毕业设计（论文）铝合金转向臂反向工程.doc

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1、目 录中文摘要1英文摘要.21 引言31.1 反向工程简介31.2 反向工程数据的测量与处理41.2.1 反向工程数据的测量41.2.2 反向工程数据处理51.3 CAD模型重建技术61.4 反向工程的应用61.5 反向工程的研究现状和发展71.6 反向工程的意义81.7 课题的来源、内容和意义82 CAD曲面模型的构建102.1 点云的采集102.2 Imageware软件概况102.2.1 软件简介102.2.2 软件优点112.3 点云处理122.4 点云三角形网格化132.5 关键曲线的创建142.5.1 曲线创建原理142.5.2点云关键曲线的构建142.6曲面的构建162.6.1

2、曲面构建原理162.6.2 几个关键曲面的构建172.6.3 曲面的质量192.7 曲面倒角202.8 曲面的修剪212.9 整体曲面质量评估223 创建实体数据模型244 转向臂反向工程总结与展望264.1 全文总结264.2 结论264.3 展望26谢辞28参考文献29铝合金转向臂反向工程作者 王鹏摘要：随着计算机的发展和人们对产品要求的增加，CAD/CAE技术得到了广泛的运用，反向工程就是现在产品和模具设计的主要方法之一，由此得到的精确的产品的CAD模型，为获得高效、高精度的模具、产品的设计和制造方法提供了一种新的途径，本课题的研究正是这一现象的具体体现。本文以具有代表性的复杂的曲面结构

3、的转向臂为研究对象，首先利用激光扫描设备对转向臂零件进行实物扫描，获得零件的点云；其次，利用逆向工程软Imageware12.1对所得的点云进行处理，运用三维建模技术构建关键曲线，将拟合的曲线形成平面或曲面，再由曲面构造成三维实体；再其次，将所得的实体数模利用软件自带的评估功能进行评估，使数模与点云的误差控制在合理的范围之内；最后，通过三维造型软件的细微处理，得到了比较完整的数模。关键词：转向臂；反向工程；点云；Imageware；CAD曲面模型Reverse engineering of aluminum alloy steering arm Abstract:With the develo

4、pment of the computer technology and the increasing of product requirements, CAD/CAM technology has been widely used, and reverse engineering is one of the main methods of product and tool design. Thus the precise CAD model was made, and it provided a new way for efficiency, high precision mould, pr

5、oduct design and manufacturing method, and then this study was the concrete manifestation of this phenomenon. Tthe steering arm is a representative complex structure. Firstly, a laser scanning equipment was used to obtain the steering arm points data. Secondly, the data of points were pretreated by

6、the RE software named IMAGEWARE 12.1. Three-dimensional modeling technology was used in establishing the key curve, then making curves form to plane or curved surface and establishing surface to get 3D entity. Thirdly, the author made a simple assessment on numerical model and error analysis between

7、 numerical model and data points to control error in the reasonable scope. Finally, through 3D modeling software fine processing get a relatively complete model. Thus the precise CAD model of steering arm was made. Keywords: Steering arm；Reverse engineering；cloud；Imageware；CAD surface model1 引言1.1 反

8、向工程简介“反向工程”（Reverse Engineering，RE），也称逆向工程、反求工程、三坐标点造型、抄数等。它是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转换为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造过程。它源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路1从广义上讲，反向工程可分以下三类：（1）实物反向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能反向、性能反向、方案、结构、材质等多方面的反向。实物反向的对象可以是整机、零部件或组件。（2）软件反向：产品样本、技术

9、文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。其有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。（3）影像反向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种反向称为影像反向2。目前，国内外有关反向工程的研究主要集中在几何形状的反向，即重建产品实物的CAD模型，称为“实物反向工程”。反向工程示意图如图1-1所示3。新产品数字化模型原始设计参数还原意图理解反向软件实物原型数据获取新产品计算机辅助分析产品创新设计产品数字化模型CAD系统

