逆向工程与CAD技术逆向工程与CAD技术

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逆向工程与CAD技术
李江雄  柯映林  浙江大学
引言
      快速原型制造（又称RPM技术）是诞生于80年代后期，基于材料累加法的一种产品高新设计与制造技术。被认为是近20年来产品设计与制造领域的一次重大突破，其对制造行业的冲击可与50一60年代的数控技术相比。
    RPM综合了计算机、机械工程、 CAD、数控技术、激光技术及材料科学等高新技术，通过RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型或直接制造产品：从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验，大大缩短产品的研制周期。以RPM系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造、快速精铸技术则可以实现零件的快速制造RPM的研究与发展将成为我国产品创新设计与制造的重要技术途径。
    逆向工程闭是实现RPM的核心技术之一，是从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程。与传统意义的仿形制造不同，逆向工程主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型，一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD／CAM／CAE技术对已有的物件进行再创新工程服务。广义的产品逆向工程包括产品形状（几何＼工艺以及材料等多方面的逆向设计与分化是一个复杂的系统工程。
    开发和推广应用逆向工程CAD系统，是进一步推进RPM技术应用水平、加快我国产品创设计发展步伐急需解决的重要工程。同时逆向工程CAD系统和技术可以广泛应用于汽车、摩托车等复杂产品外形的修复与改造，自然景物的计算机描述；人体拟合如头盔、太空服等一些功能复杂、价格昂贵的产品设计等。因此，这一技术具有广阔的应用前景，尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、摸具工业产品的快速CAD设计与制造水平，增强产品设计与制造中高新技术含量，提高产品市场竞争能力，具有重要的理论意义和经济价值。
      一、产品逆向工程CAD建模关键技术
      在逆向工程中，产品设计人员面对的是产品样件，即实物模型。由实物建立CAD模型，不同于传统的CAD设计，要求首先对其实物表面进行数字化处理，然后由测量点直接构造CAD模型。由此可见反求工程有两个方面的主要研究内容，一方面是实物模型表面数据获取技术。即数字化技术，另一方面是曲面构造技术。下面分别简要介绍这两个方面的研究和应用现状。
      （一）实物模型的数字化技术
      近十年来，随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了各种各样的实物模型表面数字化仪器和系统。一般地三维表面数字化技术可分为接触式和非接触式两大类。接触式方法中，有基于力——变形原理的点位触发式和连续扫描式的数据采集方法和利用磁场、超声波等媒介的数据采集方式。非接触式方式采集实物模型的表面数据时，测头不与实物表面接触，一般以激光为媒介实现对表面三维数据的采集。其特点是数据采集速度快，回而，可以相当密集地对产品表面进行数字化，形成所谓的“点云”。目前这种以激光为媒介的非接触三维表面数据采集方法，在逆向工程中应用最为广泛。但是，这种方法有一个局限性：不能采集到物体的内表面数据。为了实现物体内部表面的数字化。断层扫描技术在逆向工程中取得广泛的应用。断层扫描也有两种方式，一种是基十工业CT的、无损的断层扫描技术，一种是破坏式的断层扫描技术，即每切削一个层面后，测量该截面的内外边界，然后，以一定的厚度再切一层，这样一直进行下去，直到实物模型被切割完毕，数字化过程也就随之完成。前者不破坏零件，成本较低，但是精度较差后者精度高，但是，要破坏样件，并且测量过程复杂，成本较高.
