摘要：采用意大利COORD3 公司的AERS 三坐標測量機采集數(shù)據(jù)，利用英國DELCAM 公司的CopyCAD 軟件系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，導入中國北航- 海爾的CAXA 制造工程師軟件系統(tǒng)重構曲面，并生成NC 程序，從而實現(xiàn)零件的快速制造.
關鍵詞：逆向工程；曲面重構；CAXA；快速制造
1 引言
美國等發(fā)達國家把敏捷制造技術列為21 世紀制造業(yè)發(fā)展的策略，也逐漸得到世界上其他國家的普遍重視. 作為敏捷制造技術重要分支的逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一. 逆向工程技術在加快產品開發(fā)速度、降低成本以及借鑒和吸收現(xiàn)代高新技術成果方面越來越顯示出強大的威力，已經(jīng)成為人們實現(xiàn)產品概念設計與復雜設計的有力武器.
逆向工程技術主要包括采集數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)處理、造型以及加工制造等幾個步驟. 其中造型是逆向工程的關鍵技術. 由于逆向工程技術源于美國等發(fā)達國家，其造型軟件習慣上都是用美國Imageware 公司的Surfacer、PTC 公司的Pro / E、EDS 公司的UG/PointCloud，法國Matra 公司的Strim 100，英國Del-CAM 公司的CopyCAD、Renishaw 公司的Trace 等.
這些國外原版的CAD/ CAM 應用軟件價格昂貴、語言交流存在障礙、后續(xù)服務不到位、人員培訓不足、技術問題溝通不便，且與我國工程設計的標準、作圖方法和工程習慣有所不同，給我國企業(yè)的工程技術人員開發(fā)和應用帶來極大的不便.
本人經(jīng)過長期的調研和實踐，采用中國北航-海爾的CAXA 制造工程師軟件（ 以下簡稱CAXA）重構曲面，并生成NC 程序，能較好地完成零件的造型，且易掌握.
CAXA 是北航海爾軟件有限公司和青島海爾集團研制推出的，它的造型方法分為三大類，即線架、曲面和實體. 這三類造型方法各有特色，可以獨立造型，也可以混合造型，并提供了十二種數(shù)控加工刀具軌跡生成方法，形成強大、實用的加工編程能力，足以對付平面和各種復雜曲面的加工，只要由三軸銑加工出來的曲面，CAXA 都能進行刀具軌跡生成并自動生成數(shù)控加工的NC 代碼，從而在數(shù)控機床上直接進行切削加工.
本文以一塑料殼體外表面的逆向工程設計、制造為例，采用意大利COORD3 公司AERS 三坐標測量機采集數(shù)據(jù)，利用英國DELCAM 公司的CopyCAD軟件系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)，導入中國北航- 海爾的CAXA重構曲面，并生成NC 程序，從而實現(xiàn)零件的快速制造.
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2 逆向工程及其流程
逆向工程的流程通常是首先利用3D 數(shù)字化測量儀器準確、快速地測量出現(xiàn)有工件（樣品或模型）的輪廓坐標，再通過各種軟件對曲面進行建構、編輯、修改，傳至CAM 系統(tǒng)，生成NC 程序，最后送至CNC 加工機床制作所需模具，或送到快速成型機（Rapid Prototyping）將樣品模型制作出來. 其工藝流程如圖1 所示.
其中，三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、曲面重構是逆向工程的三大關鍵技術. 本文也主要圍繞這三個方面來分析.
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3 三維數(shù)據(jù)的采集
在逆向工程中，準確、快速、全面地獲取實物的三維幾何數(shù)據(jù)是實現(xiàn)逆向工程的基礎. 隨著傳感技術、控制技術、制造技術的發(fā)展，出現(xiàn)了各種各樣的數(shù)據(jù)采集方法，主要有接觸式、非接觸式和破壞式三大類，其中代表性的數(shù)據(jù)采集設備有三坐標測量機（CMM）、光學掃描儀和斷層掃描儀.
