逆向工程技术与快速成型技术一体化的探讨.doc

逆向工程技术与快速成型技术一体化的探讨
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（**大学，广州 *****）
摘 要：逆向工程技术与快速成型技术是 CAD/CAM 技术的重要组成部分。本文介绍了逆向技术在快速成型制造技术中的应用；分析了目前逆向工程的关键技术包括数据采集、数据处理、曲面重构、再设计、曲面品质分析及优化等．逆向工程与快速成型技术的结合，将使复杂型面的产品设计开发和快速成型周期进一步缩短。
关键词：逆向工程；快速成型；一体化
The Integration of Reverse Engineering
and Rapid Prototyping Technology
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Abstract ：Reverse engineering and rapid prototyping technology is an important part of CAD/CAM technology. This paper introduces the reverse technology in rapid prototyping manufacturing technology application; The key technology of reverse engineering including data acquisition, data processing, surface reconstruction, design, surface quality analyzing and optimizing and so on. Reverse engineering and rapid prototyping technology, will make the complicated product design and rapid prototyping cycle to shorten further.
Key words：Reverse engineering，Rapid prototyping，Integrated

0 概述
逆向工程与快速成型技术是先进制造技术中的重要组成部分，作为消化吸收先进技术和缩短产品再设计与制造周期的重要支撑技术，已成为制造业关注的热点。
快速成型技术是20世纪末发展起来的一项先进制造技术。它借助计算机、激光、精密传动和材料等现代手段，绕过了计算机辅助工艺设计 (CAPP)，直接将计算机辅助设计 (CAD)和计算机辅助制造 (CAM)集成一体，根据计算机上构造的三维模型，能在很短时间内直接制造出产品样品。
逆向工程，也有称逆向技术，是通过对某种产品的结构、功能、运作进行分析、分解、研究后，制作出功能相近，但又不完全一样的产品过程。针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得，并进行三维CAD曲面重构，编辑修改后，传至一般的CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CN加工设备制作所需的模具，或者送到快速成型机(RP)将样品制作出来，这一过程称为逆向工程(reverse engineering)。
逆向工程与快速成型技术一体化是指在产品的反求和制造时，采用先进的设备与方法以实现产品的快速设计与快速制造，目前，在家电、轻工行业、汽车制造业、医学仿真人体器官模型、艺术雕塑品的仿真等等方面有着广泛的应用。
a)逆向工程与CAD技术的关系
逆向工程技术是随着计算机技术的发展和成熟及数据测量技术的进步而发展起来的一门新兴学科与技术。它的出现，改变了原来CAD系统中从图样到实物的设计模式，为产品的迅速开发以及快速原型化设计提供了一条新的途径。但是，逆向工程是在原有CAD技术上发展起来的，逆向工程的最终结果是由CAD技术完成和实现的，因此，CAD技术贯穿于逆向工程的大部分过程。
b)逆向工程与快速成型技术的关系
