逆向工程技术在水泵叶轮测量中的应用.doc

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逆向工程技术在水泵叶轮测量中的应用
程新平 李力 张科 鞠俭
（新疆科力先进制造技术有限责任公司　
新疆工业设计与快速成型生产力促进中心，乌鲁木齐）
摘　要：本文通过水泵叶轮扫描测量及三维模型构建这一实例，介绍了逆向工程的概念和基本原理；讨论光学扫描仪在逆向工程中扫描测量的优势；讨论了利用逆向工程软件Imageware对水泵叶轮点云数据处理及UG NX进行曲面创建和三维造型的过程，以及利用逆向工程技术检测数控加工的水泵叶轮加工精度的方法。
关键词：逆向工程 光学扫描仪 点云 Imageware UG NX
随着市场竞争的日趋激烈，以及计算机、微电子、信息和自动化技术等高新技术的迅速发展，并在制造业中越来越广泛的应用，先后出现了数控加工、柔性制造系统、计算机辅助设计/制造、制造资源规划、精益生产、敏捷制造、可重组技术、逆向工程技术、快速原型制造等多项先进制造技术与制造模式。制造业正经历一场新的技术革命。目前制造技术已发展成为一个蕴涵整个生产过程，跨学科高度复杂的集成技术，逆向工程技术正是其中重要的一项。
1、逆向工程简介
逆向工程（Reverse Engineering）也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型，从而实现产品设计或制造的过程。与传统的设计制造方法不同，逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确、快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数控编程，直至CNC加工机床或快速成型机来制作产品。
逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：
（1）新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计。
（2）现成零件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维数字化模型。
（3）损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制。
（4）产品的检测，例如检测产品的变形分析、焊接质量等，以及对加工产品与三维数字化模型之间的误差分析。
逆向工程技术为快速制造提供了很好的技术支持，它已经成为消化吸收和二次开发的重要、快捷的途径之一。逆向工程主要包括两方面内容：数字化技术和曲面重构技术。数字化技术是利用三维扫描测量仪采集实物或模型表面数据；曲面重建是根据测量所得到的几何表面的一系列点数据，构造出形体曲线、曲面，最终重构三维模型。
逆向工程作为对已有产品进行数据测量拟合、分析、改进设计和实现新产品开发的一种重要手段，有效地支持了新产品响应市场的速度。可以输出快速原型制作及模具加工的多种数据格式，支持不同用途。
2、 水泵叶轮的三维数据测量
2.1数据采集实施条件　　随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的物体表面几何数据获取方法，检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，使用较多的有德国、英国、意大利、美国等国家生产的三维扫描仪和三坐标测量机。从测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测量可分为硬测头和软测头，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息，比较常用的是三座标测量机（CMM）。非接触式测量可分为光学法、工业CT、超声波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中,光学测量法应用最为广泛。典型的光测头则是应用光学及激光的原理进行的，有激光扫描、光学扫描。
2.2 光学扫描仪在曲面扫描中的优势
实物的三维离散采样速度及数据质量是影响逆向工程技术应用的重要因素之一。三坐标测量机(CMM)是一种发展较为成熟的接触式测量设备,它具有噪声低、精度高(可达±0.5μｍ)、重复性好等优点.但测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度低密度。　　
由于近年在分区域测量技术上的突破，使得投影光栅法的测量精度得到进一步地提高，如德国GOM公司的ATOS流动光学三维扫描仪，测量速度大于43000点/ｓ，单幅照片可扫描点数最大可达400,000个点，单幅照片精度为±0.03ｍｍ，整体测量精度小于0.1ｍｍ/ｍ。光学扫描仪尤其便于复杂曲面的扫描，而CMM只能测量复杂曲面上有限的点，不能完整反映出曲面的形状，虽然其测量单点精度较高，但用有限的点去描述复杂曲面来说反而整体精度大大降低，而光学扫描仪恰恰相反。另外，光学扫描仪还具有测量范围大、携带方便等优点。ATOS光学扫描仪配合高分辨率数码照相系统扫描范围可达8m×8m甚至更大。并且可以很方便地移动到实物现场工作，不仅适于复杂轮廓的扫描，而且常用于汽车、摩托车内外饰件的逆向造型工作。
在此采用德国GOM公司的ATOS光学扫描仪（ATOS I 600 EU）进行数据采集，测量精度0.1mm/0.5m，扫描方式：光栅原理及GPS定位原理。ATOS扫描仪在测量时，可随意围绕被测物体移动，利用十一幅不同宽度的光栅反射信息，再经数据影像处理系统计算处理得到实物表面点数据。
2.3水泵叶轮扫描的前期准备工作
为了方便叶轮扫描和扫描的准确，需对叶轮作必要的前期准备，如贴参考点、物体表面喷涂显像剂和仪器和软件校准等。
2.4水泵叶轮扫描过程
叶轮整个外形都需要扫描，因此叶轮无法一次性扫描完成。根据叶轮的形状（如图一所示），把零件分成上、下两部分，分别进行扫描，然后在ATOS软件中通过公共参考点把分别扫描的两个文件合并为一个整体。

