逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用-中文翻譯

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逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用本文在闡述了逆向工程在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用范圍和發(fā)展條件，有效的解決造型設(shè)計與后續(xù)的工程設(shè)計、制造環(huán)節(jié)相脫節(jié)的問題，提出了一種在產(chǎn)品設(shè)計過程中采用Pro/Designer與Pro/Engineer無縫連接的方法，為工業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計與后期的工程制造的連貫開辟了一個新的途徑，其設(shè)計流程的過程為產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)化提供行之有效的措施，從而縮短了產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)周期，實現(xiàn)了產(chǎn)品造型設(shè)計的系統(tǒng)化。1 逆向工程的內(nèi)容及其應(yīng)用范圍隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD 技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術(shù) 已被制造業(yè)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品及模具設(shè)計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發(fā)制造過程中，設(shè)計人員接收的技術(shù)資料可能是各種數(shù)據(jù)類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產(chǎn)品的實物模型。設(shè)計人員需要通過一定的途徑，將 這 些實物信息轉(zhuǎn)化為CAD模型，這就應(yīng)用到了逆向工程(Reverse Engineering).所謂逆向工程技術(shù)，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD 模型的過程。逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的正向設(shè)計存在很大差別。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進 而獲取產(chǎn)品的三維 數(shù)字模型，使得能 夠進一步利用CAD/ACE/CAM 以及CIMS等先進技術(shù)對其進行 處理。一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工 藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，主要包括以下幾個內(nèi)容:(1)新零件的設(shè)計 ，主要用于產(chǎn)品的改型或仿型設(shè)計。(2)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖。(3)損壞或磨損 零件的還原。(4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進行模型的比較。逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。而傳統(tǒng)的產(chǎn)品造型設(shè)計，一般是在市場調(diào)研，制定需求表之后，先展開平面簡圖的構(gòu)思，形成稍微完整的方案之后，開始 繪制三維簡圖，完全定型后再根據(jù)需要繪制效果圖、三 視圖或制作簡易的模型。在造型設(shè)計的過程中，需要工程技術(shù)人員、 產(chǎn)品造型人員與工人的通力合作，用 樣品實物模型來表達設(shè)計者的構(gòu)思，但對每一種方案都制作實物樣品，要付出大量的勞動，還存在著精度低、修改調(diào)整困難、設(shè)計周期長 及成本費用高等問題。2 CAD技術(shù)應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計計算機技術(shù)的發(fā)展，帶來第三次技術(shù)革命浪潮， 計算機輔助設(shè)計(computer aided design,簡稱CAD)技 術(shù)則是計算機在工業(yè)領(lǐng)域 應(yīng)用中最為活躍的一支。