10、规律识别 改型设计原型修改图1-1 反向工程流程图1.2 反向工程数据的测量与处理1.2.1 反向工程数据的测量数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据，高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键4。现有的数据采集方法主要分为两大类： （1） 接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括

11、使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；通用性较强，适用于尺

12、寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能测量一些易碎、易变形的零件及被测零件的一些细节之处。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。 （2） 非接触式数据采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密

13、集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23000次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，如汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10m级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的

14、测量5。总之，在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离散点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法6。1.2.2 反向工程数据处理数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方

15、式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理7。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等8。每个CAD/CAM系统都有自己的数据格式，目前流行的CAD/CAM软件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了CMM与CAD/CAM系统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准（IGES、STEP、AutoCAD的DXF等）来实现数据通讯8。1.3 CAD模型重建技术CAD模型重建，即反向造型，是根据坐标测量机得到的数据点实物对象的模型。根据实物外形

16、的数字化信息，可以将测量得到的数据点分成两类：有序点和无序点（散乱点）。由不同的数据类型，形成了不同的模型重建技术9。目前较成熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常用的曲面模型有Bezier、B-Spline（B样条）、NURBS（非均匀有理B样条）、和三角Beizer曲面。反向工程的CAD模型重构过程主要包括：点处理过程、曲线处理过程和面处理过程，即点曲线曲面过程。这一部分的工作主要使用反向工程软件实现1，本课题要采用的反向工程软件为Imageware软件。1.4 反向工程的应用（1） 新产品的开发现在产品正朝着美观化、艺术化的方向发展，产品的工业美学设计逐渐纳入创新设计的范畴。为实现

17、创新设计，可将工业设计和反向工程结合起来共同开发新产品。（2） 产品的仿制和改型设计在只有实物而缺乏相关技术资料（图纸或CAD模型）的情况下，利用反向工程技术进行数据测量或数据处理，重建与实物相符的CAD模型，并在此基础上进行后续的操作，如模型修改、零件设计、有限元分析、误差分析、数控加工指令生成等，最终实现产品的仿制和改进。该方法可广泛应用于摩托车、家用电器、玩具等产品外形的修复、改造和创新设计，提高了产品的市场竞争力。（3） 快速模具制造为了在激烈的市场竞争中生存和发展，模具制造业引进了各种先进的设计技术。反向工程技术快速模具制造的应用主要体现在两个方面：一是以样本模具为对象，对其进行测量

18、重建CAD模型，在此基础上生成模具加工程序；另一种情况是以实物零件为对象，为了利用CAD/CAM技术来加工模具，首先要将实物转化为CAD模型，并在此基础上进行模具设计。（4） 快速原型制造快速原型制造，综合了机械、CAD、数控、激光以及材料科学等各种技术，已成为新产品开发、设计和生产的有效手段，其制作过程是在CAD模型的直接驱动下进行的。反向工程恰好可为其提供上游的CAD模型。两者相结合组成了产品测量、建模、修改、再测量的闭环系统，可实现设计过程的快速反复迭代。（5） 产品的数字化检测这是反向工程一个新的发展方向，对加工后的零部件进行扫描测量，获得产品实物的数字化模型，并将该模型与原始设计的几

19、何模型在计算机上进行数据比较，可以有效检测制造误差，提高检测精度。（6） 医学领域断层扫描先进的医学断层扫描仪器，如CT等能够为医学研究与诊断提供高质量的断层扫描信息，为人体器官的CAD模型提供了良好的条件。（7） 服装、头盔等的设计制造根据个人形体的差异，采用先进的扫描设备和曲面重构软件，快速建立人体的数字化模型，从而设计出头盔、鞋子、服装等产品，并使人们在互联网上就能定制自己所需的产品，同样可以应用于航空领域的宇航服等。（8） 艺术品、考古文物等的复制应用反向工程技术，还可以对工艺品、文物等进行复制，可以方便的生成基于实物模型的计算机动画、虚拟场景等10。除了以上提到的应用，在其他的应用领

