逆向工程的關(guān)鍵步驟及主要技術(shù)
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0前言
逆向工程技術(shù)Reverse Engineering)．是20世紀(jì)80年代后期出現(xiàn)在先進(jìn)制造領(lǐng)域里的新技術(shù)。與傳統(tǒng)的“產(chǎn)品概念設(shè)計一產(chǎn)品CAD模型一產(chǎn)品(物理模型)”的正向工程不同，逆向工程首先對實物原型進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理和曲面重構(gòu)等過程，構(gòu)造出實物的三維模型，然后再對原型進(jìn)行復(fù)制或在原型基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計，實現(xiàn)創(chuàng)新。
1 數(shù)據(jù)采集
實物的數(shù)字化是逆向工程實現(xiàn)的初始條件，是數(shù)據(jù)處理、模型重建的基礎(chǔ)。該技術(shù)的好壞直接影響對實物(零件)描述的精確度和完整度，影響數(shù)字化實體幾何信息的進(jìn)度。進(jìn)而影響重構(gòu)的CAD曲面和實體模型的質(zhì)量，最終影響整個逆向工程的進(jìn)度和質(zhì)鼉。所以，數(shù)字化測量方法的選擇和研究對逆向工程至關(guān)重要。根據(jù)測量的方式不同，可以將三維測量設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩大類型。
1．1接觸式數(shù)據(jù)采集
接觸式數(shù)據(jù)采集方法是用機(jī)械探頭接觸表面，機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的傳感器確定相對坐標(biāo)位置。最常見也是應(yīng)用最廣泛的接觸式數(shù)據(jù)采集方法是三坐標(biāo)測量機(jī)．當(dāng)探針沿被測物體表面運動時，被測表面的反作用力使探針發(fā)生形變．這種形變觸發(fā)測量傳感器將測到的信號反饋給測量控制系統(tǒng)．經(jīng)計算機(jī)進(jìn)行相關(guān)的處理得到所測量點的三維坐標(biāo)。
一般來說．三坐標(biāo)測量機(jī)可以對被測物體邊界精確測量．同時不受被測物體表面顏色和色澤的限制。其主要缺點是速度慢、效率低，摩擦力和彈性變形易引起被測件變形產(chǎn)生測量誤差。對微細(xì)部分的測量收到限制，不適于對軟質(zhì)材料或薄型實體的測量。另外。探頭有一定的半徑，不能直接測出實體表面的坐標(biāo)值，需要進(jìn)行半徑補(bǔ)償。
接觸式數(shù)據(jù)采集的缺點限制了它的應(yīng)用領(lǐng)域．隨著測量技術(shù)的發(fā)展和市場的需要，產(chǎn)生了非接觸式測量，其克服了接觸式測量的一些缺點，是逆向工程中數(shù)字化測量的發(fā)展方向。
1．2非接觸式數(shù)據(jù)采集
非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要利用了光、聲、磁場等原理。應(yīng)用光學(xué)原理的方法采集數(shù)據(jù)塊，細(xì)分有結(jié)構(gòu)光法、激光三角形法、干涉法、圖像分析法等。
結(jié)構(gòu)光法也稱投影光柵法，其基本原理是將光柵投影到被測物體表面上，收到被測樣件表面高度的調(diào)制，光柵影線發(fā)生變形。通過解調(diào)變形光柵影線．就可以得到被測表面的高度信息。它的主要優(yōu)點是不用做半徑補(bǔ)償．測量速度快、獲取的數(shù)據(jù)量大，對軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測量。缺點在于受物體表面顏色、斜率的影響較大。
接觸式數(shù)據(jù)采集與非接觸式數(shù)據(jù)采集均有其優(yōu)缺點。各自常用的測量方法對比如表1一1所示。
2數(shù)據(jù)預(yù)處理
實際測量當(dāng)中由于各種人為及隨機(jī)因素的影響，測量結(jié)果會不可避免的引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是在尖銳邊緣和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)和測量數(shù)據(jù)中的壞點可能使該點及其周圍的曲面偏離原曲面。如果直接使用測量后的數(shù)據(jù)用于曲線、曲面造型，勢必會造成重構(gòu)曲面不能滿足精度要求．對于那些測量誤差太大的無效測量點數(shù)據(jù)，會導(dǎo)致擬合后的曲面發(fā)生干涉、翹曲等變形，甚至導(dǎo)致曲面無法擬合。因此，在進(jìn)行曲面重構(gòu)之前必須對點云數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理內(nèi)容主要包括六個方面：格式轉(zhuǎn)換；數(shù)據(jù)過濾及平滑；分塊數(shù)據(jù)整合對齊；球頭半徑補(bǔ)償；數(shù)據(jù)精簡；數(shù)據(jù)分割等，然后通過適當(dāng)?shù)乃惴ǎ堰@些經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)擬合成CAD模型。
