國(guó)內(nèi)外逆向工程反求軟件的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀

彭 健

[摘要]逆向工程可以快速高效地還原產(chǎn)品模型,幫助快速生產(chǎn)樣件,快速進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì),形成從虛擬到現(xiàn)實(shí)的轉(zhuǎn)換,對(duì)于企業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)中將產(chǎn)品快速推向市場(chǎng)并占領(lǐng)市場(chǎng),加快企業(yè)產(chǎn)品研發(fā)等方面具有重要意義。因此,就國(guó)內(nèi)外逆向工程反求軟件的研發(fā)和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

[關(guān)鍵詞]逆向工程反求軟件應(yīng)用現(xiàn)狀

中圖分類號(hào):TU-9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1671-7597(2009)1210154-01

長(zhǎng)久以來(lái),工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)方式均是遵循嚴(yán)謹(jǐn)?shù)难邪l(fā)流程,從產(chǎn)品需求的構(gòu)思、功能與規(guī)格預(yù)期指標(biāo)的確定,進(jìn)而到各個(gè)組件的設(shè)計(jì)、制造、組裝、性能測(cè)試等。每個(gè)組件都保留有原始的設(shè)計(jì)圖,此設(shè)計(jì)圖目前通常通過(guò)CAD文件來(lái)保存。這種開(kāi)發(fā)模式被稱為“預(yù)定模式”(Pre-script

ive Model),此類開(kāi)發(fā)工程亦通稱為“正向工程”(Forward Engineering)。

然而,隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升以及大眾生活水準(zhǔn)的提高,任何通用性產(chǎn)品在消費(fèi)者對(duì)于高品質(zhì)的要求下,功能上的需求已不再是贏得市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的唯一條件。產(chǎn)品不單單是功能要先進(jìn),對(duì)外觀質(zhì)量、人機(jī)適應(yīng)性等方面也有更高的要求,故而工業(yè)造型設(shè)計(jì)領(lǐng)域已日益受到重視。

工業(yè)設(shè)計(jì)多著重于產(chǎn)品的外觀造型,多針對(duì)產(chǎn)品的外形美觀化來(lái)處理,在正向工程的研發(fā)流程中已不是傳統(tǒng)的機(jī)械工程師們所能勝任的了,取而代之的就是所謂的“逆向工程”(Reverse Engineering)。設(shè)計(jì)師們先通過(guò)手工方式塑造出模型,例如:蠟?zāi)！⒛灸！⑹嗄！⒄惩聊！⒐こ趟芰夏５鹊?然后再以三維尺寸測(cè)量的方式生成自由曲面的CAD文件。

由圖1可了解正向工程與逆向工程的整個(gè)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程。

逆向工程以往通常是指對(duì)某一產(chǎn)品進(jìn)行仿制工作。這種需求的產(chǎn)生可能是由于原始設(shè)計(jì)文件遺失、部分零件重新設(shè)計(jì),或是委托方交付一件樣品或產(chǎn)品(例如:儀表盤、高爾夫球頭等),請(qǐng)制造廠商復(fù)制出來(lái)。

傳統(tǒng)的復(fù)制方法是利用立體雕刻機(jī)或是仿型銑床制作出成比例的模具,然后再進(jìn)行量產(chǎn)。這種方法被稱之為“類比式復(fù)制”,缺點(diǎn)是無(wú)法建立工件尺寸的文件,也無(wú)法做任何的外形修改,現(xiàn)已逐漸被數(shù)字化的逆向工程系統(tǒng)所取代。

目前所謂的逆向工程是指針對(duì)現(xiàn)有工件,利用3D數(shù)字化測(cè)量?jī)x準(zhǔn)確、快速地取得點(diǎn)云數(shù)據(jù),再由反求軟件經(jīng)過(guò)曲面構(gòu)建、編輯、修改之后,置入一般的CAD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行再設(shè)計(jì),再由CAD/CAM計(jì)算出NC加工路徑,最后通過(guò)CNC數(shù)控加工設(shè)備制造產(chǎn)品和模具。另一種量產(chǎn)方式則是先以快速成型機(jī)將樣品模型制作出來(lái),然后再以快速模具設(shè)備進(jìn)行產(chǎn)品量產(chǎn)。具體流程如圖2所示。

