基于逆向工程的三维曲面重构软件的研究

王晓辉，刘清荣，郭 楠

（赤峰学院 建筑与机械工程学院，内蒙古 赤峰 024000）

1 逆向工程

逆向工程(RE，Reverse Engineering)又称之为反求工程、反向工程.它是指在无设计图纸或图纸不完整的条件下，通过某种测量仪器或光学设备，对实物或模型进行测量，以获取实物或模型的数据信息.根据获取的数据信息，再通过相应的处理软件，将实物或模型转变成工程CAD模型的过程.

产品的正向设计是经由概念设计，到绘制图样，再通过设备制造出产品的过程，也成为正向工程(或顺向工程).而逆向工程则与正向工程的设计方法不同.逆向工程是一种逆向思维的工作过程，它是先对已有产品的设计原理、结构、材料、工艺装配等方面进行分析研究，在此基础上进行创新，对产品的性能、结构形状等方面进行改进，以满足设计与市场的需求.逆向工程就是一个“认识原型一再现原型一超越原型”的过程[1].

逆向工程技术的快速发展与广泛应用，为新产品的开发提供了重要的技术支持，同时也使得逆向工程技术的应用领域不断拓宽.逆向工程分为数据的获取、数据预处理、曲面重构、CAD模型构造以及快速成型等五大关键技术.其中曲面重构是产品建模的重要环节，曲面重构的效果直接关系到后续产品模型的品质.

随着计算机技术的快速发展，近年来与逆向工程技术相关的软件在新产品设计开发中得到越来越多的应用.许多逆向工程技术的理论研究逐步向逆向设计软件中转化，大大提高了产品的开发效率和质量，推动了逆向技术的快速发展.

2 三维曲面模型重构软件

在逆向工程技术中，常用的专业三维曲面重构软件有Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio、Rapid Form、Re-Soft和QuickForm等[2]，此外还有一些非专业的逆向设计软件，如：UG、Pro/Engineer、CATIA和 SolidWorks等自带逆向工程插件的三维重构软件.

2.1 Imageware软件的应用

Imageware是常用的一种逆向工程软件，它提供了逆向工程、A级曲面设计和曲面评估方面的功能，广泛应用于汽车、航空、航天、家电、模具、计算机零部件领域.Imageware包含定量和定性的模型评价工具，可以对产品进行质量误差检测，通过将加工好的实际零件与其CAD模型相比较，使得在产品开发过程中既能保持设计和工程意图，又能保证产品质量误差检测.Imageware曲面模块提供功能强大的曲面拼接能力，允许相临近的曲面片在边界位置作位置、相切及曲率连续的约束处理，同时提供丰富的选项以精确控制结果.此外，Imageware还提供了多种创建曲面的方法，及强大的曲面诊断和修改功能.

2.2 CopyCAD软件的应用

CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件.该软件可以将数字化数据转换成为CAD模型，主要应用于汽车设计和消费性产品制造业等.CopyCAD能够接受三座标测量机、探测仪和激光扫描器所测到的数据，用自身的反馈系统将已存在的零件或实体模型的测量数据，生成三维CAD模型.CopyCAD具有模型编辑功能和曲面顺滑功能，可以生成具有高质量的复杂曲面.大部分逆向工程系统软件仅能造出四边曲面，而CopyCAD可以用较少的曲面表达规定的区域，在不损失模型精度的前提下，显著提升CAD模型的效率.CopyCAD利用多边剪裁曲面，亦可简化在既有的特征上建立几何平面的过程，并确保不同区域实现顺滑交接.CopyCAD简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内进行生产，并且能够快速掌握其功能，既使对于初次使用者也能做到这点.

2.3 Geomagic Studio软件的应用

Geomagic Studio是美国Raindrop Geomagic软件公司推出的逆向工程软件.对于在逆向工程中的应用，通过Geomagic Studio可以获得完美无缺的多边形和NURBS模型.在处理复杂形状或自由曲面形状时，生产效率比传统CAD软件效率更高.该软件还可与所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成，作为一个独立的应用程序可以对CAD软件进行功能补充.Geomagic Studio可满足严格要求的逆向工程、产品设计和快速原型的需求.借助Geomagic Studio能够将三维扫描数据和多边形网络转换成精确的三维数字模型，并可以输出各种行业标准格式.相比于其它逆向工程软件，Geomagic Studio软件的优点是从点云处理到三维曲面重建的时间通常只有同类产品的1／3[3].