20、域上反向工程技术也存在着巨大的潜能。1.5 反向工程的研究现状和发展在反向工程的基础研究方面，国内外已做了大量的工作，主要集中在CAGD领域的曲面重构和实体重构算法研究。国际市场目前已出现了不少商用的逆向工程软件系统。国内有关逆向工程的基础研究也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得了一定成果。在应用研究方面，被广泛应用于产品改型、仿型设计、产品检测和误差分析等方面。反向工程在数据处理、曲面拟合、规则特征识别、专用商业软件和三维扫面仪的开发等方面已取得非常显著的进步。但在实际应用中，整个过程仍需大量的人工交互，操作者的经验和素质影响着产品的质量，自动重

21、建曲面的光顺性难以保证，因此反向工程技术依然是目前CAD/CAE领域一个十分活跃的研究方向11。几何建模是反向工程的关键环节，同时也是影响反向工程速度的瓶颈环节，因此，提高反向工程几何建模的自动化程度和通用性是目前反向工程研究的一个重点方向。同样，提高反向工程系统的集成性也是非常重要的，当遇到CAD模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品时，就需要把数字化系统与CMM直接结合。另外，有些产品需要多次进行CAE分析（例如注塑模、注塑件的设计），由数据点直接产生CAE模型，这样可以极大地提高产品的设计、分析过程12。1.6 反向工程的意义反向工程作为吸收和消化现有技术的一种先进设计理念，其意义不仅

22、仅是仿制，应该从原型复制走向再设计。以现在的产品为原型，对反向工程所建立的CAD模型进行改进得到新的产品模型，实现产品的创新设计。CAD模型是实现创新设计的基础，还原实物样件的设计意图，注重重建模型的再设计能力是当前反向工程的CAD建模的重点。三维重建只是实现产品创新的基础，再设计的思想始终贯穿于反向工程的整个具体而详细的过程，将反向工程的各个环节结合起来，集成CAD/CAE/CAM/CAPP/CAT/RP等先进技术，使之成为相互影响和制约的有机整体，从而形成反向工程技术为中心的产品开发体系13。我国是最大的发展中国家，消化、吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的设计手段。反向工程技术产品的改

23、进设计提供了方便、快捷的工具，它借助先进的技术开发手段，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量、多品种的生产要求，从而是企业在激烈的市场竞争中处于有利地位。反向工程的应用对我国企业缩短与发达国家的差距具有特别重要的意义14。1.7 课题的来源、内容和意义1、 课题的来源：与某企业的合作项目。2、 课题的内容：对铝合金转向臂（如图1-2）进行测量、分析，再通过反向工程求得准确的CAD曲面模型，最后通过UG处理获得三维实体模型。3、 课题的意义：在只有实物，而没有图纸和参数的情况下，想要对实物复制，再加工生产，甚至是改进，就必然要进行反向工程建模过程。课题正是对此类问题的具

24、体研究。图1-2 转向臂实物图2 CAD曲面模型的构建2.1 点云的采集上文介绍了一些不同的点云采集方法，本课题采用接触式三坐标测量设备采集点云。利用KZ-50/P80b三维激光扫描仪对铝合金转向臂锻件进行扫描。在采集数据以前，要在锻件表面喷一层荧光粉，在喷洒时应注意厚度不要过大，只需要薄薄均匀的一层就可以。在扫描的过程中，注意不可干扰或移动被测物体，尽量保证外界光线的稳定，光线不可太强，否则会影响测量的精度和效果。数据采集时，通过变化角度，并观察电脑上的效果，来进行准确的数据采集，此过程需注意的是，对那些较复杂的区域要特别关注，尽量使该区域数据采集完全，否则会不利于后续的图形构建。扫描完成后