它集數(shù)值計算、仿真模擬、幾何模型處理、圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)等方面的技術(shù)為一體，把抽象的、平面的、分離的設(shè)計對象具體化、形象化，它能夠通過“ 虛擬現(xiàn)實”技術(shù)把產(chǎn) 品的形狀、材質(zhì)、色彩，甚至加工過程淋漓盡致地表現(xiàn)出來，并能把產(chǎn)品的設(shè)計過程，通過數(shù)據(jù)管理，實現(xiàn)系統(tǒng)化、規(guī)范化，這正是工業(yè)設(shè)計與CAD技術(shù)必然結(jié)合的基礎(chǔ)所在。逆向工程技術(shù)實施的軟件條件目前，比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer, Delcam. Cimatron以Strim。具體應(yīng)用的反向工程系統(tǒng)主要有以下幾個:Evans開發(fā)的針對機械零件識別的逆向工程系統(tǒng);Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系 統(tǒng) :H.H.DanzdeCNC CMM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對逆向設(shè)計中的實際問題進行處理，極大地方便了設(shè)計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設(shè)計模塊。例如Pro/E 的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線 )，也可以接受點云數(shù)據(jù)。其它的象UG軟件，隨著版本的提高，逆向工程模塊也逐 漸豐富起來。 這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件條件。而這些軟件相對與盡管目前一些高端的設(shè)計軟件，已經(jīng)具備了產(chǎn)品復(fù)雜造型的設(shè)計與渲染功能，但要藝術(shù)類的設(shè)計師掌握并運用這類軟件，至今還不是一件容易的事。所以從事結(jié)構(gòu)設(shè)計的設(shè)計師們大都是機械工程師出身，設(shè)計的思維與方式完全不同于造型設(shè)計師，他們思維是一種完全符合機械設(shè)計標準的設(shè)計思維方式。那么,兩種設(shè)計將如何在產(chǎn)品的設(shè)計中得到結(jié)合，且得到較好的結(jié)合，并且更好地完成從設(shè)計到加工程序的轉(zhuǎn)換?成為我們進行 產(chǎn)品設(shè)計所要考慮的問題。3 產(chǎn)品設(shè)計--逆向工程CAD技術(shù)(1) Pre/E參數(shù)化設(shè)計在工程中的 應(yīng)用參數(shù)化設(shè)計(Parametric)(也叫尺寸驅(qū)動Dimension-Driven)是CAD技術(shù)在實際應(yīng)用中提出的課題，它不僅 可使CAD系統(tǒng)具有交互式繪圖功能，還具有自動繪圖的功能。目前它是CAD技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)的一個重要的、且待進一步研究的課題。利用參數(shù)化設(shè)計手段開發(fā)的專用產(chǎn)品設(shè)計系統(tǒng)，可使設(shè)計人員從大量繁重而瑣碎的繪圖工作中解脫出來，可以大大提高設(shè)計速度，并減少信息的存儲量。參數(shù)化設(shè)計的關(guān)鍵是幾何約束關(guān)系的提取和表達、約束求解以及參數(shù)化幾何模型的構(gòu)造。1988年，美國參數(shù)技術(shù)公司首先推出參數(shù)化設(shè)計CAD系統(tǒng)Pre/Engineer(簡稱Pre/E)充分體現(xiàn)出其在許多通用件、零部件設(shè)計上存在的簡便易行的優(yōu)勢。它的主要特點就是:基于特征、全尺寸 約束、全數(shù)據(jù)相關(guān)、尺寸驅(qū)動設(shè)計修改。這樣我們可以采用PTC: 公司的工 業(yè)設(shè)計軟件Pre/Designer(簡稱Pre/D)進行曲面設(shè)計，由于Pre/D 與Pre/E采用的是同一數(shù)據(jù)庫，兩者之間是無縫連接的，因而在設(shè)計中造型設(shè)計師和結(jié)構(gòu)工程師可以更好的協(xié)作(2) Pre /D的曲面設(shè)計能力對于工業(yè)設(shè)計人員和那些想構(gòu)建曲面模型的工程人員來說， Pre/I〕正是他們需要的工具，Pre/D可以構(gòu)建高質(zhì)量的自由曲面模型，并且可以很容易的轉(zhuǎn)換到其它基于制造工程的CAD系統(tǒng)中。Pre/D能夠創(chuàng)建真實而精確的幾何體，利用它可以更加容易的創(chuàng)建模型， 縮 短設(shè)計周期。