[33～ 36]:①能捕捉和还原原设计意图,使重建模型更接近原型,减少数据冗余;②能准确表述零件的几何关系,易于实现测量数据和零件的定位和装配;③重建模型实现参数化表达,方便设计的编辑、修改,达到改进及创新设计;④模型检测简化且准确,基于特征进行探头路径规划和采样点选择;⑤ CAD模型包含的几何特征信息有利于后续的CAPP/CAM过程的特征识别。基于特征的重建技术需要解决的是如何从离散的数据点识别和抽取原有的形状几何特征信息。现有的研究多集中在应用于数据分割的表面棱线、区域边界[35,37]和规则表面(平面、柱面和等、变半径过渡曲面)特征的识别上[36],对自由曲面的重建,只是从曲面拟合的角度研究了旋转[38]、扫成[25]、放样[39]曲面的重建问题,尚无完整的特征建模方法,对面向逆向工程的特征定义、分类、特征数据模型定义、基于特征的模型测量规
划等则少有研究涉及。可以认为,在机械领域,基于特征及约束的3维模型重建技术是逆向造型追求的目标和发展向。目前研究尚处于起步阶段,关键技术包括2个内容:①特征识别和抽取,难点是自由曲面组成的复合曲面特征的处理,一个解决办法是通过造型的方法去识别和还原特征,这时可以定义自由曲面特征为造型特征,上述的旋转、扫成等曲面的重建研究便体现了这种思想。②在特征恢复时考虑特征间的约束关系,即在对测量点拟合的同时增加一个或一个以上几何约束,如平行、垂直、相交、共线、共面等。难点是随着约束数的增加,方程矩阵阶数也增大,使求解困难。另一个问题是难以识别和数学定义自由曲面特征的约束关系。4 集成逆向工程技术重建实物的CAD模型的目的是为后续应用提供几何支持,逆向工程技术往往和其他先进制造技术相结合应用于产品设计和制造,如80年代初发展起来的快速原型制造技术、基于数字及网络的快速模具设计及制造技术等,通常需要逆向程技术的支持[40～ 45]。图1给出了逆向工程集成系统框架。实物数字化以后,根据需要可以不建立CAD模型,数据直接转换为NC代码[41]和STL文件[40]。由于逆向工程技术和计算机辅助测量(CAT)、辅助设计(CAD)、辅助制造(CAM)、以计算机辅助工程分析(CAE)密切相关,因此其成功应用的关键不仅仅在于各计算机辅助子模块和系统能较好地独立完成各项工作,很大程度上还取决于各个子模块和系统的计算机集成程度。可以说逆向工程是CAT/CAD/CAM/CAE等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子。但纵观国
内外的研究,工作都局限于每个部分孤立的技术研究,如数字化系统及技术很少考虑后续的模型重建以及制造的要求。尽管逆向工程技术支持的数字化制造和快速原型制造技术已取得广泛的应用,但其系统也只是各个模块的功能集成[41～ 45],由于测试技术、CAD系统以及加工制造手段的多样性,适应不同手段和技术的集成逆向工程系统或技术的研究尚未引起重视。以下关键技术问题需要解决:①集成逆向工程系统框架构成,各个分系统的接口技术研究:坐标测量机和CAD系统、快速原型系统以及数控加工系统接口,CAD系统和快速原型系统以及数控加工系接口等。②模型重建技术,基于特征和约束的模型重建技术,面向不同应用的CAD分层模型构建[44]。③基于网络异地协同设计制造技术。④面向逆向工程的计算机辅助测量技术,包括测量规划、采样点选择、路径优化等。 逆向软件伴随着逆向工程及其相关技术基础研究的进行,其成果的商业应用也受到重视。较早是一些商品化的CAD/CAM软件集成进专用的逆向模块,如Pro/Engineer的SCAN-TOOLS模块、UGⅡ的点云处理、曲线及曲面拟合功能和STRIM100的点处理加工、自动生成曲面和简单的边界识别等功能。在此基础上,由于市场需求的增长,有限功能模块已不能满足数据处理、造型等逆向技术的要求,后期发展形成了专用的逆向软件。目前面市的产品类型已达数十种之多,较具代表性的有SDR公司的ImageWare Surfacer、RaindropGeomagic公司的Geomagic、Paraform公司的Paraform、UGS公司的Quick Shape、PTC公司的ICEM Surf、DELCAM公司的Copy CAD软件,MDTV公司的SurfaceReconstruction,以及AliasWavefront公司的SurfaceStudio等。上述软件共同的特点是具备多种数据处理及分割方法,具有部分规则特征识别,自动曲面拟合,强大的曲线、面编辑处理和模型评估检查的功能,不同格式的数据转换接口。如果是CAD/CAM软件公司开发的产品,还可以和各自的AD/CAM母体软件实现无缝集成,并利用其提供的强大功能支持,形成技术和市场优势,其中mageWare Surfacer和Paraform系列软件代表了逆向工程技术的最新进展。6 国内研究状况与国外相比,国内研究起步晚、经费投入少,限制了高水平研究的开展,创新性的研究不多,在世界学术领域,还没有形成较大的影响力。已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校,较有代表性的有西安交通大学CIMS中心的面向CMM的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究[47]、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自
