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逆向工程在產品設計中的應用本文在闡述了逆向工程在產品設計中的應用范圍和發(fā)展條件，有效的解決造型設計與后續(xù)的工程設計、制造環(huán)節(jié)相脫節(jié)的問題，提出了一種在產品設計過程中采用Pro/Designer與Pro/Engineer無縫連接的方法，為工業(yè)產品造型設計與后期的工程制造的連貫開辟了一個新的途徑，其設計流程的過程為產品設計系統化提供行之有效的措施，從而縮短了產品設計開發(fā)周期，實現了產品造型設計的系統化。1 逆向工程的內容及其應用范圍隨著計算機技術的發(fā)展，CAD 技術已成為產品設計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術 已被制造業(yè)廣泛應用于產品及模具設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發(fā)制造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數據類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產品的實物模型。設計人員需要通過一定的途徑，將 這 些實物信息轉化為CAD模型，這就應用到了逆向工程(Reverse Engineering).所謂逆向工程技術，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法重構實物的CAD 模型的過程。逆向工程技術與傳統的正向設計存在很大差別。而逆向工程則是從產品原型出發(fā)，進 而獲取產品的三維 數字模型，使得能 夠進一步利用CAD/ACE/CAM 以及CIMS等先進技術對其進行 處理。一般來說，產品逆向工程包括形狀反求、工 藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容:(1)新零件的設計 ，主要用于產品的改型或仿型設計。(2)已有零件的復制，再現原產品的設計意圖。(3)損壞或磨損 零件的還原。(4)數字化模型的檢測，例如檢驗產品的變形分析、焊接質量等，以及進行模型的比較。逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。而傳統的產品造型設計，一般是在市場調研，制定需求表之后，先展開平面簡圖的構思，形成稍微完整的方案之后，開始 繪制三維簡圖，完全定型后再根據需要繪制效果圖、三 視圖或制作簡易的模型。在造型設計的過程中，需要工程技術人員、 產品造型人員與工人的通力合作，用 樣品實物模型來表達設計者的構思，但對每一種方案都制作實物樣品，要付出大量的勞動，還存在著精度低、修改調整困難、設計周期長 及成本費用高等問題。2 CAD技術應用于產品設計計算機技術的發(fā)展，帶來第三次技術革命浪潮， 計算機輔助設計(computer aided design,簡稱CAD)技 術則是計算機在工業(yè)領域 應用中最為活躍的一支。它集數值計算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學、數據庫管理系統等方面的技術為一體，把抽象的、平面的、分離的設計對象具體化、形象化，它能夠通過“ 虛擬現實”技術把產 品的形狀、材質、色彩，甚至加工過程淋漓盡致地表現出來，并能把產品的設計過程，通過數據管理，實現系統化、規(guī)范化，這正是工業(yè)設計與CAD技術必然結合的基礎所在。逆向工程技術實施的軟件條件目前，比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer, Delcam. Cimatron以Strim。具體應用的反向工程系統主要有以下幾個:Evans開發(fā)的針對機械零件識別的逆向工程系統;Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系 統 :H.H.DanzdeCNC CMM系統。這些系統對逆向設計中的實際問題進行處理，極大地方便了設計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設計模塊。