逆向工程技术及其应用

1、科技与经济2003年第2期第16卷/总第92期!全球化市场的激烈竞争对产业工业提出了更高的要求,尤其对那些中小型规模的企业。这些需求包括大幅度削减产品的开发周期、增加产品的客户性,它们需要有全新的技术策略和工具来支持。在激烈竞争的全球化市场中,企业往往采用并行工程的概念以实现对提高产品质量和快速响应周期的需求。逆向工程技术则可以有效地实现这一目标,利用这一技术可以缩短产品从设计到制造的时间,从而可以提高产品在国际市场上的竞争力。事实上有很多企业其产品开发过程的起始阶段往往都要生成CAD 模型,但这在某种程度上常常并不切实可行。在许多领域往往是先构造出一个产品的原型,然后对其从产品的性能、美学以

2、及其它准则进行评价,在证实其设计的可行性后才能进行CAD 建模来完成设计的后续阶段。逆向工程技术恰好可以用于完成这样一个从产品原型到CAD 模型建立的过程,因而这一技术被得于广泛应用。本文首先介绍了逆向工程的定义、曲面数字化和曲面重构方法以及逆向工程的应用,最后给出了利用机械接触式三坐标测量机对摩托车整车外形进行数据测量的规划并在此基础上实现的曲面重构。逆向工程的定义逆向工程(Reverse Engineering 又名反向工程、反求工程,也可以叫做测量造型。在某种意义上讲,逆向工程就是以特定的方式完成一个实物模型的仿制工作。往往一件拟制作的产品没有原始设计图纸,而仅仅是一个产品样件或实物模型

3、,它可能是一个鞋模、一个石膏样件或者是一个手工工艺品,现在要求复制变成产品。传统的复制方法是用立体雕刻机或仿形靠模铣床制作出1:1比例的模具,再进行批量生产。这是传统意义上的仿形制造,这种方法无法建立产品尺寸图纸,也无法做任何的外形修改,已逐渐为数字化逆向工程系统所取代。目前所称的逆向工程是针对一现有工件(样品或模型利用三坐标数字化测量仪准确、快速地将物体的三维坐标数据以数据点集的形式获取得到,在经过数据处理、构建曲面、编辑、修改后,传送至通常的CAD /CAM 系统作进一步的设计,再由CAD /CAM 系统生成刀具的NC 加工轨迹传送至CNC 机床制作所需模具,或者生成STL 文件传送到快速

4、成型机将样品模型制作出来,也可由CAD 生成机械加工用的图纸,再由传统机床加工出产品零件,这一流程称为逆向工程,其流程如图1所示。逆向工程与传统工程不同,它是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念和CAD 模型,并通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近、修改和完善,进而将这些CAD 模型用于产品的 分析和制造,如图一所示。它起始于对一个已有实物模型的测量,其研究的主要对象是如何将离散的数据点转变成为分段光滑、连续的CAD 模型,与传统的CAD /CAM 系统等相结合构成一个庞大的系统工程。事实上,人们习惯上把整个系统的前半部分当作逆向工程来看待,如图中虚线的上部分所示。因为有关逆向工程

5、的研究基本上集中在由实物摘要:逆向工程技术在激烈竞争的全球化市场中起着重要的作用,利用这一技术可以缩短产品从设计到制造的时间,从而可以提高产品在国际市场上的竞争力。本文简要介绍了逆向工程的定义、曲面数字化和曲面重构方法以及逆向工程的应用,最后给出了利用机械接触式三坐标测量机对摩托车整车外形进行数据测量的规划并在此基础上实现的曲面重构。关键词:逆向工程;数据测量;曲面重构逆向工程技术及其应用平雪良1,周儒荣2,安鲁陵2(1.江南大学机械工程学院,无锡214063;2.南京航空航天大学CAD /CAM 工程研究中心,南京210016作者简介:平雪良,男,江南大学机械工程学院副教授,南京航空航天大学