快速成型技术是制造业发展的关键技术之一，在快速成型中由于逆向工程的应用，使产品的开发周期大大缩短，产品的一次设计加工成功率大大提高，从这个意义上说，逆向工程在快速成型中的应用，大大降低了产品的开发成本，降低了时间和材料消耗，提高了产品品质。逆向工程与快速成型技术相结合，可构成一个闭环的快速产品开发系统，这种快速闭环设计系统在设计评价、装配检验、快速模具制造及直接将原型用于功能试验等方面得到广泛应用[3]。
1 逆向工程与快速成型的一体化一般步骤
逆向工程技术集成是运用集成和系统的思想，将精密测量、曲面重构、曲面品质分析及优化、快速成型、数控加工等多项技术集成，依据实物数字化数据，在能控制曲面精度和品质下的重建、评价和优化曲面及加工模型，并生成零件、模具和快速模具的过程(图1) [2]。
逆向工程技术集成的关键技术包括数据采集、数据处理、曲面重构、再设计、曲面品质分析及优化、快速成型、数控加工等。
图1 逆向工程技术集成流程框图
2 数据采集
实物样件的数字化通常采用三坐标测量机或激光扫描等测量装置来获取其表面点的三维坐标值。大量点构成了一组点的集合，称为点云。这些点云文件一般以公共的文件格式保存，如IGES格式、STL格式、STEP格式和Parasolid格式等，以便逆向工程软件读入。
数据采集，即零件原形的数字化，通常是采用适当的测量装置来获得零件原形表面点的三维坐标值。测量技术是逆向工程的前端技术．近年来，随着光电技术、微电子技术以及计算机技术等相关技术的快速发展，出现了各种各样的样件表面数字化方法。测量方法按其特性及应用，分为非接触式测量和接触式测量。
3 数据处理
数据处理是逆向工程中的关键环节，它的结果将直接影响后期模型重构的质量。
3.1 数据预处理
主要工作包括点云数据平滑，噪声数据、异常数据的去除，压缩和归并冗余数据，遗失点补齐，数据分割，多次测量数据和图像的数据定位、对齐，对称零件的对称基准重建等。经过数据预处理之后，一般可有效地提高测量数据的精度[1]。
3.2 STL数据形成及其数据优化
点云数据在完成多视拼合后，生成 STL文件，并对数据进行优化，然后输入快速成型设备产生快速原型件。STL文件的生成中，正确建立各点之间的拓扑关系，形成三角平面片是关键．基本过程是：对给定的数据点进行三角剖分．三角剖分又可分为对数据投影域的剖分和在空间直接剖分两种类型，目标是使散乱的数据点在空间连接成最优的三角网格，尽量接近 Delaunay三角化。
STL格式文件在实际应用中构造灵活方便，但在面向快速原型制造的应用中，这种文件体积庞大，信息冗余，为满足一定的精度，必须对其进行优化。数据优化的基本原则是在曲面较平坦的范围内合理减少三角平面片的数量．Humann[5]提出了一种根据三角面片的曲率值来决定此三角面的取舍，然后再重新拟合的方法，适用于STL文件的自动生成．Chen[6]提出了两种方法：比例数据精简和利用边界限制修正的数据精简．基于曲率值的数据优化概念清晰，但曲率的计算量大：而Chen所提出的方法计算简单，且可人工控制数据优化的比例量值，比较常用。
3.3 特征提取与数据分割
数据预处理结束后，进行特征提取、数据分割，它可以将复杂的数据处理问题简化，因为对于散乱的点数据，用一张曲面来拟合是不可行的．一般作法是按照原形所具有的特征，将数据分割成不同的区域分别拟合曲面，然后应用曲面求交或者曲面间过渡的方法连接曲面。数据分割的方式主要有自动分割和手工分割两种。
自动分割方式又分为：
（1）基于线的方法通过寻求边界点来构造边界线，根据目标点周围的点集的几何和数值微分特性等线性信息完成边界点的找寻。此法存在的问题是容易产生对边界点的错误跟踪，不能完全保证构成封闭的边缘．
（2）基于面的方法 寻求连续点域内具有某些特定参数 (高斯曲率)的点集面。首先给某个区域的点集赋予一个曲面表达形式，然后按由近及远的顺序向外扩展，同时不断检验曲面的拟合程度，直至误差超出预定要求时停止．此法虽然对光滑边界的检测困难，但稳定性高，实际应用范围很广。
手工分割是反推原始设计意图，显然目前的智能识别系统还不能达到这样的水平。一般可以利用点云曲率彩色云图等软件工具根据颜色来进行特征提取和数据分割。本文用Imageware软件显示点云曲率彩图，基于颜色提取不同曲率的点云；此外，利用基于点云的分析功能辅助评估特征，方便了数据分割。
4 曲面重构
4.1 初步设计
