁剪螺旋线得到半圈的螺旋线，通过两头端点计算得出螺旋线的螺距为29.86mm。为了使求得的螺距更加精确，我们可多做几个大小不同的圆，求其平均值。
(2)特征线分析
为了确保重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，都要随时检测点云和曲线之间的偏差。确保特征线在偏差允许范围内，以保证与原型的一致性。螺旋线偏差分析结果如图3所示。

（图片）

图3 特征线的偏差检测

2．用UG NX软件构建曲面模型
在UG NX软件中直接读取Image ware软件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UG NX中，并且要保证坐标系的一致性。对调入的曲线进行分析，并对曲线进行光顺处理，或对曲线进行重构和编辑。使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最终完成水泵叶轮的三维造型。如图4所示。

（图片）

图4 在UG NX软件中完成的三维模型

完成水泵叶轮的三维造型后，反过来可以把利用UG NX软件重构的三维模型读入Imageware软件中，比较分析最终重构的三维模型和扫描的点云之间的偏差。通过用彩色云图将差异显示出来，很直观地就可以了解到曲面与点云之间的差异值，并且可以指定一个可接受的公差带，求出在公差带内点的数量，从而检测逆向扫描测量的精确性。分析结果如图5所示。

（图片）

图5 三维模型和实测点云的检测图

四、利用逆向工程进行产品检验
不论用何种方法加工，都需要对其加工精度进行检验。利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。
如同上述方法首先对加工零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数字模型一起调入逆向工程软件Imageware中，分析比较二个模型间的偏差，用彩色云图将差异显示出来，从而检测零件的加工精度。逆向工程技术不但在单件加工上可以很方便地对复杂零件进行检测，而且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便。如注塑件手机的外壳，就可以利用逆向工程技术很快地完成检测工作。
五、小结
逆向工程技术在产品研究开发中是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。利用光学扫描仪作为获取空间三维数据的手段，用逆向工程软件Imageware对获取的点云数据进行处理，其难点为曲线的构建、检测和修改。而只有满足曲线光顺，曲面才能光顺。曲面与点云的吻合精度主要靠关键特征线的提取和构建精度来保证。
采用逆向工程技术，不仅能够得到实物的精确数字模型和复制品，而且还可以进一步修改并生成新的数学模型和产品工程图，从而使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。不但缩短了产品开发周期，而且提高了产品创新的成功率。 1/11/2005

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