基于反向工程的曲面重構(gòu)及數(shù)字化驗(yàn)證

摘 要:反向工程是制造加工業(yè)中的一種常用手段，通過生產(chǎn)實(shí)踐，探討了反向工程技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞:反向工程 計(jì)算機(jī)建模 檢測(cè)

中圖分類號(hào):TP391.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1674-098X(2012)03(a)-0094-01

反向工程(Reverse Engineering)又稱為逆向工程，是近年發(fā)展起來的引進(jìn)、消化、吸收和提高先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合。它以已有的產(chǎn)品或技術(shù)為研究對(duì)象，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、生產(chǎn)工程學(xué)、材料學(xué)、計(jì)量學(xué)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和有關(guān)專業(yè)知識(shí)為基礎(chǔ)，以解剖、掌握對(duì)象的關(guān)鍵技術(shù)為目的，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)研究對(duì)象的認(rèn)識(shí)、再現(xiàn)及創(chuàng)造性地開發(fā)。

1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集是指用某種測(cè)量方法和設(shè)備測(cè)量出實(shí)物原型各表面的點(diǎn)的幾何坐標(biāo)，又稱零件數(shù)字化，是反向工程中最基本、最不可少的步驟。物體三維幾何形狀的測(cè)量方法基本可分為接觸式、非接觸式、逐層掃描式三大類[1]，而測(cè)量系統(tǒng)與物體的作用不外乎光、聲、機(jī)、電、磁等方式，采用哪一種數(shù)據(jù)采集方法要注意測(cè)量方法、測(cè)量精度、采集點(diǎn)的分布和數(shù)目及測(cè)量過程對(duì)后續(xù)CAD模型重構(gòu)的影響。

從表1中可以看出，各種數(shù)據(jù)采集方法都有一定的局限性，對(duì)制造業(yè)領(lǐng)域的反向工程而言，要求數(shù)據(jù)采集方法應(yīng)滿足以下要求:(1)采集精度高，一般地，誤差應(yīng)在50μm以內(nèi)。(2)采集速度快。(3)可采集各種復(fù)雜形狀原型。(4)盡可能不破壞原型。(5)盡量降低成本。

2 數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是反向工程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量。此過程中經(jīng)常包括以下幾方面的工作:

(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理，如噪聲處理，多視拼合等，增強(qiáng)數(shù)據(jù)的合理性及完備性。

(2)數(shù)據(jù)分塊，整體曲面的擬合往往較難實(shí)現(xiàn)，通常采用分片曲面的拼接來形成整塊曲面。

(3)數(shù)據(jù)光順，通常采用局部回彈法、圓率法、最小二乘法和能量法等來實(shí)現(xiàn)。

(4)三角化(STL)，直接為RPM產(chǎn)生切片數(shù)據(jù)和為Bezier三角曲面造型奠定基礎(chǔ)。

(5)數(shù)據(jù)優(yōu)化，壓縮不必要的曲面片內(nèi)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，減少后期計(jì)算量。

(6)散亂數(shù)據(jù)處理，對(duì)于具有較復(fù)雜形狀的工件，測(cè)量數(shù)據(jù)中必然有一部分是無序的，須建立數(shù)據(jù)點(diǎn)間的拓?fù)潢P(guān)系。

3 三維CAD模型重構(gòu)及數(shù)字化驗(yàn)證

3.1 三維CAD模型重構(gòu)

一般而言，產(chǎn)品外形CAD模型是由多張不同幾何形狀的曲面經(jīng)過延伸、過渡、裁剪等處理混合而成，而每一種曲面都有其特性和生成方式。因此，在反向工程技術(shù)重構(gòu)出產(chǎn)品的原CAD模型的過程中，單純的使用某種曲面生成方法是無法完成整個(gè)模型的重構(gòu)，應(yīng)該根據(jù)此產(chǎn)品外形的幾何特性，選擇適當(dāng)?shù)奶幚矸椒ǎ娇奢^好地得到原產(chǎn)品的幾何形狀，以滿足產(chǎn)品外形的幾何特性。

3.2 數(shù)字化三維模型檢測(cè)

機(jī)械工程檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展與生產(chǎn)和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)。生產(chǎn)發(fā)展需要不斷提出檢測(cè)技術(shù)的新任務(wù)、新課題，是檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的動(dòng)力。現(xiàn)在零部件加工復(fù)雜、精度要求高、制造工藝先進(jìn)，而如何合格的對(duì)零部件驗(yàn)收，一直公司頭痛的問題，因?yàn)榻柚鷤鹘y(tǒng)方法很難解決，沒有一個(gè)良好的判斷標(biāo)準(zhǔn)。在數(shù)字化三維模型檢測(cè)中多借用Geomagic Qualify、Polyworks等軟件，可對(duì)測(cè)量模型和數(shù)字化模型進(jìn)行對(duì)比和分析，給出檢測(cè)報(bào)告，幫助工程師和檢測(cè)人員判斷。

4 曲面重構(gòu)及數(shù)字化驗(yàn)證應(yīng)用

本文以CATIA和Geomagic Qualify為例，CATIA是法國(guó)達(dá)索系統(tǒng)公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM軟件，被廣泛運(yùn)用在航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造等行業(yè)，它的集成方案幾乎覆蓋了所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域;Geomagic Qualify是美國(guó)Rain2 drop Geomagic軟件公司開發(fā)的逆向工程后處理軟件，可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速檢驗(yàn)，可在電腦輔助設(shè)計(jì)(CAD)系統(tǒng)產(chǎn)生的產(chǎn)品零件模型和已有實(shí)際零件之間進(jìn)行自動(dòng)的3D比對(duì)和誤差分析，Geomagic Qualify可根據(jù)設(shè)定誤差等級(jí)進(jìn)行色階分析，用此特征作為基準(zhǔn)，找出測(cè)量點(diǎn)云與其對(duì)應(yīng)的位置，使其相互重合達(dá)到最佳匹配。

5 結(jié)論

反向工程作為一門獨(dú)立的技術(shù)，有較大的隨機(jī)性。其整體思路是一致的，但實(shí)現(xiàn)過程因人而異，因事而異，最后殊途同歸得到所需之物。這可能是近年來反向工程成為研究熱點(diǎn)的一個(gè)主要原因。總之，反向工程必將更廣泛地運(yùn)用到制造加工業(yè)中去。

參考文獻(xiàn)

[1]謝斌.逆向工程在復(fù)雜外形零件成型技術(shù)上的應(yīng)用.合肥工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2005:8，55-57.

[2]Tamas Varady，Ralph R Martin，Jordan Cox·Reverse engineering of geometric models—an introduction[J]·CAD，1997，29(4):255-268.

[3]馬鐵林，劉海橋.CATIA機(jī)械設(shè)計(jì)基礎(chǔ)培訓(xùn)教程.北京:人民郵電出版社，2004:10.