从测量数据中提取实物原件的几何特征并按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法，来获取实物原件所具有的设计与加工特征 。实物原件CAD模型的重建是将分割后三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取实物原件的CAD模型。在数据分割的基础上，首先辨明不同的点云数据类型，然后根据不同类型的点云模型，选择不同的曲面构建方法．点云模型基本分为规整型、自由形态型、混合型三种类型。
4.2 再设计
实物模型或样件的曲面重构完成后，需进行逆向工程再设计。在逆向工程中，再设计环节的要求来自三方面： (1)直接来自新产品开发设计的创新要求；(2)来自快速原型件外观、结构、性能分析的一次反馈信息；(3)来自零件快速成型件的外观、结构、性能分析的二次反馈信息。
5 误差分析
重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的 CAD模型与原始点云数据进行比较方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其它试验性能指标的要求，对不满足要求者需改进重建方法以获取更高的精度，直到满足产品设计要求。
误差分析是重构曲面精度的保证．在曲面拟合中，利用测量点的参数直接计算出测量点的对应位置，将其与测量点的参数比较即得出测量点的误差。可以用一定数量测量点的最大拟合偏差、最小拟合偏差和标准差来评价曲面对数据点的拟合程度，或者用平均误差来评价曲面的逼近程度，平均误差 式中为数据点的个数；为第点的拟合误差。
为了直观地表达曲面对点数据的拟合程度，可以用两种彩色云图来表示：一种是用线段来表示的拟合误差图，即直接用数据点和曲面上最近点的连线表示误差大小。线段的方向和数据点的投影方向一致，长度代表在该点曲面拟合误差的大小。另一种是用不同颜色表示的拟合误差图，即用不同颜色显示不同误差范围的点。以数据点的拟合误差驱动其颜色级差，根据数据点的颜色可以了解误差的分布情况，以及曲面各个部分的拟合精度[2]。
6 快速成型制作
快速成型制作是将制造数据传输到成型机中，快速成型出实物原件的过程，它是快速成型技术的核心。快速成型机加载成型数据文件，选择工艺参数，选择制作模式，开始零件的加工工作。它是将CAD模型在某个方向上分成一系列具有一定厚度的薄层，再将每层的几何形状信息转换成控制成型机运动的数控 (NC)代码，成型机根据控制指令进行三维扫描，同时进行层与层的粘接[4]。
7 结论
集成运用 CAD、CAM、RP等先进制造技术研究逆向工程系统对促进逆向工程技术的发展有重要意义。基于快速成型的逆向工程集成技术的实例流程证明，快速成型技术的支撑使得逆向工程的曲面重构、再设计、曲面品质分析及优化等关键技术更趋完善。
建立CAD模型，然后利用 CAM模块，生成零件和模具的NC文件，与机床通讯并实施零件和模具加工。模具 CAD模型完成后也可以直接输入RP系统，一步得到快速模具；或者利用RP系统制得零件成型件作为母模，再用传统的方法通一次或数次翻模来得到快速模具。快速成型技术的应用使得逆向工程中零件和模具的设计周期缩短，品质更优化。基于快速成型的逆向工程技术一体化也是一种发展趋势。

参 考 文 献
[1] 晁永生. 逆向工程与快速成型一体化应用研究[J]. 新疆大学机械工程学院，2008，（4）.
[2] 王丽萍，张冠伟，曹克伟，侯舒. 基于快速成型的逆向工程技术集成[J]. 天津大学机械工程学院，2004,（5）.
[3] 吴笛 ，张春兰. 逆向工程与快速成型技术应用研究[J]. 兰州石化职业技术学院,2006，（3）.
[4] 孙福辉，席平，唐荣锡．复杂产品集成逆向工程系统及其关键技术[J]．北京航空航天大学学报，2001，27(3)：351--355
[5] Humann B．A data reduction scheme for triangulated surfaces[J]．GAGD，1994，12(2)：194--214．
[6] Chen Y H，Ng C T，Wang Y Z．Generation of a STL file from 3D measurement data with user-controlled data reduction[J]．Advanced Manufacturing Technology，1999，15 (2)：l27--l31．