1、0引言傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣 , 再制造出產(chǎn)品我們稱 之 為 正 向 工 程 , 而 相 對(duì) 于 傳 統(tǒng) 的 設(shè) 計(jì) 而 言 “ 逆 向 工 程 ” (Reverse Engineering, RE, 也稱反求工程 、 反向工程等 , 指對(duì)已有的實(shí)物原型或 模型 , 利用 3D 數(shù)字化設(shè)備如實(shí)地測(cè)量出其表面的三維坐標(biāo)點(diǎn) , 并根據(jù) 這些坐標(biāo)點(diǎn)通過(guò)三維幾何建模方法來(lái)重構(gòu)原型的 CAD 模型及設(shè)計(jì) 、 制造產(chǎn)品的過(guò)程 。 逆向工程技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中得到了廣 泛應(yīng)用 。 與傳統(tǒng)正向工程相比 , 逆向工程具有設(shè)計(jì)精度高 、 開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)周 期短 、 易于開(kāi)展后續(xù)有限元分析 、 優(yōu)化

2、設(shè)計(jì)以及運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真工作等優(yōu) 點(diǎn) 。車(chē)身部件的逆向設(shè)計(jì)流程如圖 1所示 。圖 1車(chē)身部件的逆向設(shè)計(jì)流程此車(chē)身部件 (圖 2 逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)主要包括實(shí)物樣品模 型表面點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取 、 處理技術(shù)和隨后的部件件曲面重建技術(shù) 。 本文 結(jié)合 Geomagic Studio 軟件和 Siemens NX 4.0軟件 , 介紹了某 汽 車(chē) 車(chē) 身部件逆向設(shè)計(jì)的過(guò)程與方法 。圖 2車(chē)身部件實(shí)拍圖1采用 3DSS 系列三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù)3DSS 系列三維掃描儀采用一種結(jié)合結(jié)構(gòu)光技術(shù) 、 相位測(cè)量技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)視覺(jué)技術(shù)的復(fù)合三維非接觸式測(cè)量技術(shù) , 所以 3DSS 又稱為 “ 結(jié) 構(gòu)光三維掃描儀 ”。

3、采用這種測(cè)量原理 , 使得對(duì)物體進(jìn)行照相測(cè)量成為可能 , 所謂照 相測(cè)量 , 就是類似于照相機(jī)對(duì)視野內(nèi)的物體進(jìn)行照相 , 不同的是照相 機(jī)攝取的是物體的二維圖象 , 而 3DSS 系列三維掃描測(cè)量?jī)x獲得的是 物體的三維信息 。 測(cè)量時(shí)光柵投影裝置投影數(shù)幅特定編碼的結(jié)構(gòu)光到 待測(cè)物體上 , 成一定夾角的兩個(gè)攝像頭同步采得相應(yīng)圖象 , 然后對(duì)圖 象進(jìn)行解碼和相位計(jì)算 , 并利用匹配技術(shù) 、 三角形測(cè)量原理 , 解算出兩 個(gè)攝像機(jī)公共視區(qū)內(nèi)像素點(diǎn)的三維坐標(biāo) 。掃描過(guò)程中需要主意的問(wèn)題 :1 環(huán)境光 :確保室內(nèi)燈光都關(guān)閉 , 采用交流電得到光源都使波動(dòng) 會(huì)影響到測(cè)量效果 ;2 表面處理 :物體的表面質(zhì)

4、量對(duì)測(cè)量結(jié)果影響很大 。 物體較理想 的表面狀況為亞光白色 , 通常可以給物體噴上一層白色顯像劑 , 不需 要太厚 , 否則會(huì)影響到測(cè)量的精度 ; 由于此車(chē)身部件由玻璃鋼材料制 造 , 其表面顏色為亞光白 , 在日光條件下 , 非常容易得到點(diǎn)云 , 因此不 需要噴任何顯影劑 ;3 在掃描過(guò)程中 , 由于不斷任意改變被測(cè)物的角度和位置 , 為使 被測(cè)物的各部分的相對(duì)坐標(biāo)保持不變 , 應(yīng)在被測(cè)物表面設(shè)置足夠的參 照點(diǎn) , 使被測(cè)物轉(zhuǎn)至任意方位后 , 系統(tǒng)仍在此位置找到多于三個(gè)以上 的參照點(diǎn) (注意三個(gè)參照點(diǎn)不在一條直線上 , 確保測(cè)量坐標(biāo)系準(zhǔn)確的 定位 。 如圖 3所示 。圖 3貼有參照點(diǎn)的部件2