例如Pro/E 的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線 )，也可以接受點云數據。其它的象UG軟件，隨著版本的提高，逆向工程模塊也逐 漸豐富起來。 這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件條件。而這些軟件相對與盡管目前一些高端的設計軟件，已經具備了產品復雜造型的設計與渲染功能，但要藝術類的設計師掌握并運用這類軟件，至今還不是一件容易的事。所以從事結構設計的設計師們大都是機械工程師出身，設計的思維與方式完全不同于造型設計師，他們思維是一種完全符合機械設計標準的設計思維方式。那么,兩種設計將如何在產品的設計中得到結合，且得到較好的結合，并且更好地完成從設計到加工程序的轉換?成為我們進行 產品設計所要考慮的問題。3 產品設計--逆向工程CAD技術(1) Pre/E參數化設計在工程中的 應用參數化設計(Parametric)(也叫尺寸驅動Dimension-Driven)是CAD技術在實際應用中提出的課題，它不僅 可使CAD系統具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。目前它是CAD技術應用領域內的一個重要的、且待進一步研究的課題。利用參數化設計手段開發(fā)的專用產品設計系統，可使設計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設計速度，并減少信息的存儲量。參數化設計的關鍵是幾何約束關系的提取和表達、約束求解以及參數化幾何模型的構造。1988年，美國參數技術公司首先推出參數化設計CAD系統Pre/Engineer(簡稱Pre/E)充分體現出其在許多通用件、零部件設計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。它的主要特點就是:基于特征、全尺寸 約束、全數據相關、尺寸驅動設計修改。這樣我們可以采用PTC: 公司的工 業(yè)設計軟件Pre/Designer(簡稱Pre/D)進行曲面設計，由于Pre/D 與Pre/E采用的是同一數據庫，兩者之間是無縫連接的，因而在設計中造型設計師和結構工程師可以更好的協作(2) Pre /D的曲面設計能力對于工業(yè)設計人員和那些想構建曲面模型的工程人員來說， Pre/I〕正是他們需要的工具，Pre/D可以構建高質量的自由曲面模型，并且可以很容易的轉換到其它基于制造工程的CAD系統中。Pre/D能夠創(chuàng)建真實而精確的幾何體，利用它可以更加容易的創(chuàng)建模型， 縮 短設計周期。利用 Pre可以把視覺上的美學要求和模具制造過程中的工程要求很好的結合起來，這一點在創(chuàng)建自由曲面模型的過程中現得尤其顯著。(3) Pre /D與Pre/E 之間的致據 傳抽Pre /Designer 與Pre/Engineer之間交換數據有兩種方式:一種是與Pre/Engineer直接交換數據，另外還有一種就是以文件的方式與Pre/Engineer 交換數據。(4) 造型復雜產 品三維設計的CAD應用對于造型裝飾性強，特別是包含復雜曲面的產品，可以使用Pre/D 與Pre/E組合起來進行，造型設計師在Pre/D里面做ID 、做曲面建模，直接從Pre/I〕里啟動Pre/E，把數據導到Pre/E由結構設計師進行結構設計，在整個設計過程中甚至結構設計全部做完了，由于客戶的要求或設計師對方案的局部要進行更改，這時只須在Pre/D里面改動，改好后存好再原名稱送給Pre/E，那么 Pre/E里也得到改變，而結構不用重做(當然修改要使結構有存在的條件，即它的父特征不會有問題)。長久以來，工業(yè)產品的傳統開發(fā)方式均是遵循嚴謹的研發(fā)流程:從產品需求的構思、功能與規(guī)格預期指 標的確定， 進而到各個組 件的設計、制造、 組裝、性能測試等。每個組件都保留有原始的設計圖，此 設計圖 目前通常以CA]〕文件的形式來保存。這種開發(fā)模式被稱 為“預定模式”(Pre-scriptive Model) ，此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程 ”(Forward Engineering).