基于反向工程的曲面重構及數字化驗證

摘 要:反向工程是制造加工業中的一種常用手段，通過生產實踐，探討了反向工程技術在實際生產中的應用。

關鍵詞:反向工程 計算機建模 檢測

中圖分類號:TP391.7文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2012)03(a)-0094-01

反向工程(Reverse Engineering)又稱為逆向工程，是近年發展起來的引進、消化、吸收和提高先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合。它以已有的產品或技術為研究對象，以現代設計理論、生產工程學、材料學、計量學、計算機技術及計算機圖形學和有關專業知識為基礎，以解剖、掌握對象的關鍵技術為目的，最終實現對研究對象的認識、再現及創造性地開發。

1 數據采集

數據采集是指用某種測量方法和設備測量出實物原型各表面的點的幾何坐標，又稱零件數字化，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]，而測量系統與物體的作用不外乎光、聲、機、電、磁等方式，采用哪一種數據采集方法要注意測量方法、測量精度、采集點的分布和數目及測量過程對后續CAD模型重構的影響。

從表1中可以看出，各種數據采集方法都有一定的局限性，對制造業領域的反向工程而言，要求數據采集方法應滿足以下要求:(1)采集精度高，一般地，誤差應在50μm以內。(2)采集速度快。(3)可采集各種復雜形狀原型。(4)盡可能不破壞原型。(5)盡量降低成本。

2 數據處理

數據處理是反向工程中的關鍵環節，它的結果將直接影響后期模型重構的質量。此過程中經常包括以下幾方面的工作:

(1)數據預處理，如噪聲處理，多視拼合等，增強數據的合理性及完備性。

(2)數據分塊，整體曲面的擬合往往較難實現，通常采用分片曲面的拼接來形成整塊曲面。

(3)數據光順，通常采用局部回彈法、圓率法、最小二乘法和能量法等來實現。

(4)三角化(STL)，直接為RPM產生切片數據和為Bezier三角曲面造型奠定基礎。

(5)數據優化，壓縮不必要的曲面片內的數據點，減少后期計算量。

(6)散亂數據處理，對于具有較復雜形狀的工件，測量數據中必然有一部分是無序的，須建立數據點間的拓撲關系。

3 三維CAD模型重構及數字化驗證

3.1 三維CAD模型重構

一般而言，產品外形CAD模型是由多張不同幾何形狀的曲面經過延伸、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，在反向工程技術重構出產品的原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模型的重構，應該根據此產品外形的幾何特性，選擇適當的處理方法，方可較好地得到原產品的幾何形狀，以滿足產品外形的幾何特性。

3.2 數字化三維模型檢測

機械工程檢測技術的發展與生產和科學技術的發展密切相關。生產發展需要不斷提出檢測技術的新任務、新課題，是檢測技術發展的動力。現在零部件加工復雜、精度要求高、制造工藝先進，而如何合格的對零部件驗收，一直公司頭痛的問題，因為借助傳統方法很難解決，沒有一個良好的判斷標準。在數字化三維模型檢測中多借用Geomagic Qualify、Polyworks等軟件，可對測量模型和數字化模型進行對比和分析，給出檢測報告，幫助工程師和檢測人員判斷。

4 曲面重構及數字化驗證應用

本文以CATIA和Geomagic Qualify為例，CATIA是法國達索系統公司開發的CAD/CAE/CAM軟件，被廣泛運用在航空航天、汽車制造、造船、機械制造等行業，它的集成方案幾乎覆蓋了所有的產品設計與制造領域;Geomagic Qualify是美國Rain2 drop Geomagic軟件公司開發的逆向工程后處理軟件，可實現產品的快速檢驗，可在電腦輔助設計(CAD)系統產生的產品零件模型和已有實際零件之間進行自動的3D比對和誤差分析，Geomagic Qualify可根據設定誤差等級進行色階分析，用此特征作為基準，找出測量點云與其對應的位置，使其相互重合達到最佳匹配。

5 結論

反向工程作為一門獨立的技術，有較大的隨機性。其整體思路是一致的，但實現過程因人而異，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的一個主要原因。總之，反向工程必將更廣泛地運用到制造加工業中去。

參考文獻

[1]謝斌.逆向工程在復雜外形零件成型技術上的應用.合肥工業大學碩士學位論文，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機械設計基礎培訓教程.北京:人民郵電出版社，2004:10.