逆向設計的關鍵技術及其在制造工程中的應用

周 麗

（南京林業(yè)大學，南京 210037）

現(xiàn)代反求工程是目前技術進步的有效途徑，是產(chǎn)品設計人員急需掌握的新興設計技術。在產(chǎn)品制造過程中，受諸多因素的綜合作用，人們只能夠?qū)嵨锬Ｐ瓦M行獲取，圖紙、產(chǎn)品數(shù)據(jù)等難以獲得，這樣就增加模具制造及制造技術的發(fā)展難度。針對這種情況，就需要將逆向工程技術應用過來，三維化處理實體，獲得相應的模型，進而推動制造工程的整體發(fā)展。

1 逆向工程技術概述

具體來講，逆向工程技術指的是結合相應的實物，將三維數(shù)字分析、掃描等技術運用過來，快速實時測量實物，通過三維建模，重新構建實物曲面，向CAD系統(tǒng)進行傳遞，然后CAM將刀具程序編制出來之后，向CNC加工設備進行傳遞，促使模型得到有效構建，從反向角度來設計產(chǎn)品[1]。其中，可以從實物反向、軟件反向、影像反向三個方面來劃分逆向工程技術。實物反向指的是測量分析實物，然后進行生產(chǎn)，其能夠逆向設計實物整體或某個零部件。軟件方向則是充分利用了產(chǎn)品樣本、產(chǎn)品圖紙、使用手冊等內(nèi)容，具有完善的技術軟件。影像反向指的是技術軟件和實物均沒有，只能夠依靠部分資料對產(chǎn)品進行設計和構思。其中，這些資料包括參觀視頻、廣告圖片等等。

2 逆向設計的關鍵技術

2.1 數(shù)據(jù)采集

本種技術主要是將一系列特殊的采集設備、采集方法運用過來，以便對產(chǎn)品外觀的輪廓、坐標等有效獲取，然后數(shù)字化處理產(chǎn)品的集合外形。在具體實踐中，首先測量掃描產(chǎn)品的三維坐標，對相應的數(shù)據(jù)內(nèi)容精確獲取，通過計算機技術處理這些數(shù)據(jù)內(nèi)容，促使有圓柱、圓錐、球等采集元素形成，借助于計算，對其外形、位置等幾何數(shù)據(jù)有效獲取。目前來講，一般采取兩種方式來獲取數(shù)據(jù)：

首先是接觸式數(shù)據(jù)采集技術。本種技術主要運用三坐標丈量機，結合實物特征、測量要求等內(nèi)容，對丈量機的測頭、方向合理選擇，對測量點數(shù)、分布、測量路徑合理確定。采用本種技術，需要讓測頭接觸到零件表面，具有較慢的測量速度，且完成測量工序后，測頭補償環(huán)節(jié)也要科學開展，十分繁瑣，實體外形也得不到充分的反映。

其次為非接觸數(shù)據(jù)采集技術。本種技術主要是將光學原理運用起來，其具有較高的精度和較快的速度，且接觸壓力、測量摩擦力得到了避免，誤差得到降低。同時，能夠最大程度的縮小測頭光斑，每一個部位都可以有效探測，可以將測量表面的真實輪廓給最大化的呈現(xiàn)出來。

2.2 數(shù)據(jù)預處理

在諸多因素的綜合作用下，包括測量方法、設備缺陷、表面質(zhì)量等等，難免會有誤差存在于測量結果中。那么就需要將數(shù)據(jù)預處理技術運用過來，對誤差進行降低和消除，以便促進后續(xù)建模工作的順利開展。一般情況下，包括這些方面的內(nèi)容：

首先，誤差點的去除。如果有變化出現(xiàn)于測量設備參數(shù)、環(huán)境之中，就容易出現(xiàn)誤差點。那么就需要借助于數(shù)據(jù)預處理技術，將潛在的誤差點找出來。在具體實踐中，掃描同一個截面，如果有一個點與臨近點之間存在著較大的偏差，那么就需要對其進行消除。

其次，數(shù)據(jù)精簡。在測量儀器實施過程中，會獲得大量且密集的數(shù)據(jù)點云，其中冗余數(shù)據(jù)占據(jù)了較大的比例，其會對運算開支造成浪費，同時幾何建模速度也會大大降低。針對這種情況，就需要將冗余數(shù)據(jù)及時刪除掉。

再次，點云對齊。實踐研究表明，設備測量范圍有時候可能無法滿足產(chǎn)品尺寸大小要求，那么為了對產(chǎn)品表面數(shù)據(jù)進行全部測量和獲取，就需要從多個角度來進行。而不同的角度，就導致測量坐標系存在差異，那么就需要對齊處理數(shù)據(jù)，以便有效統(tǒng)一各個坐標系。

最后，特征提取、數(shù)據(jù)分塊。在特征提取方面，主要是對測量數(shù)據(jù)進行篩選，將對特征曲線、特征曲面生成有利的點找出來，以便促使特征線、特征面得到順利生成。在數(shù)據(jù)分塊方面，則是將構成產(chǎn)品外形曲面的子曲面類型納入考慮范圍，合理劃分同一個子曲面類型的數(shù)據(jù)。

