现代逆向工程设计数据的处理与分析

李旭

【摘 要】随着计算机科学的迅速发展和现代制造技术的进步，逆向工程技术是CAD/CAM技术领域的一个研究热点。通过逆向工程技术，可以根据实物模型的数字化信息重建实物的CAD模型，使得那些以实物为制造基础的产品在设计和制造过程中，充分利用CAD/CAM等先进制造及管理技术；从而可以缩短产品的开发周期，提高生产能力。产品质量和企业的市场竞争力，增加企业的经济效益。本文以Image ware软件在逆向工程的数据处理流程做一分析。

【关键词】逆向工程Image ware数据处理流程；分析

一、传统逆向与现代逆向的对比

传统逆向工程程序为多为半自动之手工翻制模型、或是借助仿真机以靠模方式制作模具或模型。其主要的用途是以复制的工作为主，以此程序所制造的产品外形与原始手工模型相仿，然而其细部尺寸往往不够精确。在少量多样化产品的量产，更无法依各材料的缩水率来做模具的修改，而导致产品时常无法通过品质检测。以修改原设计图来符合此次产品生产所能达到的规格。如此不仅浪费时间及人力，同时也增加模具开发的成本。近年来由于科技的进步，现代逆向工程技术是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，逐渐成为产品开发中不可或缺的一环。借由电脑辅助设计与制造的CAD/CAM/CNC系统作产品的开发、绘图、设计和加工等，已取代了大部分传统逆向工程程序的工作。这两种方式各有其优缺点，前者生产较快，但是模型确定后就无法变更设计且精度较差；后者则是精度较佳及随时可供设计修改，但是人员的培训较困难，软硬件设备所需的成本也较高。然而新的逆向工程技术是一种结合传统逆向工程、正向工程及3D扫描的技术，其制造操作程序依序为3D扫描将手工模型数位化，以得到模型得点资料利用CAD/CAM软件或专业软件重建电脑模型，而后可传送至CNC或RP作手工模型得重建与制造。

二、现代逆向工程设计制造的工作流程

逆向工程与传统设计制造流程中的各功能模块，在序列上被相互换位倒置。传统设计制造，零件制造是从无到有的设计，按照现有技术及制造的风险因素，根据零件所要承担的功能来进行制作。逆向工程制造，按照现有的零件原型进行设计生产，根据零件的几何特征及技术要求，都设计到原型中；另外，CAD模型的传统设计从概念设计到最终形成CAD模型是一个确定的明晰过程，而逆向工程对现有零件原型数字化后形成CAD模型是一个推理、逼近的过程。通常逆向工程可分为5个阶段：零件原型数字化测量→提取零件原型的几何特征→零件原型三维重构→CAD模型的分析及改进→CAD模型的校验与修正。（1）零件原型三维数字化测量。采用三坐标测量机（CMM）或激光扫描等测量装置，测量采集零件原型表面点的三坐标值，使用逆向工程专业软件接收处理离散的点云数据。（2）提取零件原型的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原型所具有的设计与加工特征。（3）零件原型三维重构。将分割后的三维数据在CAD系统中分别作曲面模型的拟合，并通过各曲面片的求交与拼接获取零件原型表面的CAD模型。（4）CAD模型分析及改进。对虚拟重构出的CAD模型，从产品的用途及零件在产品中的地位、功用进行原理和功能分析，确保产品良好的人机性能，并实施有效的改进创新。（5）CAD模型校验与修正。根据获取的CAD模型，采用重新测量和加工出样品的方法，来校验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求。对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的功能、用途等设计指标要求。

三、数据的获取

（1）接触式测量，通过传感测量仪器与样件的接触来记录样件表面的坐标位置，接触式测量的精度一般较高，可以在测量时根据需要进行规划，从而做到有的放矢，避免采集大量冗余数据，但测量效率较低。（2）非接触测量，基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将测得的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。由于非接触式测量技术测量效率较高，测量数据能包含被测物体足够细节信息。针对非接触式测量设备的限制，在测量时，对型腔、小的凹形区域等一些不可测区域，测量的数据可能会出现不完整。庞大的测量数据，会增大数据处理和曲面重建的负担。近年来，国内也开展了基于其他数字化方法的逆向工程研究，如清华大学激光快速成形中心进行的照片反求、CT反求西安交通大学研创的激光掃描法、层析法等。其中，三维激光扫描技术采用空间对应法测量原理，用激光束对物体表面进行扫描，由CCD（光电耦合）摄像机采集被测表面的光轨迹曲线，然后通过计算机处理。最终得到物体表面的三维几何数据，根据这些数据可以进行快速成形和NC加工。

