逆向工程中的建模技术pdf

1、逆向工程中的建模技术 黄小平 杜晓明 熊有伦文章编号: 1004- 132 ( 2001) 05- 0539- 04逆向工程中的建模技术黄小平 杜晓明 熊有伦摘要: 逆向工程技术已经从简单的“仿型制造”走向了“设计创新” ,针对 这一发展动态综合分析了 CAD环境中逆向工程技术的特点 ,结合测量数据 结构的异同介绍了各种计算机建模技术 ,并且指出了它们在工程中各自的适用范围 ,对当前该领域的研究重点提出建议。关键词: 逆向工程; CAD;测量; 计算机建模中图分类号: T H16 文献标识码: A黄小平 博士研究生 随着测量设备、 计算机辅助几何设计 ( CAGD)技术的发展以及人们对设计概念

2、理解的 深入 ,逆向工程技术作为快速设计与制造的主要收稿日期: 2000 12 12基金项目: 国家自然科学基金资助重大项目 ( 59990470) ; 国家杰 出青年科学基金资助项目( 59725514)支撑技术之一正在成为研究与应用的热点 1, 2。 创新设计是逆向工程的灵魂 ,模型的重建是创新的基础,而不是最终目的。因此注重重建后模型的 再设计能力是当前逆向工程研究的重要方向,将逆 向工设计和正向设计有机结合起来是必然之路。4 结语duc tion Resear ch , 1998, 35( 8): 2285 2307 7 Kim K J. Determining O ptimal De

3、sig n Cha racteris-本文提出的工艺质量模型以工艺质量要素为核tic Lev els in Q uality Functio n Deploy ment. Q ua lityEngineering , 1997, 10( 2): 295 307心 ,向上描述质量要素与产品质量特性的映射关系, 8 柯明扬.机械制造工艺学. 北京: 北京航空航天大学出向下描述质量要素与工艺决策参数的决策求解关版社 , 1996: 161 178系 ,同时通过一种可行的关联度算法能够描述质量 9 Z HAO F L, Pa ul S Y W u. A Coo pe rativ e Fr ame-要素

4、本身之间的关联性,可用于对机械制造工艺质w o rk fo r Pr ocess Planning . Computer Integ ra ted量问题进行建模。所提出的并行制造方法 ,通过 5个M anufacturing , 1999, 12( 2): 168 178阶段的实施步骤,进行工艺质量的目标确定、宏观规 10 Koji T eramo to , M asahiko O no sa to. Coo rdinativ e划、协同求解、评价与改进 ,是一个系统化的实施方Gener atio n of M achining and Fix turing Pla ns by a法 ,有利于

5、保证与改进产品全生命周期中的工艺质M o dula rizedPro blemSo lv er.Anna ls of the量和产品质量。CI RP,1998, 47( 1): 437440参考文献: 11 Thur ston D.M ultiattribute Desig n O ptimiza tion 1 蒋鸿章. ISO 9000质量管理与质量保证系列国际标准and Concurr ent Engineering ,Concurr ent Engi-应用指南.北京: 国防工业出版社 , 1996: 102 125:,To ols,a nd.neeringAuto mationT ech

6、 niques 2 张耀宸.机械加工工艺设计手册.北京: 航空工业出版London: Chapma& Hall,1993: 207229 12 O tto K N , Anto nsson E K.社, 1987: 110 662T rade- o ff stra teg ies 3 高连生,汪叔淳 .现代制造的信息支持系统.计算机集in Enging eering Design. Research in Engineering成制造, 1998, 4( 2): 36Desig n, 1991,3( 2): 87103 4 Kr ause F L. M e tho ds fo r Qu

7、ality - Drive n Pro duct 13 Rober ts C. M a nufacturingEv aluatio n Using Re-Dev elopment. Annalsof th e CI RP, 1993, 42 ( 1):source- ba sed, Templa te-free Featur es. Jour na l8: 323 331151 154of Intellig ent M anufac turing. 1997, 5 Shina S G, SaigalA.U sing Cpk As a Design To ol(编辑 卢湘帆 )fo r New

