0 引言

    隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在消費(fèi)者高質(zhì)量的要求下，功能上的需求己不再是贏得市場(chǎng)的唯一條件。產(chǎn)品不僅要有先進(jìn)的功能，還要有流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費(fèi)者的注意。為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成型系統(tǒng)(Rapid Prototyping，RP)，計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(Computer Aided Manufacture，CAM)，產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(Product Dada Management，PDM)等先進(jìn)系統(tǒng)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)一步進(jìn)行修改和再設(shè)計(jì)。這時(shí)候就需要一個(gè)一體化的解決方案：樣品→數(shù)據(jù)→樣品。逆向工程專門(mén)為制造業(yè)提供了一個(gè)全新高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。現(xiàn)如今，利用CAD/CAM技術(shù)、先進(jìn)制造技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物的逆向工程，已經(jīng)成為CAD/CAM領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)，并成為逆向工程技術(shù)應(yīng)用的主要內(nèi)容。

1 逆向工程的工作流程

    逆向工程(Reverse Engineering，RE)也稱反求工程、反向工程等，它是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)換成工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化、再創(chuàng)造的過(guò)程。它起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路。

    逆向工程的一般流程首先是通過(guò)測(cè)量掃描以及各種先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理手段獲得產(chǎn)品實(shí)物信息，把實(shí)物樣件轉(zhuǎn)換為CAD模型，然后利用計(jì)算機(jī)輔助制造、快速模型制造、快速模具和PDM系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理的一個(gè)系統(tǒng)過(guò)程，見(jiàn)圖1。

    圖1 逆向工程工作流程

2 數(shù)據(jù)采集

    在表面數(shù)字化技術(shù)中，根據(jù)測(cè)試方法的不同，可以將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式測(cè)量和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢�。接觸式測(cè)量一般是利用各種探頭進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。非接觸式測(cè)量主要是基于光學(xué)、聲學(xué)、磁學(xué)等領(lǐng)域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過(guò)適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)化為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。

    2.1 三坐標(biāo)測(cè)量

    這里主要介紹接觸式測(cè)量中的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。作為一種測(cè)量?jī)x器，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要是比較被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量，并將比較結(jié)果用數(shù)值表示出來(lái)。為了分析工件加工數(shù)據(jù)，或?yàn)槟嫦蚬こ烫峁┕ぜ�原始信息，�?jīng)常需要用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)被測(cè)工件表面進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)掃描。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的掃描操作是應(yīng)用DMIS程序在被測(cè)物體表面的特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)采集，該區(qū)域可以是一條線、一個(gè)面片、零件的一個(gè)截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線等。將被測(cè)物體置于三坐標(biāo)測(cè)量空間，可獲得被測(cè)物體上各測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計(jì)算求出被測(cè)物體的幾何尺寸、形狀和位置。其工作的基本原理就是通過(guò)探測(cè)傳感器（探頭）與測(cè)量空間軸線運(yùn)動(dòng)的配合，對(duì)被測(cè)幾何元素進(jìn)行離散的空間點(diǎn)位置的獲取，然后通過(guò)一定的數(shù)學(xué)計(jì)算，完成對(duì)所測(cè)得點(diǎn)（點(diǎn)群）的分析擬合，最終還原出被測(cè)的幾何元素，并在此基礎(chǔ)上計(jì)算其與理論值（名義值）之間的偏差，從而完成對(duì)被測(cè)零件的檢驗(yàn)工作。圖2是用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)一安全帽進(jìn)行掃描得到的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

    圖2 安全帽的點(diǎn)云數(shù)據(jù)

    2.2 曲面重構(gòu)

    在逆向工程中，由測(cè)量點(diǎn)云重構(gòu)實(shí)物的三維CAD模型是整個(gè)逆向過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，因?yàn)楹罄m(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速成型、數(shù)據(jù)處理后的點(diǎn)云制造、虛擬制造、仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等應(yīng)用都需要CAD模型的支持。曲面重構(gòu)是利用產(chǎn)品表面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)插值或者擬合構(gòu)建一個(gè)近似模型來(lái)逼近產(chǎn)品原型。根據(jù)拓?fù)湫问降牟煌�，目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分為以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)建方法和以NURBS（非均勻有理B樣條）曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合方法。在數(shù)據(jù)分割的基礎(chǔ)上，首先辨明不同的點(diǎn)云數(shù)據(jù)類型，然后根據(jù)不同類型的點(diǎn)云模型，選擇不同的曲面構(gòu)建方法。

