零件参数化逆向设计的探析

曲志新

关键词：零件；参数化；逆向设计

一、参数化逆向设计介绍

逆向设计是产品设计的逆向工程，是先有通过一些有效的方法得到产品的外观模型，然后利用外观扫描数据快速建模，以缩短产品在正向设计阶段对外观设计的时间。传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，称其正向设计。而逆向参数设计能快速建立新产品的数据化模型，在参数化的基础上，快速修改优化结构尺寸等，可以大大缩短新产品研发周期，提高设计效率。整个参数化逆向设计工程一般包括数据采集点云、数据处理和参数化建模。

二、参数化建模过程

参数化建模是要求所建模型的外观特征，几何尺寸具有可修改、可优化的功能的三维模型。参数化后的模型能修改方便，使用户对模型进行优化时无需重新建模，只需对必要的参数，包括特征的尺寸，角度等，进行修改就可自动生成零件模型。

2.1参数化模板

CATIA参数化的模板是通过零部件设计过程中得一个参考点来控制，这个点是原点坐标系里面的一个确定的点，所有设计的点、线、面都必须相对该点来确定。根据零件设计的一般过程，提出一个合理的参数化模板。

根据零件结构特征，不同软件的建模方法大致相同，可将参数化模板分为扫面数据、原点坐标系、零件设计过程和最终结果四大部分。

通过原点坐标系和扫描数据，确定一个参考点，并给出其坐标（可以是零件孔位的中心点）。然后分析零件，确定建模思路，在不考虑各类特征的情况下利用参考点建好基础面，形成零件主干，然后根据参考点将特征建好，最后完成零件的建模，整体数据与参考点具有尺寸相关性，所有基础点线面的尺寸可修改。

2.2设计过程

通过三维激光扫描仪采集某钣金件的数据。由于环境及仪器本身震动等因素的影响，会出现一部分误差较大的数据，所以在进行建模前，先在软件中对数据处理，先定位好坐标系；然后去杂、光顺和三角化，最后数据优化，由于扫描的点是非常多而且密集的，通过压缩不必要的数据，提高计算机运行速度。

根据参数化模板进行设计：（1）导入零件扫描数据。（2）原点坐标系，是该零件在整个产品中的参考坐标系，用于装配或导入其他软件进行分析。（3）若对一些对称或旋转零件，可考虑设计一半或一部分，加快建模速度。（4）整个零件的建模过程，首先取好参考点，一般以特殊的点，如孔的中心点。然后是分析零件，确定大面设计，然后是特征包括凸凹台，翻边，切边，孔，按步骤依次完成。（5）生成零件实体，这便是最终模型。

整个参数化设计的核心在于建模时都是通过一个点来形成参数关联，通过控制点的位置就可以控制零件特征的位置，通过基础点线面中特征的尺寸来控制所绘制的图形的尺寸。零件件是由主干模型和特征组成的，而主干模型一般是规则简单的几何体，这样分解零件就可以在建模时，按照上述步骤进行实现，而对过度复杂的个别零件不适用。

三、proe参数化逆向设计

Pro/Engineer和Pro/Intralink软件是世界著名的美国PTC公司的三维建模和数据库管理软件产品，可实现软件无缝集成和产品统一数据库管理。

Pro/Engineer软件最突出的特点是将单一数据库、参数化、基于特征、继承性及工程数据再利用完美结合起来，能将设计至生产的过程集成在一起，让所有用户同时进行同一产品的设计和制造（并行工程），产品参数化设计方法就是充分利用这些软件的功能，将产品概念设计、结构分析、详细设计过程有效统一在一起，实现用产品的主要参数来控制整体设计结构，设计过程全部参数化，通过这些参数的更改，可以快速形成新的系列产品和设计方案的更改。因此这一方法的实现对产品设计具有重大意义。

Pro/Intralink数据库管理集成系统对Pro/Engineer设计进行信息与资源控制，将最新的产品信息发布给每位参与产品设计的工程师，实现信息共享，并对产品设计实施干预，更新相关参数，将设计规范传递给每位设计者。

产品参数化设计方法的基本的思路：在统一的设计环境中，通过Pro/E软件中Layout和骨架模型功能，用自顶向下的方法进行总布置，然后用设计分块法完成产品复杂零部件的参数化设计，结合自底向上的方法完成其它附件的设计，最后利用Pro/E的装配功能将所有部件装在一起，最后形成整个产品总成。

骨架模型实质上是Pro/E的一种特殊零件模型，不包含实体结构特征，只包括一些基本的设计信息，如基准、定位信息、接触表面的轮廓、装配的参考、关键件的形状和尺寸等的产品各主要零部件坐标与物理边界。骨架模型能将设计意图从上到下传递下去，实现模型的数据共享和统一。

四、UG参数化逆向设计

UG是Unigraphics的缩写，这是一个交互式CAD/CAM（计算机辅助设计与计算机辅助制造）系统，其功能强大，是一个可视化的系统，通过一系列菜单与UG进行通讯，整个编程过程始终与零件的可见模型交互，可以轻松实现各种复杂实体及造型的建构。

参数化设计是将原有设计中某些尺寸，如定形、定位或装配尺寸定义为变量，修改这些变量的同时由一些简单公式计算出并变动其他相关尺寸，计算机根据这些新的参数值自动完成产品设计。参数化为产品模型的可变性、可重用性、并行设计等提供了手段，使用户可以利用以前的模型方便的重建模型，并可以在遵循原设计意图的情况下方便地改动模型，生成系列产品，大大提高了生产效率。

在UG中可以把叶轮曲面的系列尺寸完整地建立在电子表格中，形成一个叶轮的曲面数据库，这样做对此数据库的管理、编辑和扩展都很方便。可以任意修改表格中的某一个或某些数据、增加一组新的叶轮的曲面数据、增加设计变量等，最终产生使用同一实体模型的系列叶轮的曲面三维模型。

另外，还可以通过参数化设计，添加渐开线参数数据，并设计出渐开线曲线，通过拉深建模生成实体。

结束语：零部件相互间有着紧密的联系和协调性，应用参数化设计在现代机械产品开发中具有重要意义，可以大大提高零件开发设计的工作效率，适合系列产品的演变，大大缩短产品开发周期。自定义参数化模板在零件设计过程中可以很好的体现参数化设计优势，培养了零件开发设计中的整体设计理念，通过对零件结构特征的分析理解，可以很好把握零件的要素特征和关键结构形式，便于优化设计零件，从而提高零件件设计质量。

参考文献

[1]金涛，陈建良，童水光.逆向工程技术研究进[J].中国机械工程，2011，27（3）：1430-1436.

[2]刑渊，阎虎刚.反向工程中模型重构技术的特点及比较[J].航空精密制造技术，2011，39（1）：20-22.