然而 ，隨著工業(yè)技術水平的提升以及生活水準的提高，任何通用性產品在消費者對于高品質的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產品不單單是功能要先進，而且更多著重于產品的外觀造型，這已不是傳統的機械工程師們所能勝任了。設計師們先通過手工方式塑造出模型，例如: 蠟模、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三維尺寸測量的方式生成自由曲面的CAD文件，這就是所謂的“ 逆向工程”(Reverse Engineering,RE)。這時擺在設計者和制造者面前的是實物樣件，需要將實物模型轉化為CAD模型，因為產品信息模型是實現CAD/CAM無縫制造技術的關鍵。逆向工程 (ReverseE ngineering)是在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD 模型的情況下，按照現有零件的模型(產品原型或油泥模型)，利用各種數字化技術及CAD技術重新構造CAD模型而克隆或創(chuàng)造實物產品的過程。正向工程是從CAD模型向實物模型轉化的過程，而逆向工程則是從實物模型向CAD模型的轉化過程，兩者的設計 流程正好相反，逆向工程和正向工程有不同的應用領域，隨著數字化測量技術 的飛速發(fā)展，逆向工程技術在制造業(yè)中的應用日益廣泛、成熟，關于逆向工程的研究也成為CAD領域的研究熱點之一。4 逆向工程建模技術包括了從數據測量到CAD模型構建的一整套技術步驟，概括起來主要有以下幾方面的關鍵技術:(1)測量數據處 理—由于數字化測量設備的廣泛應用，海量數據點(百萬數量級)的獲取成為十分容易的事。百萬級的數據無論對于數據讀人還是模型重構等方面都為我們帶來十分不便，因此需要的重構CAD模型前對測量數據進行預處理。(2)網格模型構造—三角網格模型是逆向工程中常用的模型表示方式。三角網格模型很容易表達復雜的物體表面形狀，同時網格模型對于重構曲面模型是一個非常好的基礎模型。(3)基本曲面模型構造 —逆向工程造型的最終目的是為通用CAD系統提供一個有價值的基本曲面模型，最終在通用CAD系統中完成產品模型的重構。因此逆向工程中的基本曲面模型重構對于重構高品質的CAD模型十分重要。(4)模型品質分析 —逆向工程模型是在測量數據基礎上重構的CAD模型。在重構過程中由于對數據的各種處理(如壓縮、去噪等)不可避免的回使數據產生誤差。最終的CAI〕模型是否在允許的誤差精度內是評價重構模型品質的重要指標之一。以下將分別對這幾方面的內容進行系統闡述。4.1 測量數據預處理技術現在隨著三維掃描設備的發(fā)展，得到的測量數據點數量也越來越大，含有幾百萬測量數據點的文件已經是很常見的。這么多的數據點，帶來的好處是顯而易見的，可以把模型上微小的特征全部獲取，但 對于處 理系統， 則是很大的一個障礙。這不但大大加大了系統 的負荷，而且降低 處理效率，以致會影響整個逆向工程建模的過程。所以測量數據的預處理成為現在逆向工程建模技術一個重要的方面。測 量數據預處理，除了要對大量的數據進行壓縮以外， 還要去除掃描中產生的噪聲數據。無論測量設備如何先進，噪聲的影響總是不可避免的。 雖然噪聲點不多，但噪聲的影響還是很大的，去除噪聲的工作可以大大提高生成模型的質量。由于某些模型的形狀比較復雜，往往無法一次掃描獲得全部的數據。這樣，一個模型的測量數據有好多塊，所以在進行模型構建之前，必須將多塊數據拼接，融合成一個模型。該過程在逆向工程中成為Register，即數據重定位。4.2 三角網格模型構造三角網格模型在逆向工程中有廣泛的應用。測量得到的數據點我們一般稱之為點云。點云數據不包括任何拓撲信息，為了重構曲面模型以及快速原型制造(Rapid Prototype Manufacture,RPM)等加工的需要我們需要在點云數據的基礎上構造出三角網格模型。三角網格模型包含了豐富的拓撲信息，可以用于諸如特征重構、曲面分割等后期處理閣。三角網格也可以很真實的顯示出模型的形狀，可以達到很好的視覺效果。此外，足夠細密的三角網格還可以直接用于零件的加工。