8、SystemDev elopment. Quality Eng ineer -作者简介: 郑联语, 男, 1967年生。 北京航空航天大学 (北京市 ing , 2000, 12( 4): 551560 6 G U Z, ZHAN G Y F , N ee A Y C. Identifica tio n of100083)机械工程与自动化学院副教授。 研究方向为计算机辅助制Impo r ta nt Featuresfo r machining Opera tio ns Se-造,包括 CAPP、工艺质量、数控加工、集成制造等。 曾获部级科技进步奖 1项,发表论文 20余篇。 汪叔淳,男, 19

9、30年生。 北京航空航天que nce Ge ner atio n.Inter na tio nal Jour nal of Pro -大学机械工程与自动化学院教授、博士研究生导师。· 539·中国机械工程第 12卷第 5期 2001年 5月1 测量数据结构获取零件三维几何数据的测量方法有多种3 , 其中能获取外表面的(从外部可见的 )位置数据的方 法有坐标测量机法、激光三角形法、模式光法、图像 分析法等,能获取物体内部以及内表面数据的方法 有工业 ICT、医学 CT、 M RI扫描以及层析扫描等方 法。这些方法在精度和速度上都存在很大差异 ,但从 建模角度出发,我们更关心

10、的是数据反映的特征及 其组织结构,图 1列举了用于建模的几种主要数据 结构。( 1)散乱点 无论采用何种测量设备,如果使 用了多次测量的策略,导致数据在分布上不遵循一 定的规则, 无明显的几何关系则称为散乱点 (见图 1a ) ,在测量整个零件的外曲面时常出现。( a )散乱点( b)栅格点( c)等值线( d)特征点和线图 1 不同的测量数据结构( 2)栅格点 测量点在扫描平面上呈等距栅格 状分布 ,在激光扫描仪、光学数字化仪中较多采用。 数据点间具有确定的位置关系(见图 1b)。( 3)等值线 在 C T、层析式设备中出现 ,数据 点由沿某方向的一系列面族与目标表面相交形成 (见图 1c)

11、 ,如图 1c中的地形等高线 (左 )、头骨截面线 (右 )。 对于 CT 设备而言每层的轮廓线( conto ur line)的生成还需要对原始图像进行复杂的预处理, 包括边缘提取、分析内外轮廓等工作。( 4)特征点和线 如图 1d的零件 (左 ) ,规则面 较多 ,就专门测量相关的特征点,用以形成平面、圆 柱、圆锥、球等基本几何元素; 对于某些由运动学方 程形成的复杂曲面,可测量其母线及其运动迹线;对 于那些完全没有生成规则的曲面还可以先按照交线 进行分割,在每块区域沿某个方向测量一些脊线,作 为将来建模的依据。数据的不同结构和特点决定建模过程的难易程 度以及将要采取的造型策略。在从图 1

12、a 图 1d的 4 种不同数据结构中 ,包涵的模型几何信息呈逐步增 长的趋势,对建模而言采用靠后的测量数据 ,建模相 对也要方便一些。2 模型重建技术2. 1 应用环境所有的建模方法都要为最终的应用目标服务, 从大的方面划分,最终目标有三类: 真实感模型显 示;快速原型制造;产品再设计。 在一个有一定 规模的制造系统中 ,这几个目标有可能同时存在。图 2给出了一个比较完整的逆向工程系统的结 构示意 ,图中的虚线框部分是逆向工程部分, 它和 CAD /C AM 环境、零件数据库、加工过程一起组成 了一个有机整体,甚至可以形成从设计到加工、检测 的一个闭环结构。如果我们的目标是面向真实感模型显示和

