傳統(tǒng)的產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)通常是從概念設(shè)計(jì)到圖樣，再制造出產(chǎn)品，我們稱之為正向工程(或順向工程)，而相對于傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)而言，“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也稱反求工程、反向工程等，它起源于精密測量和質(zhì)量檢驗(yàn)，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路，主要是通過3D數(shù)字化測量儀或光學(xué)設(shè)備對物理原型進(jìn)行掃描，獲得點(diǎn)云數(shù)據(jù)，再通過相應(yīng)的處理軟件如UG/Imageware等轉(zhuǎn)變成曲面的過程。逆向工程的思想最初是來自從油泥模型到產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)過程。在20世紀(jì)90年代初，隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)及測試技術(shù)的發(fā)展，逆向工程發(fā)展為一項(xiàng)以先進(jìn)產(chǎn)品、設(shè)備實(shí)物為研究對象，利用CAD/CAM等先進(jìn)設(shè)計(jì)、制造技術(shù)來進(jìn)行產(chǎn)品復(fù)制、仿制乃至新產(chǎn)品開發(fā)的一種技術(shù)手段，其相關(guān)領(lǐng)域包括幾何測量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、幾何造型和數(shù)字化制作等。

　　1 Imageware處理逆向工程典型工作流程

　　1.1逆向工程的工作流程

　　逆向工程具體的工作流程是針對實(shí)際工作零部件(樣品或模型)，利用3D數(shù)字化測量儀或光學(xué)掃描儀快速準(zhǔn)確地測量樣品表面或輪廓線條，得到樣品點(diǎn)云數(shù)據(jù)，并加以點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲線處理、曲面處理后，重構(gòu)模型并加以分析和加工。具體工作流程，如圖l所示。

　　圖1 逆向工程典型工作流程圖

　　1.2 Imageware對點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理流程

　　在逆向工程的工作流程中，Imageware軟件主要應(yīng)用在點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、模型重建過程及相關(guān)誤差評價(jià)。主要涉及到以下三個(gè)工作過程：點(diǎn)處理過程、曲線處理過程和曲面處理過程。

　　1.2.1點(diǎn)處理過程

　　讀人點(diǎn)云的數(shù)據(jù)——軟件能從大多數(shù)的數(shù)據(jù)來源中讀入點(diǎn)云的數(shù)據(jù)。

　　如果需要，把分散的點(diǎn)云數(shù)據(jù)對齊一必須把模型中不能一次掃描或數(shù)字化的部分進(jìn)行對齊，得到實(shí)物樣件表面的完整點(diǎn)云。

　　清除不需要點(diǎn)——軟件中有許多T具可以發(fā)現(xiàn)并糾正或最優(yōu)化不合要求的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。

　　預(yù)先規(guī)劃創(chuàng)建曲面所需要的點(diǎn)，并把它顯示出來——盡量提前規(guī)劃所需要的點(diǎn)的數(shù)據(jù)，這樣，將來所需要的曲線或曲面就可以直接南這些點(diǎn)來生成。

　　創(chuàng)建出所需點(diǎn)的片段——單一的或多重的點(diǎn)的片段，可以很容易地由平面或非平面點(diǎn)云的截線或其他的新方法來創(chuàng)建。

　　1.2.2曲線處理過程

　　決定要?jiǎng)?chuàng)建的曲線的類型。曲線可以設(shè)計(jì)得與點(diǎn)的片段一模一樣，或讓曲線更光滑些，或光滑與精確相結(jié)合。

　　由已存在的點(diǎn)創(chuàng)建出曲面。在這里有許多的可能性。

　　檢查/修改曲線。檢查曲線與點(diǎn)或其他曲線精確度、平滑度與連續(xù)相關(guān)性等面處理過程。

　　1.2.3曲面處理過程

　　決定要?jiǎng)?chuàng)建的曲面的類型。曲面就像曲線一樣，可以選擇創(chuàng)建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中。

　　由點(diǎn)云或曲線創(chuàng)建曲面。在這里有許多的可能性。檢查/修改曲面。檢查曲面與點(diǎn)或曲線或其他曲面或特征的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。