逆向工程技術(shù)自上世紀(jì)90年代以來(lái)在國(guó)際上得到迅猛的發(fā)展,目前在國(guó)內(nèi)特別是在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的沿海地區(qū),逆向工程的應(yīng)用多集中在模具樣品開(kāi)發(fā)方面,特別是在以生產(chǎn)各種汽車、玩具配套件的企業(yè)經(jīng)常需要根據(jù)客戶提供的樣件制造出模具或直接加工出產(chǎn)品。

反求軟件系統(tǒng)是逆向工程技術(shù)的核心部分,由它將對(duì)樣件模型測(cè)量而得的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,生成具有較高質(zhì)量的曲線、曲面模型并經(jīng)編輯、修改之后,或?qū)隒AD/CAM系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)改型設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)等再設(shè)計(jì);或生成STL數(shù)據(jù)傳入快速成型機(jī)生產(chǎn)出產(chǎn)品樣件。在實(shí)際工程應(yīng)用中由于反求軟件在曲面設(shè)計(jì)編輯及細(xì)節(jié)特征設(shè)計(jì)等功能方面還不如正求CAD軟件,所以在具體工作中還要采用反求、正求軟件配套使用、取長(zhǎng)補(bǔ)短的方式,最終做成產(chǎn)品的逆向CAD模型。由此可見(jiàn),如何將反求軟件、正求軟件有機(jī)地整和,也是值得思考的問(wèn)題。

此外,近年來(lái)還興起了與逆向工程緊密關(guān)聯(lián)的坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和軟件相結(jié)合的三維檢測(cè)技術(shù),其概念是對(duì)新生產(chǎn)出的復(fù)雜形體的精密零件進(jìn)行檢測(cè),測(cè)量各關(guān)鍵部位的點(diǎn)云數(shù)據(jù),與CAD幾何模型(理論模型)進(jìn)行對(duì)比分析,并將分析處理結(jié)果以圖像、誤差標(biāo)注或分析報(bào)告的形式呈現(xiàn)給用戶,直觀而高效,免去了耗時(shí)繁瑣的手工檢測(cè)過(guò)程。這對(duì)企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量很有幫助。

目前,國(guó)內(nèi)外知名的、具有廣泛工程應(yīng)用的逆向反求軟件有:

美國(guó)EDS公司出品的Imageware軟件,具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能。可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲線、曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差。

英國(guó)DELCAM公司出品的CopyCAD,是DELCAM公司系列CAD產(chǎn)品中的一個(gè)。能夠快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù),產(chǎn)生具有高質(zhì)量的復(fù)雜曲面。該軟件系統(tǒng)可以完全控制曲面邊界的選取,然后根據(jù)設(shè)定的公差能夠自動(dòng)產(chǎn)生光滑的多塊曲面,同時(shí),CopyCAD還能夠確保在連接曲面之間的正切的連續(xù)性。CopyCAD的獨(dú)有的局部逆向概念功能能極大提高逆向工程的效率。

DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計(jì)到制造、檢測(cè)的全過(guò)程。包括PowerSHAPE(設(shè)計(jì))、PowerMILL(制造)、CopyCAD、PowerINSPECT(三維檢測(cè))等諸多軟件產(chǎn)品。作為系列產(chǎn)品的一部分,CopyCAD的數(shù)據(jù)模型、幾何引擎均與系列產(chǎn)品中的其他組件保持一致,這樣帶來(lái)的好處是逆向工程軟件產(chǎn)生的模型可以直接進(jìn)入CAD或CAM模塊中,實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的無(wú)縫集成,極大地方便了用戶。

美國(guó)Raindrop(雨滴)公司出品的Geomagic Studio,具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段,可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。還出品有三維檢測(cè)軟件Geomagic Qualify。

韓國(guó)INUS公司出品的RapidForm,用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模,提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具,用戶可以方便的利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過(guò)縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過(guò)程中。

以上介紹的是目前較常見(jiàn)的逆向工程反求軟件,在國(guó)內(nèi)能夠見(jiàn)到的商品化的此類軟件均是國(guó)外的。國(guó)內(nèi)在逆向工程軟件方面雖然也有研究,但是主要集中在幾所高校。其中以清華大學(xué)、浙江大學(xué)在這方面的研究比較深入,這些研究成果也有一些以軟件產(chǎn)品形式出現(xiàn),臺(tái)灣地區(qū)也出品有Digisurf等軟件,但由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、功能、可操作性等方面的原因,這些軟件還沒(méi)有完全具備與國(guó)外商業(yè)化軟件競(jìng)爭(zhēng)的條件。