在汽車零件中逆向工程曲面重建關鍵技術探討

摘 要：逆向工程是指從實物上采集大量的三維坐標點，并由此建立該物體的幾何模型，進而開發出同類產品的先進技術。逆向工程技術可將實物樣件轉化為CAD數據，并進一步進行修改和再設計優化。目前主流的CAD/CAM系統有各自的逆向處理模塊，從而大大加速了逆向工程的普及與發展。但這些軟件的數據處理技術和造型技術仍不完善，數據處理通用性差，常需借助幾個軟件才能實現產品的快速開發與制造。

關鍵詞：逆向工程；曲面重建；關鍵技術

逆向工程是指從實物上采集大量的三維坐標點，并由此建立該物體的幾何模型，進而開發出同類產品的先進技術。逆向工程技術可將實物樣件轉化為CAD數據，并進一步進行修改和再設計優化。目前主流的CAD/CAM系統有各自的逆向處理模塊，從而大大加速了逆向工程的普及與發展。但這些軟件的數據處理技術和造型技術仍不完善，數據處理通用性差，常需借助幾個軟件才能實現產品的快速開發與制造。

一、逆向工程中數據分塊和特征提取在矩形域參數曲面擬合及重建中的意義

在對自由曲面要求很高的行業，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內飾件等行業，一般要達到A級曲面的要求。如果采用三角域Bezier曲面擬合，很難得到滿足要求的A級曲面，這類場合下更多的是采用矩形域參數的NURBS曲面擬合技術。矩形域參數曲面擬合技術生成面的方式主要有兩種：（1）單張復雜曲面擬合；（2）多張小面片分塊擬合，然后對多張曲面經過延伸、過渡、裁剪等混合而成。兩種方式各自有不同的適用場合，一般而言，對曲率變化急劇的產品，用單張復雜曲面擬合，會使曲面建模變得很復雜，因此，一般采用多張小面片擬合的方式。

二、國內外研究現狀及存在的問題

（一）逆向工程中曲面表示

目前，曲面表示方法分為四邊域曲面法（矩形域參數曲面）和三角曲面法兩類。

1.以B樣條或NURBS曲面為基礎的矩形域參數化四邊曲面表達法。主要包括Bezier曲面、B樣條曲面和NURBS曲面。當數據點在曲面的橫、縱方向等數目分布且數據點間存在規則的四邊拓撲關系時，四邊曲面法顯得更加方便、有效。

2.以三角Bezier曲面為基礎的三邊曲面表示法。三角Bezier曲面理論為基礎，用最小三角面片進行產品模型的建立，它能夠覆蓋整個參數域。

（二）數據分割

數據分割算法的關鍵是邊界識別，其前提是對零件的測量數據點進行三角化，得到其三角網格模型。邊界識別的基本思想是：計算兩個相鄰三角網格之間的法矢夾角，法矢夾角大于給定的角度閾值的三角網格便被認為是邊界網格，即法矢準則。

數據分塊方法分為測量的分割和自動分割。

1.基于測量的分割是在測量過程中，操作人員根據實物的外形特征，將外形曲面劃分成不同的子曲面并對曲面的輪廓、孔、槽邊界、表面脊線等特征進行標記，在此基礎上進行測量路徑的規劃，這樣不同的曲面特征數據將保存在不同的文件里，輸入CAD軟件，可以實現對不同數據類型的分層處理及顯示，為造型提供極大的方便。

2.對數據自動分割，研究方法主要分為兩大類：基于邊的方法和基于面的方法。

（1）基于邊的方法一般分為兩步進行：找出曲率突變點作為邊點，再將這些離散的邊點連接成線。基于邊的方法具體又可以分為三種：邊操作法、基于邊區域的分割法和基于曲面曲率的分割法。

（2）基于面的技術是確定哪些點屬于某個曲面，這種方法和曲面的擬合結合在一起，在處理過程中，這種方法同時完成了曲面的擬合。

（三）特征的提取

在曲面片擬合之前應進行數據分割，根據曲面片的特征類型將數據分成不同的子集。由于點特征主要是隱特征，分割依據的是模型表面的棱線和脊線。因此特征識別主要是測量數據點中識別出線和面特征，其中線特征是數據分塊的根據，面特征是造型的基礎。

三、目前逆向工程技術研究和應用存在的問題

1.如何在測量分塊中保證數據的正確分割并為后序的曲面重建做好基礎性的工作。過程中測量數據采集的快速性、易處理性也有待進一步研究。

2.復雜曲面重建技術，尤其是多個子曲面拼合而成的組合曲面，完成子曲面的擬合和子曲面間的拼接等方法有待研究和改善。

3.對曲面光順和精度保證，模型精度的評價等都有待進一步研究。

4.測量工具的使用、測量范圍存在的局限性和復雜性。

在對自由曲面要求很高的行業，更多的是采用矩形域參數的NURBS曲面擬合技術。利用特征提取檢測出面片間的邊界輪廓點和特征點，把這些點擬合成u，v方向NURBS截面曲線網格以及封閉的NURBS邊界曲線等特征曲線，再利用這些特征曲線轉變為具有規則四邊形網格，生成不同類型的表面片，并在此基礎上進行延拓、求交、剪切和縫合操作，構成被測物體完整的表面模型。

參考文獻：

王霄.逆向工程技術及其應用［M］.北京：化學工業出版社，2004.

（作者單位 江蘇省常州市武進中等專業學校）