6、机电学院在读博士研究生;周儒荣,男,南京航空航天大学CAD /CAM 工程研究中心教授,博士生导师;安鲁陵,男,南京航空航天大学CAD /CAM 工程研究中心副教授,博士。 !样件到曲面重构的过程,本文所讨论的内容也仅指这方面的涵义,从这个意义上来讲逆向工程可以简单地定义为从样件表面获取数据并将它转换为CAD 模型的过程。这一过程通常可根据被测样件的不同(自由曲面样件和规则曲面样件而采用不同的数据处理和曲面重构方法。但不论采用哪种方法,逆向工程通常要完成以下几个方面的内容:数据采集,采用合适的测量设备从样件表面获取数据点,实现样件表面的数字化;三角网格化,将数据点集联结构成三角网格以获得数据点

7、集的局部拓扑关系和整个物体表面的拓扑关系;数据简化,如果是密集的数据点云,有必要对多余的数据点进行剔除;数据分块,工程上样件往往是由多张曲面构成的,所以通常要在点集数据中找出可以形成单张曲面或多张曲面的曲面边界以实现数据点集的分块;曲面拟合,单张曲面的数据点集确定后,接下来的任务就是要将数据点拟合成曲面;曲面光顺,由于点集数据中会含有间隙和噪声数据再加上算法的计算误差,所生成的模型不会象我们所期望的那样显得十分匀称,因此需要对模型作进一步的修改,我们称之为曲面光顺。逆向工程是一个庞大的课题,在过去的几年中,有关逆向工程的研究已经有了很大的进展。到目前为止,主要还是集中于分别对自由曲面样件和规则

8、曲面样件这两个方面的研究,对于一些中等复杂程度的规则曲面样件的CAD 模型现在已经可以自动重构,对于用于表示自由曲面的高级曲面通过用户进行功能分解后亦可自动实现曲面重构,但如果要获得满意的结果还需要进行仔细的参数设置。事实上,根据逆向工程应用领域的不断扩展,其实现方法也在不断增加。曲面的数字化曲面的数字化就是在样件表面提取点的坐标值并将其以二维或三维数据点集的形式存放起来的过程。曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问题,数据测量方法主要依据测量设备(数字化测量仪的不同而不同。目前逆向工程所采用的数字化测量仪主要有机械接触式坐标测量机、光学坐标测量机、激光坐标测量机。除此之外,还有工业CT 等断

9、层扫描设备也广泛应用于逆向工程系统中。根据不同的测量设备以及获取数据的不同方法,我们可以把测量分为接触式和非接触式两大类。#$接触式测量方法接触式测量方法是通过物理接触被测样件来获取数据的方法,最常用的就是机械接触式三坐标测量机(Coordinate Measuring Macline ,CMM ,它是通过测量头与实物的接触获得其坐标点的数据,另外还有采用机械手的测量方法。三坐标测量机通常采用点扫描、线扫描和面扫描三种不同的扫描方式。扫描方式的选择,根据被测样件的扫描工艺而定。检测点样本的分布和大小的制定原则是:首先要满图2数据测量方式图1逆向工程系统图足精度要求,其次使样本尽可能小,以节省检

10、测时间。利用三坐标测量机将样件表面数据化,测量中必须考虑测量探头的补偿。由于测量误差的存在,得到的表面数据应进行数据处理,包括坏点的去除,测量盲区数据的补齐,数据均化和平滑等,然后才能进行曲面重构。2.2非接触式测量方法非接触式测量方法是一种无需与被测样件接触就能获取数据的方法,它又可分为主动式测量和被动式测量。主动式测量有专门仪器产生测量光源或声源,被动式测量则没有。主动式测量是逆向工程中常用的方法。非接触式测量机主要有光学测量机、声学测量机和磁学测量机。光学测量方法是目前最广泛使用的也是相对速度最快的非接触式获取数据的方法,主要有以下五种光学测量方法:结构光法、激光三角形法、激光测距法、干

