论文部分内容阅读
[摘要]近年来，逆向工程作为一种新的产品设计思想和方法越来越广泛地用于工业领域，并取得了不少成果。本文全面地总结了反向工程的环节、目前的研究应用状况及现有系统的不足之处，进一步提出了今后逆向工程的研究方向。
[关键词]逆向工程 几何建模 集成系统
引言
随着科技的发展和市场竞争的日益激烈，对产品的设计提出了更高的要求，即产品多样化、外形美观、更新换代周期短；同时也促进了产品制造过程的发展。近年来，许多产品的设计、制造要求基于现有的原型或实物，由此产生了逆向工程的概念。
逆向工程是指根据实物模型测定的数据，构造出CAD模型的过程。逆向工程为客户和制造者在并行工程环境下应用快速原型技术提供了强有力的工具，是缩短产品开发周期的有效途径，特别是形状复杂的物体或自由曲面组成的物体，例如：流线型物体、人体器官、雕塑品、模具等。这种技术在工程上正得到越来越广泛的应用。
1、逆向工程建模过程
由实物产生CAD设计模型的过程称为逆向工程的几何建模，是逆向工程的关键技术，也是逆向工程的研究重点，此过程分两个阶段：数据采集；CAD模型的建立。
1.1 数据采集
数据采集是由实物测量出数据点的过程，根据测量方式不同，数据采集方法分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量方法是通过传感器测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。使用的测量方法及测量设备不同，得到的测量数据组织方式也不同。
数据采集是逆向工程准确建模的基础，采集的质量受很多因素影响，主要有以下几方面：测量方法本身的精度、仪器的校准、测量范围的限制、定位的准确性、多视图问题、数据的局部丢失、被测表面的光洁度、零件数据的统计l生分布等。由于以上原因，测量数据需要进行预处理，包含多视拼合、噪声处理及数据精简等多方面的工作。经过预处理的数据才可进行曲面拟合及CAD模型的建立。
1.2 CAD建模
由数据点产生CAD模型的方法有很多种，按照数据的组织方式、模型的产生过程不同，分以下几类：
(1)基于特征的建模方法。该方法的原理是操作者首先通过对采集的数据点和拟合曲面的形状特征的提取(即区域划分及分类)，确定曲面局部拟合区域，然后对这些拟合曲面基于合适的拓扑关系进行求交运算。曲面产生后，在人工的干预下，通过几何拓扑关系构造出CAD模型。目前使用的逆向工程系统区域划分大多是交互或半交互方式。
(2)基于切片数据的建模方法该方法中，物体表面上的数据点是通过沿着物体长度方向上切分得到的轮廓线来表达，这些信息通常可以用计算机化的x射线断层照相法获得。此类数据具有特殊的分布方式，数据分布于一组平行的截面线上。模型产生有两种方法，第一种是连接相邻截面线上的点，形成GO连续的CAD模型；另一类方法先拟合截面线，再用蒙皮的方式产生曲面模型，是交互系统中常用方法之一。
(3)基于可变形模型的建模方法该方法是采用可变形的模型来描述物体，开始定义一个具有形状和拓扑关系的变形体，它既可以完全包容给定的描述体，也可以被描述体所包容。成本函数与两个物体有联系，并且在满足一定的条件下，进行最小化，其结果是变形体既可以围绕描述体由大到小收缩变形，也可以由小到大膨胀变形。基于物理的建模方法是此类方法的特例。由于可变形模型建模的复杂性，模型往往具有针对性，所以，虽然有不少研究，但难以达到实用、通用。
(4)整体的自动建模方法：以上三种方法对于由复杂雕塑面或大型的自由曲面产生的散乱数据难以达到精确或自动的拟合，近年来出现了一些针对散乱点的整体曲面重构方法。此类方法用三角面片或光滑曲面片表示整个实体。代表性的研究如文献。
综上所述，目前已有多种来自坐标点的建模方法，每种方法都有它的特点和适用范围。
从以上分类比较可看出：特征建模能够表达产品的设计意图，适合大多数的工程零件，单个特征进行拟合，拟合速度高，但由于其交互式的进行区域分割、面片相交，降低了建模的整体速度，特别是对于包含复杂曲面的物体建模，其交互操作往往费时又难以保证精度；曲面整体建模方法虽避免了区域划分和相交处理，但由于用一种面表示整个实体，对于工程零件，没有表达出产品设计意图；可变形建模方法对于具有简单轮廓或者凸面几何形状的物体非常适用，但有关工程上应用的报道却很少。该方法中的特征信息没有包含反向工程中制造所需要的面、边等信息，因此不适用于逆向工程系统。