3 Imageware對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理

    Imageware是目前運(yùn)用最為廣泛的逆向工程軟件，具有強(qiáng)大的點(diǎn)處理功能，具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型和誤差檢測(cè)的功能。可以處理幾萬(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。正被廣泛應(yīng)用于汽車、航空、航天、消費(fèi)家電、模具、計(jì)算機(jī)零部件等設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域。

    下面我們用Imageware對(duì)上述的安全帽的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

    3.1 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的預(yù)處理

    (1)Imageware可以把實(shí)體在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x中掃描出的大量的點(diǎn)云讀入，查看點(diǎn)云的信息，觀察點(diǎn)云數(shù)據(jù)的大致的形狀。

    (2)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行對(duì)齊與定位，由于掃描物體時(shí)，有些物體要從不同的角度掃描幾次才能完成，多次掃描所對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)系是不一致的，需要把不同掃描坐標(biāo)系的點(diǎn)合并起來(lái)，將每次掃描的局部坐標(biāo)系統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除幾次掃描過(guò)程中的重疊部分，讓對(duì)象能夠完全的校準(zhǔn)和定位，得到實(shí)物表面較為完整的點(diǎn)云。

    (3)去除噪聲點(diǎn)，噪聲點(diǎn)是由于測(cè)量時(shí)數(shù)據(jù)誤差引入的點(diǎn)，主要存在于模型尖銳的邊上和邊界附近。噪聲點(diǎn)影響著模型重建的準(zhǔn)確性，須對(duì)噪聲點(diǎn)予以去除。

    3.2 點(diǎn)云分塊

    為了使逆向設(shè)計(jì)進(jìn)行的更加精確和簡(jiǎn)單。我們通常要對(duì)復(fù)雜的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分塊。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行合理的分塊，不僅可以節(jié)省逆向設(shè)計(jì)所使用的時(shí)間，而且可以減小點(diǎn)云與擬合曲面之間的誤差。根據(jù)安全帽的點(diǎn)云特征，通過(guò)曲率分析，我們可以根據(jù)曲率的不同，將安全帽的點(diǎn)云數(shù)據(jù)分成2個(gè)點(diǎn)云塊，即帽身、帽檐2個(gè)部分（如圖3）。帽身和帽檐之間空缺的點(diǎn)云，在擬合曲面時(shí)，我們將通過(guò)倒圓角功能來(lái)生成。

    圖3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)的分塊

    3.3 擬合曲面

    Imageware軟件主要采用點(diǎn)-面和點(diǎn)-線-面兩種方法，對(duì)二次曲面、過(guò)渡曲面和自由曲面進(jìn)行擬合。

    (1)點(diǎn)-面擬合方法

    當(dāng)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)狀況為均勻的曲面或者當(dāng)點(diǎn)云數(shù)據(jù)趨近成平面、圓柱、圓球、圓錐等幾何形狀時(shí)，可以使用“Construct-Surface from Cloud-Uniform surface”指令直接生成一個(gè)均勻的曲面。帽檐部分的點(diǎn)云就是用這種方式直接擬合成曲面的（如圖4）。

    圖4 帽檐點(diǎn)云及擬合成的曲面

    (2)點(diǎn)-線-面擬合方法

    這種方法在完成曲面重構(gòu)時(shí)經(jīng)常用到的一種方法。并不是所有的點(diǎn)云數(shù)據(jù)都是均勻平滑分布的，有些時(shí)候點(diǎn)云數(shù)據(jù)的曲率變化較大，直接擬合成曲面會(huì)出現(xiàn)較大偏差，不能得到我們期望的曲面。在這種情況下我們可以先根據(jù)點(diǎn)云特征將點(diǎn)云數(shù)據(jù)的輪廓線擬合出來(lái)，然后再通過(guò)輪廓線擬合成曲面。本例中，根據(jù)帽身點(diǎn)云的特征，我們將安全帽點(diǎn)云的輪廓線提取出來(lái)（如圖5），然后根據(jù)輪廓線在進(jìn)行帽身曲面的擬合與帽檐曲面的修剪。圖6是擬合完成后尚未修剪的曲面。