根據處理對象和采用的測量技術和手段不同，逆向工程CAI〕建模內容可以分為兩個方面:一種是研究整個形體的CAD建模問題 ，另一種以處理復雜型面為主要特點的表面CAD建模。這也決定了三角網格模型的構造方法有兩個主要類別。整個形體的CAI)建模問題，主要在醫(yī)學 圖像可視化 領域應用。這方面的研究比較多，也比較深人，一般是利用CI，等設備獲取器官的截面 輪廓線，然后從這些輪廓線構造三角網格，其主要難點是處理“分叉”和“內孔 ”情況的模型。這種根據截面輪廓線構造三角網格模型的算法現在已經很成熟，也能達到很高的效率。大量 機 械 零件的建模，一般都是處理復型面的表面CAD建模。這方面的算法很多，但效果都不是很盡如人意，算法都是從一個種子三角形開始，遍歷周圍的點，來構建三角網格?，F在有待提高的是算法的效率和網格的質量。目前大多數的三角化算法都不是對原數據點的插值算法，這就造成了三角網格模型與原數據點的誤差，這部分誤差將會累積到后續(xù)的曲面重構。4.3曲面的重構自由曲面模型在逆向工程產品建模中占有重要地位，自由曲面由于形狀表達靈活，在航空、航天、汽車、模具等行業(yè)有大量應用，同時，這些行業(yè)也是逆向工程應用的重要領域，因此基于自由曲面模型重構一直是逆向工程CAD領域的重要研究內容。曲面重構( 亦稱曲面建模)是通過建模可以將離散的測量數據重構出連續(xù)變化的曲面，曲面擬 合包括曲面插值和曲面逼近，曲面插值要求插值后的曲面嚴格地通過數據點;曲面逼近是基于離散數據構造出一個曲面，使 這些點在某種意義下最為接近所構造的曲面。依據曲面拓撲形式的不同，常見的曲面重構方式有兩種。以三角Bezier曲面為基礎的三邊域曲面構造方法，和以B樣條〔101和NURBS曲面為基礎的四邊 域曲面構造方法?；?三 角 Bezier曲面的三邊域曲面構造方法?；咎幚硭悸肥菍⒋幚淼脑紨底鳛橐粋€整體考慮。首先根據點云暑假構造三角網格，構建出三角網格以后，運用三角Bezier曲面在網格基礎上構建光滑曲面〔 121。三角Bezier曲面插值在三角網格的每個三角形上構造初始二變量的三次三角Bezier曲面片，再將每個三角曲面片升 階到四次，然后將每個曲面片進行C-T (clough-tocher)分割，再調整每個子曲面片的控制頂點，使整個組合曲面達到一階幾何(GCI) 連續(xù) 。4.4 基于特征的模型重建技術由于逆向工程處理的對象是空間三維數據，如何在重構曲面模型過程中，準確再現產品的特征，是逆向工程產品模型能否于通用 CAD 系統融會貫通的重要標志?，F 在的逆向工程，特別是在通用機械零件的重構方面， 紛紛轉向自動提取模型特征方面。不僅自動提取出產品的特征，如倒角， 過渡面等，更是把基于特征的思想引人到逆向工程的各個方面，把特征提取作為逆向工程建模的一種輔助手段。在特征重建方面主要有兩種重建方式:一是基于點云數據的特征提取 ;二是基于網格模型的特征提取?；邳c云的特征提取算法依據點云數據的局部微分幾何特征提取其特征線，并以這些特征線為基礎構建三角網格，再根據測到的數據點根據幾何特征插到三角網格中實現三角網格的細分，這樣得到的網格在變化劇烈的地方集，變化平 緩的地方稀疏?？梢源蟠筇岣呷蔷W格構造的效率和質量?；谌蔷W格提取特征。三角網格由于擁有了拓撲關系，可以得到比點云數據更多的特征。三角網格模型中的特征提取可以大大提高逆向工程產品造型過程中曲面區(qū)域劃分的自動程度。因為一般情況下，一個完整的產品表面模型無法用一張曲面充分表達，需要采用多張曲面組合表達，根據特征來分割，可以使得曲面的劃分更加合理，曲面的質量也更高。逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術，逆向工程技術己經廣泛應用到新產品的開發(fā)、舊零件的還原以及產品的檢測中，它不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設計 以制造出新的產品。 這對 于CAD 技術的產品設計，不僅意味著設計手段的改變，同時改變了工業(yè)設計的思維方式。推動著制造業(yè)從產品設計、制造到技術管理一系列深刻、全面、具有深遠意義的變革，這是產品設計、產品制造業(yè)的一場技術 革命， 實現產品設計的系 統化， 縮短產品開發(fā)周期，從而創(chuàng)造出實用、經濟、美觀宜人的產品。