逆向工程几何建模的理想系统是可适用任意数据分布、可对任意形状物体建模的自动化通用建模系统。作者目前正开发的系统结合特征建模和曲面整体建模的优点，进一步完善了面片分割的算法，对于分割产生的具有不规则边界的自由曲面，利用样条曲面细分技术进行整体拟合，提高了特征建模的自动化程度。
2、逆向工程系统及应用情况
目前研究或应用中的系统可分以下几类：
(1)针对具体应用开发的系统，文献开发了一种针对机械零件识别的逆向工程系统，此系统只能识别由平面组成的零件。文献开发了基于微机的逆向工程系统主要用于仿制空军部门淘汰的零件。
(2)专用曲面拟合软件系统曲面拟合是逆向工程的关键过程，文献开发了拟合3D激光扫描数据的软件包，数据点被交互的划分区域，拟合曲面输入通用CAD系统进行相交、延伸、过渡、建立完整的CAD模型。此系统只处理标准的二次曲面。
(3)与商用CAD系统的结合有些系统直接把数字化系统与商用CAD系统结合，Kwok开发的系统将CMM与AutoCAD结合起来，每测一个点的坐标，自动转化为IGES格式，系统具有实时可视化功能。
(4)测量与拟合的集成以上系统中数字化与曲面拟合是两个分离的过程，为了提高测量精度，用拟合结果指导测量，减少测量数据，出现了测量与拟合的集成系统。Liang-Chia提出的集成系统，首先由用户交互地划分测量边界，每个面片的测量中实时进行B2样条曲面拟合，用拟合结果进行下一个测量点的位置预测，用实测值与预测值的误差控制测量精度和拟合精度。
(5)与快速原形制造的结合缩短产品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年来出现了数字化系统直接用于制造的逆向工程与快速制造的集成系统，JonesC开发了由激光扫描结果产生螺旋线数控加工路径的系统。
3、逆向工程的发展方向及关键技术
3.1 现有系统的不足之处
当前使用的逆向工程系统存在以下不足之处：
(1)大多数系统是针对具体的应用而开发，数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象，通用性差。
(2)曲面拟合系统大多是对于代数二次曲面，对自由曲面，特别是由大数据量散乱点拟合自由曲面，系统一般没有此功能
(3)数据区域分割往往要交互操作，降低了CAD建模的速度，自动化程度低；
(4)系统集成化程度低，有些系统只侧重与曲面的拟合，有些系统只侧重于与特定制造技术的结合，系统只包含简单几何数据，不符合现代设计制造的并行思想。
3.2 发展方向及关键技术
几何建模是逆向工程的关键环节，同时也是影响逆向工程速度的瓶颈问题，因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度和通用性是目前逆向工程研究的一个重点方向。作者提出了一种逆向工程几何建模自动化系统，具有体现设计意图的特征建模的特点，数据点的组织方式不限，输出的B—rep模型与现有商用CAD系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接。
提高系统的集成性，有些情况CAD模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品，需要数字化系统与CMM的直接结合；另外，有些产品(例如注塑模、注塑件的设计)需要多次进行CAE分析，由数据点直接产生CAE模型，可极大地提高产品的设计、分析过程，在上一节已有一些集成系统的应用实例，大多是根据具体情况的部分集成，邢渊提出了完整的逆向工程集成系统框架，具有CAD、CAE、CAM多个数据接口，采用了面向对象的集成方法。关键技术是通用、开放的产品数据库结构。
4、结束语