    圖5 安全帽的輪廓線

    圖6 擬合完成的曲面

    3.4 修剪曲面

    曲面擬合完畢后，要將多余的表面邊界剪切掉，或者要對(duì)兩個(gè)表面進(jìn)行倒角。安全帽的帽檐部分的曲面，可以根據(jù)帽檐的輪廓曲線進(jìn)行修剪，然后將帽身部分的曲面進(jìn)行延伸，再與帽檐部分曲面進(jìn)行倒角。最終擬合完成的安全帽如圖7所示。修剪曲面是一個(gè)及其繁瑣的工作，Imageware的裁剪和面倒角功能不是太理想，我們可以先用Imageware構(gòu)面，然后使用其他軟件來(lái)進(jìn)行修剪和面倒圓的操作。通過(guò)一系列的處理最終所得到的安全帽如圖7所示。

    圖7 擬合完成的安全帽

    3.5 誤差檢測(cè)

    曲面擬合完成后，我們要對(duì)曲面與點(diǎn)云之間的誤差進(jìn)行檢測(cè)，在Imageware中，誤差的檢測(cè)是通過(guò)“Measure-Surface to-Cloud difference”指令來(lái)完成的（如圖8）。如果曲面與點(diǎn)云之間的擬合誤差較大，我們就要對(duì)曲面進(jìn)行重新擬合或者微調(diào)，使誤差達(dá)到所要求的精度。

    圖8 誤差檢測(cè)

    3.6 光順度和曲率連續(xù)性檢查

    曲面修剪完成后，后期還應(yīng)該進(jìn)行必要的表面光順性的檢測(cè)。在Imageware中曲面的光順性可以通過(guò)曲率梳檢測(cè)以及等高線檢測(cè)的方法來(lái)完成。

    (1)曲率梳檢測(cè)法

    檢查曲面的曲率梳可以判定曲面的曲率連續(xù)性，曲率梳相鄰之間曲率針的方向以及長(zhǎng)短反映了曲面的曲率方向與曲率值。一般說(shuō)來(lái)，在同一個(gè)曲率梳上的曲率針朝著同一個(gè)方向，并且曲率針的長(zhǎng)短起伏不大，這樣的曲面光順性較好。Imageware中，使用“Evaluate-Curvature-Surfae Needle”指令可以檢驗(yàn)x、y、z三個(gè)方向上的曲率梳（如圖9）。帽身曲面部分的曲率針長(zhǎng)短基本一致，所以，帽身曲面的光順性良好。

    圖9 曲率梳檢測(cè)

    (2)反射等高線檢測(cè)法

    在曲面上出現(xiàn)等高線后，旋轉(zhuǎn)視圖查看各個(gè)角度等高線的情況，一般不出現(xiàn)等高線相交的情況，就說(shuō)明曲面的光順性達(dá)到要求。使用指令“Evaluate-Surface Flow-Reflection Lines”可以通過(guò)等高線的方法來(lái)檢測(cè)曲面的光順性（如圖10）。

    圖10 登高線檢測(cè)

4 結(jié)束語(yǔ)

    逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)日益引起人們的重視。應(yīng)用前景非常廣闊。它采用三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x對(duì)實(shí)物進(jìn)行掃描得到點(diǎn)云，再利用Imageware軟件進(jìn)行點(diǎn)云的處理與曲線、曲面的構(gòu)造，誤差的檢測(cè)與分析，然后利用NX、CAD等造型軟件進(jìn)行曲面的細(xì)節(jié)處理和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)最終得出完整的實(shí)體模型。

核心關(guān)注：拓步ERP系統(tǒng)平臺(tái)是覆蓋了眾多的業(yè)務(wù)領(lǐng)域、行業(yè)應(yīng)用，蘊(yùn)涵了豐富的ERP管理思想，集成了ERP軟件業(yè)務(wù)管理理念，功能涉及供應(yīng)鏈、成本、制造、CRM、HR等眾多業(yè)務(wù)領(lǐng)域的管理，全面涵蓋了企業(yè)關(guān)注ERP管理系統(tǒng)的核心領(lǐng)域，是眾多中小企業(yè)信息化建設(shè)首選的ERP管理軟件信賴品牌。

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本文標(biāo)題：逆向工程技術(shù)在曲面重構(gòu)及檢測(cè)中的應(yīng)用

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