使用外部参照进行曲面抱紧机构的逆向工程

曹丙起 曹玥 （天津天铁集团天铁轧二制钢有限公司，天津 300400)

使用外部参照进行曲面抱紧机构的逆向工程

曹丙起 曹玥 （天津天铁集团天铁轧二制钢有限公司，天津 300400)

介绍了使用外部参照进行曲面抱紧机构逆向工程的设计理念，着重阐述了利用Pro/E软件进行逆向工程的操作步骤，包括：数据采集、使用跟踪草绘、插入图片与实际比例拟合、创建模型等程序。并用运动仿真的方式选择相关的分析类型，对完整的曲面抱紧机构验证其结果的可靠性。同时还分析了逆向工程的优势和存在的问题。

抱紧机构 逆向工程 软件 技术 体系 模型

1 引言

随着电子计算机的发展，现代机械设计方法也日趋多样化，利用先进的CAD／CAE工具对机械系统开展研究已成为一种趋势，而逆向工程就是一种非常高效的产品设计思路和制造方法。本文从逆向工程的一方面进行阐述，最终实现目标机构与零件的测绘。

2 所谓逆向工程

逆向工程（Reverse Engineer，简称 RE)也称反求工程、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程。作为消化吸收先进技术的一种手段，从20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用CAD/CAE/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为逆向技术应用的主要内容。逆向工程与传统的产品正向设计方法不同，它根据已存在的产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析和改进，是对已有产品的再设计。逆向工程的主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计及加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD/CAE/CAM技术对已有的产品进行再设计服务。

3 逆向工程软件的选择

逆向工程中CAD模型重建的核心是：通过对测量数据的处理，提取模型所需的表征零件形状特征的数据。基于特征的模型重建的研究主要集中在特征识别，包括边界曲线和曲面，研究对象主要是规则特征。逆向工程软件是实现反求设计的主要操作工具之一。行业内常见的专用逆向工程软件有很多，如Imageware、Parafrom、Geomagic等，此外还有很多集成了逆向功能模块的大型CAX软件，如PTC公司的Pro/ENGINEER、西门子公司的UGS等，本次设计含盖流程较多，单一逆向软件无法胜任，而软件间的数据转换势必会对模型驱动参数的可操作性造成影响，Pro/ENGINEER是当今最为普及的3D CAX设计系统，它集零件设计、产品装配、模具开发、NC加工、钣金设计、铸造件设计、造型设计、逆向工程、自动测量、机构设计、仿真、CAE分析、产品数据库管理、协同设计开发等功能于一体，可全程完成本次设计，故选择该软件进行阐述。

4 广意逆向工程的技术体系

逆向工程的关键技术为：数据的采集与处理，即数字化技术;曲面构造，即建模技术。辅以其他方法构成逆向工程的技术体系，如图1所示。

图1

5 数据的采集

数据的采集方法有很多，常用的测量数字化设备有：三维坐标测量机、激光测量仪、工业CT和逐层切削装置等，这类专业化设备对于一次使用而言，采购成本过大，不适合本次设计，结合目标结构曲面复杂程度和空间特性考虑，本次采用“外部参考方式”作为逆向工程思路，它成本低——普通的数码相机就能胜任，而在处理以平面结构为主的零件时，其优势不逊色于任何测量机。而在业界，使用图象作为曲线参照来构建曲面已成为反求设计的重要环节——通过工艺美术师的手绘，进而得到产品的实际模型。在Pro/E中使用的2D图片主要指产品外观的美工图、直接临摹绘制出的曲线等，通过捕捉其上面的关键位置点、线，重建这个模型或以此为参考创建另一个模型。这样的流程，非常适用于工业设计、逆向工程造型设计等方面。但是，本次测绘的设备并非工业产品，对设计参数有较为严格的要求，使用“外部参考方式”求解的情况并不常见，这也正是本文研究和探讨的方向。使用数码相机获取的部分外部参考如图2所示。

6 创建模型

将草绘拟合至某个视图是用草绘创建良好模型集合过程中非常重要的一步。在开始跟踪曲线前，拟合草绘可保证正确定位和缩放几何。为了拟合草绘，必须确定原点并指定草绘比例。

6.1 使用跟踪草绘

图2

新建文件后，首先进入造型模式，执行菜单栏中的“造型>跟踪造型”命令，打开“跟踪草绘”对话框。在“文件”菜单中的“打开场景”和“打开草绘”命令可以打开草绘文件或场景文件。在“草绘”菜单中有多个命令，将某草绘插入到一个视图中，首先选取该视图，然后单击“+”按钮。该操作也可以替换视图中任何现有的草绘，如图3所示。

图3

注意：在进行跟踪草绘之前，要先定下比例尺，可以根据零件的实际长度做一条或多条草绘直线限定，也可以在拍摄的时候置入“比例尺段”，两种方式都是可行的，本次设计在进行中都做了准备，而阐明过程则选用前者——画好实际长度来限定外部参考图形的尺寸和位置，如图4所示。

图4

6.2 插入图片并且与实际比例拟合

在“跟踪草绘”对话框中单击一个要插入图片的视图，在弹出的“打开”对话框中选择要打开的文件，然后单击“打开”按钮，此时图片被插入到了指定的平面，而跟踪草绘对话框中的选项已经被激活。在“拟合”选项区中有两个拟合方式：“水平”与“垂直”。在图片上会出现几条黄色的标线，可以直接拖动，如果在文本框中输入了数值并单击“拟合”按钮，标尺距离自动缩放至输入的数值。对于标有尺寸的图片，拟合能让图片精确地缩放，首先拖动标杆到尺寸标准箭头处，然后输入拟合尺寸，单击“拟合”按钮后即可完成缩放;本例没有原始的工业设计稿，只能通过步骤1中的草绘尺寸线进行拟合，可以看到蓝色的草绘线条已经限定了外部参考的尺寸和位置，如图5所示。

