李旭

【摘 要】隨著計(jì)算機(jī)科學(xué)的迅速發(fā)展和現(xiàn)代制造技術(shù)的進(jìn)步，逆向工程技術(shù)是CAD/CAM技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)。通過(guò)逆向工程技術(shù)，可以根據(jù)實(shí)物模型的數(shù)字化信息重建實(shí)物的CAD模型，使得那些以實(shí)物為制造基礎(chǔ)的產(chǎn)品在設(shè)計(jì)和制造過(guò)程中，充分利用CAD/CAM等先進(jìn)制造及管理技術(shù)，從而可以縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)周期，提高生產(chǎn)能力。產(chǎn)品質(zhì)量和企業(yè)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力，增加企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。本文以Image ware軟件在逆向工程的數(shù)據(jù)處理流程做一分析。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；Image ware；數(shù)據(jù)處理流程

一、傳統(tǒng)逆向與現(xiàn)代逆向的對(duì)比

傳統(tǒng)逆向工程程序?yàn)槎酁榘胱詣?dòng)之手工翻制模型、或是借助仿真機(jī)以靠模方式制作模具或模型。其主要的用途是以復(fù)制的工作為主，以此程序所制造的產(chǎn)品外形與原始手工模型相仿，然而其細(xì)部尺寸往往不夠精確。在少量多樣化產(chǎn)品的量產(chǎn)，更無(wú)法依各材料的縮水率來(lái)做模具的修改，而導(dǎo)致產(chǎn)品時(shí)常無(wú)法通過(guò)品質(zhì)檢測(cè)。以修改原設(shè)計(jì)圖來(lái)符合此次產(chǎn)品生產(chǎn)所能達(dá)到的規(guī)格。如此不僅浪費(fèi)時(shí)間及人力，同時(shí)也增加模具開(kāi)發(fā)的成本。近年來(lái)由于科技的進(jìn)步，現(xiàn)代逆向工程技術(shù)是一項(xiàng)開(kāi)拓性、綜合性、實(shí)用性較強(qiáng)的技術(shù)，逐漸成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中不可或缺的一環(huán)。借由電腦輔助設(shè)計(jì)與制造的CAD/CAM/CNC系統(tǒng)作產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)、繪圖、設(shè)計(jì)和加工等，已取代了大部分傳統(tǒng)逆向工程程序的工作。這兩種方式各有其優(yōu)缺點(diǎn)，前者生產(chǎn)較快，但是模型確定后就無(wú)法變更設(shè)計(jì)且精度較差；后者則是精度較佳及隨時(shí)可供設(shè)計(jì)修改，但是人員的培訓(xùn)較困難，軟硬件設(shè)備所需的成本也較高。然而新的逆向工程技術(shù)是一種結(jié)合傳統(tǒng)逆向工程、正向工程及3D掃描的技術(shù)，其制造操作程序依序?yàn)?D掃描將手工模型數(shù)位化，以得到模型得點(diǎn)資料利用CAD/CAM軟件或?qū)I(yè)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(xiàn)代逆向工程設(shè)計(jì)制造的工作流程

逆向工程與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造流程中的各功能模塊，在序列上被相互換位倒置。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)制造，零件制造是從無(wú)到有的設(shè)計(jì)，按照現(xiàn)有技術(shù)及制造的風(fēng)險(xiǎn)因素，根據(jù)零件所要承擔(dān)的功能來(lái)進(jìn)行制作。逆向工程制造，按照現(xiàn)有的零件原型進(jìn)行設(shè)計(jì)生產(chǎn)，根據(jù)零件的幾何特征及技術(shù)要求，都設(shè)計(jì)到原型中；另外，CAD模型的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)從概念設(shè)計(jì)到最終形成CAD模型是一個(gè)確定的明晰過(guò)程，而逆向工程對(duì)現(xiàn)有零件原型數(shù)字化后形成CAD模型是一個(gè)推理、逼近的過(guò)程。通常逆向工程可分為5個(gè)階段：（1）零件原型三維數(shù)字化測(cè)量。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）或激光掃描等測(cè)量裝置，測(cè)量采集零件原型表面點(diǎn)的三坐標(biāo)值，使用逆向工程專業(yè)軟件接收處理離散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。（2）提取零件原型的幾何特征。按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬性對(duì)其進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配與識(shí)別的方法來(lái)獲取零件原型所具有的設(shè)計(jì)與加工特征。（3）零件原型三維重構(gòu)。將分割后的三維數(shù)據(jù)在