2.3 曲面重構

本種技術是將數(shù)據(jù)采集信息充分利用剛起來，對原始曲面幾何模型進行恢復。一般情況下，可以分為這些類型：

首先，基于曲線重建曲面。本種方法通過數(shù)據(jù)分割，然后將曲面的網(wǎng)絡樣條曲線擬合于測量的點坐標中，借助于相應的系統(tǒng)和工具，包括CAD/CAM等，通過混合、放樣等環(huán)節(jié)的處理，對曲面模型進行重建，然后實施過渡、裁剪等環(huán)節(jié)，有效拼接各個光滑的子曲面，促使整體曲面得到形成[2]。

其次，基于測量點直接擬合。本種方法指的是對測量集合、插值曲面等進行重新構建，八廓曲面逼近和曲面插值兩個組成部分。

3 逆向工程技術的應用

3.1 數(shù)字化掃描

選擇科學的技術方式，掃描模型表面，對模型坐標信息進行和偶去，然后向電腦中存儲獲取到的信息資料。數(shù)字化掃描的實施效果，會對逆向工程技術的應用成效產(chǎn)生直接的影響，一旦有失誤、誤差出現(xiàn)，將會帶來十分嚴重的后果。因此，就需要嚴格遵循嚴謹、認真的原則，科學掃描產(chǎn)品數(shù)據(jù)，提升數(shù)據(jù)收集質(zhì)量。

3.2 產(chǎn)品建模

借助于計算機來實踐設計數(shù)據(jù)，促使有CAD模型生成。本環(huán)節(jié)具有十分復雜的過程，如果僅僅將單一數(shù)據(jù)點運用過來，將會降低設計效果。因此，就需要曲面擬合多個數(shù)據(jù)和不同區(qū)域的數(shù)據(jù)，連接不同的曲面，促使有完整的整體形成。

3.3 數(shù)控加工

要將零件加工內(nèi)容、設備工序等因素充分納入考慮范圍，科學加工產(chǎn)品。同時，嚴格貫徹與落實先粗糙后精致的原則，以便高效控制加工過程，最大程度的降低誤差的發(fā)生幾率。在重復定位過程中，為了避免出現(xiàn)誤差問題，需要對孔系的同軸度有效提升。

4 實例分析逆向設計技術在制造工程中的應用

以火控系統(tǒng)操控手柄的設計為例，詳細分析逆向設計技術在制造工程中的應用。

4.1 設計與評估初始實物模型

結合設計要求，造型師將1：1的木質(zhì)三維模型構建起來，專業(yè)操控人員反復試用木質(zhì)手柄，合理評估舒適性。結合試用結果，科學修改與完善木質(zhì)模型。

4.2 操控手柄的逆向設計

4.2.1 數(shù)字化設計實物模型

在逆向工程建模中，首先要對點云數(shù)據(jù)進行準確獲取，可以將專業(yè)設備運用過來，測量實物模型，以便對實物的表面數(shù)據(jù)進行獲取。結合實際情況，將激光掃描儀應用過來，采集手柄模型數(shù)據(jù)，對手柄實物模型的三維數(shù)據(jù)信息有效獲取。操控手柄具有十分復雜的結構，要將多次掃描工序?qū)嵤┫氯?，這樣就會獲得十分龐大的點云數(shù)據(jù)量，進而對曲面重建算法效率造成不利影響，且存在著較多的冗余無用數(shù)據(jù)。因此，就需要整合點云數(shù)據(jù)，提取數(shù)據(jù)特征，促進后續(xù)曲面重建工序的科學開展。

4.2.2 重建CAD模型

本環(huán)節(jié)內(nèi)，主要是結合實物點云模型，對實體模型進行重新構造和生成。產(chǎn)品三維CAD模型重建是逆向工程設計中的核心內(nèi)容，同時難度較高。研究發(fā)現(xiàn)，目前市場上出現(xiàn)了較多種類的三維建模軟件。結合本項目實際情況，將CATIA軟件運用過來，重建操控手柄的曲面模型。在重建過程中，發(fā)現(xiàn)操控手柄具有十分復雜的結構，且空腔體存在于中間部分。那么wield降低加工難度，將CATIA軟件的分形功能利用起來，合理劃分手柄的曲面。

4.3 數(shù)字化制造與設計改進

向激光3D打印成型機中輸入CAD重建模型，借助于3D打印技術的應用，即可對操控手柄的樣機有效制造。為了滿足加工需求，建模過程中，分割了操控手柄的曲面，那么就需要分別加工兩個曲面模型。完成加工工序后，焊接兩個部分，通過打磨、拋光、噴漆等一系列工序的實施，促使手柄結構得到完整制造。

5 結束語

綜上所述，逆向工程技術具有較強的實用性和創(chuàng)新性，通過科學應用逆向工程技術，可以促進產(chǎn)品設計工作的順利開展，設計周期不僅能夠得到縮短，設計精度也可以得到顯著的提升，需要引起人們充分的重視。在未來的發(fā)展中，需要深化逆向設計技術研發(fā)，不斷提升逆向設計水平，以便推動產(chǎn)品設計、產(chǎn)品制造行業(yè)的發(fā)展。