浅谈逆向工程中自由曲面技术的应用

丁典

摘 要：逆向工程（Reverse Engineering），也称反求工程，是数字化设计中的重要设计手段之一。它不仅是简单地复制模型和零件的过程，也需要设计人员进行数据化的再设计。因此，在逆向工程的自由曲面造型中，应在保证精确性和质量的同时，也要保持一定的自由度和灵活性。

关键词：逆向工程；自由曲面；曲面拓扑；Alias

中图分类号：TP391.7 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2015.10.087

1 逆向工程的自由曲面技术

逆向工程与传统的设计开发流程存在质的不同。传统产品设计的实现通常是从图纸上的概念设计到图样，然后制造出产品，这样的流程称之为正向工程或顺向工程，而产品的逆向工程在狭义上是指在没有设计图纸或设计图纸不完整、没有CAD模型的情况下，利用三维数字化测量仪测量样件物体表面的点云数据，并传至CAD/CAM系统进行数据处理，最后制作成所需要的CAD模型。广义上的逆向工程包括形状、工艺、结构和材料逆向，是一个极其复杂的过程。

本文探讨的“逆向工程”主要集中在自由曲面领域，即将产品样件转变为CAD模型等相关的数据化曲面数据，最终应用于产品制造。自由曲面技术的应用领域广泛，特别是在交通工具和消费电子等复杂产品的开发中。这是因为在产品开发和设计的过程中，虽然数字化设计已广泛参与了各个流程，但由于各种原因，最初的样件并不是由CAD数据所描述，设计和制造者面对的仅仅是实物样件。为了制造产品，必须通过数字模拟手段将样件转换为CAD模型，这对提高产品的人机工学水平、产品造型美学水平，缩短CAE/CAM周期和提高产品市场的竞争力有重要意义。

2 自由曲面造型的原理和应用

2.1 自由曲面的参数化原理

自由曲面的参数化系统基于NURBS（Non-Uniform Rational B Spline）系统，中文翻译为非均匀有理B样条曲线系统。国际标准化组织（ISO）颁布的工业产品数据交换标准STEP中，将NURBS作为定义工业产品几何形状的唯一数学方法。目前，Bezier、有理Bezier、均匀B样条和非均匀B样条都被统一到NURBS中，从而使NURBS系统成为曲面造型技术发展趋势汇中最主要的基础。当下主流的自由曲面造型软件，比如Autodesk Alias、ICEM和CATIA等都采用NURBS系统搭建内部架构。

2.2 基于Alias的逆向自由曲面造型

2.2.1 点云数据的处理

自由曲面的构建是逆向工程的核心内容，而曲面构建的基础是通过测量设备测量样件所获得的点云数据。点云的三角化是逆向设计中很重要的步骤。扫描得到的点云往往很大，有的点云有上百万甚至几百万个点，如果不生成三角片进行简化，则目前的计算机硬件设备很难对其操作。此外，三角网格化并简化后，可很方便地为后续构线搭建面做准备。如果局部网出现破洞，则可以对网格进行修补。Alias逆向重构曲面时，先将处理后的点云数据转化为三角网格（Mesh），再对三角网格进行一系列的编辑处理，最后进行逆向曲面重构。在Alias中具有多样性的建模工具，在导入和配置来自三维扫描仪的点云数据后，可对消费产品或汽车模型进行可视化和逆向工程操作。Alias的剪切、平滑、自动孔填充和网格缩减等工具可帮助用户简化和删除数据。该软件能处理包括数百万个多边形的大型数据，确保用户能对形状和外形进行提取和评估。

2.2.2 自由曲面的拓扑分析

在正式建模前，对产品的具体形态、斑马线和曲率着色进行分析，确保以正确的拓扑分面开始建模。在自由曲面的规划中，只有具有正确的拓扑分面，才能得出符合设计思路的曲面。基于拓扑学的特性，拓扑分面不具有唯一性，只有合理的分面，不存在唯一的分面。在Alias软件中，具有强大的分析工具，可帮助使用者对模型进行快速分析。这类工具能提供关于mesh和曲面的实时数据或图形反馈。

2.2.3 Alias中特征线的提取和拟合

在Alias中提取特征线的主要方法是对mesh数据进行切断面线，通常是从x，y，z方向分别指定间距进行投影截取。通过分析特征线可检测曲线、曲面与mesh数据的贴合程度。Alias软件中主要有2种拟合特征线的方法：①在空间中画自由曲线，通过视图压缩和检测工具观察误差，移动CV点以缩小偏差，最终得到偏差范围内的自由曲线。这种方法耗时较长，但更加合理。②使用Alias中的Fit Curve自动贴合mesh数据上的特征线。这种方法速度更快，但曲线质量较低。

2.2.4 典型四边自由曲面的创建

基于NURBS系统的特性，逆向自由曲面的创建将遵照四边面系统，可通过提取Alias中的特征线，并通过四边成面、轨道扫面、延长和拉伸曲面贴合mesh数据。比较特殊的方法有直接曲面建模法，指在Alias中直接使用简单曲面，通过增加调整CV点，不断贴合mesh数据直至达到标准。此外，必须考虑因点云数据本身的失真和扫描精度不足造成的误差，数字师应与设计师不断沟通，并对数据进行修改。

3 结束语

逆向工程中的自由曲面技术不仅仅是一个简单的贴面建模的过程，而是基于新的产品设计思路和方法，在测量技术、计算机硬件、软件技术提升的基础下产生的新的设计方法，在消费电子、交通工具领域的应用非常广泛。在逆向过程中，需要设计人员在结合工程输入的条件下对原始数据进行调整和创新，这是一个在数据条件下的再设计过程。利用Alias软件中自由曲面的灵活性，对复杂曲面进行拓扑分析，巧妙地将设计与工程、艺术和科学链接起来，这对整个设计、创意和生产一元化有着深远的意义。

参考文献

[1]丁宁.Autodesk Alias 2010 新体验[J].CAD与制造业信息化，2009（8）：31-33.

〔编辑：张思楠〕