刍议Pro/E软件的反求工程技术与应用

姚辉

摘要：文章在概述反求工程与Pro/E软件特点的基础上，对Pro/E软件的反求设计方法进行研究，结合实际案例，对Pro/E软件的反求工程应用进行探索。实践证明，Pro/E软件的反求工程技术应用，可以有效缩短产品开发周期，降低产品研发成本，综合效益良好。

关键词：Pro/E软件；反求工程；反求设计

中图分类号：TB472 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2014）15-0030-03

1 反求工程与Pro/E软件特点概述

反求工程，指的是在没有具体工程图纸的条件下，依据实际物体模型并进行测量，对测量信息进行分析与处理，构造其CAD模型过程，通过实际模型反求出设计模型的一种过程。具体而言，反求工程是通过对实际物体的测量，获得一个实体模型或一个曲面，通过应用CAD/CAM技术进行修改与重构，在重构自由曲面与建立相应CAD模型后，通过相应操作可以进行零件设计、模型修改、模具设计、生成数控加工指令等。反求工程，即逆向工程，其与传统产品设计存在着较大差异，主要包括形状反求、工艺反求与材料反求等内容，属于一种消化与吸收先进技术的方法与技术组合，在提高技术水平、生产效率、增强企业核心竞争力等方面发挥着重要作用，在现代工业与医学领域获得广泛应用。

Pro/E软件完全建立于CAE/CAM集成软件的基础之上，在三维造型领域发挥着重要作用。Pro/E软件改变了传统应用线框与表面模型转换实体模型的方法，而是通过三维实体模型对产品模型进行描述。Pro/E软件本身具有着唯一的关系数据库，在设计过程中，其设计环节均是在一个数据库之下进行，如工程图出现修改或变动，则三维模型会出现改变，NC加工刀具路径则会自动更新。Pro/E软件具有参数化与特征设计三维实体造型技术，可以实现产品概念设计，有利于构建零件族概念库。Pro/E软件与CAD系统存在着很大差异，其功能更为强大，并提供工业机械设计、模型设计、机构分析、有限元分析及关系数据库，其软件支持与绝大部分CAD/CAM软件进行数据交换，可以输入输出数十种数据文件，属于一种十分理想的反求工程设计与制造软件。

2 Pro/E软件的反求工程技术研究

2.1 Pro/E软件的反求数据获取

Pro/E软件反求中的数据获取是关键所在，指的是采取一定的测量方法或测量设备，对实体表面若干组点的空间三维坐标进行测量作业，从而获得“数据点云”。Pro/E软件的反求数据获取方法主要包括以下途径：

（1）三坐标测量。三坐标测量仪是一种典型的接触式测量方式，尽管其效率比不上非接触式，但其高精度、高智能化都使得在产品反求工程中获得了广泛的应用。在使用时，将被测产品放置于测量仪可及的测量范围内，测量头在实体产品快速移动，通过传感器将路径点坐标值进行纪录。三坐标测量仪对产品颜色、材质以及光照条件等不存在特殊要求，其精度可以达到30μm，尤其在外形较为简单，内腔不复杂的产品中具有良好的应用效果。

（2）CT扫描测量。CT扫描测量以X射线衰减系数为测量依据，对被测物品进行断层截面扫描，通过重建断层截面图像，按照断层图像位置进行物体三维信息构建。CT扫描测量属于一种非接触式数字化测量技术，可以实现对被测物体内部形状与结构的无损测量，其操作设备造价较高，设备体积较大，限制了该技术的推广应用，然而其技术可以对物体内部结构进行透视，可以在不解体与非接触的条件下实现内部结构及形状测量分析，其未来应用前景较好。

（3）数码照相测量。数码照相测量其获取物体三维坐标值主要是依据同一个三维空间点在不同空间位置的两个或多个摄像机拍摄视差与摄像机位置空间几何关系来确定，通过应用两个或两个以上相机对目标特征点作测量，其测量技术的实现存在着一定困难，主要为数字图像提取与匹配精度问题。

Pro/E软件的反求数据获取除了测量技术以外，还包括激光扫猫仪测量、声学法、磁学法等。

2.2 测量数据处理

反求工程中的数据处理是一项重要环节，对数据处理结果的优劣将会对后续的曲面重构的质量和效率产生直接影响。在数据获取过程中多存在着一些无用数据，这主要是由于受到人为因素、设备因素及其他因素的影响，这些无用的数据将会对后续处理精度带来干扰。而数据处理常用的方法主要有数据排序及矢量化、数据滤波、坐标变换以及数据的简化等，测量数据是数据处理的主要对象，在完成对其测量编辑之后，可以根据不同条件和需要，采用多种格式进行输出。在反求工程中，采取人机交互方式进行数据噪声去除较为方便，然而其方法无法对大量的数据点云进行有效处理，而分块滤波技术则是当前在噪声点过滤处理中速度较快、精度较好的一种，其工作原理是通过对实体表面特征分界点与几何特征元素进行提取，按照一定顺序将其曲面分块处理，对各种数据及特征元素进行噪声判断并过滤处理。在实际工程中无论是接触式测量法还是非接触式，所得到的点云基本上都具有一些规律，因此，我们可以根据这些规则信息并针对其不同特征，采取相应的处理方法。

