0 引言

    逆向工程技術(shù)又叫反求工程技術(shù)，是測量技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、圖形處理技術(shù)和加工技術(shù)相結(jié)合的一門綜合性技術(shù)，它是以設(shè)計(jì)方法學(xué)為指導(dǎo)，以現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論、方法、技術(shù)為基礎(chǔ)，運(yùn)用各種專業(yè)人員的工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、知識和創(chuàng)新思維，對已有新產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是對已有設(shè)計(jì)工作的再設(shè)計(jì)或改進(jìn)。再創(chuàng)造是逆向工程的靈魂。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的快速發(fā)展，近年來與逆向工程技術(shù)相關(guān)的軟件在新產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)中得到越來越多的應(yīng)用，逆向工程技術(shù)軟件主要包括Imageware、Geomagic Studio、Re-Soft，還有就是ProE、NX、CATIA和SolidWorks等白帶的逆向工程插件的三維重構(gòu)軟件。其中SolidWorks軟件便是當(dāng)前流行的3D軟件之一，其ScanTo3D插件給用戶一個完整的、便捷的逆向設(shè)計(jì)流程，可實(shí)現(xiàn)從測量數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品曲面模型構(gòu)建、實(shí)體模型構(gòu)建、到快速成型(RP)、數(shù)控加工的整個過程，適合在汽車、摩托車的外形覆蓋件和內(nèi)飾件的設(shè)計(jì)、家電外形設(shè)計(jì)及藝術(shù)品復(fù)制等行業(yè)中使用。

1 逆向工程的基本步驟

    目前，大多數(shù)有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究和應(yīng)用都集中在幾何造型，稱為實(shí)物逆向工程。相對傳統(tǒng)設(shè)計(jì)而言，逆向工程的基本步驟是：

    1.1 零件原型數(shù)字化

    通常采用三坐標(biāo)測量機(jī)或激光掃描儀等測量裝置對已有的實(shí)物或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，來獲取零件原型表面各點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。

    1.2 從測量數(shù)據(jù)中提取零件原型的幾何特征

    按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進(jìn)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(shè)計(jì)與加工特征。

    1.3 重建零件原型的CAD模型

    將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中進(jìn)行表面擬合重構(gòu)，并通過對各個表面片的拼接與求交獲取零件原型表面的CAD模型。

    1.4 檢驗(yàn)與修正重建的CAD模型

    對重建的三維CAD模型進(jìn)行再設(shè)計(jì)與創(chuàng)造后，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，然后再通過快速成型機(jī)或數(shù)控機(jī)床加工出樣品的方法來檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪欠駶M足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，對不滿足要求的重復(fù)以上過程，直到滿足設(shè)計(jì)要求。

    綜上可知，逆向工程主要包含數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型重建和快速制造，其具體流程如圖1所示。

圖1 逆向工程的流程圖

2 數(shù)據(jù)測量與采集

    數(shù)據(jù)獲取是逆向工程技術(shù)的首要環(huán)節(jié)，根據(jù)測量方式不同，逆向工程的數(shù)據(jù)采集主要有接觸式數(shù)據(jù)采集與非接觸式數(shù)字采集兩種方式。

    接觸式數(shù)據(jù)采集方法是通過采樣探頭與實(shí)物模型的接觸，獲取實(shí)物表面的坐標(biāo)位置。其中三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)是應(yīng)用最為廣泛的一種測量設(shè)備，它是基于力一變形的原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動并與表面接觸時發(fā)生形變，檢測出接觸點(diǎn)的三維坐標(biāo)。CMM對被測物體的材質(zhì)和色澤沒有特殊要求，可達(dá)到很高的精度（±0.5μm），對物體邊界和特征點(diǎn)的測量相對精確。缺點(diǎn)是不適宜復(fù)雜內(nèi)部型腔、特征幾何尺寸多的零件，效率較低，過分依賴測量者的經(jīng)驗(yàn)。

