三維反求技術(shù)及其應(yīng)用綜述

魏 弦

摘要:三維反求技術(shù)在現(xiàn)代化的加工中應(yīng)用越來越廣泛,研究反求技術(shù)對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高具有重要的意義。文章介紹了三維反求技術(shù)的概念和工作原理,以及三維反求技術(shù)的應(yīng)用,并對它未來的發(fā)展走向作了展望。

關(guān)鍵詞:三維反求技術(shù);逆向工程;模具

中圖分類號:TP391文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1009-2374(2009)21-0052-02

三維反求技術(shù)在現(xiàn)代化的加工中應(yīng)用越來越廣泛,但三維反求技術(shù)應(yīng)用方面的文章卻不多,為此本文作了以下介紹。

反求技術(shù)可以在原有產(chǎn)品的基礎(chǔ)上解剖、深化設(shè)計(jì)和再創(chuàng)造,可有效改善技術(shù)水平,提高生產(chǎn)率,增強(qiáng)產(chǎn)品競爭力,是消化、吸收先進(jìn)技術(shù)進(jìn)而創(chuàng)造和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。據(jù)統(tǒng)計(jì),各國70%以上的技術(shù)源于國外,逆向工程作為掌握技術(shù)的一種手段,使產(chǎn)品研制周期縮短40%以上。研究反求技術(shù),對我國國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)水平的提高,具有重要的意義。

一、三維反求技術(shù)

(一)三維反求技術(shù)的概念

三維反求技術(shù)亦稱為逆向工程 (RE,ReverseEngineering),是近年來 CAD/CAM技術(shù)領(lǐng)域研究的—個(gè)熱點(diǎn)。簡單地講,如果把傳統(tǒng)的從構(gòu)思-設(shè)計(jì)-產(chǎn)品這個(gè)過程稱為正向工程的話,那么,產(chǎn)品模型(或?qū)嵨?- CAD信息模型-CAM或快速原型件這個(gè)過程就稱為反求工程。

(二)三維反求技術(shù)得原理及工作流程

三維反求技術(shù)包括影像反求、軟件反求及實(shí)物反求等三方面。目前相對最多人研究的是實(shí)物反求技術(shù)。它是研究實(shí)物CAD模型的重建和最終產(chǎn)品的制造。狹義來說,三維反求技術(shù)是將實(shí)物模型數(shù)據(jù)化成設(shè)計(jì)、概念模型,并在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化等技術(shù)。

1.工作原理。三維反求技術(shù)是利用電子儀器去收集物體表面的原始數(shù)據(jù),之后再使用軟件,計(jì)算出采集數(shù)據(jù)的空間坐標(biāo),并得到對應(yīng)的顏色。掃描儀是對物體作全方位的掃描、然后整理數(shù)據(jù)、三維造型、格式轉(zhuǎn)換、輸出結(jié)果。整個(gè)操作過程,可以分為四個(gè)步驟:(1)物體數(shù)據(jù)化:普遍采用三坐標(biāo)測量機(jī)或激光掃描儀來采集物體表面的空間坐標(biāo)值;(2)從采集的數(shù)據(jù)中分析物體的幾何特征:依據(jù)數(shù)據(jù)的屬性,進(jìn)行分割、再采用幾何特征和識別方法來分析物體的設(shè)計(jì)及加工特征;(3)物體三維模型重建:利用CAD軟件,把分割后的三維數(shù)據(jù)作表面模型的擬合,得出實(shí)物的三維模型;(4)檢驗(yàn)、修正三維模型。

2.工作流程。三維反求的典型工作流程主要是對現(xiàn)有的實(shí)物,使用數(shù)據(jù)化的儀器,準(zhǔn)確、快速地采集表面輪廓的空間坐標(biāo)值,然后構(gòu)建曲面、經(jīng)CAM軟件產(chǎn)生CNC加工刀路,在CNC機(jī)床上把實(shí)物模型制造出來或利用快速原型制造機(jī),把實(shí)物原型制造出來。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)方面,采集的空間坐標(biāo)值,可對實(shí)體三維模型,作復(fù)雜的修改或再創(chuàng)新?？焖僭椭圃鞕C(jī)可讀取STL格式的文檔,可以由云點(diǎn)直接轉(zhuǎn)換或在建造的曲面、實(shí)體三維模型中轉(zhuǎn)換。