13、快速 原型制造,那么采用三角形网格和三边域曲面是合 适的方法 ,如果面向的是以产品再设计为目标的 CAD /C AM 环境,需要将单个逆向工程零件或零件 的部分设计结构纳入整个产品的设计中,那么就必 须和传统的正向设计相一致 ,考虑 4种 C AD建模 方法: 线框造型、曲面造型、实体造型、参数化特征造 型 ,因为测量数据获取的主要是零件表面测量点的 坐标 ,所以曲面造型方法是逆向工程技术的主要思· 540·逆向工程中的建模技术 黄小平 杜晓明 熊有伦路 ,目前在大多数加工环境中要求实体模型,因此实 体造型的方法也逐渐得到重视。2. 2 三角形网格和三边域曲面重构方法这种方

14、法适用于图 1a 图 1c 3类测量数据的 建模,对数据几何结构特征无特殊要求,广泛应用于 各领域数据的可视化、快速原型制造、仿型加工,基 本过程如下:( 1) 对给定的离散数据点进行三角剖分。 可分 为对测量数据投影域的剖分和在空间直接剖分两种 类型 ,目标是使散乱的数据点在空间中连接成一个 最优的三角网格 ,尽量接近 Delaunay 三角化;( 2) 计算三角网格边界条件, 构造初始三角曲面;( 3) 构造整体 G1 连续的插值曲面。已经证明在 三角网格上构造的插值曲面至少需用 4次三角Bernstein- Bezier 曲面片才能保证 G1 连续。 在面向快速原型制造的应用中 ,只需要

15、进行步骤 ( 1)就能得到 STL 格式的零件几何表示 ,为满足 一定的精度,这种三角片文件常占用巨大的存储空 间 ,对实时动画显示很不利 ,因此基于曲面曲率变化 的冗余数据精简方法也得到深入研究4 。图 3是我们在数字地球项目中对地表模型重建 的实例 ,采用三边域曲面造型获得了较好的视觉效 果 ,而且容易实现快速原型加工。需要指出的是这种 曲面建模方式对表现复杂曲面结构具有灵活、方便 的优势,但和传统的正向造型设计区别很大,很难对 生成的曲面进行有效编辑和处理 ,和通用 CAD / CAM 环境的结合还需要特殊的接口将其转换成为 常用的四边域曲面形式才能实现。图 3 地貌数据的三角剖分和插值

16、曲面2. 3 曲面造型 (表面模型)曲面模型描述零件的表面几何形状,没有体的 信息。 曲面类型有规则曲面、自由曲面、复杂曲面 3 种 ,在构造曲面前需要做好不同曲面的区域分割( seg mentation)工作 ,通常即使是全自由曲面构成 的零件也需要进行分割,以保证局部细节的拟合精 度。分割的方式主要有自动分割和手工分割两种 ,自 动分割算法的方法主要如下 3种 5, 6:( 1)四叉树法 将整个曲面首先看成一个整体 ,拟合成单一曲面 ,然后检验误差是否满足误差要求 ,不满足就一分为四 ,然后对每一部分重复上述过 程 ,直至每个子曲面都能满足精度要求。( 2)基于特征线的方法 需要寻找曲面的

17、尖锐 过渡、曲率极值点以及曲面对称中心等特征作为曲 面片之间的边界 ,这样得到的特征网格比前一种方 法得到的网格能更合理地反映零件的结构特征,也 更适合于下一步的曲面模型建立。( 3)基于面的方法 这是一种结合曲面拟合的 分割方法,首先给某个区域的点集赋予一个曲面表 达形式,然后按由近及远的顺序向外扩展 ,同时不断 检验曲面的拟合程度,直至误差超出预定要求时停 止。 在进行层析数据的重构时常常采用这类方法。手工分割方式的原则是尽可能方便曲面造型, 对于人工零件的分割,可以认为是“反推原始设计意 图” ,显然目前的智能识别系统还不能达到这样的水 平。对于比较复杂的自由曲面、复杂曲面的造型一 直是

