逆向工程CAD建模關鍵技術研究

摘要：近幾年來，隨著計算機技術的發展，逆向工程因其更適合開發產品，而備受人們的關注。逆向工程是工業產品加工設計的一種新方法，它直接利用現有的產品技術特點將實物模型轉化為CAD模型。其中三維CAD模型的重構是最為關鍵的步驟，需要運用到多種關鍵技術才能完成實物模型的轉化。當前它的應用范圍極廣，本文基于此，重點研究逆向工程CAD建模關鍵技術。

關鍵詞：逆向工程;CAD建模;關鍵技術

引言：

一般情況下，工業產品的設計與加工需要先根據產品的需求開始構思，然后確定出產品的功能和規格，最后再設計相關的組件。這樣可以將設計出的原始設計圖保存起來，一般都會保存為CAD格式。利用這樣的方法進行工業產品的設計與加工，是一種正向工程。而逆向工程是剛好與之相反的一種新加工方法，它是把實物模型，通過測量和數據采集后，利用數字化技術獲得點云圖像，接著進行曲面重構，重新獲得修改后的模型，最終投入產品的生產。

一、實體三維測量技術

在逆向工程的實際操作過程中，首先需要運用的技術是三維測量技術。一般情況下可以分為損壞性和非損壞性兩種不同的測量技術。損壞性方式是對被測的實物進行斷層掃描，可以對實體的內部進行測量。該技術的優點在于測量的精密度更高，但缺點在于測量的速度比較慢，且會毀壞原本的實物[1]。

而非損壞性的測量方式又可以分為接觸與非接觸式兩種不同的方法。其中，接觸式的測量方法需要用到三維坐標測量儀和接觸式傳感器。其優點在于精度高，但是對周圍環境的要求也比較高，需要用探頭進行補償性測量。若有些地方探頭也測量不到，就要再用別的方式進行測量。如此一來就有一定的局限性，且測量的速度也是比較慢的。非接觸性的測量方式速度較快，適合大面積的數據測量與采集，且對曲面形狀也能進行測量。主要會利用到激光掃描技術、多視圖拼接技術。

二、測量數據的處理技術與規劃

數據的處理是逆向工程中的關鍵技術。它直接影響到了后期建模與重構的精準度。一般來說，測量系統會從原始實體物件的各個曲面上采集到大量的數據，這些數據之間沒有一定的聯系。通常情況下都是一些空間數據點，其中還有許多沒有用的數據。故而就需要運用到數據濾波技術，以排除大量的無用數據。

在數據處理完成后，要準確地規劃建模方案。主要是對逆向工程的建模目的和建模指標進行一個整體的規劃路線。一般可分為兩種不同的方式，一種是基于曲面特征進行建模，它能夠較好的保持模型的精度，且操作簡便。而另一種是基于截面進行建模，這種方法不適用于具有復雜曲面的模型設計。故此現階段大多采用前者。

三、點云多視對齊技術

點云多視對齊技術多要與點云分割技術配合使用，它是一種測量數據預處理的加工技術。一般情況向下，對實物模型進行掃描測量后會得到大量的數據。此時的物體表面存在互相重疊在一起的多個區域，由于測量時是從多個角度進行測量的，那么就會得到多種不同的點云，也就是多視點云。因為產品大多是有多個曲面組成的，所以就要將不同區域的點云數據進行分割和對齊。為了將點云數據分割并對其，就要將統一的局部坐標劃分在一起，并消除重疊的部分，也就得到了曲面的完整數據。一般可以采用的分割對齊方法有三種，一種是基于曲面，另一種是基于邊，還有一種是基于面[2]。

四、數據濾波技術

目前，在數據采集的過程中，受到環境因素和人為操作因素的影響，測量出的數據中會存在噪聲數據。為了降低對后期建模數據的影響，需要對點云進行平面的濾波處理，即為了保證點云的光順度，進行的數據過濾。常見的濾波有三種，分別是高斯濾波、中值濾波和平均濾波。其中，高斯濾波的平均效果小，且呈高斯狀態分布，能夠較好的維持原件的形狀。而中值濾波主要是為了消除邊緣的毛刺，它主要是統計出數據的中值。平均濾波是取平均值。需要注意的是，點云濾波是在之前已經分割對齊的基礎上，對有序的點云進行的點云濾波。但是點云精度越高，它的光順程度就越差。反之，精度越低，則越為光順。以上提到的三種濾波方法在使用過程中，要具體問題具體分析，合理地設置濾波參數。

現階段出現了新的分塊濾波技術。它可以實現噪點的快速和精準過濾。主要通過提取具有明顯特征的分界線和基礎幾何元素，將曲面進行分塊。大大提升了對噪點的判斷精確度，也可以實現更為精準的過濾。此外，還有很多方法都會被應用到實際的數據加工中。

五、曲面擬合重構

這是逆向工程中最為關鍵的一個步驟，大多是基于之前的數據加工，最終利用軟件技術，直接進行曲面的擬合重構。一般選用NURBS曲線法和三角Bazier曲面重構法、Bazier法以及B條樣法。其中三角Bazier曲面更適用于復雜的逆向工程，但是不適用于CAD建模軟件，要進行NURBS曲面的轉換，在轉換過程中容易造成數據的丟失。故此，常用Bazier法、B條樣法和NURBS曲線法這些比較成熟的曲面擬合重構技術。

六、結束語

總而言之，逆向工程作為一種產品開發的新方法，而今越來越受到人們的關注。因為它的優點，在開發模具、原型制作、造型設計以及人體的形狀測量等方面都得到了廣泛的應用。此外還有許多產品的設計并不是來自于設計的圖紙和概念，而是從另外一些實物模型上獲取的靈感。那么在沒有圖紙的情況下，逆向工程的作用就得到了很好地發揮。其關鍵技術主要是通過利用數據的測量與處理技術，進行點云成像和曲面重構，最終獲得CAD建模。但目前，逆向工程還需要我們進一步研究開發，以保證建模能夠更加精密、準確。

參考文獻：

[1]田立臣，祁麗麗，張智程，徐宏偉，王喜巖，魏高順.基于逆向工程的曲面建模與創新設計[J].發明與創新（職業教育），2021（05）：214-215.

[2]高宇，李衛民，趙旭東，江國海，叢偉.逆向工程技術研究現狀與展望[J].遼寧工業大學學報（自然科學版），2021，41（02）：90-94+128.

作者簡介：姓名：王金鈴;出生年月：1972.04;性別：女;民族：漢;籍貫：山東鄒平;職務/職稱：副教授;學歷：碩士研究生;研究方向：機械cad，逆向;單位信息（單位全名）：山東輕工職業學院;所在省市：山東省淄博市;郵編：255000