逆向工程是随着科技发展、产品设计的需要而产生的一种新的产品设计制造过程，是一种交叉的技术，涉及测量、图像、图形、先进制造多个领域，也将随着各项支撑技术和理论的发展得到进一步完善。
[关键词]逆向工程 几何建模 集成系统
引言
随着科技的发展和市场竞争的日益激烈，对产品的设计提出了更高的要求，即产品多样化、外形美观、更新换代周期短；同时也促进了产品制造过程的发展。近年来，许多产品的设计、制造要求基于现有的原型或实物，由此产生了逆向工程的概念。
逆向工程是指根据实物模型测定的数据，构造出CAD模型的过程。逆向工程为客户和制造者在并行工程环境下应用快速原型技术提供了强有力的工具，是缩短产品开发周期的有效途径，特别是形状复杂的物体或自由曲面组成的物体，例如：流线型物体、人体器官、雕塑品、模具等。这种技术在工程上正得到越来越广泛的应用。
1、逆向工程建模过程
由实物产生CAD设计模型的过程称为逆向工程的几何建模，是逆向工程的关键技术，也是逆向工程的研究重点，此过程分两个阶段：数据采集；CAD模型的建立。
1.1 数据采集
数据采集是由实物测量出数据点的过程，根据测量方式不同，数据采集方法分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量方法是通过传感器测头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。使用的测量方法及测量设备不同，得到的测量数据组织方式也不同。
数据采集是逆向工程准确建模的基础，采集的质量受很多因素影响，主要有以下几方面：测量方法本身的精度、仪器的校准、测量范围的限制、定位的准确性、多视图问题、数据的局部丢失、被测表面的光洁度、零件数据的统计l生分布等。由于以上原因，测量数据需要进行预处理，包含多视拼合、噪声处理及数据精简等多方面的工作。经过预处理的数据才可进行曲面拟合及CAD模型的建立。
1.2 CAD建模
由数据点产生CAD模型的方法有很多种，按照数据的组织方式、模型的产生过程不同，分以下几类：
(1)基于特征的建模方法。该方法的原理是操作者首先通过对采集的数据点和拟合曲面的形状特征的提取(即区域划分及分类)，确定曲面局部拟合区域，然后对这些拟合曲面基于合适的拓扑关系进行求交运算。曲面产生后，在人工的干预下，通过几何拓扑关系构造出CAD模型。目前使用的逆向工程系统区域划分大多是交互或半交互方式。
(2)基于切片数据的建模方法该方法中，物体表面上的数据点是通过沿着物体长度方向上切分得到的轮廓线来表达，这些信息通常可以用计算机化的x射线断层照相法获得。此类数据具有特殊的分布方式，数据分布于一组平行的截面线上。模型产生有两种方法，第一种是连接相邻截面线上的点，形成GO连续的CAD模型；另一类方法先拟合截面线，再用蒙皮的方式产生曲面模型，是交互系统中常用方法之一。
(3)基于可变形模型的建模方法该方法是采用可变形的模型来描述物体，开始定义一个具有形状和拓扑关系的变形体，它既可以完全包容给定的描述体，也可以被描述体所包容。成本函数与两个物体有联系，并且在满足一定的条件下，进行最小化，其结果是变形体既可以围绕描述体由大到小收缩变形，也可以由小到大膨胀变形。基于物理的建模方法是此类方法的特例。由于可变形模型建模的复杂性，模型往往具有针对性，所以，虽然有不少研究，但难以达到实用、通用。
(4)整体的自动建模方法：以上三种方法对于由复杂雕塑面或大型的自由曲面产生的散乱数据难以达到精确或自动的拟合，近年来出现了一些针对散乱点的整体曲面重构方法。此类方法用三角面片或光滑曲面片表示整个实体。代表性的研究如文献。
综上所述，目前已有多种来自坐标点的建模方法，每种方法都有它的特点和适用范围。
从以上分类比较可看出：特征建模能够表达产品的设计意图，适合大多数的工程零件，单个特征进行拟合，拟合速度高，但由于其交互式的进行区域分割、面片相交，降低了建模的整体速度，特别是对于包含复杂曲面的物体建模，其交互操作往往费时又难以保证精度；曲面整体建模方法虽避免了区域划分和相交处理，但由于用一种面表示整个实体，对于工程零件，没有表达出产品设计意图；可变形建模方法对于具有简单轮廓或者凸面几何形状的物体非常适用，但有关工程上应用的报道却很少。该方法中的特征信息没有包含反向工程中制造所需要的面、边等信息，因此不适用于逆向工程系统。
