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三坐标测量机在逆向工程的应用解析作者：赖海军来源：《硅谷》2013年第24期摘要逆向工程是从20世纪末以来发展起来的一种产品批量生产以及二次开发的新兴工程技术，由于与传统的产品开发顺序相反，因此通常被称作逆向工程。
本文着重分析逆向工程中零件的反求过程中需要使用到的三坐标测量机的相关特点，并通过对三坐标测量机的应用讨论来探究逆向工程的开发过程，并能够对逆向工程的产品开发精度做出准确的评价。
关键词三坐标测量机；逆向工程；产品开发中图分类号：TH721 文献标识码：A 文章编号：1671-7597（2013）24-0074-01逆向工程是当今实现产品的批量解构与生产以及进行二次开发的一种非常便捷的技术，其开发顺序与传统的产品开发过程相反，首先是对产品原件进行测量分析，其次运用cad建立产品模型，再对产品模型进行适当处理后生产出新的产品。
在逆向工程中，三坐标测量机是非常重要的设备，在产品原件的数字化以及产品的曲面重构过程中都需要三坐标测量机的支持。
本文讨论所应用的三坐标测量机的数字分辨率以及单向重复精度皆为0.1 μm，三坐标的各项精度中，X与Y坐标的精度在2.5 μm左右，Z坐标的精度为3.0 μm左右。
1 三坐标测量机在产品原件数字化中的应用产品原件的数字化是进行逆向工程开发的第一步，也是最为关键的一步，产品数字化的精度可以影响到对产品的结构解析以及产品的二次开发。
传统的逆向工程开发过程中采用的是二维图像与技术参数相结合的方法，但在对产品精度要求越来越高的今天，这种方式已经不再适用，需要找到一种合格的方法来实现产品原件的数字化图像处理，而用三坐标测量机则能够达到较高的精度要求，可以准确得出产品的三维模型。
运用三坐标测量机进行产品原件的数字化时，首先需要将测量结果以三坐标测量软件本身具有的VDA数据格式表达出来，而此时产品的数据模型并不是很直观，因此其次需要将VDA 格式的数据通过三坐标测量机的逆向模块转化成SAT格式进行显示，最后再用cad软件对所得到的数字化图像进行立体重构。
第一章、 技术论文浅谈三坐标测量机在逆向工程中的应用 航天四院７４１４厂数控中心 陈娓娜 肖明 摘要?本文通过一个实现叶片无图加工的过程，论述了三坐标测量机在目前非常流行的逆向工程中的重要作用。
关键词?三坐标测量机 三维曲面扫描 CAD/CAM 数据文件转换 三维曲面光顺 三维实体建模 逆向工程 前言三坐标测量机是一种模数转化装置（将模拟信息转化为数字信息），而数控加工设备是一种数模转化装置（将数字信息转化为模拟信息）。
也就是说，三坐标测量机的检测过程是数控加工的逆过程。
只要有三坐标的检测数据，就有了加工设备的加工依据。
在现实的数控加工中，有绝大部分的零件是需要通过测绘得到加工数据才能进行加工的，三坐标与加工设备的这种逆向作用正好满足了这种需要。
一、研究课题来源及解决思路我厂需要加工一套叶片，其中最关键的部分是叶型的加工。
由于没有图纸，只有产品的实物，必须用测量机先进行测绘，然后经过数据处理，再调入3D加工编程软件中生成三维实体模型，通过3D加工编程软件进行数控编程产生加工源程序后，直接输入五坐标加工中心进行加工，整个过程是一个实现无图加工的过程，如需要产生图纸存档，也可直接从实体模型中获得。
二、研究课题使用的软、硬件设备我们用于测量和加工的主要设备是：1、三坐标测量机意大利DEA公司1994年制造的Ω3306型测量机测量范围是：3300*1500*1450mm操作系统： TUTOR FOR WINDOWS 3.1.42、六坐标五轴加工中心德国BOKO公司1994年制造的VH2/10型加工中心加工范围是：1500*1500*1000mm3、数控编程软件UG(Unigraphic) 15.0MASTERCAM 7.0以上两种数控编程软件都是国际上较为先进、较为流行的三维数控编程软件。
特别是UG软件，他的三维实体构造和加工功能十分强大，可以说是当今最好的数控加工编程软件，在国际机械加工的CAM软件市场占有百分之六十以上的份额。
三坐标测量机与逆向建模的应用摘要：当需要获取较为精确的点云数据时，往往可以借助三坐标测量机的功能予以实现。
并且，借助相应的信息系统和应用软件将所获取的数据信息进行加工和处理，就能将三坐标测量、扫描技术以及点云处理应用软件融合为一体，达到逆向建模的目标。
本文拟打算通过简述三坐标测量机和逆向工程技术的概念，来分析图像扫描和点云数据的加工、处理，以此来探究三坐标测量机与逆向建模的应用，以期望对制造工业的发展有所裨益。
关键词：三坐标测量机；逆向建模；应用前言随着现代工业和生产技术的快速发展，逆向建模和逆向工程技术获得了越来越大的应用空间和发展机会，在不同领域都有所应用体现，例如产品开放设计等。
与此同时，三坐标测量机和扫描技术也在逆向建模中得到了更多的应用机会，为逆向建模的高精度运转等作出了非常积极的作用和影响，有利于现代工业的长远健康发展。
一、三坐标测量机和逆向工程技术的概念简述三坐标测量机运行对于精密度的要求非常高，融合了许多科学仪器，例如光电仪器等的功能为一体以开展高精度的计量测试工作来满足现代工业的测量需求和产品生产要求。
三坐标测量机能够在工件一次装夹的整体状况下，借助不同测量头的组合安装，来成功完成各项零部件之中的几何形状的测量作业。
除此之外，能够在其所装配的测量软件来对所获得点云数据等进行检测，以及时更正其中存在的误差、错误等，从而保障测量结果和工业生产整体的精确性。
逆向工程技术也被专业人士叫做反求工程、反向工程等，主要是在上个世纪九十年代初期开始在先进制造行业之中开始得到应用空间。
和过往正向工程所不同的是，逆向工程第一步是把对象进行数字化处理工作，继而使用计算机辅助设计软件来构建扫描对象的数字模型，已突破原有的部分实体限制，最后根据此来设计和生产工业产品以满足现代工业的需求和要求。
二、图形扫描三坐标扫描将三坐标测量机和扫描仪融合起来，通过机器的移动来扫描零部件，其中扫描的类型可以划分多样，例如片面扫描等，可以满足不同扫描工作的要求和需求。
2007年8月第35卷第8期机床与液压MACH I N E T OOL&HY DRAUL I CSAug12007Vol135No18基于三坐标测量机的曲面逆向工程研究3陈飞(中南林业科技大学机电工程学院,湖南长沙410004)摘要:通过对三坐标测量机测量软件的开发和格式转换器的研制,利用CAD/C AM软件的逆行工程模块,得到一种从实物模型到三维曲面的反求构造的新技术。
实践证明,该技术路线可进行复杂曲面的逆行设计,对模具设计等行业有一定的应用价值。
