CopyCAD 在逆向工程中的应用

　　作为一种先进的产品设计手段，目前逆向工程在我国受到越来越多的企业的重视，逆向技术应用也越来越广泛被关注起来。逆向工程技术 (Reverse Engineering) 的工程概念是：通过对已有产品模型进行三维数字化扫描，来获取产品模型的表面轮廓的点云数据，将点云数据通过专业软件进行处理，最终形成三维数学模型，用于产品的重新设计及数控加工以及结构分析。它不同于我们通常的由二维草图设计到三维立体模型设计再到加工或快速成型的设计思路，所以它是一种基于实体而没有数学模型的设计方法。

　　逆向工程广泛的应用于航空航天、汽车、机械、电子电器及模具、玩具、医学、制鞋等各行各业，其应用主要在以下几个方面：

　　1.新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计

　　2.已有零件的复制，再现原产品的设计意图，进行数据管理和存档。

　　3. 从已有产品零件直接快速生成 STL 模型， 用于快速成型（ RPM ）或模具设计。

　　4. 数字化模型的检测，变形分析、有限元分析等，以及进行与原设计模型的比较。

　　5. 损坏或磨损零件的还原和修复。

　　然而作为种新兴的技术，许多企业对逆向工程并不了解，认为只要有三维测量或扫描设备，有通用的 CAD 软件就可以进行逆向工作了。其实这是不够的，在 逆向工程的应用过程有许多是其他普通逆向软件和 CAD 软件无法实现的难点， 逆向工作必须有专业的逆向软件和工艺知识才能很好的完成这一项复杂的工作。

　　专业逆向软件相对于普通软件的优势在于：

　　1. 对测量数据进行优化和编辑的能力 ：因为有许多测量设备可以提供扫描工作，所以要求逆向软件具备能够读入绝大多数设备所生成的不同的点云数据格式能力。同时由于点云的数量是非常巨大的，往往有几十万到上千万、甚至上亿的点需要处理，这就需要逆向软件对于这样数量巨大的点云数据具有高效的运算、编辑能力。具备在保证曲面质量的前提下优化减少点云数目、剔出坏点的功能。同时由于待测模型不同的几何构造以及采用不同的设备、达到不同的 测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。 这就需要逆向软件能够具备针对这些不同能分类处理的能力。

　　2. 对三角模型进行优化和编辑的能力： 由于测量设备精度不高、测量数据质量不高、测量模型有缺陷或损伤等种种原因，往往会造成生成的 STL 模型会有许多破洞和缺陷，这就需要逆向软件具备强大的 STL 模型的编辑和优化的处理能力，能在设计公差允许的范围内修补、光顺三角面片。同时还应具备对 STL 模型进行布尔运算和设计造型，生成符合设计的 STL 模型，从而不必要转换成曲面模型才能进行模具设计或被其他 CAM 软件读入才能进行加工的问题，因为这将极大地增加工作量，降低工作效率。

　　3. 曲面生成光顺使用困难、技巧性强： 由于逆向的产品往往是比较复杂的产品，曲面构造复杂，往往需要生成 以 B-Spline 或 NURBS 曲面为基础的曲面，同时需要进行多个曲面的剪裁、缝合、圆角过渡、光顺等编辑操作， 所以对于曲面生成和光顺的能力要求严格，而多数逆向软件只能将点云处理成曲线，然后转换到其他 CAD 软件中用曲线构面的方式生成曲面，这样生成方式单一，工作量大，遇到形体复杂的产品工作极为繁琐，还容易造成较大变形，这使得曲面的生成很大程度上依赖于工程师的经验。

　　4. 与其它软件系统集成困难： 由于许多 CAD/CAM 软件没有逆向的功能，而常见的逆向软件不具有强大的曲面编辑能力以及装配、出工程图的功能，所以必须要将逆向软件和 cad 软件结合使用才能完成逆向工作，但这就需要在逆向过程中频繁将用不同的数据格式在不同的软件进行相互转换，这样必然会造成数据文件中特征的丢失，甚至可能会数据文件的损坏，同时还使得工作更加繁琐，降低工作效率。