逆向工程几何建模的理想系统是可适用任意数据分布、可对任意形状物体建模的自动化通用建模系统。作者目前正开发的系统结合特征建模和曲面整体建模的优点，进一步完善了面片分割的算法，对于分割产生的具有不规则边界的自由曲面，利用样条曲面细分技术进行整体拟合，提高了特征建模的自动化程度。
2、逆向工程系统及应用情况
目前研究或应用中的系统可分以下几类：
(1)针对具体应用开发的系统，文献开发了一种针对机械零件识别的逆向工程系统，此系统只能识别由平面组成的零件。文献开发了基于微机的逆向工程系统主要用于仿制空军部门淘汰的零件。
(2)专用曲面拟合软件系统曲面拟合是逆向工程的关键过程，文献开发了拟合3D激光扫描数据的软件包，数据点被交互的划分区域，拟合曲面输入通用CAD系统进行相交、延伸、过渡、建立完整的CAD模型。此系统只处理标准的二次曲面。
(3)与商用CAD系统的结合有些系统直接把数字化系统与商用CAD系统结合，Kwok开发的系统将CMM与AutoCAD结合起来，每测一个点的坐标，自动转化为IGES格式，系统具有实时可视化功能。
(4)测量与拟合的集成以上系统中数字化与曲面拟合是两个分离的过程，为了提高测量精度，用拟合结果指导测量，减少测量数据，出现了测量与拟合的集成系统。Liang-Chia提出的集成系统，首先由用户交互地划分测量边界，每个面片的测量中实时进行B2样条曲面拟合，用拟合结果进行下一个测量点的位置预测，用实测值与预测值的误差控制测量精度和拟合精度。
(5)与快速原形制造的结合缩短产品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年来出现了数字化系统直接用于制造的逆向工程与快速制造的集成系统，JonesC开发了由激光扫描结果产生螺旋线数控加工路径的系统。
3、逆向工程的发展方向及关键技术
3.1 现有系统的不足之处
当前使用的逆向工程系统存在以下不足之处：
(1)大多数系统是针对具体的应用而开发，数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象，通用性差。
(2)曲面拟合系统大多是对于代数二次曲面，对自由曲面，特别是由大数据量散乱点拟合自由曲面，系统一般没有此功能
(3)数据区域分割往往要交互操作，降低了CAD建模的速度，自动化程度低；
(4)系统集成化程度低，有些系统只侧重与曲面的拟合，有些系统只侧重于与特定制造技术的结合，系统只包含简单几何数据，不符合现代设计制造的并行思想。
3.2 发展方向及关键技术
几何建模是逆向工程的关键环节，同时也是影响逆向工程速度的瓶颈问题，因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度和通用性是目前逆向工程研究的一个重点方向。作者提出了一种逆向工程几何建模自动化系统，具有体现设计意图的特征建模的特点，数据点的组织方式不限，输出的B—rep模型与现有商用CAD系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接。
提高系统的集成性，有些情况CAD模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品，需要数字化系统与CMM的直接结合；另外，有些产品(例如注塑模、注塑件的设计)需要多次进行CAE分析，由数据点直接产生CAE模型，可极大地提高产品的设计、分析过程，在上一节已有一些集成系统的应用实例，大多是根据具体情况的部分集成，邢渊提出了完整的逆向工程集成系统框架，具有CAD、CAE、CAM多个数据接口，采用了面向对象的集成方法。关键技术是通用、开放的产品数据库结构。
4、结束语
逆向工程是随着科技发展、产品设计的需要而产生的一种新的产品设计制造过程，是一种交叉的技术，涉及测量、图像、图形、先进制造多个领域，也将随着各项支撑技术和理论的发展得到进一步完善。