淺談逆向工程中自由曲面技術(shù)的應(yīng)用

丁典

摘 要：逆向工程（Reverse Engineering），也稱反求工程，是數(shù)字化設(shè)計中的重要設(shè)計手段之一。它不僅是簡單地復(fù)制模型和零件的過程，也需要設(shè)計人員進行數(shù)據(jù)化的再設(shè)計。因此，在逆向工程的自由曲面造型中，應(yīng)在保證精確性和質(zhì)量的同時，也要保持一定的自由度和靈活性。

關(guān)鍵詞：逆向工程；自由曲面；曲面拓撲；Alias

中圖分類號：TP391.7 文獻標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.087

1 逆向工程的自由曲面技術(shù)

逆向工程與傳統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)流程存在質(zhì)的不同。傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計的實現(xiàn)通常是從圖紙上的概念設(shè)計到圖樣，然后制造出產(chǎn)品，這樣的流程稱之為正向工程或順向工程，而產(chǎn)品的逆向工程在狹義上是指在沒有設(shè)計圖紙或設(shè)計圖紙不完整、沒有CAD模型的情況下，利用三維數(shù)字化測量儀測量樣件物體表面的點云數(shù)據(jù)，并傳至CAD/CAM系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)處理，最后制作成所需要的CAD模型。廣義上的逆向工程包括形狀、工藝、結(jié)構(gòu)和材料逆向，是一個極其復(fù)雜的過程。

本文探討的“逆向工程”主要集中在自由曲面領(lǐng)域，即將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型等相關(guān)的數(shù)據(jù)化曲面數(shù)據(jù)，最終應(yīng)用于產(chǎn)品制造。自由曲面技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，特別是在交通工具和消費電子等復(fù)雜產(chǎn)品的開發(fā)中。這是因為在產(chǎn)品開發(fā)和設(shè)計的過程中，雖然數(shù)字化設(shè)計已廣泛參與了各個流程，但由于各種原因，最初的樣件并不是由CAD數(shù)據(jù)所描述，設(shè)計和制造者面對的僅僅是實物樣件。為了制造產(chǎn)品，必須通過數(shù)字模擬手段將樣件轉(zhuǎn)換為CAD模型，這對提高產(chǎn)品的人機工學(xué)水平、產(chǎn)品造型美學(xué)水平，縮短CAE/CAM周期和提高產(chǎn)品市場的競爭力有重要意義。

2 自由曲面造型的原理和應(yīng)用

2.1 自由曲面的參數(shù)化原理

自由曲面的參數(shù)化系統(tǒng)基于NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系統(tǒng)，中文翻譯為非均勻有理B樣條曲線系統(tǒng)。國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO）頒布的工業(yè)產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)STEP中，將NURBS作為定義工業(yè)產(chǎn)品幾何形狀的唯一數(shù)學(xué)方法。目前，Bezier、有理Bezier、均勻B樣條和非均勻B樣條都被統(tǒng)一到NURBS中，從而使NURBS系統(tǒng)成為曲面造型技術(shù)發(fā)展趨勢匯中最主要的基礎(chǔ)。當(dāng)下主流的自由曲面造型軟件，比如Autodesk Alias、ICEM和CATIA等都采用NURBS系統(tǒng)搭建內(nèi)部架構(gòu)。