关键词:三坐标测量机;逆向工程;曲面构造中图分类号:T B47 文献标识码:A 文章编号:1001-3881(2007)8-172-3The Research on Reverse Eng i n eer i n g for Surface by Coord i n a te M ea sur i n g M ach i n eCHEN Fei(Central South University of Forestry&Technol ogy,Changsha Hunan410004,China) Abstract:Point cl oud data collecti on s oft w are of coordinate measuring machine and a translat or t o transf or m the measuring data t o a data with I GES for matwere devel oped1A ne w technol ogy for surface rebuilding with the data fr om a model surface by using the reverse engineering module of C AD/CAM s oft w are was put f or ward1It is p r oved that the technol ogy is useful for comp lex surface design in die manufacture and s o on1Keywords:Coordinate measuring machine;Reverse engineering;Surface rebuilding0 引言在产品开发和制造过程中,已广泛使用计算机几何造型技术,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型描述的,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,已发展为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/SCANT OOLS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。
111 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W in Meil 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。
11111 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、z 3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W inmeil Plus通用测量软件的平台下完成数据采集。
11112 点云采集程序模块W inmeil Plus是EOS544三坐标测量机的基本测量和控制软件,它运行于W I N DOW S2000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。
W in meil Plus用户界面友好,采用W I N DOW S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。
3基金项目:中南林业科技大学青年科学研究基金资助项目(05035B)在本项目中,在W inmeil 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W in Meil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。
112 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W in Meil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I GES 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I GES、STEP、DXF、SET、VDA、PDGS、CDRS等多种输入、输出转换格式。
其中I GES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I GES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、I GES数据编辑等功能。
113 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Geo Magic、I m age W are、CopyCAD、Rap idFor m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Point Cloud模块、美国PTC公司Pr o/Engineering软件中的Pro/ SCANT OOLS模块、以色列C I M ATRON公司Ci matr on 软件中的ReEnge模块等。
PT C公司的I CE M Surf、Pr o/DESI G NER(CDRS)、Pr o/SCANT OOLS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Pr o/Engineering的Pr o/ SCANT OOLS模块进行曲面构造。
Pro/SCANT OOLS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/SCANT OOLS,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/SCANT OOLS是一个完全集成于Pr o/ENGI2 NEER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。
2 应用实例图1 模压纤维板实物图下面以模压纤维板为例,简单介绍这种曲面重构技术的应用情况。
211 实物图片如图1所示,为模压纤维板的实物图。
可以应用本技术反求压模型面,为模具制造作准・371・第8期陈飞:基于三坐标测量机的曲面逆向工程研究 备。
212 利用“面采集”程序采集点云数据如图2所示,为加载“面采集”程序后,W in 2Meil Plus进行点云采集的主界面。
图2 点云采集主界面213 点云导入在本课题中的点云采集是逐行采集的,因此考虑先将一行一行的点云转换为曲线,然后由曲线构造平面。
如图3所示,利用Pr o /SCANT OOLS 将点云数据逐行导入,生成曲线,得到曲线组(如图4所示);然后利用Pro /SCANT OOLS 提供的强大的曲面编辑工具修改和生成如图5所示的曲面模型。
图3 导入点云生成曲线 生成的曲面模型即可以为后续的CAM 部分所利用,制造模压模具。
3 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W in Meil 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Pr o /Engineering 的Pr o /SCANT OOLS 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。
参考文献【1】意大利科德3股份公司北京代表处1W I N M E I L 测量软件用户手册[M ]120041【2】意大利科德3股份公司北京代表处1W I N M E I L 编程语言参考手册[M ]120041【3】Coord3S 1p 1A 1M easuring s oft w are for coordinate measuringmachines Versi ons 317[M ]12001141【4】林清安,北大宏博1Pr o /E NGI N EER 零件设计[M ]1北京:北京大学出版社,20001【5】沈美莉1V isualBasic 程序设计教程[M ]1机械工业出版社,20041【6】沈纪桂,陈廉清1I GES 一实现C AD /C AM 系统间数据交换的规范[J ]1中国机械工程,1998,9(7):70-721作者联系方式:陈飞,电话:013875882713,E -mail:hunter 1csfu@1261com 。