5、采用 Geomagic Studio 對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理Geomagic Studio 是應(yīng)用越來(lái)越廣泛專業(yè)逆向工程軟件 , 該軟件是 目前對(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的商業(yè)軟件 。 它以先進(jìn)的 數(shù)學(xué)模型 、 曲面構(gòu)建理論為基礎(chǔ) , 能快速地整理曲面點(diǎn)云數(shù)據(jù) , 自動(dòng) 產(chǎn)生網(wǎng)格 , 可建構(gòu)任意復(fù)雜的精確曲面模型 , 創(chuàng)造從原型曲面測(cè)量點(diǎn) 云 , 到多邊形數(shù)據(jù)的高品質(zhì)三維模型產(chǎn)品 。采用 geomagic 軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理步驟 :(1 首先讀入前面拼接好的所有測(cè)得的點(diǎn)云數(shù)據(jù) , 合并點(diǎn)云 , 刪去多余點(diǎn)云 ; 重復(fù)刪除體外孤點(diǎn) ; 得到如圖 4所示點(diǎn)云 ;(2 減少噪聲點(diǎn) :在掃描過(guò)程中 ,

6、 由于掃描設(shè)備的輕微震動(dòng)或不精確的掃校準(zhǔn)或被掃描物體表面準(zhǔn)備處理不好 , 會(huì)產(chǎn)生噪聲點(diǎn) 。 噪聲點(diǎn)的存在將影響工件表面質(zhì)量 , 必須去除 。(3 進(jìn)行統(tǒng)一采樣 :由于測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)云密度很大 , 而利用數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行曲面重構(gòu) 、 三角網(wǎng)格構(gòu)造或評(píng)價(jià)被測(cè)曲面的誤差 , 不需要過(guò)密的數(shù)據(jù)點(diǎn) , 特別是在被測(cè)曲面的曲率較小時(shí) 。 過(guò)密的點(diǎn)云不但計(jì)算量大 , 而且可 能影響其光順性 。 因此 , 精簡(jiǎn)測(cè)量數(shù)據(jù)是數(shù)據(jù)預(yù)處理的重要工作之一 , 可用采樣來(lái)減少對(duì)象中的點(diǎn)數(shù)量 , 保持零件的精確性 。(4 封裝 :將點(diǎn)封裝 , 生成三角面片 , 如圖 5所示圖 5封裝后的模型 (下轉(zhuǎn)第 80頁(yè) 基于逆向工程的某汽車(chē)

7、車(chē)身部件的 三維 CAD 數(shù)模的建立李曉達(dá) 占向輝 徐 杭(吉林大學(xué)珠海學(xué)院機(jī)電工程系 廣東 珠海 519041【 摘 要 】 本文介紹了某汽車(chē)車(chē)身產(chǎn)品逆向開(kāi)發(fā)流程 , 分析了點(diǎn)云數(shù)據(jù)采集 、 處理 、 曲面重構(gòu)等工作要點(diǎn) 。 通過(guò)結(jié)構(gòu)光三維掃描儀測(cè)得點(diǎn)云 數(shù)據(jù) , 利用 Geomagic Studio 軟件對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理 , 用 Siemens NX4.0軟件進(jìn)行部件表面重構(gòu) , 得到部件的三維 CAD 數(shù)模 。【 關(guān)鍵詞 】 逆向工程 ; 結(jié)構(gòu)光三維掃描儀 ; Geomagic ; NX圖 4拼接處理后的點(diǎn) 云數(shù)據(jù) (上接第 39頁(yè) 內(nèi)外的研究狀況進(jìn)行了概述 , 發(fā)現(xiàn)微波反應(yīng)具有反應(yīng)

8、時(shí)間短 、 副反應(yīng)少 、 產(chǎn)率高 、 操作方便 、 環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn) 。 我們選擇稠合 的含氮雜環(huán)化合物的微波合成作為我們的研究目標(biāo) , 既可以擴(kuò)大微波 在有機(jī)合成中的應(yīng)用范圍 , 又可以合成一些新的含氮雜環(huán)化合物 , 為尋找新的活性物質(zhì)提供可供篩選的化合物 。 責(zé)任編輯 :翟成梁 科 科(上接第 100頁(yè) (5 補(bǔ)洞 , 根據(jù)需求對(duì)多邊形進(jìn)行修改 , 如松弛 、 孔填充 、 創(chuàng)建或修改邊界 、 曲線 。(6 找坐標(biāo) 、 取邊界及特征線 , 如圖 6所示 。 特征線是產(chǎn)品的外觀 流線 , 或者是邊界線與裝配約束線 , 是曲面模型的 “ 骨架 ”。圖 6由輪廓線和邊界線構(gòu)成的模型3利用 Sieme

9、ns NX4.0進(jìn)行曲面重構(gòu)通過(guò)逆向軟 件 Geomagic Studio 等 對(duì) 采 集 到 的 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 處 理 后 , 另存成 IGS 或 STEP 格式 , 在 Siemens NX4.0三維軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì) 。首先重構(gòu)特征線并調(diào)整其光順度 , 應(yīng)用 “ 通過(guò)曲線網(wǎng)格 ” 等命令建 構(gòu)出決定產(chǎn)品外觀的基礎(chǔ)大曲面 ; 其次構(gòu)建曲面的過(guò)渡曲面 , 經(jīng)過(guò)適 當(dāng)?shù)牡箞A和裁剪后就完成了曲面模型 。 曲面模型完成后對(duì)曲面進(jìn)行一 次總的質(zhì)量檢查和評(píng)估 , 得到最終的 CAD 數(shù)模如圖 7所示 。4結(jié)束語(yǔ)本文介紹了采用 3DSS 系列三維掃描儀獲取點(diǎn)云數(shù)據(jù) , 由點(diǎn)云數(shù) 據(jù)生成曲線 、 曲面模型的