18、逆向工程建模研究中的重点内容。 常用的曲面 造型的手段如下:( 1)放样法( lofting ) 对数据云取不同的截面点 ,构成截面线,再由截面线构成曲面。 构造的截面线必须满足同向、节点分布相近的原则才能保证最 终形成的曲面不扭曲;( 2)旋转法 对于旋转形成类的曲面,首先切 取并拟合一根母线 ,然后旋转成曲面;( 3)包封曲面法 ( w ra p- surface) 在对由四 边形区域分割而成的数据点集合, 首先进行测量点 的参数化 ,然后拟合出满足方程 S= B P 的参数曲 面。其中 S 为曲面型值点坐标矩阵, B 为曲面基函数 系数矩阵, P 为控制点矩阵。对于图 1b类数据 ,由于

19、 具有均匀分布的特点,参数化可以直接在其投影域 上实现 ,对于图 1a 类散乱点,采用向心参数化、 Fo-ley 参数化等方式消除数据非均匀性的影响效果比 较好。在构造单个曲面中需要考虑的主要问题是实现 型值点与拟合曲面之间的距离最小的优化目标,采 用非线性最小平方和算法对型值点的参数值进一步 优化,并得到新的构造曲面是有效的方法。如果优化 后的误差距离仍然不满足预定误差要求,就只有采 用增加曲面节点等方法改变曲面形式,重新拟合计 算。针对大规模散乱数据的曲面重构问题 ,一些研究 人员也提出一种两步法的拟合方案 ,首先用某种简 单的插值法,如 Shepa rd插值等快速构造插值曲面 , 然后在

20、此曲面的基础上根据曲面局部的曲率值自适 应地抽取采样点,生成矩形拓扑网格 ,然后再运用曲 面拟合方法得到 N U RBS曲面7 。· 541·中国机械工程第 12卷第 5期 2001年 5月一个成熟的逆向工程曲面造型系统还应该能实效果,可以看出这种方式和正向的设计是很类似的,现一些正向设计中常用的曲面功能,如曲面求交、曲所不同的是各种几何体的生成是由测量数据驱动面过渡、曲面裁剪、曲面延拓、曲面拼接、曲面修改、的 ,而不是操作人员根据主观决策进行的。曲面光顺等。根据我们的具体应用经验,在确定反求3 小结得到的曲面已经基本正确后,将之输入 CAD /C AM环境中进行再设计是可

21、行的方法。目前的逆向工程研究报道较多局限于特殊建模2. 4 实体造型技巧的研究,研究和应用的经验告诉我们 ,选择建模复杂几何形体的实体模型由规则的实体 (称为方法的原则必须适合测量数据结构和应用目标的两体素 )经过多次拼合得到 ,拼合方法可以采用布尔运个要求,企业在选择测量建模方法时还要考虑已有算 并、交、差。 把曲面也作为体素 ,实际 CAD /的 C AD /CAM 环境接口是否合适。CAM 系统中都把曲面造型与实体造型融合起来,在理论研究方面, “智能化”是当前逆向工程建以构造精确描述的曲面实体(而不是多面体实体)。模方法的重点。这里的“智能”体现在这样一些方面:采用实体建模的方法来反求

22、零件,好处是显见的: 直对散乱测量数据点、多视和补测数据点的几何、拓扑接面向加工,方便增添各种几何特征,如倒角、凸台、关系的自动确定; 结合视觉理解方法 ,用高层次的几螺钉孔等,方便进行各种检验和性能分析。从发展的何模型和认识推理机制来指导对测量数据云中包含角度看 ,逆向工程采用实体造型基本上会沿两条路的几何特征的智能提取,从而达到合理的区域分割发展:效果; 自适应的数据采样、网格划分方法,具有更合( 1) 基于曲面建模的实体造型 这条路沿着曲理的曲面延展、相交、过渡能力。面造型过来,对于采用多曲面表示的零件,只需要进一步确定零件表面的面、边、顶点信息,并建立层与参考文献:层之间的关系,就构成

23、了 B- rep表示的实体模型。 1 M o tav alli S,Va lenzuela J.Automa tic Genera tion例如在实际 C AD /CAM 系统中对于输入的曲面元of Dimensio nallyAccura te T hree - dimensio na l素 ,如果曲面间的间隙不超过规定范围,就可以用包CA D M odelsfo rRev e rse Eng ineering.Eng ineer -Automa tio n,1998,4( 2):85 100封实体的方法生成相应的实体,对于覆盖件之类的ing Desig n & 2 Sa rkar