利用 Pre可以把視覺上的美學(xué)要求和模具制造過程中的工程要求很好的結(jié)合起來，這一點在創(chuàng)建自由曲面模型的過程中現(xiàn)得尤其顯著。(3) Pre /D與Pre/E 之間的致?lián)?傳抽Pre /Designer 與Pre/Engineer之間交換數(shù)據(jù)有兩種方式:一種是與Pre/Engineer直接交換數(shù)據(jù)，另外還有一種就是以文件的方式與Pre/Engineer 交換數(shù)據(jù)。(4) 造型復(fù)雜產(chǎn) 品三維設(shè)計的CAD應(yīng)用對于造型裝飾性強，特別是包含復(fù)雜曲面的產(chǎn)品，可以使用Pre/D 與Pre/E組合起來進行，造型設(shè)計師在Pre/D里面做ID 、做曲面建模，直接從Pre/I〕里啟動Pre/E，把數(shù)據(jù)導(dǎo)到Pre/E由結(jié)構(gòu)設(shè)計師進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，在整個設(shè)計過程中甚至結(jié)構(gòu)設(shè)計全部做完了，由于客戶的要求或設(shè)計師對方案的局部要進行更改，這時只須在Pre/D里面改動，改好后存好再原名稱送給Pre/E，那么 Pre/E里也得到改變，而結(jié)構(gòu)不用重做(當然修改要使結(jié)構(gòu)有存在的條件，即它的父特征不會有問題)。長久以來，工業(yè)產(chǎn)品的傳統(tǒng)開發(fā)方式均是遵循嚴謹?shù)难邪l(fā)流程:從產(chǎn)品需求的構(gòu)思、功能與規(guī)格預(yù)期指 標的確定， 進而到各個組 件的設(shè)計、制造、 組裝、性能測試等。每個組件都保留有原始的設(shè)計圖，此 設(shè)計圖 目前通常以CA]〕文件的形式來保存。這種開發(fā)模式被稱 為“預(yù)定模式”(Pre-scriptive Model) ，此類開發(fā)工程亦通稱為“正向工程 ”(Forward Engineering).然而 ，隨著工業(yè)技術(shù)水平的提升以及生活水準的提高，任何通用性產(chǎn)品在消費者對于高品質(zhì)的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場競爭力的唯一條件。產(chǎn)品不單單是功能要先進，而且更多著重于產(chǎn)品的外觀造型，這已不是傳統(tǒng)的機械工程師們所能勝任了。設(shè)計師們先通過手工方式塑造出模型，例如: 蠟?zāi)?、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等，然后再以三維尺寸測量的方式生成自由曲面的CAD文件，這就是所謂的“ 逆向工程”(Reverse Engineering,RE)。這時擺在設(shè)計者和制造者面前的是實物樣件，需要將實物模型轉(zhuǎn)化為CAD模型，因為產(chǎn)品信息模型是實現(xiàn)CAD/CAM無縫制造技術(shù)的關(guān)鍵。逆向工程 (ReverseE ngineering)是在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整以及沒有CAD 模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的模型(產(chǎn)品原型或油泥模型)，利用各種數(shù)字化技術(shù)及CAD技術(shù)重新構(gòu)造CAD模型而克隆或創(chuàng)造實物產(chǎn)品的過程。正向工程是從CAD模型向?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化的過程，而逆向工程則是從實物模型向CAD模型的轉(zhuǎn)化過程，兩者的設(shè)計 流程正好相反，逆向工程和正向工程有不同的應(yīng)用領(lǐng)域，隨著數(shù)字化測量技術(shù) 的飛速發(fā)展，逆向工程技術(shù)在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛、成熟，關(guān)于逆向工程的研究也成為CAD領(lǐng)域的研究熱點之一。4 逆向工程建模技術(shù)包括了從數(shù)據(jù)測量到CAD模型構(gòu)建的一整套技術(shù)步驟，概括起來主要有以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù):(1)測量數(shù)據(jù)處 理—由于數(shù)字化測量設(shè)備的廣泛應(yīng)用，海量數(shù)據(jù)點(百萬數(shù)量級)的獲取成為十分容易的事。百萬級的數(shù)據(jù)無論對于數(shù)據(jù)讀人還是模型重構(gòu)等方面都為我們帶來十分不便，因此需要的重構(gòu)CAD模型前對測量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。