現代逆向工程設計數據的處理與分析

李旭

【摘 要】隨著計算機科學的迅速發展和現代制造技術的進步，逆向工程技術是CAD/CAM技術領域的一個研究熱點。通過逆向工程技術，可以根據實物模型的數字化信息重建實物的CAD模型，使得那些以實物為制造基礎的產品在設計和制造過程中，充分利用CAD/CAM等先進制造及管理技術；從而可以縮短產品的開發周期，提高生產能力。產品質量和企業的市場競爭力，增加企業的經濟效益。本文以Image ware軟件在逆向工程的數據處理流程做一分析。

【關鍵詞】逆向工程Image ware數據處理流程；分析

一、傳統逆向與現代逆向的對比

傳統逆向工程程序為多為半自動之手工翻制模型、或是借助仿真機以靠模方式制作模具或模型。其主要的用途是以復制的工作為主，以此程序所制造的產品外形與原始手工模型相仿，然而其細部尺寸往往不夠精確。在少量多樣化產品的量產，更無法依各材料的縮水率來做模具的修改，而導致產品時常無法通過品質檢測。以修改原設計圖來符合此次產品生產所能達到的規格。如此不僅浪費時間及人力，同時也增加模具開發的成本。近年來由于科技的進步，現代逆向工程技術是一項開拓性、綜合性、實用性較強的技術，逐漸成為產品開發中不可或缺的一環。借由電腦輔助設計與制造的CAD/CAM/CNC系統作產品的開發、繪圖、設計和加工等，已取代了大部分傳統逆向工程程序的工作。這兩種方式各有其優缺點，前者生產較快，但是模型確定后就無法變更設計且精度較差；后者則是精度較佳及隨時可供設計修改，但是人員的培訓較困難，軟硬件設備所需的成本也較高。然而新的逆向工程技術是一種結合傳統逆向工程、正向工程及3D掃描的技術，其制造操作程序依序為3D掃描將手工模型數位化，以得到模型得點資料利用CAD/CAM軟件或專業軟件重建電腦模型，而后可傳送至CNC或RP作手工模型得重建與制造。

二、現代逆向工程設計制造的工作流程

逆向工程與傳統設計制造流程中的各功能模塊，在序列上被相互換位倒置。傳統設計制造，零件制造是從無到有的設計，按照現有技術及制造的風險因素，根據零件所要承擔的功能來進行制作。逆向工程制造，按照現有的零件原型進行設計生產，根據零件的幾何特征及技術要求，都設計到原型中；另外，CAD模型的傳統設計從概念設計到最終形成CAD模型是一個確定的明晰過程，而逆向工程對現有零件原型數字化后形成CAD模型是一個推理、逼近的過程。通常逆向工程可分為5個階段：零件原型數字化測量→提取零件原型的幾何特征→零件原型三維重構→CAD模型的分析及改進→CAD模型的校驗與修正。（1）零件原型三維數字化測量。采用三坐標測量機（CMM）或激光掃描等測量裝置，測量采集零件原型表面點的三坐標值，使用逆向工程專業軟件接收處理離散的點云數據。（2）提取零件原型的幾何特征。按測量數據的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原型所具有的設計與加工特征。（3）零件原型三維重構。將分割后的三維數據在CAD系統中分別作曲面模型的擬合，并通過各曲面片的求交與拼接獲取零件原型表面的CAD模型。（4）CAD模型分析及改進。對虛擬重構出的CAD模型，從產品的用途及零件在產品中的地位、功用進行原理和功能分析，確保產品良好的人機性能，并實施有效的改進創新。（5）CAD模型校驗與修正。根據獲取的CAD模型，采用重新測量和加工出樣品的方法，來校驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求。對不滿足要求者重復以上過程，直至達到零件的功能、用途等設計指標要求。

三、數據的獲取

（1）接觸式測量，通過傳感測量儀器與樣件的接觸來記錄樣件表面的坐標位置，接觸式測量的精度一般較高，可以在測量時根據需要進行規劃，從而做到有的放矢，避免采集大量冗余數據，但測量效率較低。（2）非接觸測量，基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將測得的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點。由于非接觸式測量技術測量效率較高，測量數據能包含被測物體足夠細節信息。針對非接觸式測量設備的限制，在測量時，對型腔、小的凹形區域等一些不可測區域，測量的數據可能會出現不完整。龐大的測量數據，會增大數據處理和曲面重建的負擔。近年來，國內也開展了基于其他數字化方法的逆向工程研究，如清華大學激光快速成形中心進行的照片反求、CT反求西安交通大學研創的激光掃描法、層析法等。其中，三維激光掃描技術采用空間對應法測量原理，用激光束對物體表面進行掃描，由CCD（光電耦合）攝像機采集被測表面的光軌跡曲線，然后通過計算機處理。最終得到物體表面的三維幾何數據，根據這些數據可以進行快速成形和NC加工。