24、B, M enq C H. Smo o th -surface Appro xi-零件 ,可以将曲面沿垂直方向生长一定的厚度来生ma tio n and Rev er se Eng ineering. Computer Aided成实体。Desig n, 1991,23( 9): 623628( 2) 基于体素的实体建模 这种方法的基本思 3 Va rady T , M ar tin R R, Cox J. Reve rse Eng ineer -想是从构造实体几何 ( CSG)发展而来,把复杂的实ing o f Geo metric M odels -an intr oduc tion. C

25、o m-体定义为简单的实体体素的组合, 采用布尔算子实puter Aided Desig n,1997,29( 4): 255268现这种组合。 显然这种建模方式对于基本上由规则 4 Chen Y H, W ang Y Z. Da ta Reductio n in Integ ra t-面构成的零件是适合的。edRev er se Engineering a nd Ra pid Pro to typing.以前在计算机视觉领域就尝试采用广义圆柱体Int.J. Computer Integ ra ted manufacturing , 1999,12( 2): 97 103作为体素来表达三维实体

26、 ,对于图 1a 图 1c 类型 5 T r ucco E, Fisher R B. Experiments in Curva ture-的数据采用这种方式构造实体模型是非常困难的,ba sed Seg menta tio n of r ange data. IEEE T ra nsac-因为首先就需要解决对密集的数据云进行识别的问tio n o n P AM I,1995, 17 ( 2): 177182题 ,即确定哪些点集属于某个体素,这在计算机视觉 6 LI U S, M A W.Seed- g r owing Segme nta tio n of 3领域也仍然是有待解决的难题。 美国的

27、一些从事逆- D Surfaces fro m CT - co nto ur Data.Co mputer向工程建模的学者也曾尝试过对一些简单零件的识Aided Desig n, 1999,31( 8): 517536别和实体建模 7 来新民,黄田. 基于 N U RBS的散乱数据点自由曲面。目前从工程实用的角度看,采用图 1d型数据进重构. 计算机辅助设计与图形学学报, 1999, 11( 5):行实体建模是比较可行的,因为在测量阶段,测量人432 436(编辑 周佑启 )员已经将识别的结果融入了测量数据的组织中,例作者简介: 黄小平,男 , 1973年生。 华中科技大学(武汉市 43007

28、4)如图 1d(右)中不同形式、颜色的测量数据表示了相机械科学与工程学院博士研究生。 研究方向为 C AD / CAM、测量及应的被测几何体素 ,在造型时这些测量结果起到确逆向工程。发表论文 3篇。杜小明 , 1977年生。华中科技大学机械科定几何参数的作用。 目前我们在针对复杂电器零件学与工程学院硕士研究生 熊有伦年生 华中科技大学机械科。, 1934。结构的反求项目中采用这种建模方式取得了很好的学与工程学院教授、博士研究生导师,中国科学院院士。· 542·M A IN TO PICS, ABST R ACT S & K EY W O RD Sna ) W U Q

29、idi G AO Guoa n p 521-523Abstract: T omo r ro w 's manufac turing industries mustAbstract: Co ncur rentengineering a nd ag ile manufac-co pe withth e g lo ba l enterprise competitio n. Info rma tionturing st rateg ymake thetraditional serial pro duct dev el-tech no lo gywill pla yan indispensabl

30、erole in suppo rtingopmenttendtow ards pa rallel,integr ated a ndcoo rdinat-a ndena blingth e co mplex pr acticesofdesignand manu-.Applica tio n of ar tificial intellig ence such as know ledg efacturing bypr oviding themechanismsto facilitateandedenginee ring isa neffec tiv e appr oach toimplementth

31、 emanag e the integ ra ted sy stem discipline.Th e need to im-mode.Thispapersummarizes the case -baseddesig npr ov e the under standing o f product 's perfo rmance fo r af-techniques and pr esentsan integ ra tedreasoningmodelterma rketservice w ill leadtoe - intellig encefo r qua litybased o n c