图5

6.3 属性调整

打开“属性”选项卡，其中有多个可调整的项目。

6.3.1 透明

透明度的范围在“0～100”之间，通过调整转轮来控制。“0”表示完全不透明“，100”表示完全透明。系统默认为半透明。至于设置的数值，需视图片情况而定。

6.3.2 旋转

旋转角度范围是“-180°～180°”，旋转中心在图片上的原点，而不是模型坐标系原点。旋转中心在蓝色交叉线的交汇处，可以用鼠标随意拖动。根据右手定则，正值为逆时针旋转，负值则是顺时针旋转。

其次，要保持农村生态环境的良性循环。在乡村振兴战略实施的过程中，更要把精力投入到保持农村生态环境的治理当中。良好的生态环境既是新时期农村风貌体现，更是维持农村长期发展的前提，是十九大精神明确指出的具体要求。

6.3.3 移动

移动分为H（水平)、V（垂直)两方向，这两个方向与拟合时的两个方向相同。

6.3.4 缩放

和“移动”方式类似，“缩放”功能也可用于调整H、V方向的尺寸。不同的是：“移动”方式调整的是整个图片对于所处平面的位置，而“缩放”方式调整的是图片自身的尺寸。

6.4 建模

建模过程所涉及的是Pro/E最基础最底层的知识，这里不做赘述。需要指出的是，描点过程中，尽量圆整尺寸，使零件外型尽可能的符合原始设计意图。最终实体如图6所示。

图6

7 进行运动仿真，以验证结果的可靠性

所有零件实体模型完成后进行装配，然后对完整的机构进行运动分析，Pro/E可进行的分析类型有位置分析、运动分析、动态分析、静态分析、力平衡分析等等，本次设计选取了其中几种分析类型来验证机构的合理性和逆向工程数据的可信性，这里也不做过多阐述，只截取开、合二装状态的图片表明结果是可靠的。其实体如图7所示。

图7

8 结语

8.1 逆向工程的优势

与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程的应用前景已经为大多数的工程技术人员所关注，这对提高我国制造行业的整体技术水平进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用。目前，逆向工程技术的应用优势主要有以下几个方面：

（2) 以实物模型作为设计依据（即本文所述);

（3) 艺术设计领域。

8.2 逆向工程技术存在的问题

目前逆向工程的研究受到广泛重视，是CAD/CAM研究的热点。但是其技术仍在发展中，还存在许多问题有待解决。通过本次设计，结合以往经验，综合来看仍存在下列问题：

8.2.1 对实物外型的测量仍存在误差和遗漏

测量过程仍是一种无指导的行为，例如本次设计中使用数码照片作为外部参考，不可避免要存有景深，特别是大型零件问题尤其突出，如何在建模过程中抵消这些影响最终数据准确性的不利因素，目前还没有十分有效的方法，只能通过工程技术人员的经验予以干涉，尽可能的达到最优解。

8.2.2 工具购入成本较大，通用性较差

首先需要有足够的资金选配出合适的逆向工程设备，包括软件和硬件。对具体的流程，多数企业和研究单位只能选配一种方式的设备和软件，如选择接触测量和非接触测量等。由于不同的测量方法和设备包括软件都具有其特点和不足，适用于不同的应用范围，使技术的通用性受到一定限制。

8.2.3 人员专业性很强

逆向工程技术的应用仍是一项专业性很强的工作，各个过程都需要要专业的人才，需要经验丰富的工程师，特别是对三维重建人员有更高的要求（本次设计并没涉及到高难度的三维重建，如复杂的注射件)。除了要了解产品的特点、制造方法和熟练CAD软件、逆向造型软件外，还应熟悉测量设备，了解数据特点。

8.2.4 CAD软件功能有待完善

尽管现在已有多种专用的逆向工程软件进入市场，但目前软件的数据处理技术、造型技术仍不完整。模型质量的高低仍直接受操作者的经验、水平影响。

[1]张国亮.Pro/ENGINEER中文野火版逆向工程专家实例精讲[M].北京:中国青年出版社,2007.

[2]林清安.Pro/ENGINEER野火3.0中文版动态机构设计与仿真[M].北京:电子工业出版社,2007.

[2]林清安.Pro/ENGINEER野火4.0中文版工程图制作[M].北京:电子工业出版社,2008.

Reverse Engineering Implementation of Curved Surface Holding Mechanism by External Reference

Cao Bingqi,Cao Yue

The paper introduces the design concept of the reverse engineering implementation of curved surface holding mechanism by external reference with emphasis on the operation procedure of reverse engineering on Pro/E software.Firstly,data are collected and a draft is plotted by tracking.Then relevant graphics are inserted in practical scale to establish a model.The relevant analysis type is selected by motion simulation mode.Finally the reliability of the complete curved surface holding mechanism is tested.The paper also analyzes the advantages and existing problems of reverse engineering.

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（收稿 2010－05－24 责编 赵实鸣)

曹丙起，工程师，1983年毕业于天津大学机电分校机械制造工艺与设备专业，现任天津轧二制钢有限公司副总经理，主管设备工作。