    非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要是運(yùn)用聲學(xué)、磁學(xué)、光學(xué)等的基本原理，將一定的物理模擬量通過一定的算法轉(zhuǎn)化，從而得到物體表面離散點(diǎn)的三維坐標(biāo)值，其理論基礎(chǔ)是計(jì)算機(jī)視覺中的三維視覺重建。目前最成熟的方法是激光三角法，此種方法測量速度快，而且可以達(dá)到較高的精度(±0.05mm)，可以測量具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的樣件模型，但對被測樣件表面粗糙度、漫發(fā)射率和傾角過于敏感，存在由遮擋造成的陰影效應(yīng)，對突變的臺階和深孔結(jié)構(gòu)容易產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失。

    使用不同的測量方法及測量軟件，得到的測量數(shù)據(jù)組織方式不同。按照測量數(shù)據(jù)的組織方式可將測量數(shù)據(jù)分為四類：

    2.1 散亂數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)點(diǎn)沒有明顯的幾何分布特征，呈雜亂無序狀態(tài)。

    2.2 掃描線數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)點(diǎn)由一組掃描線組成，掃描線上的點(diǎn)呈有序排列。

    2.3 網(wǎng)格化數(shù)據(jù)：點(diǎn)云中所有點(diǎn)都與參數(shù)域中一個均勻網(wǎng)格的頂點(diǎn)對應(yīng)。

    2.4 多邊形數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)點(diǎn)分布在一系列平行平面內(nèi)，用小線段將同一平面內(nèi)距離最小的若干相鄰點(diǎn)順序連接形成一組嵌套的平面多邊形。

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

    測量數(shù)據(jù)預(yù)處理是逆向工程重建模型的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的結(jié)果將直接影響重建模型的質(zhì)量。這一過程包含多視拼合、噪聲處理與數(shù)據(jù)精簡等多個方面。

    多視拼合也叫坐標(biāo)統(tǒng)一，其任務(wù)是將多次裝夾獲得的數(shù)據(jù)融合到統(tǒng)一坐標(biāo)系中，其方法目前主要有點(diǎn)位法、固定球法和平面法。

    由于實(shí)際測量過程中人為和隨機(jī)因素的影響，使得測量結(jié)果包含噪聲，所以為了降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，須對測量的點(diǎn)云數(shù)據(jù)采取平滑濾波，濾波方式有高斯、平均或中值濾波。對于高密度點(diǎn)云，由于存在大量的冗余數(shù)據(jù)，則需要按一定要求減少數(shù)據(jù)點(diǎn)的數(shù)量。

    數(shù)據(jù)簡化主要針對光學(xué)掃描設(shè)備采集到幾十萬、幾百萬甚至更多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，這些點(diǎn)云存在大量冗余數(shù)據(jù)，影響后續(xù)算法的效率，因此需要按一定要求減少測量點(diǎn)的數(shù)量。不同類型的點(diǎn)云可采用不同的簡化方式，散亂“點(diǎn)云”可通過隨機(jī)采樣的方法來精簡，對規(guī)則“點(diǎn)云”可通過等間距縮減、倍率縮減、等量縮減和弦偏差等方法。

4 重建CAD模型

    在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，一般是以零件的力學(xué)性能、機(jī)械性能、流體動力學(xué)性能或美觀性要求作為設(shè)計(jì)的評價指標(biāo)，零件幾何外形、造型方法及設(shè)計(jì)參數(shù)必須滿足設(shè)計(jì)要求，這就需要在逆向工程CAD建模中盡量還原產(chǎn)品原始設(shè)計(jì)參數(shù)。要按照原始設(shè)計(jì)方案進(jìn)行逆向工程CAD建模，就需要對采集數(shù)據(jù)提取產(chǎn)品特征設(shè)計(jì)參數(shù)，并進(jìn)行特征重構(gòu)和特征運(yùn)算，最終完成產(chǎn)品的數(shù)字化建模。

    在模型重建中，曲面擬合是一步重要的逆向設(shè)計(jì)過程，我們以B樣條曲面為例，介紹曲面擬合的基本原理。B樣條曲面對數(shù)據(jù)點(diǎn)的插值也稱為曲面反算或逆過程，就是要構(gòu)造一張k×l次B樣條曲面，插值給定呈拓?fù)渚匦侮嚵械臄?shù)據(jù)點(diǎn)Pij(i=0，1，…，r；j=0，1，…，s)，待求的B樣條曲面方程可寫成為