25、用.asc格式保存，以便Imageware软件进行处理。如图2-1为采集的点云，总体质量还可以。图2-1 采集的点云2.2 Imageware软件概述2.2.1 软件简介Imageware 由美国EDS 公司出品，后被德国Siemens PLM Software所收购，现在并入旗下的NX产品线，是最著名的逆向工程软件，Imageware因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有 BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford、Raython、Toyato 等著名国际

26、大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI、成都飞机制造公司等大企业。Imageware 软件特别适用以下几个方面：（1） 企业只能拿出真实零件而没有图纸，又要求对此零件进行修改、复制和改型。（2） 在汽车、家电等行业要分析油泥模型，对油泥模型进行修改，得到满意的结果后将此模型的外形在计算机中建立电子样机。（3） 对现在的零件工装等建立数字化图库。（4） 在模具行业，往往需要手工修模，修改后模具型腔数据必须及时地反映到相应的CAD设计中，这样才能最终制造出符合要求的模具15。2.2.2 软件优点（1）Imageware开创了自由曲面造型技术的新天地，它为产品设计的每一个阶段从早期的概

27、念到生产出符合产品质量的表面，直到对后续工程和制造所需的全3D零件进行检测，都提供了一个独一无二而又综合的进行3D造型和检测的方法。（2）Imageware的发展方向是将高级造型技术和创意思想推向广义的设计、逆向工程和潮流市场，其最终结果就是提供加速设计、工程和制造，以使集成、速度和效率达到一个新水平。（3）Imageware允许用户非常自由地凭直觉创建模型，同时在3D环境下快速地探究和评估形状设计。由于Imageware的开发专注于特定工业，所以它提供了直接的数据交换能力和标准3D CAD接口，允许用户很容易地将模型集成到任何环境。图2-2是Imageware 12.1的操作窗口。图2-2

28、Imageware 12.1的操作窗口2.3 点云处理上文已经介绍了一些点云数据获得的方法，无论是接触式测量还是非接触式测量，在扫描时都不可避免地会引入一些数据误差，尤其是在尖锐边缘和产品边界附近16。测量数据中的坏点可能会使该点及其周围的曲面偏离原始曲面，同时由于实物几何拓扑和测量手段的制约，在数据测量式会存在部分测量盲区，给后续造型带来影响。因此，需要在曲面重构前对点云进行一些必要的处理，以获得满意的数据，为曲面重构过程做好准备。此课题是利用接触式测量的方法获得点云数据，存在曲面复杂的区域，这导致获得点云数据会存在一定量的坏点，这就要求在构建曲面以前，必须对其进行处理，直至得到满意的点云数

29、据。点云的处理过程：对已经存在的物理模型进行分析决定什么是下游工程的需要用各种测量技术从模型中得到点的数据读入点云的设计（如有需要对齐点云数据）清除不需要的点规划创建面所需的点并显示这些点。如图2-3所示1。图2-3 点云的处理过程经过处理后会得到非常均匀精简的点云。如图2-4为处理后的点云局部图。图2-4 处理后的点云局部图2.4 点云三角形网格化将点云三角形网格化可以更直观的把点云显示出来，更加方便的在点云上进行曲面构建。在imageware12.1中使用命令构造/三角形网格化（M）/点云三角形网格化（C）即可进行点云三角形网格化。三角形网格化是一个缓慢的过程，之后会得到如图2-5所示的三

30、角形网格后的点云。图2-5 三角形网格化后的点云2.5 关键曲线的创建2.5.1 曲线创建原理点云三角形网格化后就可以在Imageware 12.1中创建制作曲面的关键曲线了。定义一条曲线的元素包括节点、控制顶点、阶数、段数、方向和起始端点。Imageware 12.1软件提供的曲线主要有：等参数化（Isoparametric Curve），曲面边界曲线（Surface Boundary），贝塞尔曲线（Bezier），B样条曲线（B-spline），非均匀有理B样条曲线（NURBS）等。曲线的处理过程：规划要创建曲线的类型由已经存在的点创建曲线检查和修改曲线。如图2-6所示1。在每一个点网络内

