实物逆向工程模型重建技术
摘 要:阐述了逆向工程的基本概念及针对逆向工程不同阶段所采用的不同几何造型方法,介绍了模型重建的方法和过程;重点介绍了逆工程技术中的关键技术——几何模型重建技术中的曲面建模和特征建模技术;分析了建模技术的基本理论。 关键词: 逆向工程;几何建模;曲面重构;特征建模
Abstract: This paper introduced the basic concept of reverse engineering, and geometric modeling in different stage of reverse engineering .The geometric model reconstructing is a key technique in reverse engineering. It expatiates surface constructing and feature modeling in models constructing technique, and introduces basic theories of modeling technique. It introduces method and processing of modeling reconstructing.
Key words: reverse engineering; geometric modeling; surface reconstruction ;feature modeling.
1、逆向工程概述
逆向工程(Reverse Engineering)又称逆求工程或反求设计,是以设计方法学为指导,以现代设计理论、方法、技术为基础,运用专业人员的工程设计经验、知识和创新思维,对已有新产品进行解剖深化和再
创造,是已有设计的重新设计。根据反求对象的不同,逆求工程可分为实物反求、软件反求和影像反求三类。所谓实物反求是指依据已经存在的零件或实物原型来构造产品模型的过程。反求工程是相对于传统工程(convention engineering,又称正向工程)而言的。反求工程和传统工程的设计过程完全不同,图1示出了实物反求和传统设计的区别。传统设计是通过工程师创造性的劳动,将一个未知的设计理念变成人类需求的产品的过程。工程师首先根据市场需求,提出技术目标和技术要求,进行功能设计,确定原理方案,进而确定产品结构,再经过一系列的设计活动之后,得到新产品。由此可见,传统设计是一个“功能—原理—结构”的工作过程。而反求设计是从已知事物的有关信息出发对这些信息充分消化和吸收,在此基础上通过改进挖潜进行再创造,在一系列反求分析的基础之上,对实物原型进行数据采集,经过数据处理、三维重构等过程,构造具有形状结构的原型的三维模型;然后,在对原型进行复制或在原型的基础上进行再设计,实现创新。反求设计是一“实物(结构)—原理—功能—三维重构—功能—三维重构(结构)—再设计”的过程。
图1 传统工程与反求工程的过程
1 逆向工程中的几何建模技术
广义的反求工程包括形状(几何)反求、工艺反求和材料反求等多个方面,是一个复杂的系统工程。大多数与反求工程有关的研究都集中在几何形状,即产品实物的CAD模型方面。重构实物的三维CAD模型是反求工程中的关键技术,它通过插值或拟合一系列离散点,利用原型的几何拓扑信息,构造一个近似模型来逼近原型。根据反求工程的发展和应用,可将反求工程分为反求工程Ⅰ、Ⅱ两个目标。反求工程Ⅰ主要包括“三维重构”、“反求制造”两个阶段,应用于快速原型制造技术中。反求工程Ⅱ包含“三维重构”、“基于原型再设计”和“反求制造”三个阶段,增加了创新功能的含义。针对反求工程引用目标的不同,采用不同的几何建模技术。
2.1产品反求工程中基于曲面模型的CAD建模技术
这里的“反求”主要指反求工程Ⅰ,其两个关键技术一是实物样件或模型的表面数据获取技术,即数字化技术;二是曲面构造技术,即建模技术。 2.1.1数字化技术
目前,数字化方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类。接触式测量是指测量装置的测头与实物表面有接触,采用的设备主要有:三坐标测量机、数控机床(NC)加上测量装置、专用数字化仪器等。非接触式测量装置的测头不接触测量表面,根据测量原理不同分为光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。
2.1.2曲面光顺
曲面光顺是指使曲面具有光滑、顺眼的性质。几何造型的算法不控制实际形体,而是控制定义形体的数据。在反求工程的曲面建模中,实物表面数字化过程中得到的是大量的离散数据,缺少必要的特征信息(连续性要求信息),而且数字化过程中存在误差,使得曲面光顺变得重要。曲面光顺的方法很多,有最小二乘法、能量法、回弹法、基样条法、圆率法、磨光法等。通过曲面拟合技术构造的曲面模型不仅要求符合产品的描述标准,且应与CAD/CAM系统具有较好的交互能力。因此,对构建的实体型面进行曲面光顺就是十分必要的。 2.2产品反求工程中基于实体建模的特征建模 2.21实体特征建模的意义