32、ase-ba sed reasoning and r ule-basedreaso n-maintenance.With the pro per integr atio n ofe -intelli-ing ,anda lsointro ducestheapplica tio nto mechanicalg ence into products,ma nufacturing a nd serv ice sy stems,pro duct co nceptual design. The repr esenta tion a nd o rg a-manufactur ers and users w

33、 ill benefit fr om the incr eased e-niza tio n o f the desig ning cases ar e discussed in detail.Fi-quipment a nd pro cess r elia bi.na lly , the integ rated systemis analy zeda ndev aluated.Study on Process Quality Model and Its Concurrent Man-with its a pplica tio nKey words:co o rdina ted desig n

34、 r ule-basedrea-ufacturing Methodology for Total Life Cycle ZHENGsoning case -based reaso ning fuzzy compr eh en-Lianyu ( Beijing University of Aeronautics and Astronau-siv e ev alua tiontics,Beijing,China) WANG Shuchun p 535-539:T his pa per presents a new co ncept- -pro -AbstractModeling and Corre

35、cting FEM with Contact Element forcess quality fo r the to ta l life cycle o f pro ducts,and bringsthe Combined Surfaces ofGrinder Bolts C HEN Xinfor wa rd an unified process quality mo del( U PQ M ) ,which( So utheast U niv er sity , N anjing , China ) SU NQing hongis or ga nized into fiv e layer s

36、:who le process quality ,quali- M AOHaijun C HEN N an p 524-526tycharact eristics,processelem ents,eleme nts ' pro cess:TheFiniteElement M o del(FEM)ofth epa rameter s a ndtheinteg rated info rmation.Abstractpla tfo r mg rinder bo lt combined surfaces using the co ntac t elementBasedonthe U PQM

37、, themethodolog y ofco ncur rentand spring - damp element is built with the co nsider atio nmanufacturing fo r assuringpro cessquality is discussed.o f co mbined surfaces ' char acteristics. By minimuming th eT he methodo lo gy includes fiv e implem enta tio n phases:i-mean squa re deviatio n be

38、tw een the fir st th ree tested eig endentifica tio n of quality char acteristics, deplo yme nt o f pro - freque ncies a ndones calculated by FEM , the pa rame-cesselements, automa tica llyfocusingand coo pe rativ elyter s o fthe co mbined surfacesincludingthe co ntactele-decisio n o fmulti - ag ent

39、s forprocesselements, ev alua-ment a ndthespring - dampelement hav e beendeter-tio n of pro cess quality , a nd improv ement of process quali-.sur face isty.The U PQM a nd its methodo log y o f co ncur re nt manu-mined A bett er dy na mic model o f th e co nta cto btainedby.Themodelhasfacturing will

40、 facilita te to assur e the pro cess quali ty ando ptimizing the pa ramete rsimpo rta ntv aluesfo rstructural o ptimi zingdesig nofth epr oduc t quality during the to tal life cy cle o f products.g rinder.Key words: process quality concurr ent ma nufac-Key words: com bined surface optimiza tio n fi-

41、turing life cycle process pla nning qualitynite element model mo del co rr ec tionco ncur rent engineeringSmart Machines and E- Manufacturing Systems for e-Modeling Technique in Reverse Engineering HU AN GBusiness Transformation Ja y Lee ( U niv er sity of W is-Xiao ping ( Huazhong U niv er sity o f

42、 Science & T echno log y ,consin- M ilwa ukee, U S A) p 526-530W uhan, China) D U Xia oming X ION G Youlun p 539-:W eb-based intellig ence is key to achieving542Abstractg lo ba l leader ship in six - sig ma product a fterma rketser-Abstract:Rev erse engineeringha sdev elopedfr omv ice a nd manufac turing pr oduc tiv ity fo r the21st centur y.pr ofilemo deling ma nufacturingtodesig n innov atio n.InThis paper discusseshowto design smar tpro ductsandthispaperanewtech niqueofr ev er seengineeringandmainte nance systems u