逆向工程技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展分析

夏　天

【摘要】 隨著測量技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以實(shí)體為研究對(duì)象，利用逆向工程技術(shù)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行建模、仿真、優(yōu)化及新產(chǎn)品開發(fā)成為現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一大熱點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】 機(jī)械零件；實(shí)體建模；逆向工程

在實(shí)際開發(fā)制造過程中，設(shè)計(jì)人員接收的技術(shù)資料可能是各種數(shù)據(jù)類型的三維模型，但很多時(shí)候，卻是從上游廠家得到產(chǎn)品的實(shí)物模型。沒有圖紙或CAD數(shù)據(jù)檔案，工程人員無法得到準(zhǔn)確的尺寸，制造模具就更為煩雜。用傳統(tǒng)的雕刻方法，時(shí)間長且效果不佳，這時(shí)候就需要一個(gè)一體化的解決方案：從樣品→數(shù)據(jù)→產(chǎn)品，逆向工程系統(tǒng)就專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的三維制造路線。這就是模具制造中擁有的“逆向思維”，即逆向工程。

一、逆向工程的概念

逆向工程是由高速三維激光掃描機(jī)對(duì)已有的樣品或模型進(jìn)行準(zhǔn)確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進(jìn)行曲向重構(gòu)，并對(duì)重構(gòu)的曲面進(jìn)行在線精度分析、評(píng)價(jià)構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進(jìn)行快速成型或CNC數(shù)控加工。

逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計(jì)存在很大的差別。概括地說, 正向設(shè)計(jì)工程是由概念到CAD模型,再到實(shí)物模型的開發(fā)過程；而逆向工程則是由實(shí)物模型到CAD模型的過程, 對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行三維數(shù)字化處理, 構(gòu)造實(shí)物的CAD模型, 并利用各種成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS 等先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行再創(chuàng)新設(shè)計(jì)。

二、逆向工程技術(shù)實(shí)施的條件

1、硬件條件

不同的測量對(duì)象和測量目的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實(shí)際三坐標(biāo)測量時(shí)，應(yīng)該根據(jù)測量對(duì)象的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應(yīng)的掃描設(shè)備。例如，材質(zhì)硬且形狀較為簡單、容易定位的物體，應(yīng)盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設(shè)備損耗費(fèi)相對(duì)較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。但在對(duì)橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進(jìn)行掃描時(shí)，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點(diǎn)是速度快，工作距離遠(yuǎn)，無材質(zhì)要求，但設(shè)備成本較高。

2、軟件條件

具體應(yīng)用的反向工程系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)：Evans開發(fā)的針對(duì)機(jī)械零件識(shí)別的逆向工程系統(tǒng)；Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系統(tǒng)；H.H.Danzde CNC CMM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對(duì)逆向設(shè)計(jì)中的實(shí)際問題進(jìn)行處理，極大地方便了設(shè)計(jì)人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設(shè)計(jì)模塊。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(diǎn)(測量線)，也可以接受點(diǎn)數(shù)據(jù)。其它的象UG軟件，隨著版本的改進(jìn)，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(shí)施提供了軟件條件。。

三、逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域

逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了很好的技術(shù)支持,為后續(xù)的產(chǎn)品制造、加工及模具設(shè)計(jì)等工作提供了基礎(chǔ), 它已成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一。

逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域大致可分為以下幾種情況:

(1)在沒有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對(duì)零件原型進(jìn)行測量的基礎(chǔ)上形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼，加工復(fù)制出一個(gè)相同的零件。

(2)當(dāng)要設(shè)計(jì)必須通過實(shí)驗(yàn)測試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計(jì)模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測試(如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)等) 建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外型，最終的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計(jì)這類零件及反求其模具的依據(jù)。

(3)在美學(xué)設(shè)計(jì)特別重要的領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計(jì)廣泛采用真實(shí)比例的木制或泥塑模型來評(píng)估設(shè)計(jì)的美學(xué)效果。此外，如電腦仿型、禮品創(chuàng)意開發(fā)等都需用逆向工程的設(shè)計(jì)方法。

四、逆向工程數(shù)據(jù)測量技術(shù)

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類：接觸式數(shù)據(jù)采集方法和非接觸式數(shù)據(jù)采集方法。

1、接觸式數(shù)據(jù)采集方法

接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標(biāo)測量機(jī)，測量時(shí)可根據(jù)實(shí)物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點(diǎn)數(shù)及其分布，然后確定測量的路徑，有時(shí)還要進(jìn)行碰撞的檢查。

2、非接觸式數(shù)據(jù)采集方法

非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)問題，獲得的密集點(diǎn)云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機(jī)械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實(shí)形狀。

五、逆向工程的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識(shí)別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)測量機(jī)的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程仍需要大量的人機(jī)交互工作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，下面一些關(guān)鍵技術(shù)將是逆向工程主要發(fā)展方面：

(1)數(shù)據(jù)測量方面：發(fā)展面向逆向工程的專用測量設(shè)備，能夠高速、高精度的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進(jìn)行自動(dòng)測量和規(guī)劃路徑。

(2)數(shù)據(jù)的頂處理方面：針對(duì)不同種類的測量數(shù)據(jù)，開發(fā)研究一種通用的數(shù)據(jù)處理軟件，完善改進(jìn)目前的數(shù)據(jù)處理算法。

(3)曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進(jìn)行光滑拼接。

(4)集成技術(shù)：發(fā)展包括測量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)等的逆向工程技術(shù)。

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