10、逆向設(shè)計(jì)理論和方法 。 利用逆向工程軟件Geomagic Studio 處理點(diǎn)云 , 得到特征線及輪廓線 , 再由 Siemens NX4.0重構(gòu)汽車(chē)車(chē)身部件的三維曲面模型 。 將逆向設(shè)計(jì)方法應(yīng)用于車(chē)身部件 設(shè)計(jì) , 反求出產(chǎn)品模型可開(kāi)展后續(xù)結(jié)果性能分析 、 有限元分析和運(yùn)動(dòng) 學(xué)仿真等 , 最后對(duì)產(chǎn)品作再設(shè)計(jì)優(yōu)化與制造 。 【 參考文獻(xiàn) 】1李響 , 等 . 逆向工程在工業(yè)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 . 輕工機(jī)械 , 2010年 2月 第 28卷 第 1期 :102-106.2王鑫 . 基于 Geomagic 軟件的汽車(chē)保險(xiǎn)杠逆向工程設(shè)計(jì) . 新技術(shù)新工藝 ·數(shù)字 技術(shù)與機(jī)械加工工藝裝備 , 20

11、08年 第 11期 :53-54. 3作者簡(jiǎn)介 :李曉達(dá) (1977, 女 , 黑龍江大慶人 , 工學(xué)碩士 , 吉林大學(xué)珠海學(xué) 院教師 , 研究方向?yàn)?CAD/CAE/CAM。責(zé)任編輯 :湯靜 圖 7部件的 CAD 數(shù)模 科shift_reg<=dac_low;end if; elsebit_cnt<=bit_cnt+1;end if;3.3軟件仿真 (運(yùn)用 SignalTap II 嵌入邏輯分析儀 嵌入式邏輯分析儀可以隨設(shè)計(jì)文件一并下載于目標(biāo)芯片中 , 用以 捕捉目標(biāo)芯片內(nèi)部 , 設(shè)計(jì)者感興趣的信號(hào)節(jié)點(diǎn)處的信號(hào) , 而又不影響 愿硬件系統(tǒng)的正常工作 。 使用 SignalTap

12、后 , 系統(tǒng)設(shè)計(jì)將要占用部分 RAM 。 對(duì)本設(shè)計(jì)完整程序運(yùn)用 SignalTap 嵌入式邏輯分析儀得到的 仿真波形圖如圖 2所示 。圖 2運(yùn)用 SignalTap 嵌入式邏輯分析儀得到仿真波形圖4硬件調(diào)試我們使用的是 Mars-EDA Cyclone PFGA 開(kāi)發(fā)板進(jìn)行調(diào)試 , 用實(shí)驗(yàn)板上的 Mars-EDA Cyclone 核心板上的主芯片 EP1C3T144來(lái)模擬 SPI 的主器件由它發(fā)數(shù)據(jù)給從器件 ; 將帶有 SPI 接口的 TLC5615芯片作為 從器件進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收 。 在這 , 將一個(gè)并行數(shù)據(jù)發(fā)送給主芯片 , 在其內(nèi) 部進(jìn)行并串的轉(zhuǎn)化 , 輸出給從器件 。 從器件將收到的數(shù)據(jù)存

13、儲(chǔ)移位后 在 DOUT 端輸出 , 同時(shí)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)化 , 并將轉(zhuǎn)化后的結(jié)果在 OUT 端輸 出 。 故我們可將 DOUT 端口用作反饋數(shù)據(jù)的輸出送給主器件 。5結(jié)論本設(shè)計(jì)采用 VHDL 語(yǔ)言來(lái)設(shè)計(jì) SPI 的 IP 核 , 實(shí)現(xiàn)了 SPI 的基本 功能 。 從程序設(shè)計(jì)方面來(lái)看 , 主要是將時(shí)鐘信號(hào)與移位控制結(jié)合起來(lái) 以實(shí)現(xiàn)兩個(gè) SPI 接口之間的的基本通信的 。 在完成了基本的通信之 后 , 便結(jié)合 SPI 接口通信時(shí)的狀態(tài)和模式設(shè)計(jì)了模式和時(shí)鐘頻率的選 擇 。 由于在設(shè)計(jì)中并沒(méi)有涉及到如何使用一個(gè) SPI 主器件來(lái)控制多個(gè) 從器件 , 也沒(méi)有涉及到數(shù)據(jù)同步的問(wèn)題 , 所以還有許多技術(shù)問(wèn)題沒(méi)有 涉及和解決 。 因此 , 在后續(xù)設(shè)計(jì)中 , 應(yīng)進(jìn)一步完善設(shè)計(jì) , 以解