用三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行接觸式測量時，得到的數(shù)據(jù)是測頭中心的坐標(biāo)值，而并非測頭與被測件接觸點的坐標(biāo)值。在測量過程中，由于測頭的運動方向和被測曲面的法線方向不一致．故在確定實際被測件輪廓的各點坐標(biāo)時。需要進(jìn)行測頭半徑的補(bǔ)償。測頭半徑補(bǔ)償常用的方法有：微平面法、三點共圓法、擬合補(bǔ)償法、直接計算法和三角網(wǎng)絡(luò)法。而通過激光掃描設(shè)備得到的點云數(shù)據(jù)不同于接觸式數(shù)據(jù)．一般得到的數(shù)據(jù)可達(dá)到幾萬到幾十萬個點。甚至更多；它不僅會使計算量加大，還會影響曲面的光順性．因此必須對這些點云數(shù)據(jù)進(jìn)行精簡。有關(guān)數(shù)據(jù)精簡的算法很多．主要有：最大允許偏差精減法、均勻網(wǎng)格法與非均勻網(wǎng)格法。
3曲面重構(gòu)
在逆向工程中．實物的三維模型重建是整個過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，而曲面重構(gòu)又是這一環(huán)節(jié)中的核心部分。目前．在對實物的逆向工程的過程中，大致有三種曲面重構(gòu)方法：一種是基于三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法：第二種是以B—Spline或NURBS曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法：第三種是以多面體方式來描述曲面物體。
曲面重構(gòu)中通常先對離散數(shù)據(jù)點參數(shù)化。可以根據(jù)數(shù)據(jù)點塊的邊界構(gòu)造初始曲面，對應(yīng)各數(shù)據(jù)點在曲面上的相對位置，從而計算機(jī)出其各自的參數(shù)(u，v)的分布，使各數(shù)據(jù)點成為曲面片真正的節(jié)點。然后對各節(jié)點進(jìn)行順序排列，包括節(jié)點次序、節(jié)點編號和節(jié)點參數(shù)化值，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行下步處理。
4 CAD模型重構(gòu)
經(jīng)過曲面重構(gòu)后，得到的模型為曲面模型．而進(jìn)行后續(xù)的制造或進(jìn)行有限元分析所需要的模型必須為有厚度的、有質(zhì)量的實體模型，因此一般要將曲面模型輸入到CAD軟件中轉(zhuǎn)換成實體模型。
在CAD軟件中的幾何模型重構(gòu)一般分為兩種方法：
4．1掃描時，將零件的外形數(shù)據(jù)全部獲取。然后再RE軟件中，將零件的外形全部擬合重構(gòu)出來。中央將其模型數(shù)據(jù)輸入到CAD軟件中，經(jīng)數(shù)據(jù)修復(fù)后，則只需要進(jìn)行實體化，將曲面模型轉(zhuǎn)換成有厚度的、有質(zhì)量的曲面模型。例如，在PROE中對曲面模型進(jìn)行實體化只需點選輸入的IGES的曲面模型，然后使用Solidify命令．使曲面模型變成一個實體模型．或使用Thicken命令，使曲面模型變成一個有一定厚度的實體模型。
4．2著零件的外形一部分為復(fù)雜自由曲面特征．則只需對這復(fù)雜自由曲面部分，采用逆向工程處理，然后將其輸入到CAD軟件中，使用CAD軟件中的造型技術(shù)將這個零件的幾何實體模型繪制出來。
5結(jié)束語
逆向工程技術(shù)以其獨有的特點已廣泛應(yīng)用于機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)、模具的設(shè)計、舊零件的還原等許多方面，但目前來說還存在較大的局限性。在機(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；點云數(shù)據(jù)的處理方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預(yù)、設(shè)計精度不夠高；集成化程度低等。隨著測鼉設(shè)備和軟件智能化的發(fā)展．將來有望形成集成化逆向工程系統(tǒng)，以軟件的智能化來代替人工干預(yù)的不足。