11、涉测量法、图像分析法。最常用的主动式测量是激光三角形测量法,其基本原理是利用激光源投射到被测表面,反射光在图象传感器上成像,按照预设计的三角形光路原理得到被测点的位置坐标。2.3数据测量规划数据测量规划主要根据被测样件的性质来决定如何进行测量、如何规划数据测量。为了便于精确重建曲面的数学模型,必须对测点的数量和位置提出特定的要求:合适的测点数量、合适的测点位置、测点在曲面上按经纬线网格分布等等。从数据测量的角度出发,样件曲面可分为数学模型已知和数学模型未知两种。前者的数据测量主要反映在产品的曲面检测,通常采用CAD驱动的自动测量,计算机利用产品的CAD信息自动生成测量程序,通过与测量机控制系统

12、的数据通讯,命令测量机自动完成测量任务,获得测量结果,然后根据测量结果来评价产品的加工准确度,得出测量报告。后者则侧重于样件的复制和开发,对于不同的测量设备又有不同的数据测量规划。3曲面重建通过数据采集得到曲面上的数据点后,还要进行数据处理以增强数据的合理性及完备性。通常要对原始数据进行过滤、筛减、去噪、平滑和编辑等操作使数据集满足后续模型重建的要求,达到较好的特征提取效果并得到较为精确的模型。另外,对于形状较为复杂样件的数据测量往往不能一次采集完成,需要从几个不同方位进行采集,这就需要考虑不同坐标系下采集的数据点的拼接问题。为了得到点云数据间的拓扑关系,还要对数据进行三角网格化。实际的产品型

13、面往往由多张曲面混合而成,因而,只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型精度的。于是往往采用不同的方法来处理数据的分块问题,分块可以进一步对数据子集进行分类以确定其数学表达形式。由于数据分块是一个相对复杂的一个过程,通常根据不同样件性质采用不同的数据分块方法。数据分块后,我们所得到的是各种不同的数据块,每一数据块分别属于一张曲面,可以用不同的方法将这些数据块拟合构成整张曲面。目前曲面构造技术的方案主要有三种:其一是以B样条或NURBS 曲面为基础的曲面构造方案,其二是以三角Bezier 曲面为基础的曲面构造方案,其三是以多面体方式来描述曲面物体。4逆向工程技术的应用逆向工程是一个迅速发展的

14、学科,它覆盖了许多应用领域,概括起来有以下一些具体应用:基于实物模型的产品外形设计。当设计师难以直接用计算机进行某些物体如复杂的艺术造型、人体和其他动植物外形等的三维几何设计时,常用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计(概念设计,这就需要通过逆向工程将实物模型转化为三维CAD模型。对现有产品的局部修改。由于工艺、美观、使用效果等方面的原因,经常要对已有的产品做局部修改。在原始设计没有三维CAD模型的情况下,若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相符的CAD模型,对CAD模型进行修改以后再进行加工,将显著提高生产效率。因此,逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。对无法得到图纸的已有产

15、品数字化。传统产业的产品往往无图纸可用,需要采用逆向工程的方法来实现传统产品的数字化。因此逆向工程技术是改造传统产业,推动产品更新换代,带动产业结构升级的重要手段。对以已有产品为基准点进行的设计。借鉴别人的成功设计并在此基础上进行产品再创新设计是在剧烈竞争的市场中赶超同类行业先进水平的一个重要捷径,也是当今的一条新的设计理念。磨损或损坏物体的还原。某些大型设备,如科技了望平雪良,周儒荣,安鲁陵逆向工程技术及其应用科技与经济2003年第2期第16卷/总第92期63 !航空发动机、汽轮机组等,常会因为某一零部件的损坏而停止运行,通过逆向工程手段,可以快速生产这些零部件的替代件,从而提高设备的利用率

16、和使用寿命。医学模型制作。逆向工程系统可通过CT 、MRI 等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图像,并将数据传送至RPM 系统,制作出人体局部或内脏器官的模型。工业产品无损探伤。借助于层析X 射线摄影法(CT 技术,逆向工程还可以快速发现、度量、定位物体的内部缺陷,从而成为工业产品无损探伤的重要手段。产品的检测。通过逆向工程技术,利用CAD 信息自动生成测量程序,通过三坐标测量机完成对产品的测量任务,获得测量结果再与CAD 信息进行比较来评价产品的加工准确度。#摩托车整车外形逆向工程摩托车的外观造型设计是影响其市场的重要因素之一,随着市场竞争的日益激烈,摩托车产品的更新换代速度也需要不断提高