2.3 三维建模研究

从本质上来看，点云数据的处理过程即是建立于离散点云数据的三维建模过程，数据点云的处理多采取数据调整、数据密度修改、复制区域修剪、数据光顺处理、尖角保留等手段。产品反求工程三维建模质量是由曲线、曲面拟合是否光顺及拟合曲线链接是否光滑来决定的。由此可以看出，三维建模时应充分重视曲线与曲面光顺处理。

曲线光顺的条件主要包括三个，分别为曲线二阶几何连续、曲率变化具备均匀性、曲线不存在多余拐点与奇点。在三维建模时，为确保曲线光顺，首先应对曲线中坏点进行找寻，进行坏点坐标值修改，然后进行曲线粗光顺处理，让曲线中曲率基本保持一致，确保曲线单凹性或单凸性，最后对曲线进行精光顺处理，保持曲线中每个曲线段其曲率变化基本一致。

曲面光顺的条件主要包括曲面关键曲线光顺、曲面高斯曲率变化具备均匀性，曲面中网格线不存在多余拐点。在三维建模处理时，为做到曲面光顺，多采取以下处理措施：对曲面纵向曲线进行光顺处理，在新型值点的基础上生成曲面横向样条曲线，并对其进行光顺处理，再一次生成曲面纵向样条曲线并进行光顺处理，通过检查与调整，确保曲面所有纵向与横向样条曲线可以满足光顺要求，在保证其处理光顺的基础上，构造光顺曲面。

应用Pro/E软件，执行Datum Point /Offset Csys命令输入数据点云，在Scantool模型下连线，在连线过程中，应保证变化趋势较小的地方其数据点较少，消除明显偏离整体趋势的点，从而避免因过多点引起曲线不光顺问题。完成3D Curve线后，通过Create/Surface/Advanced构建3D光滑曲面，在构建3D光滑曲面的过程中，应充分重视面与面之间是否光滑，可以通过Analysis对曲面曲率与曲面光滑度进行综合评价，应用Create/Protrusion/Use Quilt将构建曲面生成为实体，从而实现三维建模。在构建三维模型后，可以通过Pro/E软件中的View/advanced Photo render对三维模型进行渲染，通过软件分析方法对所构建的模型进行分析，确保其曲线、曲面精度，保证模型构建质量。

2.4 产品制造

应用Pro/E软件，将构建的三维模型导入到软件中的Manufacturing模块，可以进行模型NC加工，通过Pro/E软件NC加工G代码输入到加工中心，从而进行产品加工；应用Pro/E软件Part模块，可以导出STL文件并应用快速原型制造系统进行原型制造；Pro/E软件Model模块支持磨具设计作业，可以生成磨具型腔与型芯，从而进行零件生产。

3 Pro/E软件反求工程具体应用研究

以牙齿作为Pro/E软件反求工程研究对象，牙齿数据点云采集采取CT扫描方式，对其软件反求应用进行研究，具体反求过程为：应用Pro/E软件进行CT扫描数据点云读取，并对数据点云进行处理、编辑，最终形成曲线、蒙面、构建牙齿模型。具体步骤为：第一步，将CT扫描数据点云导入到Pro/E软件，通过数据处理获取精确数据点云，具体如下图1所示：

第二步，在上图中选择出代表牙齿齿形轮廓线的数据点并提取，应用Pro/E软件将Scantool模块作连线处理获得其轮廓线；第三步，执行Pro/E软件相应指令，构建牙齿曲面与平底面；第四步，将曲面与平底面进行合并处理，通过软件Protrusion Use Quilt Solid将合并曲面转为齿形实体。

4 结语

反求工程技术为产品制造与模型构建提供了一种新的方式，其技术应用在提高企业技术水平、缩短产品研发周期、提高企业市场竞争力等方面具有着重要现实意义。本文在概述反求工程与Pro/E软件特点的基础上，重点从数据采集、数据处理、三维建模、产品制造四个方面对Pro/E软件反求工程技术进行探究，结合实际案例，对Pro/E软件的反求工程技术的应用进行研究，实践证明，Pro/E软件的反求工程技术应用综合效益突出，其应用前景广阔。

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