二、三維反求技術(shù)的應(yīng)用綜合

三維反求技術(shù)的應(yīng)用十分廣泛,一些高技術(shù)含量的航空、航天工業(yè),汽車工業(yè)都采用了此項(xiàng)技術(shù)于產(chǎn)品研發(fā)及制造。在制造工業(yè)中,采集的數(shù)據(jù)用于模具制造,產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā),例如消費(fèi)性的電子產(chǎn)品等。

此外,反求技術(shù)配合快速原型制造技術(shù),更能發(fā)揮快速原型技術(shù)的優(yōu)勢、擴(kuò)大它的應(yīng)用范疇。憑借反求技術(shù)及有關(guān)的軟件,設(shè)計(jì)者可以快速制造實(shí)物,同時(shí)可以快速對實(shí)物修改、優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計(jì),這樣便可以縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)的周期,加速新產(chǎn)品的出現(xiàn),提高公司的競爭力。三維反求技術(shù)的應(yīng)用綜合如下:

1.從概念到快速原型制造。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中,有些實(shí)物很難利用CAD軟件來建造CAD模型來表達(dá)設(shè)計(jì)概念,但有了三維反求技術(shù)后,便很快從實(shí)物轉(zhuǎn)換成設(shè)計(jì)模型。

2.快速制造模具。技術(shù)人員利用反求技術(shù)掃描實(shí)物,然后把采集得到的數(shù)據(jù),通過專門的軟件,如Renishaw公司的Tracecut軟件,直接產(chǎn)生刀路,輸出到數(shù)控加工中心,制造出模具來。這種情況,在汽車的后市場(after market)及電子消費(fèi)品特別普遍。汽車的原廠零部件相對較貴,所以傾向于尋找代替品,價(jià)格相對便宜的。由于市場相當(dāng)龐大,所以誘發(fā)一批廠家生產(chǎn)這些代替品。由于沒有原廠產(chǎn)品技術(shù)資料,如實(shí)物的工程圖或CAD模型,他們只好利用反求技術(shù),采集實(shí)物的三維數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)化成刀路,直接制造模具。另一種情況是一些停產(chǎn)老產(chǎn)品,現(xiàn)在有需求。由于停產(chǎn)多時(shí),原始數(shù)據(jù)都沒有了,只好把現(xiàn)有的實(shí)物掃描、采集數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)成刀路來制造模具,實(shí)現(xiàn)再次生產(chǎn)。

3.美觀設(shè)計(jì)領(lǐng)域。例如汽車外形設(shè)計(jì),廣泛采用真實(shí)比例的木質(zhì)或泥塑模型來評估整體設(shè)計(jì)效果,此時(shí)需用逆向工程的設(shè)計(jì)方法。

4.仿制流線型、形狀復(fù)雜而且無法用人工方法準(zhǔn)確量度的實(shí)物。航空、航天器的有些零部件流線型特別強(qiáng),一般的測量儀器是絕對無法準(zhǔn)確測量其曲面。反求技術(shù)便可以在一個(gè)面積細(xì)小表面上采集上百萬、上千萬的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù),之后便可以通過軟件建造曲面。在一個(gè)相等面積的表面,三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)愈多,建造的曲面便愈準(zhǔn)確。

5.產(chǎn)品復(fù)制、修改、設(shè)計(jì)。當(dāng)實(shí)物被數(shù)據(jù)化后,技術(shù)人員便可建造CAD實(shí)體模型、曲面,這樣設(shè)計(jì)師便可以迅速在軟件上作有關(guān)的產(chǎn)品修改、創(chuàng)新的設(shè)計(jì)。

三、反求技術(shù)未來展望

隨著國際互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的普及,更容易獲取資訊,商業(yè)競爭日趨激烈,要取勝就要不斷的有新產(chǎn)品投放到市場,縮短生產(chǎn)周期是競爭一個(gè)重點(diǎn)策略。反求技術(shù)在時(shí)間方面發(fā)揮了它的作用,所以會廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品開發(fā)。在技術(shù)方面,軟件的快速開發(fā),使數(shù)據(jù)的運(yùn)算更快、掃描后數(shù)據(jù)處理更容易;圖像攝像機(jī)的發(fā)展,使采集的數(shù)據(jù)更多、更快。這樣,掃描速度便可以更快,掃描精度更高。綜上所述,反求技術(shù)將會有更大的發(fā)展空間,應(yīng)用到更多的領(lǐng)域中。

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作者簡介:魏弦(1980-),男,四川南充人,攀枝花學(xué)院講師,碩士,研究方向:機(jī)械、軟件工程。