黄立宏

贵州工业职业技术学院，贵州 贵阳 550008

在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。我国也有许多企业应用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。在这一过程中，最重要的设计资料就是零件的CAD模型。各个零件都有二维的CAD图或三维CAD模型及工序表等，整个产品有装配图或模型等，此外还有检验报告、技术说明等资料。这一过程是从产品的概念到CAD模型，最后转变为实际的零件的过程。

求工程技术在机械制造领域的几何建模应用

1 反求工程在产品建模中的应用

1.1 反求工程概念

逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。

实施反求工程技术需要一定的硬件和软件条件，处于一定的制造环境中，硬件条件包括各种各样的测量机、测量探头、模具或用于原型制造的CNC机床、快速成型机、射出成型机、钣金成型机等批量生产设备。软件条件包括各种点数据处理软件或模块，CAD/CAM软件和CAE软件等。

1.2 三维数据测量

随着传感技术、控制技术、图像处理和计算机视觉等相关技术的发展，出现了各种各样的物体表面几何数据获取方法，检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，使用较多的有德国、英国、意大利、美国等国家生产的三维扫描仪和三坐标测量机。从测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测量可分为硬测头和软测头，这种测头与被测物体直接接触，获取数据信息，比较常用的是三座标测量机（CMM）。非接触式测量可分为光学法、工业CT、超声波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中,光学测量法应用最为广泛。典型的光测头则是应用光学及激光的原理进行的，有激光扫描、光学扫描。

实物的三维离散采样速度及数据质量是影响逆向工程技术应用的重要因素之一。三坐标测量机(CMM)是一种发展较为成熟的接触式测量设备,它具有噪声低、精度高(可达±0.5μ m)、重复性好等优点.但测量速度慢、效率低，对软体对象难以做精密测量，需要对测头表面损伤和测头半径进行补偿，测量数据的特点是高精度低密度。

由于近年在分区域测量技术上的突破，使得投影光栅法的测量精度得到进一步地提高，如德国GOM公司的ATOS流动光学三维扫描仪，测量速度大于43000点/s，单幅照片可扫描点数最大可达400，000个点，单幅照片精度为±0.03 mm，整体测量精度小于0.1 mm/m。光学扫描仪尤其便于复杂曲面的扫描。另外，光学扫描仪还具有测量范围大、携带方便等优点。ATOS光学扫描仪配合高分辨率数码照相系统扫描范围可达8m×8m甚至更大。并且可以很方便地移动到实物现场工作，不仅适于复杂轮廓的扫描，而且常用于汽车、摩托车内外饰件的逆向造型工作。

1.3 车模的CAD模型构造

测量得到的数据一般都是点数据，存在多种格式，我们要用逆向设计软件，这里我们采用Imageware对点数据进行处理，包括噪声过滤、排序、删减、拼合、分割及特征点的提取等。

现以一车模的例子来说明逆向设计应用。这里采用逆向设计软件Imageware和正向设计软件UG NX相结合来构建CAD模型

1.3.1 特征线的提取

特征线的提取是整个曲面重构的关键。根据车模外形特点，划分出不同曲面的区域，如：平面、圆柱面、球面等，并对点云进行分割，并且把这些二次曲面拟合构造平面、圆柱面和球面；或直接作出特征，平面可以用三点或两相交直线来确定，圆柱面以截面线和矢量来确定，B样条曲面由B样条曲线确定，NURBS曲面由非均匀有理B样条曲线确定等。对于自由曲面，需构造出曲面的特征线，先对车模点云的作必要截面线，然后剔除截面点云的杂点和进行必要的光顺，最后把截面点云拟合成曲线，以便构造自由曲面。对于特征线应该是光顺的曲线。

对于平面曲线光顺的原则是：

1）二阶参数连续或几何连续；

2）没有多余的拐点；

3）曲率变化均匀；

4）应变能较小。

对于空间曲线的光顺原则是：

1）二阶光滑性；

2）不存在多余的拐点；

3）曲率变化比较均匀；

4）不存在多余的变挠点（变挠点指的是挠率为零的点，通常与挠率变号点相关）；

5）挠率变化比较均匀。

1.3.2 特征线分析

为了保证重构特征线的精度，在任何一条特征线的构建过程中，随时检测点云和曲线之间的偏差，调整特征线在偏差允许范围内，确保与原型的一致性。在UG NX软件中直接读取Imageware软件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UG NX中，并且保证坐标系的一致。

1.3.3 用正向设计软件（UG NX）构建曲面模型

在UG NX软件中直接读取Imageware软件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中构建好的特征曲线导入到UG NX中，并且保证坐标系的一致。对调入的曲线进行分析，并对曲线光顺处理，或对曲线进行重构和编辑，使用UG NX的特征造型和曲面造型功能，最终完成车模的三维造型。

1.3.4 利用逆向工程进行CAD模型检验

不论用何种方法加工，都需要对其加工精度进行检验。利用传统的检测手段很难准确检测，因此，同样可利用逆向工程技术对零件进行准确、高效率的检测。

如同上述方法对加工的零件进行扫描，然后把扫描所得的点云和原始设计的三维数字模型一起调入逆向工程软件Imageware中，分析比较2个模型间的偏差，用彩色云图将差异显示出来，从而检测零件的加工精度。逆向工程技术不但在单件加工上可以很方便对复杂零件进行检测，而且在批量生产和流水化生产中对产品的抽检也显得十分方便，如手机的外壳就利用逆向工程技术很快的完成检测工作。

利用逆向工程技术在产品研究开发中，是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术。利用光学扫描仪作为获取空间三维数据的手段，用逆向工程软件Imageware对获取的点云数据进行处理，其难点为曲线的构建、检测和修改，而只有满足曲线光顺，曲面才能光顺，曲面与点云的吻合精度又主要靠关键特征线的提取和构建精度来保证。

反求工程和正向工程结合起来的关键，就是根据反求工程的概念出发充分分析原始样件的功能结构、工艺及几何特征之间的关系后，将反向工程和正向工程的优势结合起来，创新思维对原设计做出改进，设计出更好的产品来。

[1]姜元庆，刘佩军.UG/Imageware逆向工程培训教程.

[2]洪如瑾.UG NX CAD快速入门指导.

[3]杨文余，尹周平.数字制造基础.