31、创建一条恰当的曲线检查曲面的精度和光顺性创建更精确的曲线，光顺存在的曲线每条曲线是否足够精确和光滑？ 否 是检查曲线连续性所有曲线需要或有某种连续性编辑曲线 否 是创建曲面 图2-6 曲线处理过程2.5.2点云关键曲线的构建本课题在构建曲线中主要采用了交互模式3D B-样条、圆（3点）、3点圆弧、直线等命令。以下是几条关键曲线的构建过程。（1） 转向臂侧面点云曲线的构建转向臂凹侧面可以看做一个整体弧形曲面，为了便于操作，将其分为三个部分，在每部分点云的中间位置利用交互模式3D B-样条做一条曲线，其操作及所得曲线如图2-7所示。图2-7 交互模式3D B-样条命令操作及构建的曲线凸侧面可从中间

32、圆柱体部分分为两部分用上述同样方法来获得曲线。（2） 圆柱体曲线构建圆柱体的曲线构建主要运用圆（3点）和3点圆弧命令来执行。在柱体地面用圆（3点）命令作的一圆，柱体侧面运用3点圆弧命令得到圆弧，如图2-8所示。 （a） 圆（3点）命令及其构建的圆 （b） 3点圆弧命令及其构建的圆弧图2-8 圆柱体曲线构建过程（3）平面曲线构建平面曲线由两条直线构成，采用直线命令执行，如图2-9所示。图2-9 平面曲线构建过程曲线构建后要对曲线进行编辑，进而为后续构建曲面创造好的条件。曲线编辑可以归纳为以下四步：（1）除去曲率为零的点。通过该操作去除“Inflection”点以压平曲线中存在的凸包或凹陷。（2）

33、修整曲线。通过减少控制点，以改变曲线相容性并松弛曲线。（3）重新参数化曲线。通过重新参数化曲线，可重新改变控制点的分布，以改善曲线光顺性。（4）曲线光顺性评估。这一步是来验证最终创建的曲线是否具有足够的光顺性，具体是通过观察曲率梳（该点处的曲率值）的连续性来判断该处的曲线是否光顺。如果没有符合光顺性要求，则需要通过移动曲线上的控制点来改变该处的曲率，直到获得满意的曲线为止。2.6曲面的构建2.6.1 曲面构建原理在构建曲面的时候我们一般从光顺性，精确度两方面来考虑，但这两方面往往是相冲突的。一般情况下，只要误差没有超过容许范围，更侧重于要求高质量的曲面。曲面构建流程是：规划要创建的曲面类型由已

34、经存在的曲线或者点云创建曲面检查和修改曲面，如图2-10所示1。和曲线的表示相同，Imageware软件曲面也主要由基于B样条曲线的曲面和基于非均匀有理B样条曲线的曲面等类型。定义一个曲面的参数包括正、负法矢面，U、V方向、控制点、阶次等参数。决定要创建的曲面类型每个曲面是否足够精确和光滑？检查曲面的精度和光顺性创建更精确的曲面，约束曲面到点云 否 是所有曲面都满足连续性的要求检查曲面连续性编辑曲面 否 创建曲面 是 图2-10 曲面构建的一般流程2.6.2 几个关键曲面的构建（1） 较光滑平面的获得在图2-9中通过曲线构建得到两条相互垂直的B-样条曲线，通过延长命令使两条曲线长度符合要求，如

35、图2-11。图2-11 样条曲线然后，对样条曲线进行控制点调整，尽可能使得样条曲线和点云之间的偏差较小。调整好之后就要利用扫掠命令扫掠出所需曲面。在扫掠的过程中，要正确选择路径曲线和轮廓曲线，如图2-12为扫掠命令和扫掠出的曲面。图2-12 扫掠曲面操作（2） 圆柱体侧面的构建将图2-8得到的圆和圆弧两条样条曲线编辑后，以圆周为路径曲线，圆弧为轮廓曲线进行扫掠，得到图2-13的扫掠曲面。图2-13 圆柱体侧面扫掠曲面（3） 曲线拉伸构建曲面在对凹槽里的面和弧形面进行构建时不适合用扫掠曲面的方式来进行操作，就可以选择用一条曲线纵向拉伸来获得曲面。对图2-7里的样条曲线进行拉伸操作可得到图2-14