(2)網(wǎng)格模型構(gòu)造—三角網(wǎng)格模型是逆向工程中常用的模型表示方式。三角網(wǎng)格模型很容易表達復(fù)雜的物體表面形狀，同時網(wǎng)格模型對于重構(gòu)曲面模型是一個非常好的基礎(chǔ)模型。(3)基本曲面模型構(gòu)造 —逆向工程造型的最終目的是為通用CAD系統(tǒng)提供一個有價值的基本曲面模型，最終在通用CAD系統(tǒng)中完成產(chǎn)品模型的重構(gòu)。因此逆向工程中的基本曲面模型重構(gòu)對于重構(gòu)高品質(zhì)的CAD模型十分重要。(4)模型品質(zhì)分析 —逆向工程模型是在測量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上重構(gòu)的CAD模型。在重構(gòu)過程中由于對數(shù)據(jù)的各種處理(如壓縮、去噪等)不可避免的回使數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差。最終的CAI〕模型是否在允許的誤差精度內(nèi)是評價重構(gòu)模型品質(zhì)的重要指標之一。以下將分別對這幾方面的內(nèi)容進行系統(tǒng)闡述。4.1 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)現(xiàn)在隨著三維掃描設(shè)備的發(fā)展，得到的測量數(shù)據(jù)點數(shù)量也越來越大，含有幾百萬測量數(shù)據(jù)點的文件已經(jīng)是很常見的。這么多的數(shù)據(jù)點，帶來的好處是顯而易見的，可以把模型上微小的特征全部獲取，但 對于處 理系統(tǒng)， 則是很大的一個障礙。這不但大大加大了系統(tǒng) 的負荷，而且降低 處理效率，以致會影響整個逆向工程建模的過程。所以測量數(shù)據(jù)的預(yù)處理成為現(xiàn)在逆向工程建模技術(shù)一個重要的方面。測 量數(shù)據(jù)預(yù)處理，除了要對大量的數(shù)據(jù)進行壓縮以外， 還要去除掃描中產(chǎn)生的噪聲數(shù)據(jù)。無論測量設(shè)備如何先進，噪聲的影響總是不可避免的。 雖然噪聲點不多，但噪聲的影響還是很大的，去除噪聲的工作可以大大提高生成模型的質(zhì)量。由于某些模型的形狀比較復(fù)雜，往往無法一次掃描獲得全部的數(shù)據(jù)。這樣，一個模型的測量數(shù)據(jù)有好多塊，所以在進行模型構(gòu)建之前，必須將多塊數(shù)據(jù)拼接，融合成一個模型。該過程在逆向工程中成為Register，即數(shù)據(jù)重定位。4.2 三角網(wǎng)格模型構(gòu)造三角網(wǎng)格模型在逆向工程中有廣泛的應(yīng)用。測量得到的數(shù)據(jù)點我們一般稱之為點云。點云數(shù)據(jù)不包括任何拓撲信息，為了重構(gòu)曲面模型以及快速原型制造(Rapid Prototype Manufacture,RPM)等加工的需要我們需要在點云數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上構(gòu)造出三角網(wǎng)格模型。三角網(wǎng)格模型包含了豐富的拓撲信息，可以用于諸如特征重構(gòu)、曲面分割等后期處理閣。三角網(wǎng)格也可以很真實的顯示出模型的形狀，可以達到很好的視覺效果。此外，足夠細密的三角網(wǎng)格還可以直接用于零件的加工。根據(jù)處理對象和采用的測量技術(shù)和手段不同，逆向工程CAI〕建模內(nèi)容可以分為兩個方面:一種是研究整個形體的CAD建模問題 ，另一種以處理復(fù)雜型面為主要特點的表面CAD建模。這也決定了三角網(wǎng)格模型的構(gòu)造方法有兩個主要類別。整個形體的CAI)建模問題，主要在醫(yī)學(xué) 圖像可視化 領(lǐng)域應(yīng)用。這方面的研究比較多，也比較深人，一般是利用CI，等設(shè)備獲取器官的截面 輪廓線，然后從這些輪廓線構(gòu)造三角網(wǎng)格，其主要難點是處理“分叉”和“內(nèi)孔 ”情況的模型。這種根據(jù)截面輪廓線構(gòu)造三角網(wǎng)格模型的算法現(xiàn)在已經(jīng)很成熟，也能達到很高的效率。大量 機 械 零件的建模，一般都是處理復(fù)型面的表面CAD建模。這方面的算法很多，但效果都不是很盡如人意，算法都是從一個種子三角形開始，遍歷周圍的點，來構(gòu)建三角網(wǎng)格?，F(xiàn)在有待提高的是算法的效率和網(wǎng)格的質(zhì)量。目前大多數(shù)的三角化算法都不是對原數(shù)據(jù)點的插值算法，這就造成了三角網(wǎng)格模型與原數(shù)據(jù)點的誤差，這部分誤差將會累積到后續(xù)的曲面重構(gòu)。