2.4 Rapid Form软件的应用

Rapid Form是由韩国INUS Technology公司推出的专业逆向系列软件.Rapid Form软件从点云处理、多边形模型构建到NURBS曲面，各种处理模块都在Raoid Form得到有效的集成，具有高度的集成环境.Rapid Form利用其更加直观、快速和精确的方式，将多边形转化为剪切或未剪切的NURBS曲面，使从点云到构建多边形模型和NURBS曲面之间存在的问题得到完整的解决.Rapid Form的多边形优化功能可将任意多边形模型调整到用户要求的形态.多边形的数量、光滑度、细化、孔填充和多边形数据的一致性等，在Rapid Form中均能有效地得到控制.此外，Rapid Form提供各种在多边形上构建曲线的方法，如截面线、投影线和各种插值曲线等.另外，通过曲线的各种编辑功能如修剪、合并、光滑、连续匹配、偏移和插值等，可以有效地改善曲线的质量.对机械加工产品，Rapid Form还能自动识别倒圆和尖锐区域[4].

2.5 UG软件的应用

Unigraphics（UG）是集 CAD、CAE、CAM为一体的三维参数化设计软件.它有出色的数据处理能力，操作简便，为机械制造企业提供从设计、分析到制造过程中的建模，已成为当前市场上最流行的数字化产品开发软件之一，广泛应用于航空航天、汽车交通、通用机械和电子等工业领域.UG是从二维绘图、数控加工编程和曲面造型等功能发展起来的软件.UG曲面建模技术是CAD、CAM软件建模的重要部分.它是通过曲线构造方法生成主要或大面积曲面，然后对曲面进行过渡和连接，光顺处理，最后通过曲面编辑操作，才能完成实体建模.UG曲面建模的方法较多，功能强大，使用方便.

2.6 Pro/Engineer

Pro/Engineer软件是20世纪80年代由美国参数技术公司（PTC)推出的三维软件，该软件的模块众多，功能强大，涉及了机械设计的各个方面.它融合了零件设计、组件设计、模具开发、造型设计、机构仿真等功能，广泛应用于机械、电子、模具、汽车和航空等行业，特别在国内产品的三维造型设计领域中占有着非常重要的地位.

Pro/Engineer以强大的基于特征的参数化设计功能而著称.Pro/Engineer中的参数化不只代表设计对象的外观尺寸，还具有实质性的物理意义.参数化设计就是将零件尺寸的设计用参数来描述，并在设计产品时，可以通过修改参数的数值来更改零件的外形尺寸，具有真正参数化的实体造型过程.Pro/Engineer这种参数化的设计功能不但改变了传统的设计概念，并且将设计的便捷性推进了一大步.

2.7 CATIA软件的应用

CATIA（Computer Aided Three&Two Dimensional Interaction Application System，计算机辅助三维／二维交互式应用系统）是由法国达索（Ds）公司开发的大型CAD、CAM应用软件，后被美国的IBM公司收购，主要应用于汽车设计、航空航天、船舶制造、通用机械制造等领域.CATIA具有强大的曲面建模功能，适合正向设计、逆向设计及A级曲面设计.它不仅能够完成任何苛刻要求的曲面设计工作，而且对于逆向工程提供了强大的数字曲面编辑模块和快速曲面重构模块，使逆向工程首次可以在CAD系统中达到更高层次的集成.CATIA所具有的数字曲面编辑模块和快速曲面重构模块是逆向工程的专用模块，可以提供多种格式的点云输入和输出数据，并综合应用创成式曲面设计模块GSD(Generatlve Shape Deslgn)和自由曲面造型模块FSS(Freestyle Shape)，发挥其强大的曲面、曲线拟合功能[5].CATIA软件吸取了其他CAD软件的优点，特别是在曲面造型方面.CATIA软件中具有的FREE STYLER，CLASS A等基于NURBS算法的自由曲面造型功能，使其曲面造型功能更加强大.

3 结语

与主流逆向工程软件 Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio、Rapid Form等相比，UG、Pro/Engineer、CATIA等三维重构软件逆向模块中的逆向功能相对较弱.因此，在逆向工程应用过程中，常采用互补的设计方法，将UG、Pro/Engineer、CATIA等三维重构软件与专业主流逆向工程软件相结合，从而针对不同的产品特征和需求，实现产品的建模.任何一种建模软件的功能都不能完全地适用于所有的产品，因此，只有充分了解各种软件的性能，根据设计的产品要求和设计目标，选取适合的软件.

〔1〕刘伟军，等.逆向工程-原理方法及应用[M].北京：机械工业出版社,2009.1.

〔2〕程军涛.逆向工程中曲面重构技术的应用研究[D].河南科技大学，2010.3.

〔3〕李红莉,何柏海,郭恒亚.逆向工程中曲面重构的应用软件研究[J].科技资讯，2008(1):41,43.

〔4〕张学昌.逆向建模技术与产品创新设计[M].北京：北京大学出版社,2009(09):24-27.

〔5〕何耀华,周丹.CATIA软件在车身曲面重构中的应用[J].CAD/CAM与制造业信息化,2006(11):54-56.