图一 水泵叶轮实物照片
叶轮外形大致尺寸为φ370X85，在对ATOS扫描系统进行校准后，对水泵叶轮上下部分多个角度不同方位进行扫描，扫描软件依据参考点，把每幅扫描照片自动进行拼合，最终完成整个叶轮外形的扫描。图二为扫描完成后，经过点云对齐、三角化、光顺和稀化，得到叶轮外形点云文件，并输出*.STL文件，以便Imageware软件对点云进行后序处理。

图二 ATOS扫描仪扫描的水泵叶轮原始点云
3、用Imageware和UG NX对点云进行处理及三维重构
首先要确定叶轮基本构成形状的曲面类型，然后，采用 Imageware软件来做逆向处理，处理数据的流程遵循点——曲线——曲面的原则。
3.1用Imageware软件对点云数据进行处理
Imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征，作出一些辅助的基准，以便把叶轮点云进行方位对齐，为提取截面线做准备。
叶轮的点云数据中含有许多杂点，因此需把杂点过滤掉。并对点云数据进行优化，删除不必要的数据点。适当降低点云的密度，加快计算机处理的速度。
3.1.1特征线的提取
特征线的提取是整个曲面重构的关键。根据叶轮外形特点，划分出二次曲面的区域，如：平面、圆柱面、球面等，并对叶轮点云进行分割，并且把这些二次曲面拟合构造平面、圆柱面和球面；或直接作出特征，平面可以用三点或两相交直线来确定，圆柱面以截面线和矢量来确定等。对于自由曲面，需构造出曲面的特征线，先对叶轮点云的作必要截面线，然后剔除截面点云的杂点和进行必要的光顺，最后把截面点云上拟合成曲线，以便构造自由曲面。
叶轮与轴连接部位是内螺旋槽，测量十分困难。在此关键是做出螺旋线，然后，测量出螺距，最后，在UG NX软件中构造标准的螺旋线。在此首先以孔的中心为原点作一个圆并投影在螺旋面点云上，产生螺旋截面线点云，拟合产生螺旋线，通过裁剪螺旋线得到半圈的螺旋线，通过查询两头端点的端点计算出螺旋线的螺距为29.86mm。为了求得的螺距更加精确，我们可多做几个大小不同的圆，计算求其平均值。
3.1.2特征线分析
为了保证重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，随时检测点云和曲线之间的偏差，调整特征线在偏差允许范围内，确保与原型的一致性，螺旋线偏差分析结果如图三所示。

图三 特征线的偏差检测
3.2　用UG NX软件构建曲面模型

图四 UG NX软件中完成三维模型
在UG NX软件中直接读取Imageware软件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UG NX中，并且保证坐标系的一致。对调入的曲线进行分析，并对曲线光顺处理，或对曲线进行重构和编辑，使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最终完成水泵叶轮三维造型(如图四所示)。

图五 三维模型和实测点云的检测图
完成水泵叶轮三维造型后，反过来可以把UG NX软件重构三维模型读入Imageware软件中，比较分析最终的重构三维模型和扫描的点云之间的偏差，通过用彩色云图将差异显示出来，很直观了解到曲面与点云之间的差异值。并且可以指定一个可接受的公差带，求出在公差带内点的数量。从而检测逆向扫描测量的精确性（分析结果如图五所示）。
4、利用逆向工程进行产品检验
不论用何种方法加工，都需要对其加工精度进行检验。利用传统的检测手段很难准确检测，因此同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。
如同上述方法对加工的零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数字模型一起调入逆向工程软件Imageware中，分析比较二个模型间的偏差，用彩色云图将差异显示出来，从而检测零件的加工精度。逆向工程技术不但在单件加工上可以很方便对复杂零件进行检测，而且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便，如手机的外壳就利用逆向工程技术很快的完成检测工作。
5、结束语
利用逆向工程技术在产品研究开发中，是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。利用光学扫描仪作为获取空间三维数据的手段，用逆向工程软件Imageware对获取的点云数据进行处理，其难点为曲线的构建、检测和修改，而只有满足曲线光顺，曲面才能光顺，曲面与点云的吻合精度又主要靠关键特征线的提取和构建精度来保证。
采用逆向工程技术，不仅能够得到实物的精确数字模型和复制品，而且可以进一步修改并生成新的数学模型和产品工程图，从而使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷，提高了产品创新的成功率、质量和缩短了开发周期。
参　考　文　献
[1] 姜元庆，刘佩军 《UG/Imageware逆向工程培训教程》
[2] 洪如瑾 《UG NX CAD快速入门指导》

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