　　2 Imageware在逆向工程技術(shù)中的應(yīng)用

　　根據(jù)imageware處理逆向工程主要過程及相關(guān)技術(shù)，利用該軟件強(qiáng)大的點(diǎn)云處理功能，以大曲面為例，以4一邊界法開始，創(chuàng)建曲線，結(jié)合UG NX4曲線曲面創(chuàng)建優(yōu)勢生成重構(gòu)曲面，并進(jìn)行相關(guān)的誤差分析及曲面光順評價(jià)，具體應(yīng)用情況如下。

　　2.1曲面數(shù)據(jù)采集

　　在表面數(shù)字化技術(shù)中，根據(jù)測試方式不同將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式有基于力——變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集以及基于磁場、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。而接觸式主要有三坐標(biāo)測量、激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法等。另外，隨著工業(yè)CT技術(shù)的發(fā)展，斷層掃描技術(shù)也在逆向工程取得了應(yīng)用。接觸式掃描對物體表面的顏色和光照沒有要求，物體邊界的測量相對精確，但缺點(diǎn)是速度慢，對軟質(zhì)材料適應(yīng)性差，而且測點(diǎn)分布可能不理想。非接觸式測速高，相對而言它的精度較低而且對物體表面顏色和光照要求較高。近幾年來，隨著光學(xué)掃描技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)掃描精度不斷提高，作為非接觸光學(xué)掃描技術(shù)得到了重視，并在工業(yè)領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　針對該曲面體積較小，要求精度較高，表面曲面程度復(fù)雜，我們采用德國ATOS光學(xué)掃描設(shè)備對該模型進(jìn)行實(shí)體掃描，獲得該模型的完整點(diǎn)云。德國ATOS光學(xué)掃描儀具有高質(zhì)量的點(diǎn)云掃描精度，結(jié)構(gòu)簡單、便于攜帶、測量效率高、測量范圍大、方便使用、性能穩(wěn)定，首創(chuàng)的參考點(diǎn)拼合技術(shù)和先進(jìn)的數(shù)碼相機(jī)定位技術(shù)為ATOS的工業(yè)應(yīng)用提供了良好的支撐。

　　2.2利用4一邊界法對點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理

　　曲面的原始點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理是模型重構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它的處理結(jié)果將直接影響后續(xù)重構(gòu)模型的質(zhì)量。這個(gè)過程主要包括：數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)據(jù)分塊、數(shù)據(jù)光順、三角化、數(shù)據(jù)優(yōu)化、散亂數(shù)據(jù)處理等工作過程。在本例中，主要采用4一邊界法處理數(shù)據(jù)。

　　一般來說，一個(gè)曲面有4個(gè)邊界，用戶通常希望創(chuàng)建出最大可能的曲面，如果用戶需要一個(gè)比較復(fù)雜的曲面來獲取所有的特征，用戶可以將曲面分割為更小的曲面。最好的開始方法是提取點(diǎn)云的4條邊界，并且由這4條邊界來創(chuàng)建曲線，然后可以得到一個(gè)足夠大的包含點(diǎn)云上所有的特征的曲面。具體步驟如下：

　　(1)從點(diǎn)云底部創(chuàng)建一個(gè)剖切截面來提取邊界信息，用來創(chuàng)建曲面底部的邊界曲線。選擇Construct→Cross Section→loudParallel。

　　(2)改變視圖，利用區(qū)域選擇命令分割上下左右點(diǎn)云，選擇Modify→Extract→Cirele—Select Parallel得到4條邊界點(diǎn)云。

　　(3)選擇Construct→Curve from Cloud→Tolerance Curve創(chuàng)建基于公差的4條曲線，公差0.1mm，如圖2所示，并選擇Evaluate→continuitry→Curve to Curve檢查曲線間的連續(xù)性，發(fā)現(xiàn)有兩條曲線不連續(xù)。

　　圖2 4邊界曲線

　　(4)編輯和修改曲線，使曲線對齊。選擇Modify→Extend，Modify→Snip→Snip Cunre(s)延長和剪切曲線，選擇Modify→Continuity→Match 2 Curves對齊曲線，使用Modify→Parameteri-zation→Insert/Remove Curve Knot(s)刪除節(jié)點(diǎn)。

　　(5)編輯和修改曲線，使曲線均勻并且兼容。選擇Modify→Parameterization→Reparameterize Curve使其中一條曲線變?yōu)榫鶆蚯€，然后以該曲線為基準(zhǔn)，重新參數(shù)化其它三條曲線。