36、的曲面，其中拉伸长度根据锻件的尺寸选为20mm，拉伸方向根据点云的合适位置选为X方向。图2-14 拉伸曲面2.6.3 曲面的质量（1） 编辑曲面要保证曲面质量，即曲面与点云的实际误差要小于0.1000mm。在扫掠或拉伸出曲面后应当对曲面进行编辑，使其尽量与点云靠拢直至重合。以扫掠出的平面曲面为例，先对曲面的B样条重新分配，把阶数和跨度调到适当的值。然后，修改样条曲线的控制点和曲线节点使曲面不断向点云靠拢，如图2-15所示。这是一个比较精细耗时的过程。图2-15 曲面编辑（2）曲面质量评估图2-16显示了在所创建曲面外的点在法向距离曲面的分布。从显示的情况来看，扫掠面的点云在法向距离曲面的数值较

37、小，符合精度。图2-16 曲面质量评估2.7 曲面倒角Imageware中将各个曲面构建完成后，就要对其进行相应的处理，让其连接在一起，如桥接、匹配、合并曲面、倒曲面圆角等。这里着重说倒曲面圆角。下面以转向臂较小头部两个侧面的倒曲面圆角为例。首先，执行命令构建/倒角/曲面，在弹出的对话框中选择要倒圆角的曲面，并对照点云选取合适的圆角半径，最后形成如图2-17所示的圆角。其次，进行曲面质量评估。图2-18显示了在曲面圆角外的点在法向距离曲面的分布。从显示的情况来看，扫掠面的点云在法向距离曲面的数值较小，符合精度。否则要通过调节圆角半径，以及曲面的交线来提高圆角曲面的质量。这个过程受创建曲面步骤的

38、影响很大，如果曲面创建的质量不高，或者曲面的交线不合理，会严重影响圆角曲面的质量。由于在创建曲面时，很难做到十分的精确，所以此时要不断的修改曲面，主要是为了得到合理的交线。图2-17 创建圆角曲面图2-18 圆角曲面的评价2.8 曲面的修剪各个区域都创建完以后，就要修剪曲面，将多余的部分删除。首先，将每个过渡曲面边界的曲线投影到相邻的曲面上，此时要视情况选择是沿着曲面法向还是视图向量来投影，如图2-19所示。其次，利用命令修改/分割/分割曲线，用点分割以及捕捉端点的方式，将曲线在相交处剪断，如图2-20所示。最后，利用命令修改/修剪/修剪曲面区域，将多余的曲面修剪掉，如图2-21所示。图2-1

39、9 投影曲线到曲面上图2-20 修剪曲线图2-21 修剪曲面2.9 整体曲面质量评估经过以上的操作步骤后，最终得到转向臂的CAD曲面模型，如图2-22、2-23所示。图2-22 俯视图图2-23 侧视图转向臂CAD曲面构建出来以后可以将其与原先的点云进行比较，即比较曲面与点云的偏差，如图2-24所示。图2-24 设定参数参数设定好后检测结果如图2-25所示。图2-25 点云和曲面的偏差从上图中可以看出，大部分曲面都是绿色的，这表示偏差较小，而黄色、蓝色大都出现在曲率变化较大的区域，这是由于在创建曲面时，此区域的曲面编辑较为困难，不容易保证精度；从整体来说构建的曲面与点云的偏差较小。由图可知，点

