黃立宏

貴州工業(yè)職業(yè)技術學院，貴州 貴陽 550008

在國外，逆向工程已經作為一種先進的設計方法被引入到新產品的設計開發(fā)工作中。我國也有許多企業(yè)應用逆向工程技術，對競爭對手的產品進行改進，以避開艱苦的原型設計階段，這是一種產品的再設計過程。在這一過程中，最重要的設計資料就是零件的CAD模型。各個零件都有二維的CAD圖或三維CAD模型及工序表等，整個產品有裝配圖或模型等，此外還有檢驗報告、技術說明等資料。這一過程是從產品的概念到CAD模型，最后轉變?yōu)閷嶋H的零件的過程。

求工程技術在機械制造領域的幾何建模應用

1 反求工程在產品建模中的應用

1.1 反求工程概念

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是對產品設計過程的一種描述。在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程：設計人員首先構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后利用CAD技術建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期。這樣的產品設計過程我們可以稱之為“正向設計”。逆向工程則是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品的設計數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程。

實施反求工程技術需要一定的硬件和軟件條件，處于一定的制造環(huán)境中，硬件條件包括各種各樣的測量機、測量探頭、模具或用于原型制造的CNC機床、快速成型機、射出成型機、鈑金成型機等批量生產設備。軟件條件包括各種點數據處理軟件或模塊，CAD/CAM軟件和CAE軟件等。

1.2 三維數據測量

隨著傳感技術、控制技術、圖像處理和計算機視覺等相關技術的發(fā)展，出現了各種各樣的物體表面幾何數據獲取方法，檢測設備的發(fā)展為產品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，使用較多的有德國、英國、意大利、美國等國家生產的三維掃描儀和三坐標測量機。從測頭結構原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測量可分為硬測頭和軟測頭，這種測頭與被測物體直接接觸，獲取數據信息，比較常用的是三座標測量機（CMM）。非接觸式測量可分為光學法、工業(yè)CT、超聲波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中,光學測量法應用最為廣泛。典型的光測頭則是應用光學及激光的原理進行的，有激光掃描、光學掃描。

實物的三維離散采樣速度及數據質量是影響逆向工程技術應用的重要因素之一。三坐標測量機(CMM)是一種發(fā)展較為成熟的接觸式測量設備,它具有噪聲低、精度高(可達±0.5μ m)、重復性好等優(yōu)點.但測量速度慢、效率低，對軟體對象難以做精密測量，需要對測頭表面損傷和測頭半徑進行補償，測量數據的特點是高精度低密度。

由于近年在分區(qū)域測量技術上的突破，使得投影光柵法的測量精度得到進一步地提高，如德國GOM公司的ATOS流動光學三維掃描儀，測量速度大于43000點/s，單幅照片可掃描點數最大可達400，000個點，單幅照片精度為±0.03 mm，整體測量精度小于0.1 mm/m。光學掃描儀尤其便于復雜曲面的掃描。另外，光學掃描儀還具有測量范圍大、攜帶方便等優(yōu)點。ATOS光學掃描儀配合高分辨率數碼照相系統(tǒng)掃描范圍可達8m×8m甚至更大。并且可以很方便地移動到實物現場工作，不僅適于復雜輪廓的掃描，而且常用于汽車、摩托車內外飾件的逆向造型工作。

1.3 車模的CAD模型構造

測量得到的數據一般都是點數據，存在多種格式，我們要用逆向設計軟件，這里我們采用Imageware對點數據進行處理，包括噪聲過濾、排序、刪減、拼合、分割及特征點的提取等。

現以一車模的例子來說明逆向設計應用。這里采用逆向設計軟件Imageware和正向設計軟件UG NX相結合來構建CAD模型

1.3.1 特征線的提取

特征線的提取是整個曲面重構的關鍵。根據車模外形特點，劃分出不同曲面的區(qū)域，如：平面、圓柱面、球面等，并對點云進行分割，并且把這些二次曲面擬合構造平面、圓柱面和球面；或直接作出特征，平面可以用三點或兩相交直線來確定，圓柱面以截面線和矢量來確定，B樣條曲面由B樣條曲線確定，NURBS曲面由非均勻有理B樣條曲線確定等。對于自由曲面，需構造出曲面的特征線，先對車模點云的作必要截面線，然后剔除截面點云的雜點和進行必要的光順，最后把截面點云擬合成曲線，以便構造自由曲面。對于特征線應該是光順的曲線。

對于平面曲線光順的原則是：

1）二階參數連續(xù)或幾何連續(xù)；

2）沒有多余的拐點；

3）曲率變化均勻；

4）應變能較小。

對于空間曲線的光順原則是：

1）二階光滑性；

2）不存在多余的拐點；

3）曲率變化比較均勻；

4）不存在多余的變撓點（變撓點指的是撓率為零的點，通常與撓率變號點相關）；

5）撓率變化比較均勻。

1.3.2 特征線分析

為了保證重構特征線的精度，在任何一條特征線的構建過程中，隨時檢測點云和曲線之間的偏差，調整特征線在偏差允許范圍內，確保與原型的一致性。在UG NX軟件中直接讀取Imageware軟件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中構建好的特征曲線導入到UG NX中，并且保證坐標系的一致。

1.3.3 用正向設計軟件（UG NX）構建曲面模型

在UG NX軟件中直接讀取Imageware軟件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中構建好的特征曲線導入到UG NX中，并且保證坐標系的一致。對調入的曲線進行分析，并對曲線光順處理，或對曲線進行重構和編輯，使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最終完成車模的三維造型。

1.3.4 利用逆向工程進行CAD模型檢驗

不論用何種方法加工，都需要對其加工精度進行檢驗。利用傳統(tǒng)的檢測手段很難準確檢測，因此，同樣可利用逆向工程技術對零件進行準確、高效率的檢測。

如同上述方法對加工的零件進行掃描，然后把掃描所得的點云和原始設計的三維數字模型一起調入逆向工程軟件Imageware中，分析比較2個模型間的偏差，用彩色云圖將差異顯示出來，從而檢測零件的加工精度。逆向工程技術不但在單件加工上可以很方便對復雜零件進行檢測，而且在批量生產和流水化生產中對產品的抽檢也顯得十分方便，如手機的外殼就利用逆向工程技術很快的完成檢測工作。

利用逆向工程技術在產品研究開發(fā)中，是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術。利用光學掃描儀作為獲取空間三維數據的手段，用逆向工程軟件Imageware對獲取的點云數據進行處理，其難點為曲線的構建、檢測和修改，而只有滿足曲線光順，曲面才能光順，曲面與點云的吻合精度又主要靠關鍵特征線的提取和構建精度來保證。

反求工程和正向工程結合起來的關鍵，就是根據反求工程的概念出發(fā)充分分析原始樣件的功能結構、工藝及幾何特征之間的關系后，將反向工程和正向工程的優(yōu)勢結合起來，創(chuàng)新思維對原設計做出改進，設計出更好的產品來。

[1]姜元慶，劉佩軍.UG/Imageware逆向工程培訓教程.

[2]洪如瑾.UG NX CAD快速入門指導.

[3]楊文余，尹周平.數字制造基礎.