2.2 基于Alias的逆向自由曲面造型

2.2.1 點云數(shù)據(jù)的處理

自由曲面的構(gòu)建是逆向工程的核心內(nèi)容，而曲面構(gòu)建的基礎(chǔ)是通過測量設(shè)備測量樣件所獲得的點云數(shù)據(jù)。點云的三角化是逆向設(shè)計中很重要的步驟。掃描得到的點云往往很大，有的點云有上百萬甚至幾百萬個點，如果不生成三角片進行簡化，則目前的計算機硬件設(shè)備很難對其操作。此外，三角網(wǎng)格化并簡化后，可很方便地為后續(xù)構(gòu)線搭建面做準(zhǔn)備。如果局部網(wǎng)出現(xiàn)破洞，則可以對網(wǎng)格進行修補。Alias逆向重構(gòu)曲面時，先將處理后的點云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為三角網(wǎng)格（Mesh），再對三角網(wǎng)格進行一系列的編輯處理，最后進行逆向曲面重構(gòu)。在Alias中具有多樣性的建模工具，在導(dǎo)入和配置來自三維掃描儀的點云數(shù)據(jù)后，可對消費產(chǎn)品或汽車模型進行可視化和逆向工程操作。Alias的剪切、平滑、自動孔填充和網(wǎng)格縮減等工具可幫助用戶簡化和刪除數(shù)據(jù)。該軟件能處理包括數(shù)百萬個多邊形的大型數(shù)據(jù)，確保用戶能對形狀和外形進行提取和評估。

2.2.2 自由曲面的拓撲分析

在正式建模前，對產(chǎn)品的具體形態(tài)、斑馬線和曲率著色進行分析，確保以正確的拓撲分面開始建模。在自由曲面的規(guī)劃中，只有具有正確的拓撲分面，才能得出符合設(shè)計思路的曲面。基于拓撲學(xué)的特性，拓撲分面不具有唯一性，只有合理的分面，不存在唯一的分面。在Alias軟件中，具有強大的分析工具，可幫助使用者對模型進行快速分析。這類工具能提供關(guān)于mesh和曲面的實時數(shù)據(jù)或圖形反饋。

2.2.3 Alias中特征線的提取和擬合

在Alias中提取特征線的主要方法是對mesh數(shù)據(jù)進行切斷面線，通常是從x，y，z方向分別指定間距進行投影截取。通過分析特征線可檢測曲線、曲面與mesh數(shù)據(jù)的貼合程度。Alias軟件中主要有2種擬合特征線的方法：①在空間中畫自由曲線，通過視圖壓縮和檢測工具觀察誤差，移動CV點以縮小偏差，最終得到偏差范圍內(nèi)的自由曲線。這種方法耗時較長，但更加合理。②使用Alias中的Fit Curve自動貼合mesh數(shù)據(jù)上的特征線。這種方法速度更快，但曲線質(zhì)量較低。

2.2.4 典型四邊自由曲面的創(chuàng)建

基于NURBS系統(tǒng)的特性，逆向自由曲面的創(chuàng)建將遵照四邊面系統(tǒng)，可通過提取Alias中的特征線，并通過四邊成面、軌道掃面、延長和拉伸曲面貼合mesh數(shù)據(jù)。比較特殊的方法有直接曲面建模法，指在Alias中直接使用簡單曲面，通過增加調(diào)整CV點，不斷貼合mesh數(shù)據(jù)直至達到標(biāo)準(zhǔn)。此外，必須考慮因點云數(shù)據(jù)本身的失真和掃描精度不足造成的誤差，數(shù)字師應(yīng)與設(shè)計師不斷溝通，并對數(shù)據(jù)進行修改。

3 結(jié)束語

逆向工程中的自由曲面技術(shù)不僅僅是一個簡單的貼面建模的過程，而是基于新的產(chǎn)品設(shè)計思路和方法，在測量技術(shù)、計算機硬件、軟件技術(shù)提升的基礎(chǔ)下產(chǎn)生的新的設(shè)計方法，在消費電子、交通工具領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。在逆向過程中，需要設(shè)計人員在結(jié)合工程輸入的條件下對原始數(shù)據(jù)進行調(diào)整和創(chuàng)新，這是一個在數(shù)據(jù)條件下的再設(shè)計過程。利用Alias軟件中自由曲面的靈活性，對復(fù)雜曲面進行拓撲分析，巧妙地將設(shè)計與工程、藝術(shù)和科學(xué)鏈接起來，這對整個設(shè)計、創(chuàng)意和生產(chǎn)一元化有著深遠的意義。

參考文獻

[1]丁寧.Autodesk Alias 2010 新體驗[J].CAD與制造業(yè)信息化，2009（8）：31-33.

〔編輯：張思楠〕