40、云到曲面之间的偏差的绝对值的最大值不超过1，符合要求。3 创建实体数据模型CAD曲面模型建立并进行质量检测后，接着就要被导入UG NX6.0进行缝合，最终得到三维实体数据模型。首先将IMW格式的曲面模型转换为x_t格式的模型，以便在NX6.0里被读取。文件被打开后运用缝合的命令对相邻曲面片体逐一缝合，选公差值为0.5000，如图3-1所示。图3-1 曲面片体缝合所有曲面片体缝合完毕之后，就要对模型进行检测，如图3-2所示。如检测有未缝合的面，则要继续缝合，有多余的面则要删除，最终得到一个三维实体模型，如图3-3所示。图3-2 模型检测图3-3 转向臂三维实体模型4 转向臂反向工程总结与展望4.

41、1 全文总结本文深入探讨了反向工程的基本理念以及基于反向工程技术的转向臂的CAD曲面重建过程，并最终通过UG得到三维实体模型的问题。（1） 在高科技日益发展的今天，反向工程技术具有很强的技术优势。（2）转向臂CAD曲面重构技术在Imageware12.1中的具体体现：点云数据的预处理，包括误差点、噪声点的剔除，点云数据平滑、光顺以及最终点云数据的坐标定位；关键曲线的创建，包括如何提取关键的界面线点云，截面点云的参数后处理，关键曲线的拟合，曲线参数化模型修改等；CAD曲面的重构，包括曲面的创建，曲面参数化修改，曲面质量的评估，曲面的倒圆角以及多个面相交过渡处的处理；曲面的评估。包括关键的参数设定

42、以及分析。（3）UG NX6.0强大的功能为三维实体模型提供了有利条件。4.2 结论反向工程在制造业得到越来越广泛的运用，反向工程的一些关键技术:如数字化技术、反向设计软件系统已日益完善。今后反向工程将在产品创新设计中发挥更大的作用。Imageware软件是一个专业的反向设计软件，具有十分丰富的反求设计功能，可以高效、高精度的构建CAD模型。本文借助于现有的计算机软、硬件技术条件，运用反向工程（RE）软件对煤转向臂进行CAD模型的重构，在使用Imageware建立转向臂的CAD曲面时，作者对点云进行了数据简化、误差点去除、关顺处理等操作，为后来数据处理的高效性和最终模型的精度提供了保证。在制造

43、领域，采用反向工程技术可以快捷的制作产品模型，并对外形进改良，可以得到形状美观，符合使用要求的产品，从而缩短研发的周期，提高经济效益。4.3 展望反向工程属于一门开拓性、综合性、实用性较强的技术，属于新兴的交叉学科分支，其不仅仅只在于仿制，更多的是进一步创新。在很多领域西方发达国家都领先于我们，而反向工程技术恰好为我们提供了一些学习创新的机会。我们可以应用这一技术去提高我们工业生产的水准，去缩短别人的技术优势。参考文献1 单岩，谢斌飞. Imageware逆向造型技术基础M.北京：清华大学出版社，2006.1-9.2 成思源.逆向工程技术综合实践M.北京：电子工业出版社，2010.12-17.

44、3 金涛，童水光.逆向工程及技术M.北京：机械工业出版社，2003.2-3.4 Ping Xueliang，Zhou Rurong，An Luling.Application of grey systerm theory to processing of measuring data in reverse engineering J.Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2003，1:36-415 杨雪荣，张湘伟，成思源，等.基于三坐标测量机的曲面数字化方法研究J.工具技术，2009,43（6）：1

45、09-111.6 Sabry F.El-Hakim，Nicolino J.Pizzi.Multicamera vision-based approach to flexible feature measurement for inspection and reverse engineering J.Optical Engineering，1993，32（9）：2201-2215.7 张学昌.逆向建模技术与产品创新设计M.北京：北京大学出版社，2009.41-45.8 刘伟军，孙玉文.逆向工程原理方法及应用M.北京：机械工业出版社，2008.5-6,48-49.9 柯映林.反求工程CAD建模理论、方法和系统.北