    
    （二）曲面重构技术
    在逆向工程中，曲面重构有其向身特点，(1)曲面型面数据散乱、且曲面对象边界和形状有时极其复杂，因而一般不便直接运用常规的曲面构造方法和系统；2）曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁减等混合而成，因而要分块构造；3）由于数字化技术的限制，在逆向工程中还存在一个“多视数据”问题，一般来说，为了保证数字化的完整性，各视之间还有一定的重叠，从而引出了多视数据的拼合等问题。，目前，在逆向工程CAD中，主要有三种曲面构造的方案，一种是以B-SPLINE或NURBS曲面为基础的曲面构造方法，另一种是以三角BEZEIR曲面为基础的曲面构造方法，此外，还有以多面体方式来描述曲面物体的方法。
    在逆向工程中，型值点数据具有大规模、散乱的特点。这种数据的曲面拟合有其自身特点。在NURBS曲面拟合中，需要研究的首要问题单一矩形域内散乱数据点的曲面拟合问题。在众多的研究中，较具代表性的方法为：首先根据边界构造一初始曲面，然后将型值点投影到这初始曲面上，接着根据投影位置算出其参数分布，从而解决散乱数据的参数分配问题，根据这一型值点参数分配拟合出一张新的NURBS曲面，最后。对型值点参数进污优化，使得所拟合曲面离给定型值点误差最小。在实际应用中，由一张曲面构成产品的情况并不多，产品型面往往由窖张曲而混合而成时口过渡、相交、裁剪等＼固而，术周一张曲面去重构实测产品的数学模型是很困难的。于是，人们研究并采用了不同的数据分块方法，最直接是通过人工交互的方式手工勾勒特征线，将曲百分块。但这种方式费时费力，且质量难以控制。后来人们叉研究了实测数据的自动分块方法，自动分块方法分为两大类型，一是采用图像理或辨识技术，提取曲面的特征线利用特征线将曲面分块。另一类方法则是采用四叉树方法，即首先构造一张整体曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一个块进、处理，直至所有个块均满足要求为止…
      以NURBS曲面为基础解决是测数据的曲面构造问题存在以下缺点，1）由于建立在两次优化计算基础上的曲面构造对曲面的光顺性难以保证、计算量大。2）曲线网格的建立、分块等很难自动完成，需要较强的交互参与。，3）曲面构造的精度较难控制，在已知的算法和系统中，往往是若不能满足要求，则必须从头开始重算。
      三角曲面由于其构造灵活、能适应各种复杂形状的形状要求，在逆向工程中一直受到重视。在三角曲面的应用研究中，主要的研究内容有两个方面：散乱数据的三角网格化和基于三角网格的插值曲面的构造。前者的研究重点在如何提取特征线、如何简化三角形网格和如何处理多视问题上。这些问题在诸多学者的努力下，已经有了较为全面的解决方案。
      后者的研究主要在如何选用曲面模型上，最为简单的模型就是一次曲面（三角平面片），实际上就是以多个三角形平面片组成的多面形来拟合实物对象，显然，要达到一定的精度要求三角形网格具有足够的密度，同时，各个三角形平面片之问的连接是只能达到CO连续。
采用代数曲面，问如分段三次BEZIER三角代数曲面，可以使曲 面片间达到C1连续。但是，这种曲面模型依赖于给定的坐标系，给后续的操作带来不便。浙江大学在Re一SOFT软件系统中，采用了三角BEZIER参数曲面模型，不仅使曲面片间达到了一定的连续阶次，而且采用的是形状与坐
标系无关的参数方程形式。实践证明这种曲面建模方法在解决复杂产品逆向工程CAD中具有很大的应用潜力。
      采用三角曲面模型的最大优点是三角曲面具有良好的边界适应性和能够解决复杂形状拟合问题的特点：构造整体曲面模型时不需要对实测数据进行预先的分块处里从而简化了整个建模过程。但由于目前大多数的商用CAD／CAM系统采周的是NURBS曲面，因此，采用三角曲面造型技术必然带来与其它通用CAD／CAM系统的通讯和数据交换问题。
      二、几种商用逆向工程系统和模块
      迄今，在国际市场上出现了多个与逆向工程相关的软件系统，．主要：美国IMAGEWARE公司产品SURFACER7．1，英国DeICAM公司产品COPyCAD，英国MDTV公司的STRIM  AND SURFACERECONSTRUCTION，英国RENISHAW公司的TRACE等，在一些流行的CAD／CAM集成
系统中也开始集成了类似模块，如UG中的POINTCLOUD；PRE/E中的PRO/SCAN功能模块等。在我已有关逆向工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等。并取得一定的成果如浙江大学推出了RE-SOFT软件系统。