　　针对上述问题， DELCAM 公司提供了一个完整专业逆向工程解决方案。

　　DELCAM 是世界著名的 CAD/CAM 软件供应商，旗下五大软件： PowerSHAPE 、 PowerMILL 、 CopyCAD 、 PowerINSPECT 、 ArtCAM 涵盖了从产品的三维设计、数控加工、质量检测和逆向设计完整的过程。对于逆向工程， Delcam 软件的解决方案参见下图：

　　首先是通过测量设备或扫描设备对现有的三维模型进行扫描得到点云数据，读入到 Copycad 中。在 Copycad 中一方面可以生成三角面片的 STL 模型，通过输出 STL 模型到快速成型设备中进行快速成型，或输出到 PowerSHAPE 进行模具设计，还可以输出到 PowerMILL 进行数控加工。另一方面可以在 Copycad 生成曲面，输出到 PowerSHAPE 进行三维设计，进行装配、模具设计和出二维工程图。同时在 Copycad 还可以与原型三维 CAD 模型进行比较分析，输出误差分析报告。比较设计生产过程中存在的缺陷和变形情况。

　　作为世界上著名的逆向软件， CopyCAD 进行逆向的工作过程中具备下面几个方面的特点：

　　1. 处理点云数据：

　　CopyCAD 具有友好的输入输出接口，支持多种格式的点云数据读入。除了通用的 ASCII 、 IGES 和 NC 等标准格式，还针对不同的扫描设备提供专用数据格式。

　　对于输入的点云数据， CopyCAD 针对不同的测量设备和测量方式提供多种点云的编辑优化方式，可以对点云数据进行重新排序和移动、旋转、缩放、镜像等编辑操作，可以根据不同要求采用平面、多边形或轮廓曲线等多种方式裁减点云模型。使用偏置点云模型的功能用来补正测头带来的偏差，使用加权平均光顺、毛刺光顺及公差、稀疏、过滤等功能对点云模型进行过滤，光顺，剔出坏点，提高了点云质量，以保证了三角面片的生成质量，提高运算处理速度。

　　对于复杂的点云模型需要分几次测量的， CopyCAD 也提供了手动对齐、参考点（球）对齐和最佳拟和对齐等多种方法进行对齐合并，同时输出对齐精度数据以供参考。

　　2. 处理三角模型：

　　由于三角模型是生成曲面的基础，所以三角模型的质量对于逆向成功有着关键的作用。

　　对于三角模型的建立， CopyCAD 提供自动和手动两种方式生成三角模型。

　　由于模型自身缺陷或测量方法不正确、或测量数据存在的问题，往往三角模型生成存在许多缺陷和破洞。对此 CopyCAD 提供了多种编辑和优化的手段：可手动增加或删除部分三角面片数据。

　　CopyCAD 提供 Trifix 功能对三角模型中破洞可以进行自动和手动缝合填充；对于存在的小、窄、重叠、相交等有问题的三角模型可以自动检测修复，还可对三角面片实体模型进行光顺操作：

　　CopyCAD 的交互编辑功能不但可以光顺三角模型，消除三角模型生成过程中由于数据问题或测量方法上存在的问题，还有堆积、镂刻功能，可以光顺和修复零件上的缺陷，避免导致的测量模型问题，特别适用于破损零件的修复，提高 STL 模型的表面质量。

　　同时 CopyCAD 还提供了三角模型的造型编辑功能，可以生成如圆柱、圆锥、长方体、球体等标准体素三角模型，能对三角模型进行布尔运算和剪裁，及对三角模型进行摹仿变形，还具备添加文字，装饰图案、商标到三角模型的包裹功能等，这样可以不需要转入 CAD 软件构建曲面的方式，直接进行模型的造型和编辑，然后就可以输出二进制或 ASCII 格式的 STL 文件，进行快速成型或数控加工。

　　在 CopyCAD 中 , 可以根据三角模型表面形状的不同用不同的颜色进行分割，划分区域，将模型分成若干区域，并且可以提取轮廓曲线，便于曲面的生成。

　　3.  构造曲线的生成方式

　　作为逆向工程中构建曲面的一种方式，建立构造曲线，可以用于逆向曲面的生成，也可以直接输出到 CAD 系统进行正向造型设计，因此产生光顺的曲线对于构建曲面也很重要。 CopyCAD 提供了多种构造曲线的生成方式。构造曲线可直接由三角模型的边界、水平线或截面线自动产生构造曲线。也可以直接在点云上和三角模型上点取生成，或由扫描线生成。