动建模技术[45,46]、浙江大学生产工程研究所的三角面片建模[48,49]、南京航空航天大学CAD/CAM工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建 模方法[29]、华中科技大学的曲面测量与重建[50,51]和西北工业大学的数据点处理、建模[52,53]等,为数不多的论文散见于计算机应用、机械工程等类学位论文、会议及杂志上。在应用研究上,除一些实验室的小型软件外,自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工程CAD软件RE-SOFT和西北工业大学的实物测量造型系统NPU-SRMS,由于缺乏自主的CAD/CAM软件的支撑,以及逆向工程的上游测试设备和下游应用(CAD/CAE/CAM)基本为国外产品,使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品,开发的软件显得势单力薄,与国外软件相比竞争的劣势。7 发展趋势出于市场的需要,逆向工程的研究日益引人注目,从文献[9]对逆向工程几何造型研究工作全面总结至今,在数据处理、曲面片拟合、规则特征·1434·识别、专用商业软件和3维扫描仪的开发上已取得较为明显的进步,但在实际应用中,整个过程仍需大量的人工交互,操作者的经验和素质影响着产品的质量,自动重建曲面的光顺性难以保证,因 此逆向工程技术依然是目前CAD/CAM领域一个十分活跃的研究方向,以下一些关键技术值得今后研究的关注:①数据测量:发展面向逆向工程的专用测量系统,高速、高精度地实现实物外形的数字化,并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径,能进行路径规划和自动测量;②数据预处理:研究适应不同的测量方法和后续用途的离散采集点数据预处理技术;③拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接;④有效的特征识别和考虑约束的模型重建,复杂组合曲面的识别和重建方法;⑤集成技术:发展基于集成的逆向工程技术,包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术,基于网络的协同设计和数字化制造技术等。
结 论
近几年来,随着坐标测量技术、激光扫描技术的发展,三维CAD技术逐渐成熟,为“逆向工程”开创了良好的基础。各行业广泛采用“逆向工程”技术获取电子数据,使用软件技术进行数据处理,并加人新的思想,创新出新的产品,在新产品开发中发挥了很大作用,缩短了开发周期,降低了开发成本,取得了显著的成效 虽然逆向工程这项技术还存在一些问题有待于解决,但是相信随着科技的进步,产品的创新会和逆向技术结合得越来越紧密。
参 考 文 献
[1]川C一x.(aCJk)凡ng.Inemtet一BasedReve,Enigeen“ng[J」.仆eInemtatio耐Joumal`Avdacn曰Man侧arctUinr`TeChnol呵.2印3,21(2)138- 144
【2」Ke`nN.O”0andiKristnLW以月.P几司uctEvoliuton;AReve叹nEigneenng朋d凡司翻i,Mebt众加1呵〔Jl.R~hiuEn乡~gnOesi,,1998,10(4);226一243 【31JchWO,T.xu,s一M.玩adnK.Ken,kool.氏,d叩ment`。Inet列“肠叱卜B峨dRe,e欣E峪n耐gn.dMaChinignsy.etmtJ].仆el目te-r
.画帕dJ的m司成人山助以月M胡fu助加对gnTcehnoll艳口,2以介,19(3):169一191
〔4]陈绍魁.逆向工程一一技术创新的现代化手段〔J].机械研究与应用,2X(鸿,17(6):55一57
〔51李名尧.逆向工程与精确设计〔J〕.锻压技术,2阅5,(1);39一41 〔6]王霄.逆向工程技术及其应用〔M].北京:化学工业出版社,2X(娜 【7〕金涛,童水光.逆向工程技术【M〕.北京:机械工业出版社,2加3
【s1史廷春,张人估,颜永年,等.快速成形外耳软骨支架【J〕.机械科学与技术,刀沁3,22(3)二477一479
【9」周士侃,娄臻亮,刘冰,等.反向工程中的光橱扫描技术【lJ.工具技术,2以”,3s(10):69一71
【101孙涛,张龙江.坐标侧量机高精度测头技术【lJ.制造技术与机订,2001,(1。),妞一3O
【111于品,赵敏,压叱脚毗优秀的逆向工程软件〔lJ.计算机辅助设计与制造夕以为,(10):13~巧
【121李春玲,路长厚.应用场哪卿峨软件进行逆向工程时几个间题处理〔J].制造技术与机床,2加5,(2):79一81
〔13〕陈志杨.逆向工程技术—应用及软件〔J].以D/CAM与制造业信息化,2加3,(7):88一92〔14〕何映林,刘云峰,范树廷,陈曦,等.基于特征的反求工程建模系统RE一so碑【lJ.计算机辅助设计与图形学学报,2以抖,16(6):799-