CAD系統(tǒng)中分別作曲面模型的擬合，并通過(guò)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(jìn)。對(duì)虛擬重構(gòu)出的CAD模型，從產(chǎn)品的用途及零件在產(chǎn)品中的地位、功用進(jìn)行原理和功能分析，確保產(chǎn)品良好的人機(jī)性能，并實(shí)施有效的改進(jìn)創(chuàng)新。（5）CAD模型校驗(yàn)與修正。根據(jù)獲取的CAD模型，采用重新測(cè)量和加工出樣品的方法，來(lái)校驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求。

三、數(shù)據(jù)的獲取

逆向工程技術(shù)，重要的是建立產(chǎn)品的CAD模型，只有獲取正確的測(cè)量數(shù)據(jù)，才能進(jìn)行誤差分析和曲面比較，實(shí)現(xiàn)CAD曲面建模；并由此可再進(jìn)一步的到CAM處理和快速成型制造，而仿制出產(chǎn)品的外形。現(xiàn)有數(shù)字化技術(shù)，主要分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)煞N方法。（1）接觸式測(cè)量，通過(guò)傳感測(cè)量?jī)x器與樣件的接觸來(lái)記錄樣件表面的坐標(biāo)位置，接觸式測(cè)量的精度一般較高，可以在測(cè)量時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行規(guī)劃，從而做到有的放矢，避免采集大量冗余數(shù)據(jù)，但測(cè)量效率較低。（2）非接觸測(cè)量，基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將測(cè)得的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。由于非接觸式測(cè)量技術(shù)測(cè)量效率較高，測(cè)量數(shù)據(jù)能包含被測(cè)物體足夠細(xì)節(jié)信息。針對(duì)非接觸式測(cè)量設(shè)備的限制，在測(cè)量時(shí)，對(duì)型腔、小的凹形區(qū)域等一些不可測(cè)區(qū)域，測(cè)量的數(shù)據(jù)可能會(huì)出現(xiàn)不完整。龐大的測(cè)量數(shù)據(jù)，會(huì)增大數(shù)據(jù)處理和曲面重建的負(fù)擔(dān)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)也開(kāi)展了基于其他數(shù)字化方法的逆向工程研究，如清華大學(xué)激光快速成形中心進(jìn)行的照片反求、CT反求西安交通大學(xué)研創(chuàng)的激光掃描法、層析法等。其中，三維激光掃描技術(shù)采用空間對(duì)應(yīng)法測(cè)量原理，用激光束對(duì)物體表面進(jìn)行掃描，由CCD（光電耦合）攝像機(jī)采集被測(cè)表面的光軌跡曲線，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)處理。最終得到物體表面的三維幾何數(shù)據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)可以進(jìn)行快速成形和NC加工。