四、逆向工程辅助软件的应用

近年来，Image ware软件在逆向工程被广泛应用汽车、航空、航天、家电、模具、计算机零部件领域。逆向工程应用软件能控制测量过程，产生原型曲面的测量“点云”，以适合的数据格式传输至CAD/CAM系统中；或在生成及接收的测量数据基础上，通过编辑和处理直接生成复杂的三维曲面或曲面原型，选择合适的数据格式后，再转入到CAD/CAM系统中，经过反复修改完成最终的产品造型。当测量中产生的数字模型直接嵌入到CAD/CAM模块中时，会自动延续成为同一数据模型，便捷生成复杂曲面和产品零件原型。此类逆向工程软件属于外挂的第三方软件，如Image ware作为UG系列产品中独立完成逆向工程的点云数据读取与传力功能模块，也能将测量的“点云”直接处理成质量很高的原型曲面，但模型在CAD/CAM系统中延续时会产生冗余数据。Image ware数据处理遵循点——曲线——曲面原则，操作简单便捷，工作流程清晰。流程如下：（1）读入点阵数据（点过程）。通常扫描后得到的测量数据是由大量的三维坐标点所组成，根据扫描仪的性质、扫描参数和被测物体的大小，由几百点到几百万点不等，这些大量的三维数据点称为点云。扫描得到的产品外形数据会不可避免的引入数据误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据应进行预处理，通常要经过以下步骤：去掉噪音点→数据插补→数据平滑→数据光顺→点云的重定位整合。（2）判断和决定生成哪种类型的曲线（曲线创建过程）。曲线的生成是用于建立遵循设计要求的点、直线、圆弧、样条曲线、二次曲线、平面等几何要素，一般来说曲线功能建立的几何要素主要是位于工作坐标系XY平面上（用捕捉点的方式也可以在空间上画线），当需要在不同平面上建立曲线时，需要用坐标系工具WCS→

Rotate或者Orient来转换XY平面。（3）决定生成那种曲面（曲面创建过程）。同曲线一样，根据产品设计需要可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面（例如class1曲面），或两者兼顾。逆向工程技术是消化、吸收国外先进技术、促进科技成果进步、实现技术创新的重要手段。Image ware在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其它软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧的成为逆向工程领域的领导者。逆向工程技术重在分析与吸收，贵在继承与创新，是机电产品创新的基础与源泉，在逆向工程的基础上进行工程设计，起点高、效果快、成本低，可以进行移植、组合、改造、创新。是发展高新技术、提升企业竞争力、赶超发达国家的有效途径。

五、逆向工程实际应用中的两大目标

（1）采用逆向工程技术，解决电子及日用品产品零件异形曲面设计难度大、设计周期长、外形设计要求不易表达或不易修改、精度低、效果差、成本高的一揽子工程解决方案。（2）解决三坐标测量机、光栅扫描仪对异形曲面测量失真的问题；解决正确处理异形曲面测量数据，使之顺利转换到数字建模的CAD软件系统中，快速实现零件原型几何数字建模的实用技术。

六、结语

逆向工程技术涉及到跨领域发展和多个学科的知识和技术，在现代制造业中发挥着越来越重要的作用。逆向工程技术研究还在发展中，对技术的改进和发展仍然存在诸多问题需要解决。（1）数字化测量技术的高精度和高速度，以提高测量精度和速度，减小测量误差。（2）智能化数据处理，提升点云数据自动分割能力，降低对技术人员经验等方面的要求。（3）无缝集成，针对不同模块简单的功能集成，不同模块间的几何特征数据、精度数据等的传递规律。