4.3曲面的重構(gòu)自由曲面模型在逆向工程產(chǎn)品建模中占有重要地位，自由曲面由于形狀表達靈活，在航空、航天、汽車、模具等行業(yè)有大量應(yīng)用，同時，這些行業(yè)也是逆向工程應(yīng)用的重要領(lǐng)域，因此基于自由曲面模型重構(gòu)一直是逆向工程CAD領(lǐng)域的重要研究內(nèi)容。曲面重構(gòu)( 亦稱曲面建模)是通過建?？梢詫㈦x散的測量數(shù)據(jù)重構(gòu)出連續(xù)變化的曲面，曲面擬 合包括曲面插值和曲面逼近，曲面插值要求插值后的曲面嚴格地通過數(shù)據(jù)點;曲面逼近是基于離散數(shù)據(jù)構(gòu)造出一個曲面，使 這些點在某種意義下最為接近所構(gòu)造的曲面。依據(jù)曲面拓撲形式的不同，常見的曲面重構(gòu)方式有兩種。以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的三邊域曲面構(gòu)造方法，和以B樣條〔101和NURBS曲面為基礎(chǔ)的四邊 域曲面構(gòu)造方法。基于 三 角 Bezier曲面的三邊域曲面構(gòu)造方法?；咎幚硭悸肥菍⒋幚淼脑紨?shù)作為一個整體考慮。首先根據(jù)點云暑假構(gòu)造三角網(wǎng)格，構(gòu)建出三角網(wǎng)格以后，運用三角Bezier曲面在網(wǎng)格基礎(chǔ)上構(gòu)建光滑曲面〔 121。三角Bezier曲面插值在三角網(wǎng)格的每個三角形上構(gòu)造初始二變量的三次三角Bezier曲面片，再將每個三角曲面片升 階到四次，然后將每個曲面片進行C-T (clough-tocher)分割，再調(diào)整每個子曲面片的控制頂點，使整個組合曲面達到一階幾何(GCI) 連續(xù) 。4.4 基于特征的模型重建技術(shù)由于逆向工程處理的對象是空間三維數(shù)據(jù)，如何在重構(gòu)曲面模型過程中，準確再現(xiàn)產(chǎn)品的特征，是逆向工程產(chǎn)品模型能否于通用 CAD 系統(tǒng)融會貫通的重要標志?，F(xiàn) 在的逆向工程，特別是在通用機械零件的重構(gòu)方面， 紛紛轉(zhuǎn)向自動提取模型特征方面。不僅自動提取出產(chǎn)品的特征，如倒角， 過渡面等，更是把基于特征的思想引人到逆向工程的各個方面，把特征提取作為逆向工程建模的一種輔助手段。在特征重建方面主要有兩種重建方式:一是基于點云數(shù)據(jù)的特征提取 ;二是基于網(wǎng)格模型的特征提取?；邳c云的特征提取算法依據(jù)點云數(shù)據(jù)的局部微分幾何特征提取其特征線，并以這些特征線為基礎(chǔ)構(gòu)建三角網(wǎng)格，再根據(jù)測到的數(shù)據(jù)點根據(jù)幾何特征插到三角網(wǎng)格中實現(xiàn)三角網(wǎng)格的細分，這樣得到的網(wǎng)格在變化劇烈的地方集，變化平 緩的地方稀疏?？梢源蟠筇岣呷蔷W(wǎng)格構(gòu)造的效率和質(zhì)量?；谌蔷W(wǎng)格提取特征。三角網(wǎng)格由于擁有了拓撲關(guān)系，可以得到比點云數(shù)據(jù)更多的特征。三角網(wǎng)格模型中的特征提取可以大大提高逆向工程產(chǎn)品造型過程中曲面區(qū)域劃分的自動程度。因為一般情況下，一個完整的產(chǎn)品表面模型無法用一張曲面充分表達，需要采用多張曲面組合表達，根據(jù)特征來分割，可以使得曲面的劃分更加合理，曲面的質(zhì)量也更高。逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術(shù)，逆向工程技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中，它不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設(shè)計 以制造出新的產(chǎn)品。 這對 于CAD 技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計，不僅意味著設(shè)計手段的改變，同時改變了工業(yè)設(shè)計的思維方式。推動著制造業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計、制造到技術(shù)管理一系列深刻、全面、具有深遠意義的變革，這是產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造業(yè)的一場技術(shù) 革命， 實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計的系 統(tǒng)化， 縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，從而創(chuàng)造出實用、經(jīng)濟、美觀宜人的產(chǎn)品。