　　(6)檢查曲線點(diǎn)云誤差精度對比。選擇Measure→Curve to→Cloud Difference命令，選擇所有生成曲線與對應(yīng)點(diǎn)云，設(shè)置最大公差為0.5執(zhí)行，結(jié)果如圖3所示。

　　圖3 曲線與點(diǎn)云之間誤差對比

　　通過誤差對比，可以看出誤差基本在0.1公差附近，如果這里誤差太大，可以重設(shè)曲線的參數(shù)或者用修改控制點(diǎn)的方法使曲線進(jìn)入誤差范圍內(nèi)。

　　2.3曲面模型重建和造型

　　在整個(gè)曲面的逆向工程過程中，三維CAD模型重建是最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)。因?yàn)楹罄m(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計(jì)等應(yīng)用都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持。

　　2.3.1 Imageware曲面重構(gòu)

　　利用Imageware軟件進(jìn)行模型重建主要有兩種方法，即曲線擬合造型和曲面片直接擬合造型。本次主要采用曲線擬合造型方法對模型飛機(jī)翅膀進(jìn)行模型重建。曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中，一種常用的模型重建方法是，先將數(shù)據(jù)點(diǎn)通過插值(Interpolation)或逼近(Approximation)擬合成樣條曲線(或參數(shù)曲線)，再利用造型工具，如Sweep、Blend、Lofting、四邊曲面(Boundary)等，完成曲面片造型，再通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。通過準(zhǔn)備掃描線、創(chuàng)建薄片、點(diǎn)云切層、剖切截面、隱藏點(diǎn)云、顯示線型等。

　　在上步中我們已經(jīng)創(chuàng)建4條邊界曲線，現(xiàn)在用Surface by Boundary命令來創(chuàng)建曲面，選擇Construct→Surface→Surface By Boundary，沿順時(shí)針或逆時(shí)針依次選取4條邊界曲線，生成曲面擬合曲線，如圖4所示。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　圖4 曲面曲線顯示

　　然后利用所有曲線視圖和原始點(diǎn)云對齊，這樣將用更多的元素創(chuàng)建曲面以捕捉曲面上的更多特征，使點(diǎn)云在視圖中的前方和后方擁有最少數(shù)量的點(diǎn)。選擇View →Align view to →Cloud實(shí)現(xiàn)，選擇Construct→ Surface →Fit w/Cloud and Curves來建構(gòu)曲面，并選擇Measure →Surface to→ Cloud Difference檢查曲面與云點(diǎn)之間的誤差距離。如圖5所示，從圖中可以看出，最大誤差距離為0.113mm,誤差距離小于0.2mm,滿足我們的誤差范圍。

　　圖5 Imageware曲面與點(diǎn)云誤差對比

　　2.3.2 UG NX4 中曲面生成

　　在UG系統(tǒng)中，采用基于曲面的構(gòu)造方法創(chuàng)建曲面，將Imageware中生成的四邊界曲線保存成.imw格式，導(dǎo)入U(xiǎn)G NX4中，點(diǎn)擊Surface工具欄中Through Curve(s)正確。

　　選取截面1、2，生成曲面，并進(jìn)行光順評價(jià)，如圖6、圖7所示。

　　圖6 創(chuàng)建曲面

　　圖7 UG NX4曲面光順評價(jià)

　　3 結(jié)束語

　　結(jié)合曲面自身特點(diǎn)，采用ATOS掃描儀得到點(diǎn)云數(shù)據(jù)，利用逆向造型軟件Imageware強(qiáng)大的點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理功能，采用4-邊界法在Imageware進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)處理、曲線處理、曲面處理等，重構(gòu)曲面模型并進(jìn)行模型誤差評價(jià)。利用UG NX4的曲面創(chuàng)建優(yōu)勢，將Imageware中提取4-邊界曲線，導(dǎo)入U(xiǎn)G NX4中創(chuàng)建曲面并進(jìn)行光順分析，直到得到最優(yōu)化曲面。不僅能夠得到原實(shí)物的精確復(fù)制品，還可以進(jìn)一步創(chuàng)新，對設(shè)計(jì)模型進(jìn)行優(yōu)化和完善。這種設(shè)計(jì)方法大大縮短了設(shè)計(jì)開發(fā)周期，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效率