逆向工程的关键步骤及主要技术
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2011-02-27 10:28:16 作者:SystemMaster 来源: 文字大小:[大][中][小]
0前言
逆向工程技术Reverse Engineering)．是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术。与传统的“产品概念设计一产品CAD模型一产品(物理模型)”的正向工程不同，逆向工程首先对实物原型进行数据采集，经过数据处理和曲面重构等过程，构造出实物的三维模型，然后再对原型进行复制或在原型基础上进行再设计，实现创新。
1 数据采集
实物的数字化是逆向工程实现的初始条件，是数据处理、模型重建的基础。该技术的好坏直接影响对实物(零件)描述的精确度和完整度，影响数字化实体几何信息的进度。进而影响重构的CAD曲面和实体模型的质量，最终影响整个逆向工程的进度和质鼍。所以，数字化测量方法的选择和研究对逆向工程至关重要。根据测量的方式不同，可以将三维测量设备分为接触式和非接触式两大类型。
1．1接触式数据采集
接触式数据采集方法是用机械探头接触表面，机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。最常见也是应用最广泛的接触式数据采集方法是三坐标测量机．当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变．这种形变触发测量传感器将测到的信号反馈给测量控制系统．经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。
一般来说．三坐标测量机可以对被测物体边界精确测量．同时不受被测物体表面颜色和色泽的限制。其主要缺点是速度慢、效率低，摩擦力和弹性变形易引起被测件变形产生测量误差。对微细部分的测量收到限制，不适于对软质材料或薄型实体的测量。另外。探头有一定的半径，不能直接测出实体表面的坐标值，需要进行半径补偿。
接触式数据采集的缺点限制了它的应用领域．随着测量技术的发展和市场的需要，产生了非接触式测量，其克服了接触式测量的一些缺点，是逆向工程中数字化测量的发展方向。
1．2非接触式数据采集
非接触式数据采集方法主要利用了光、声、磁场等原理。应用光学原理的方法采集数据块，细分有结构光法、激光三角形法、干涉法、图像分析法等。
结构光法也称投影光栅法，其基本原理是将光栅投影到被测物
体表面上，收到被测样件表面高度的调制，光栅影线发生变形。通过解调变形光栅影线．就可以得到被测表面的高度信息。它的主要优点是不用做半径补偿．测量速度快、获取的数据量大，对软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。缺点在于受物体表面颜色、斜率的影响较大。
接触式数据采集与非接触式数据采集均有其优缺点。各自常用的测量方法对比如表1一1所示。
2数据预处理
实际测量当中由于各种人为及随机因素的影响，测量结果会不可避免的引入数据误差，尤其是在尖锐边缘和产品边界附近的测量数据和测量数据中的坏点可能使该点及其周围的曲面偏离原曲面。如果直接使用测量后的数据用于曲线、曲面造型，势必会造成重构曲面不能满足精度要求．对于那些测量误差太大的无效测量点数据，会导致拟合后的曲面发生干涉、翘曲等变形，甚至导致曲面无法拟合。因此，在进行曲面重构之前必须对点云数据进行预处理。点云数据的预处理内容主要包括六个方面：格式转换；数据过滤及平滑；分块数据整合对齐；球头半径补偿；数据精简；数据分割等，然后通过适当的算法，把这些经过处理的数据拟合成CAD模型。
用三坐标测量机进行接触式测量时，得到的数据是测头中心的坐标值，而并非测头与被测件接触点的坐标值。在测量过程中，由于测头的运动方向和被测曲面的法线方向不一致．故在确定实际被测件轮廓的各点坐标时。需要进行测头半径的补偿。测头半径补偿常用的方法有：微平面法、三点共圆法、拟合补偿法、直接计算法和三角网络法。而通过激光扫描设备得到的点云数据不同于接触式数据．一般得到的数据可达到几万到几十万个点。甚至更多；它不仅会使计算量加大，还会影响曲面的光顺性．因此必须对这些点云数据进行精简。有关数据精简的算法很多．主要有：最大允许偏差精减法、均匀网格法与非均匀网格法。
3曲面重构
在逆向工程中．实物的三维模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，而曲面重构又是这一环节中的核心部分。目前．在对实物的逆向工程的过程中，大致有三种曲面重构方法：一种是基于三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法：第二种是以B—Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方法：第三种是以多面体方式来描述曲面物体。
曲面重构中通常先对离散数据点参数化。可以根据数据点块的边界构造初始曲面，对应各数据点在曲面上的相对位置，从而计算机出其各自的参数(u，v)的分布，使各数据点成为曲面片真正的节点。然后对各节点进行顺序排列，包
括节点次序、节点编号和节点参数化值，在此基础上进行下步处理。
4 CAD模型重构
经过曲面重构后，得到的模型为曲面模型．而进行后续的制造或进行有限元分析所需要的模型必须为有厚度的、有质量的实体模型，因此一般要将曲面模型输入到CAD软件中转换成实体模型。
在CAD软件中的几何模型重构一般分为两种方法：
4．1扫描时，将零件的外形数据全部获取。然后再RE软件中，将零件的外形全部拟合重构出来。中央将其模型数据输入到CAD软件中，经数据修复后，则只需要进行实体化，将曲面模型转换成有厚度的、有质量的曲面模型。例如，在PROE中对曲面模型进行实体化只需点选输入的IGES的曲面模型，然后使用Solidify命令．使曲面模型变成一个实体模型．或使用Thicken命令，使曲面模型变成一个有一定厚度的实体模型。
4．2著零件的外形一部分为复杂自由曲面特征．则只需对这复杂自由曲面部分，采用逆向工程处理，然后将其输入到CAD软件中，使用CAD软件中的造型技术将这个零件的几何实体模型绘制出来。
5结束语
逆向工程技术以其独有的特点已广泛应用于机械产品的开发、模具的设计、旧零件的还原等许多方面，但目前来说还存在较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预、设计精度不够高；集成化程度低等。随着测鼍设备和软件智能化的发展．将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。