四、逆向工程輔助軟件的應用

近年來，Image ware軟件在逆向工程被廣泛應用汽車、航空、航天、家電、模具、計算機零部件領域。逆向工程應用軟件能控制測量過程，產生原型曲面的測量“點云”，以適合的數據格式傳輸至CAD/CAM系統中；或在生成及接收的測量數據基礎上，通過編輯和處理直接生成復雜的三維曲面或曲面原型，選擇合適的數據格式后，再轉入到CAD/CAM系統中，經過反復修改完成最終的產品造型。當測量中產生的數字模型直接嵌入到CAD/CAM模塊中時，會自動延續成為同一數據模型，便捷生成復雜曲面和產品零件原型。此類逆向工程軟件屬于外掛的第三方軟件，如Image ware作為UG系列產品中獨立完成逆向工程的點云數據讀取與傳力功能模塊，也能將測量的“點云”直接處理成質量很高的原型曲面，但模型在CAD/CAM系統中延續時會產生冗余數據。Image ware數據處理遵循點——曲線——曲面原則，操作簡單便捷，工作流程清晰。流程如下：（1）讀入點陣數據（點過程）。通常掃描后得到的測量數據是由大量的三維坐標點所組成，根據掃描儀的性質、掃描參數和被測物體的大小，由幾百點到幾百萬點不等，這些大量的三維數據點稱為點云。掃描得到的產品外形數據會不可避免的引入數據誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測量數據，測量數據中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對原始點云數據應進行預處理，通常要經過以下步驟：去掉噪音點→數據插補→數據平滑→數據光順→點云的重定位整合。（2）判斷和決定生成哪種類型的曲線（曲線創建過程）。曲線的生成是用于建立遵循設計要求的點、直線、圓弧、樣條曲線、二次曲線、平面等幾何要素，一般來說曲線功能建立的幾何要素主要是位于工作坐標系XY平面上（用捕捉點的方式也可以在空間上畫線），當需要在不同平面上建立曲線時，需要用坐標系工具WCS→

Rotate或者Orient來轉換XY平面。（3）決定生成那種曲面（曲面創建過程）。同曲線一樣，根據產品設計需要可以考慮生成更準確的曲面、更光順的曲面（例如class1曲面），或兩者兼顧。逆向工程技術是消化、吸收國外先進技術、促進科技成果進步、實現技術創新的重要手段。Image ware在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它當之無愧的成為逆向工程領域的領導者。逆向工程技術重在分析與吸收，貴在繼承與創新，是機電產品創新的基礎與源泉，在逆向工程的基礎上進行工程設計，起點高、效果快、成本低，可以進行移植、組合、改造、創新。是發展高新技術、提升企業競爭力、趕超發達國家的有效途徑。

五、逆向工程實際應用中的兩大目標

（1）采用逆向工程技術，解決電子及日用品產品零件異形曲面設計難度大、設計周期長、外形設計要求不易表達或不易修改、精度低、效果差、成本高的一攬子工程解決方案。（2）解決三坐標測量機、光柵掃描儀對異形曲面測量失真的問題；解決正確處理異形曲面測量數據，使之順利轉換到數字建模的CAD軟件系統中，快速實現零件原型幾何數字建模的實用技術。

六、結語

逆向工程技術涉及到跨領域發展和多個學科的知識和技術，在現代制造業中發揮著越來越重要的作用。逆向工程技術研究還在發展中，對技術的改進和發展仍然存在諸多問題需要解決。（1）數字化測量技術的高精度和高速度，以提高測量精度和速度，減小測量誤差。（2）智能化數據處理，提升點云數據自動分割能力，降低對技術人員經驗等方面的要求。（3）無縫集成，針對不同模塊簡單的功能集成，不同模塊間的幾何特征數據、精度數據等的傳遞規律。