彭 健

[摘要]逆向工程可以快速高效地還原產品模型,幫助快速生產樣件,快速進行產品設計,形成從虛擬到現實的轉換,對于企業(yè)在競爭中將產品快速推向市場并占領市場,加快企業(yè)產品研發(fā)等方面具有重要意義。因此,就國內外逆向工程反求軟件的研發(fā)和應用現狀進行闡述。

[關鍵詞]逆向工程反求軟件應用現狀

中圖分類號:TU-9文獻標識碼:A文章編號:1671-7597(2009)1210154-01

長久以來,工業(yè)產品的傳統開發(fā)方式均是遵循嚴謹的研發(fā)流程,從產品需求的構思、功能與規(guī)格預期指標的確定,進而到各個組件的設計、制造、組裝、性能測試等。每個組件都保留有原始的設計圖,此設計圖目前通常通過CAD文件來保存。這種開發(fā)模式被稱為“預定模式”(Pre-script

ive Model),此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程”(Forward Engineering)。

然而,隨著工業(yè)技術水平的提升以及大眾生活水準的提高,任何通用性產品在消費者對于高品質的要求下,功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產品不單單是功能要先進,對外觀質量、人機適應性等方面也有更高的要求,故而工業(yè)造型設計領域已日益受到重視。

工業(yè)設計多著重于產品的外觀造型,多針對產品的外形美觀化來處理,在正向工程的研發(fā)流程中已不是傳統的機械工程師們所能勝任的了,取而代之的就是所謂的“逆向工程”(Reverse Engineering)。設計師們先通過手工方式塑造出模型,例如:蠟模、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等,然后再以三維尺寸測量的方式生成自由曲面的CAD文件。

由圖1可了解正向工程與逆向工程的整個產品開發(fā)流程。

逆向工程以往通常是指對某一產品進行仿制工作。這種需求的產生可能是由于原始設計文件遺失、部分零件重新設計,或是委托方交付一件樣品或產品(例如:儀表盤、高爾夫球頭等),請制造廠商復制出來。

傳統的復制方法是利用立體雕刻機或是仿型銑床制作出成比例的模具,然后再進行量產。這種方法被稱之為“類比式復制”,缺點是無法建立工件尺寸的文件,也無法做任何的外形修改,現已逐漸被數字化的逆向工程系統所取代。

目前所謂的逆向工程是指針對現有工件,利用3D數字化測量儀準確、快速地取得點云數據,再由反求軟件經過曲面構建、編輯、修改之后,置入一般的CAD/CAM系統進行再設計,再由CAD/CAM計算出NC加工路徑,最后通過CNC數控加工設備制造產品和模具。另一種量產方式則是先以快速成型機將樣品模型制作出來,然后再以快速模具設備進行產品量產。具體流程如圖2所示。

逆向工程技術自上世紀90年代以來在國際上得到迅猛的發(fā)展,目前在國內特別是在經濟發(fā)達的沿海地區(qū),逆向工程的應用多集中在模具樣品開發(fā)方面,特別是在以生產各種汽車、玩具配套件的企業(yè)經常需要根據客戶提供的樣件制造出模具或直接加工出產品。

反求軟件系統是逆向工程技術的核心部分,由它將對樣件模型測量而得的點云數據進行處理,生成具有較高質量的曲線、曲面模型并經編輯、修改之后,或導入CAD/CAM系統進行改進改型設計、模具設計等再設計;或生成STL數據傳入快速成型機生產出產品樣件。在實際工程應用中由于反求軟件在曲面設計編輯及細節(jié)特征設計等功能方面還不如正求CAD軟件,所以在具體工作中還要采用反求、正求軟件配套使用、取長補短的方式,最終做成產品的逆向CAD模型。由此可見,如何將反求軟件、正求軟件有機地整和,也是值得思考的問題。

此外,近年來還興起了與逆向工程緊密關聯的坐標測量機和軟件相結合的三維檢測技術,其概念是對新生產出的復雜形體的精密零件進行檢測,測量各關鍵部位的點云數據,與CAD幾何模型(理論模型)進行對比分析,并將分析處理結果以圖像、誤差標注或分析報告的形式呈現給用戶,直觀而高效,免去了耗時繁瑣的手工檢測過程。這對企業(yè)提高產品質量很有幫助。

目前,國內外知名的、具有廣泛工程應用的逆向反求軟件有:

美國EDS公司出品的Imageware軟件,具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數據。根據這些點云數據構造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲線、曲面模型與實際測量數據之間的誤差。

英國DELCAM公司出品的CopyCAD,是DELCAM公司系列CAD產品中的一個。能夠快速編輯數字化數據,產生具有高質量的復雜曲面。該軟件系統可以完全控制曲面邊界的選取,然后根據設定的公差能夠自動產生光滑的多塊曲面,同時,CopyCAD還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。CopyCAD的獨有的局部逆向概念功能能極大提高逆向工程的效率。

DELCAM的產品涵蓋了從設計到制造、檢測的全過程。包括PowerSHAPE(設計)、PowerMILL(制造)、CopyCAD、PowerINSPECT(三維檢測)等諸多軟件產品。作為系列產品的一部分,CopyCAD的數據模型、幾何引擎均與系列產品中的其他組件保持一致,這樣帶來的好處是逆向工程軟件產生的模型可以直接進入CAD或CAM模塊中,實現了數據的無縫集成,極大地方便了用戶。

美國Raindrop(雨滴)公司出品的Geomagic Studio,具有豐富的數據處理手段,可以根據測量數據快速構造出多張連續(xù)的曲面模型。還出品有三維檢測軟件Geomagic Qualify。

韓國INUS公司出品的RapidForm,用于處理測量、掃描數據的曲面建模,提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具,用戶可以方便的利用以前構造的曲線網格經過縮放處理后應用到新的模型重構過程中。

以上介紹的是目前較常見的逆向工程反求軟件,在國內能夠見到的商品化的此類軟件均是國外的。國內在逆向工程軟件方面雖然也有研究,但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學、浙江大學在這方面的研究比較深入,這些研究成果也有一些以軟件產品形式出現,臺灣地區(qū)也出品有Digisurf等軟件,但由于系統穩(wěn)定性、功能、可操作性等方面的原因,這些軟件還沒有完全具備與國外商業(yè)化軟件競爭的條件。