　　在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的，它将直接影响到生成曲面的质量。 CopyCAD 提供了强大的曲线拟合、光顺功能，可以根据模型和设计需求进行光顺拟合或精确拟合、圆弧拟合等。也可根据三角模型的形状自动生成，同时控制其与已有的曲线、曲面是否相切等，从而灵活的构造曲面。

　　3.  CopyCAD 中逆向曲面的建立：

　　在逆向工程中，曲面的构造是相当重要的工作，也是工作量最大的工作，构造曲面并不是由一个简单的曲面构成的，而是需要由多张曲面经过延伸、过渡、裁减等混合而成曲面，因此构造的好坏，决定着逆向工作的成败。

　　在 CopyCAD 中曲面的建立有以下几种方式：

　　1. )直接在三角面片实体模型上建立逆向曲面。在构造曲面时需要根据三角模型的形状变化趋势来分区域进行构造。同时根据需求可以调整曲面与模型、相邻曲面的相切关系，通过调整曲面内部曲线数量来控制曲面的精度和光顺。

　　2.)CopyCAD 可通过自动向导建立 NURBS 剪裁曲面。 采用裁剪曲面拟合可使用较少的面片一步完成复杂形面的拟合，这样使得曲面更加的光顺，还减少了工作量。

　　3.)  CopyCAD 可通过在 STL 模型上选点直接生成平面曲面。

　　4.)  CopyCAD 还提供了一种直接用点云生成未剪裁的曲面的方法。在点云中选取一部分或全部直接生成未剪裁的 NURBS 曲面，通过控制公差、面片数和曲面度控制曲面与 STL 模型的拟合程度与光顺度。这种方法可以快速生成高质量的 NURBS 曲面。

　　CopyCAD 提供了曲面的误差分析功能，生成的曲面可以与原始点云或设计模型进行比较，通过生成的颜色图谱和误差报表判别误差的位置和大小，便于对曲面进行调整和编辑。

　　对于逆向软件而言，曲面功能相对专业的 CAD 软件都比较弱，对于复杂曲面的处理能力有限。同时对于模型中的如 园角过渡、平面、凸台、过渡形面等几何特征 使用扫描点云逆向生成的方法不仅工作量大，生产效率低，更重要的是很难保证正确的外形特征，往往会造成严重失真。因此使用专业的 CAD 软件正向构建这些 几何特征更能准确地定义零件的特征。因此可以 充分利用测量机对实物模型进行测量，直接得到实物模型上标准几何特征的曲面数据，如平面、立方体、圆柱、圆锥、球或圆环等标准形体，而其他自由形面部分则使用三维扫描的方法获取点云数据。这样可以有效得节省扫描时间，更重要保证了数据的准确性，提高生产效率。

　　而现在大部分逆向软件都不能很好的与专业的 CAD 软件无缝集成，不能做到数据文件随意相互转换，不丢失特征信息的情况。而 CopyCAD 最大的优势在于可以和 DELCAM 的正向设计软件 PowerSHARE 联合使用，将正向构造的形面与逆向拟合的形面混合建模，相互之间可以根据需要随意转换。在 CopyCAD 中可以完成部分曲面的缝合和光顺工作，但是对于更复杂的工作，可以转化到曲面功能更为强大的 PowerSHARE 中进行剪裁、光顺、倒圆角等编辑工作，也可在 PowerSHAPE 中正向建立局部特征曲面或建立点云数据没有包括的曲面内容；完成后可转回 CopyCAD 继续进行三角模型的逆向，转换的过程通过一个按键进行无缝连接，保证了特征信息的完整，无特征丢失，这是其他逆向软件所不能办到的。同时 CopyCAD 中生成的构造曲线也可直接输出到 PowerSHAPE 进行正向造型并可返回至 CopyCAD 继续进行逆向工作。 CopyCAD 生成的三角模型也可以直接在 PowerSHARE 进行模具设计。

　　有上述介绍可见， DELCAM 公司的 CopyCAD 软件具备强大的逆向造型功能，使用其与 NC 加工技术和快速成型技术相结合，必将能使企业产品开发、研制周期大大缩短，提高了产品创新的成功率、质量和缩短了开发周期。为新产品进入市场创造了先机，为企业带来巨大的经济效益。

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