本次測量采用了意大利COORD3 公司AERS的三坐標測量機，通過對長49 mm、寬120. 8 mm、高74. 7 mm 的塑料殼體外表面進行多向有序掃描，掃描點達10 339 個，得到數(shù)據(jù)點云. 該點云以文本文件格式（. txt）存盤，可供CopyCAD（圖2）、Pro / E、UG等應用軟件使用.
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4 數(shù)據(jù)處理
數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關鍵一步，其處理效果將直接影響后期模型重構的質量. 本設計采用最簡潔的方法，即通過人機交互判別明顯壞點，然后將壞點、噪聲點去除. 接著對曲面的特征點、特征線進行判定，獲得滿意的曲線，并光順處理，為下一步曲面重構作好準備.
考慮到CAXA 不能直接讀取文本格式的點云文件，而Pro / E、UG 等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時，也會因為數(shù)據(jù)龐大，造成一定的困難. CopyCAD 讀取點云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較快，點線擬合容易，因此數(shù)據(jù)處理選擇在CopyCAD 中進行.
具體操作步驟如下：
在CopyCAD 軟件中，利用標準工具欄中的Point Editing，選中并刪除壞點，單擊Triangle Generation，用其子工具欄的Triangulation Wizard 作出三角形模型；利用Model Editing，限制模型周邊多余三角形；再單擊Triangle Editing，選中并刪除壞的三角形，最后得到所需三角形模型（圖3）. 單擊標準工具欄中Curve Generation，利用Boundaries、Horizonline、Discontinuities、Scan lines 或Triangle ModelCross Section 等曲線生成方式，生成曲面重構所需的特征曲線. 最后單擊Curve Editing，用其子工具欄的Curve Smoothing 進行光順處理.
為了使下一步CAXA 的曲面重構中能重構出光順、誤差極小的曲面，我們還必須由CopyCAD 得到足夠的特征曲線（圖4），并保存為曲線文件（. igs 文件）.
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5 曲面重構
進行面的擬合時，CopyCAD 所提供的工具較少，且面的質量不高. 在很多時候，它做成的面，常需要在PowerMILL、PowerSHAPE 軟件中修改. Pro /E、UG 做的面質量較高，但是軟件使用難度大. 綜合考慮，我們選用CAXA 重構曲面.
在CAXA 中打開上述由CopyCAD 導出的曲線文件（. igs 文件），利用其邊界面、網(wǎng)格面、放樣面、導動面等曲面工具進行分片曲面造型，最后進行曲面過渡、拼接、縫合等操作，形成理想曲面.
CopyCAD 導入的每條特征線，CAXA 都認為是獨立曲線，且線上的每一點都可以用最近點進行捕捉. 更為重要的是，CAXA 曲面造型不需要草圖，因此導入的每條特征線一般都可直接用來重構曲面.若某些特征線不符合曲面造型條件時（ 如邊界面要求曲線首尾相連等），則可方便地對它們進行如曲線裁剪、過渡、打斷、組合、延伸、刪除等編輯處理.
當然，也可以通過捕點方式，利用曲線工具，如直線、圓弧、圓、樣條線等重繪曲線. 由于曲線是由CopyCAD 導入的或通過捕捉導入的特征線上的點繪制的，因此只要在CopyCAD 中控制好特征線誤差，就可簡便地得到誤差很小的曲面（圖5）.
造型中遇到最沮喪的事莫過于費了好大力氣造出的曲面根本不光順. 筆者的心得是：某些導入的曲線由于本身的原因，或在導入過程中數(shù)據(jù)丟失造成不光順，這時可用樣條曲線工具，利用端點、最近點在原曲線上捕點重新繪制. 這也是我為什么強調在CopyCAD 中要取得足夠特征線的原因（少了不好補，多了可刪除）. 捕點的數(shù)量及位置需通過經(jīng)驗判定，前提是保證光順及誤差小. 若要檢驗曲面的光順程度，可將曲面存成*. igs 文件，再在Pro / E 中進行著色曲率分析（圖6）.
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