基于曲面的建模技术,不论是基于面的方法,还是基于边的方法,都将模型重建分割为孤立的曲面造型,使得产品的整体属性不能很好的体现。用曲面模型来构造原型的三维模型作为反求设计的结果,并用来作为反求制造的依据,是反求工程Ⅰ的应用。但曲面模型构造的三维原型反映的是实体的“面”,不是“体”,不能表示零件的实体特性。而且,反求工程曲面模型造型系统不容易构造复杂的原型。采用实体建模构造原型,可构造出基本体素为真正意义上的实体的模型,并通过映射构造特征模型,实现特征建模。 2.2.2特征建模中的基本概念
大多数机械零件产品都是按一定具有确定几何约束关系特征设计制造的,一个产品零件的设计过程可视为约束满足的过程。产品的
模型重建过程可认为是还原零件特征及特征之间的约束关系的过程。a)特征及分类特征就是任何已被接受的某一个对象的几何、功能元素和属性,通过这些几何、功能元素和属性可以很好地理解该对象的功能、行为和操作。机械产品造型领域特征的定义为:特征是与领域有关的零件模型基本组成单元,它带有一定的功能语义。用一个二元组可将特征形式化表示成Feat:=(function, volume),其中function表示特征的功能语义,volume表示特征几何。一般将特征分为造型特征(形状特征)和面向过程的特征。在一般的三维造型过程中,特征多指造型特征,造型特征是指实际构造出零件几何形状的特征,造型特征是实现特征建模的关键。b)约束及分类约束指作用于零件特征上的各种规则几何的集合,是控制几何图形的形状和位置的条件。在三维造型中约束可分为几何约束和尺寸约束。几何约束定义不同对象特征之间的几何拓扑关系;尺寸约束是用来确定草图图形元素的大小和位置。
2.2.3特征建模的方法及过程
在特征建模的过程中,首先把特征作为基本单元,对产品的一系列特征进行顺序操作构造实体模型,然后在实体建模的基础上加入特征信息的方法来构造特征模型。特征建模的关键技术一是数据处理,二是特征识别,三是原型特征模型构造,最后是模型映射基特征模型建立。为便于构造特征模型,采用工业CT和逐层切削断层扫描来获取层析数据。基于层析数据的以通用CAD软件为支撑构造特征模型的工作过程如图2所示。
图2 特征模型的构造过程
2.2.4数据处理
实物的原始信息是点数据的层析图形,这种点图实质是二值位图,采用计算机图形学处理二值位图的滤波去噪、提取边界的算法进行数据处理。对多轮廓复杂原型来讲,必须进行轮廓分离工作,即根据组成边界的情况将点分组,这是多轮廓原型数据处理的独特内容。轮廓分离的结果,是将点数据组成为一个个互相独立的封闭环,即数据环。 2.2.5特征识别
对数据处理后的轮廓点图进行匹配运算,将处于不同层的数据环按组成同一特征体的关系进行分组,并确定该特征的类型,这个工作过程就是特征识别。特征识别的过程就是把表示实物原型上同一特征的数据环构造为该特征的实体环,然后通过自动或交互方式来识别实体环的特征,将其构造为特征环。特征识别是反求工程构造特征模型的关键环节,对反求工程系统的精度、速度和自动化程度都具有决定性作用。由于特征体的造型是在一选定的CAD软件的支撑环境下进行的,故根据轮廓点图的数学表示和特征体的特征所进行的特征识别,还应考虑该支撑环境的要求。
2.2.6原型特征模型构造
在得到特征体以后,根据CSG建模方法,对这些特征体进行并、差等布尔运算,从而构造出原型特征模型。这里,特征体是组成原型的基本单元,原型是特征体的有机组合。 2.2.7模型映射及特征模型的建立
原型特征模型的特征体反映的是实体的形状特征,因此要将原型特征模型映射为包含有工艺语意信息的可应用于制造的特征。在映射的同时加入材料特征、技术特征等信息,就构造了完整的描述新产品的特征模型。特征建模技术是在经过二维线框造型,三维线框造型,曲面造型,实体造型的演变过程的基础之上发展起来的。正向设计中基于特征的产品信息建模技术的研究已取得了很大进展。而在反求工程中引入特征技术,探讨适合反求工程的特征模型,基本上处于空白。特征建模技术为反求工程中的实物原型三维重构提供了一种新的方法,可实现基于原型的再设计。初步研究的成果和实践证明了它的可用性和适用性。 3、结束语
产品反逆向工程技术是产品设计领域中近期发展起来的一个比较新的设计方法,该项技术广泛应用于产品设计的许多方面。其中反求工程中的曲面重构技术给RP（快速成型技术）技术提供了关键的技术支持，该部分在上面的解说提及。然而对于一些具有结构复杂自由曲面的原型或实物,经过数字化获得数字化数据,重构出自由曲面和建立数学模型,生成STL文件,（课堂上讲说），控制材料有规律的精确的迭加起来而构成实物零件。 但在现有的曲面造型系统中,还存在许多问题。例如:“点云”数据处理和曲面造型的方法需要改进,现有的通用CAD软件不能适应“点云数据”,很难完成CAD建模技术等。而特征建模技术是反求工程中基于实体的建模技术,它的提出可以弥补曲面造型技术本身的部分缺陷。在反求工程中应用特征建模技术的许多理论还不是很成熟,如三维形体的特征识别技术,数据处理及进行特征识别后的与CAD软件的接口问题,还需要进行深入的研究（网上找的）。经过以上的解说，可以相信,随着反求工程技术的不断发展、建模技术的不断完善将使反求工程的应用领域得到更广的应用。
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