    這里控制頂點(diǎn)被下述控制曲線所替代

    若固定一參數(shù)值v，就給出了在這些控制曲線上m+1個點(diǎn)ci(v)(i=0，1，…，m)。這些點(diǎn)作為控制點(diǎn)，就定義了曲面上以為參數(shù)的等參數(shù)線。當(dāng)參數(shù)掃過它的整個定義域時，無限多的等參數(shù)線就描述了整張曲面，顯然曲面上這無限多以為參數(shù)的等參數(shù)線中，有n+1條插值給定的截面曲線。于是就可由反算B樣條插值曲線求出這些截面曲線的控制頂點(diǎn)dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)，即

    一張以這些截面曲線為等參數(shù)線的曲面要求一組控制曲線用來定義截面曲線的控制頂點(diǎn)cj(vl+j)=dij(i=0，1，…，m；j=0，1，…，s)。選擇參數(shù)值vi+j(j=0，1，…，s))為控制曲線的節(jié)點(diǎn)，即數(shù)據(jù)點(diǎn)pij的參數(shù)值v，就可得下面方程組

    解這些方程組，就可得所求B樣條插值曲面的(m+1)×(n+1)個控制頂點(diǎn)dij，從而可構(gòu)造出所需的擬合曲面。

5 建模實(shí)例

    下面以維納斯頭像為例，首先通過三維掃描儀獲取原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并以TXT文件格式保存，可以通過專門逆向工程軟件處理后以IGS文件格式導(dǎo)入SolidWorks軟件中建模，或者直接導(dǎo)入SolidWorks利用逆向模塊ScanTo3D插件對掃描數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理并重建模型。在此我們利用后一種方法對點(diǎn)云進(jìn)行處理。

    圖2(a)所示是樣件的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)，然后對點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行網(wǎng)格化處理數(shù)據(jù)形成圖2(b)所示，對其進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，主要包括有(1)噪聲剔除，可以通過選擇點(diǎn)間距離大小來剔除噪聲點(diǎn)；(2)多余數(shù)據(jù)簡化，通過設(shè)定縮減百分比和目標(biāo)點(diǎn)云的大小來進(jìn)行選擇；(3)局部及整體平滑光順處理，邊界平滑處理，可通過軟件白帶的整體平滑滑桿設(shè)定總的平滑度，和選取工具進(jìn)行局部平滑，對于輪廓邊界也可進(jìn)行平滑度的設(shè)定；(4)補(bǔ)洞處理，所有孔洞將進(jìn)行自動檢測并填補(bǔ)，也可手動消除不需要填補(bǔ)的孑L洞。通過網(wǎng)格向?qū)�處理結(jié)果如圖2(c)所示。再通ScanT03D的曲面自動生成功能，形成自動擬合曲面圖，如圖2(d)所示。最終系統(tǒng)自動提示形成維納斯頭像的實(shí)體模型圖，待確認(rèn)后形成圖2(e)所示。

圖2 維納斯頭像CAD重建過程

6 結(jié)論

    6.1 通過SolidWorks軟件中ScanTo3D插件可以對不能直接進(jìn)行CAD建模的復(fù)雜曲面實(shí)物進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)建模，可以通過其強(qiáng)大的分析工具對模型的其余特性參數(shù)進(jìn)行分析，為再設(shè)計(jì)產(chǎn)品提供依據(jù)。

    6.2 與主流逆向工程軟件Imageware、Geomagic Studio相比，SolidWorks、Pro/E、NX等三維重構(gòu)軟件中逆向模塊存在逆向功能相對較弱，因此采用上述兩者結(jié)合互補(bǔ)的設(shè)計(jì)方法，已逐漸成為現(xiàn)代制造業(yè)設(shè)計(jì)方向的主流。

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本文標(biāo)題：逆向工程CAD重建模型的方法研究

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