      IMAGEWARE公司的SURFACER7．1主要有四个方面的功能，1）扫描点的分析及处理——可接收来自不同数据来源，如CMM，2）曲面模型构造——快速而准确地把扫描点变换成NURBS曲面模型，3）曲面模型精度、品质分析。4）曲面修改——曲线和曲面可实时交互形状修改。在曲面的重建方面，该系统主要采用下列方法：1）可由扫描点直接产生曲面而不需要经过建造曲线的过程，亦可先建周边曲线，而后用该边界与其内部的扫描点群来产生曲面；2〕首先在扫描点群中构造MURBS曲线，然后，根据曲线来产生曲面。
      DeICAM公司的C0PyCAD主要有五个方面的功能，1）数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理。2）三角形划分可以根据用户定义的允差三角化数字化模型。3）特征曲线的生成，以交互手动或自动的方式从三角形模型中提取特征线，或直接从外部输入特征线。4）利用特征线构成的问格构造曲面片，然后通过指定曲面片之间的连续性要求来实现曲面片之间的光滑拼接。5）曲面模型精度、品质分析。
      MDTV公司STRIM是在国内有较大影响的系统、对一个数字化的对象，其操作步骤大体为：1）以不同的角度将测量数据显示于计算机屏幕上，以便及时发现不准确的数字化点和遗漏的测量区域。2）编辑数字化点，所有的数字化点必须经筛选或自由光滑处里，以去除坏点，从而提高数字化点的精度。3）建立线框摸型以交互方式定义模型的特征线。4）生成曲面，通过定义面与面之间的过渡约束（曲线的相切、连续性等）。由线框模型生成一组曲面，这些曲面被自动地覆盖到数字化型面上，以尽可能地与测得的数字化点相吻合，5）校核。
    
      这些软件系统采周的都是NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，他们的共同特点是先构造曲线，或者是利用曲线直接构造曲面，或者是通过曲线界定曲面拟合区峪，先生成曲面片，然后通过拼接构成完整的曲面模型。其优点是NURBS曲面的应用在CAD／CAM领域内相当广泛，因而，这些系统与其他CAD／CAM系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着重要的作用。然而，通过交互定义特征线费时费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。
      浙江大学的RE-SOFT系统采用了全新的三角BEZIER曲面模行，它首先建立数字化点的三角形，接着在三角形网格的网孔内蒙上三角BEZIER曲面。具体过程是，首先对数字化点建立一个三角形网格模型，利用这一模型对曲面的特征（尖边、过渡等）进行辨识，然后利用辨识结果和用户给定的误差对三角形网格进行必要的简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，最后，在三角网格的网孔内构造三角BEZIER曲面曲面片。各个相邻曲面间自动实现GC1连续。其优点在于三角形曲面在表现形状方面最为灵活，它能适应各种复杂的形状和边界。因而。RE-SOFT在保形性方面明显强于国外的产品，另外，由于不需要过多地采用交互手段构造曲线，所以RE-S0FT操作非常简单。缺点是由于采用三角BEZIER曲面模型，使RE一S0FT与其他的CAD／CAM的通信不大方便。为止，在新版本的RE一SOFT：中重点解决了复合三角Bezer曲面的分块NURBS重构和IGES输出问题。同时，已RE-SOFT还集成了基于三角Bezler曲面模型的曲面加工模块。实际上RE-SOFT已成为目前解决复杂产品逆向工程CAD／CAM问题的最具有特色的软件系统之一。
      另外还有一类系统它们不建立曲面模型只是通过一些处跟将测量数据直接转换为NC程序。这里就不再多述。
      三、结束语
      随着研究开发的不断深入，各种新的产品逆向工程CAD方法和系统将不断涌现。这对于进一步推广我国RPM技术的应用研究水平具有重要的意义。对于企业来说，如何根据实际需要。综合选择现有的功能适用、阶格便宜、售后服务周到的逆向工程CAD软件系统，能够在最短时间内配合RPM上下游设备高效率地解决企业产品快速设计和制造中的问题是关键。这项工作同时也涉及到企业CAD／CAM专业技术人员的培训、新产品开发意识的提高等诸多方面。因此。一个企业要采用先进的RPM技术进行产品设计与制造必须首先解决队伍建设、资金投入和设备配套等一系列问题。

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