四、逆向工程輔助軟件的應(yīng)用

近年來(lái)，Image ware軟件在逆向工程被廣泛應(yīng)用汽車、航空、航天、家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。逆向工程應(yīng)用軟件能控制測(cè)量過(guò)程，產(chǎn)生原型曲面的測(cè)量“點(diǎn)云”，以適合的數(shù)據(jù)格式傳輸至CAD/CAM系統(tǒng)中；或在生成及接收的測(cè)量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，通過(guò)編輯和處理直接生成復(fù)雜的三維曲面或曲面原型，選擇合適的數(shù)據(jù)格式后，再轉(zhuǎn)入到CAD/CAM系統(tǒng)中，經(jīng)過(guò)反復(fù)修改完成最終的產(chǎn)品造型。當(dāng)測(cè)量中產(chǎn)生的數(shù)字模型直接嵌入到CAD/CAM模塊中時(shí)，會(huì)自動(dòng)延續(xù)成為同一數(shù)據(jù)模型，便捷生成復(fù)雜曲面和產(chǎn)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(chǎn)品中獨(dú)立完成逆向工程的點(diǎn)云數(shù)據(jù)讀取與傳力功能模塊，也能將測(cè)量的“點(diǎn)云”直接處理成質(zhì)量很高的原型曲面，但模型在CAD/CAM系統(tǒng)中延續(xù)時(shí)會(huì)產(chǎn)生冗余數(shù)據(jù)。Image ware數(shù)據(jù)處理遵循點(diǎn)——曲線——曲面原則，操作簡(jiǎn)單便捷，工作流程清晰。流程如下：（1）讀入點(diǎn)陣數(shù)據(jù)（點(diǎn)過(guò)程）。通常掃描后得到的測(cè)量數(shù)據(jù)是由大量的三維坐標(biāo)點(diǎn)所組成，根據(jù)掃描儀的性質(zhì)、掃描參數(shù)和被測(cè)物體的大小，由幾百點(diǎn)到幾百萬(wàn)點(diǎn)不等，這些大量的三維數(shù)據(jù)點(diǎn)稱為點(diǎn)云。掃描得到的產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)會(huì)不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和邊界附近的測(cè)量數(shù)據(jù)，測(cè)量數(shù)據(jù)中的壞點(diǎn)，可能使該點(diǎn)及其周圍的曲面片偏離原曲面，所以要對(duì)原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)應(yīng)進(jìn)行預(yù)處理，通常要經(jīng)過(guò)以下步驟：去掉噪音點(diǎn)→數(shù)據(jù)插補(bǔ)→數(shù)據(jù)平滑→數(shù)據(jù)光順→點(diǎn)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(chuàng)建過(guò)程）。曲線的生成是用于建立遵循設(shè)計(jì)要求的點(diǎn)、直線、圓弧、樣條曲線、二次曲線、平面等幾何要素，一般來(lái)說(shuō)曲線功能建立的幾何要素主要是位于工作坐標(biāo)系XY平面上（用捕捉點(diǎn)的方式也可以在空間上畫(huà)線），當(dāng)需要在不同平面上建立曲線時(shí)，需要用坐標(biāo)系工具WCS→

Rotate或者Orient來(lái)轉(zhuǎn)換XY平面。（3）決定生成那種曲面（曲面創(chuàng)建過(guò)程）。同曲線一樣，根據(jù)產(chǎn)品設(shè)計(jì)需要可以考慮生成更準(zhǔn)確的曲面、更光順的曲面（例如class 1曲面），或兩者兼顧。逆向工程技術(shù)是消化、吸收國(guó)外先進(jìn)技術(shù)、促進(jìn)科技成果進(jìn)步、實(shí)現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新的重要手段。Image ware在計(jì)算機(jī)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(wú)可匹敵的強(qiáng)大功能，使它當(dāng)之無(wú)愧的成為逆向工程領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者。逆向工程技術(shù)重在分析與吸收，貴在繼承與創(chuàng)新，是機(jī)電產(chǎn)品創(chuàng)新的基礎(chǔ)與源泉，在逆向工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行工程設(shè)計(jì)，起點(diǎn)高、效果快、成本低，可以進(jìn)行移植、組合、改造、創(chuàng)新。是發(fā)展高新技術(shù)、提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力、趕超發(fā)達(dá)國(guó)家的有效途徑。

五、逆向工程實(shí)際應(yīng)用中的兩大目標(biāo)

（1）采用逆向工程技術(shù)，解決電子及日用品產(chǎn)品零件異形曲面設(shè)計(jì)難度大、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、外形設(shè)計(jì)要求不易表達(dá)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(biāo)測(cè)量機(jī)、光柵掃描儀對(duì)異形曲面測(cè)量失真的問(wèn)題；解決正確處理異形曲面測(cè)量數(shù)據(jù)，使之順利轉(zhuǎn)換到數(shù)字建模的CAD軟件系統(tǒng)中，快速實(shí)現(xiàn)零件原型幾何數(shù)字建模的實(shí)用技術(shù)。

六、結(jié)語(yǔ)

逆向工程技術(shù)涉及到跨領(lǐng)域發(fā)展和多個(gè)學(xué)科的知識(shí)和技術(shù)，在現(xiàn)代制造業(yè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。逆向工程技術(shù)研究還在發(fā)展中，對(duì)技術(shù)的改進(jìn)和發(fā)展仍然存在諸多問(wèn)題需要解決。（1）數(shù)字化測(cè)量技術(shù)的高精度和高速度，以提高測(cè)量精度和速度，減小測(cè)量誤差。（2）智能化數(shù)據(jù)處理，提升點(diǎn)云數(shù)據(jù)自動(dòng)分割能力，降低對(duì)技術(shù)人員經(jīng)驗(yàn)等方面的要求。（3）無(wú)縫集成，針對(duì)不同模塊簡(jiǎn)單的功能集成，不同模塊間的幾何特征數(shù)據(jù)、精度數(shù)據(jù)等的傳遞規(guī)律。