17、,加快模具制造速度成为解决问题的关键。在设计过程中经常要求参照设计样品进行工程设计并制造出模具,这就需要采用逆向工程的技术来完成。这里简要介绍利用机械接触式三坐标测量机对摩托车进行坐标数据测量的规划以及利用自主开发的逆向工程系统软件结合其它CAD /CAM 软件完成摩托车整车外形CAD 模型重建的工作。摩托车的外形曲面是自由曲面而且具有整体上呈左右对称的特性,可以采用以下基于逐点测量的测量布点规划。利用物体的对称性提高测量效率。摩托车绝大多数的型面是呈对称性的,考虑到这一点,在测量时可以仅在对称线的一侧进行,然后通过软件将测量数据沿对称线进行镜向拷贝,这样可以减少大量的测量工作。在对称测量时首

18、先根据若干个明显的特征对称点,测量出对称线。一般以对称线为一个坐标轴,建立被测对象的局部坐标系,然后按照规划方案在对称线一侧进行测量。例如摩托车龙头是以完全对称的形式出现的,在测量时只需测量对称线一侧的数据。又如工具箱为不完全对称,所以在测量时可以采用部分对称测量的方法。分块分区测量获得四边形边界。摩托车的外形曲面比较复杂,往往不能用一张B 样条曲面来描述其某一部件的自由曲面,这就需要对其整个表面进行分区测量,分区重建样条曲面,然后再进行曲面拼接和过渡,达到准确重建该部件的CAD 模型。分区测量的边界划分取决于物体自身的几何形态,也取决于造型软件所提供的造型功能。分区过大,会造成无法精确表示曲

19、面的各个部分;分区过细,会造成更多的拼接问题,影响重建模型的整体效果。特征棱线、曲面一般要保证二阶连续,同时变化较为平坦。摩托车的外形曲面重建过程主要包括读入以IGES 文件形式存放的测量数据点集,交互式点取坐标点生成样条曲线然后用交互方式点取样条曲线构造蒙皮曲面和四边界曲面等。通过对测量点与重建模型的比较,上述曲面重建功能的实现,基本满足了人工规划测量数据的模型重建。!参考文献1李江雄,柯映林.基于特征的复杂曲面反求建模技术1研究J .机械工程学报,2000,(5:518.2张丽艳,廖文和,周儒荣.逆向工程的关键技术及其应1用研究J .数据采集与处理,1999,(1:433.3张丽艳,安鲁陵

20、,王占东,周来水.基于人工布点规划1的测量数据模型重建J .机械科学与技术,2002,(2:1328330.4种永民,杨海成.测量造型技术中的数据处理方法J .1西北工业大学学报,1997,(4:5567.5柯映林,肖尧先,李江雄.反求工程CAD 建模技术研究1J .计算机辅助设计与图形学学报,2001,(6:16.16李江雄.反求工程中的曲面建模技术及相关软件模块1分析J .计算机辅助设计与制造,1999,(10:314.7Saeid MotavaIIi.Review of Reverse Engineering Approaches.1Computers ind.Engng,1998,35

21、(12:2528.8Varady,R R Martin.Reverse Engineering.Handbook of 1Computer Aided Geometric Design,2001,651682.9amfs Vfrady,RaIph R Martin,Jordan CoX.Reverse En -1gineering of Geometric ModeIs -An Introduction.Computer 1-Aided Design,1997,19(4:255268.10Chang -Xue (Jack Feng,Shang (Sam Xiao.Computer 1-Aided Reverse Engineering with CMM for Digitization1and LOM for DupIication.4th Int I Conference on Frontiers 1of Design and Manufacturi,2000,256262.(收稿日期:2003-02-21 逆向工程技术及其应用作者:平雪良, 周儒荣, 安鲁陵作者单位:平雪良(江南大学机械工程学院,无锡,214063, 周儒荣,安鲁陵(南京航空航天大学CAD/CAM工程研究中心,南京,210016刊名:科技与经济英文刊名:SCI