逆向工程技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用

1、逆向工程技術(shù)在機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用逆向工程技術(shù)已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。介紹了逆向工程的概念、技術(shù)流程、測(cè)量系統(tǒng)、常用軟件以及實(shí)際應(yīng)用。    逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering)是近幾年迅速發(fā)展起來(lái)的一門新興學(xué)科，也稱為反求工程。從廣義講，逆向工程可分為：實(shí)物逆向、軟件逆向和影像逆向三大類。在機(jī)械領(lǐng)域中，逆向工程應(yīng)用主要集中在實(shí)物逆向，即在沒有產(chǎn)品零件圖紙或者圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現(xiàn)有零件的實(shí)物，利用3D測(cè)量系統(tǒng)獲取數(shù)字化信息，再通過CAD技術(shù)重新構(gòu)造實(shí)物CAD模型的過程。它與傳統(tǒng)

2、的正向設(shè)計(jì)有著很大差別。通過逆向工程所獲得的CAD模型，再經(jīng)過CAM或RP系統(tǒng)可以復(fù)制一個(gè)外型尺寸相同的零件實(shí)物。逆向工程與順向工程如圖1所示。                逆向工程技術(shù)已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。一般來(lái)說，逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個(gè)方面。在機(jī)械領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，主要包括以下幾個(gè)方面：對(duì)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖；當(dāng)原始設(shè)計(jì)不可得時(shí)，用于對(duì)已有產(chǎn)品的改型或仿型設(shè)計(jì)；在設(shè)備維修中對(duì)個(gè)別損壞或磨損零件的復(fù)制；在美學(xué)

3、設(shè)計(jì)特別重要的領(lǐng)域，通常采用真實(shí)比例的木制或泥塑模型來(lái)評(píng)估設(shè)計(jì)的美學(xué)效果，再通過逆向工程進(jìn)行設(shè)計(jì)；當(dāng)設(shè)計(jì)需要實(shí)驗(yàn)才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法，例如，在航天航空領(lǐng)域，為了滿足空氣動(dòng)力學(xué)等要求，需要進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)的產(chǎn)品模型；數(shù)字化模型的檢測(cè)，如檢驗(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量以及零件實(shí)物與CAD模型的比較等。                    1逆向工程數(shù)據(jù)采集技術(shù)                數(shù)據(jù)的采集

4、是指通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。高效、準(zhǔn)確地采集到產(chǎn)品表面的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵技術(shù)之一。根據(jù)測(cè)量的方式不同，可以將三維測(cè)量設(shè)備分為接觸式和非接觸式兩大類型。                  11接觸式測(cè)量系統(tǒng)                接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(Coordinate Measure Machine，CMM)可謂接觸式測(cè)量的代表。接觸式三坐

5、標(biāo)測(cè)量機(jī)通常是基于受力變形的原理，通過探頭測(cè)取三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。操作者事先設(shè)計(jì)規(guī)劃好測(cè)量途徑與方式，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)便會(huì)按照所指定的路徑測(cè)取三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。一般來(lái)說，接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量較穩(wěn)定，易于定位，測(cè)量精度高，對(duì)被測(cè)物體的材質(zhì)和色澤沒有特殊要求。其主要缺點(diǎn)是測(cè)量效率低，測(cè)量探頭的半徑必須進(jìn)行補(bǔ)償，并且有可能會(huì)出現(xiàn)探頭測(cè)不到的盲區(qū)。使用自動(dòng)測(cè)量還有較多的參數(shù)必須決定，包括探頭形狀和大小、掃瞄間隔、步進(jìn)距離、誤差容許量、掃瞄速度、掃瞄方向等，這些都過分依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)，特別是在測(cè)量復(fù)雜產(chǎn)品零件時(shí)，確定最優(yōu)的采樣策略和路徑較困難。另外，由于存在測(cè)量力，接觸式三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)無(wú)法在一些軟質(zhì)表面進(jìn)行測(cè)

6、量。                    12非接觸式測(cè)量系統(tǒng)                非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理的不同，大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式。在逆向工程中最為常用是較為成熟的光學(xué)測(cè)量方法。其可分為：基于光學(xué)三角形原理的激光掃描法；基于相位偏移測(cè)量原理的莫爾條紋法；基于工業(yè)CT斷層掃描圖像法；立體視覺測(cè)量方法。使用非接觸測(cè)量產(chǎn)品零件測(cè)量速度快，不需要進(jìn)行探頭半徑補(bǔ)償。由于不存在測(cè)量力，可對(duì)

7、橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進(jìn)行掃描。但工件坐標(biāo)定位較困難，測(cè)量精度較低，陡峭面不容易測(cè)量，另外被測(cè)產(chǎn)品零件表面特征(顏色、反光度、粗糙度、形狀等)對(duì)測(cè)量的精度影響較大。                                    2逆向工程的數(shù)據(jù)處理及常用軟件                數(shù)據(jù)處理是逆向工程的一個(gè)重要的技

8、術(shù)環(huán)節(jié)，它決定了CAD模型重建過程是否能夠方便、準(zhǔn)確地進(jìn)行。使用測(cè)量設(shè)備測(cè)取的三維幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)都是一些離散點(diǎn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其中存在著噪聲點(diǎn)，所以還需要相應(yīng)的軟件來(lái)處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)的處理包括噪聲去除、多視對(duì)齊、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、數(shù)據(jù)光順、數(shù)據(jù)分割等諸多方面。目前比較常用的逆向工程軟件有：                (1)Geomagic。美國(guó)RainDrop(雨點(diǎn))公司的逆向工程CAD軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。處理復(fù)雜形狀或自由曲面形狀時(shí)，效率比傳統(tǒng)CAD軟件提高了1

9、0倍。另外還可為新興應(yīng)用提供理想的選擇，如定制設(shè)備大批量生產(chǎn)、即定即造的生產(chǎn)模式以及原始零部件的自動(dòng)重造。                (2)Imageware。作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能?？梢蕴幚韼兹f(wàn)至幾百萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。ImageWare的模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。  

10、0;             (3)CopyCAD。英國(guó)DelCam公司系列CAD產(chǎn)品中的一個(gè)，主要處理測(cè)量數(shù)據(jù)的曲面造型。作為一個(gè)系列產(chǎn)品的一部分，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成，為用戶的使用提供方便。                (4)RapidForm。韓國(guó)INUS公司開發(fā)的逆向工程CAD軟件。主要用于處理測(cè)量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測(cè)量建模以及高級(jí)圖形生成。RapidForm提供一整套

11、模型分割、曲面生成、曲面檢測(cè)的工具，用戶可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過程中。                                    3實(shí)施逆向工程的步驟                逆向工程設(shè)計(jì)實(shí)施步驟如下:          

12、0;     (1)設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作。設(shè)計(jì)之前應(yīng)確定設(shè)計(jì)的整體思路，對(duì)實(shí)物模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析，劃分出模型的特征區(qū)，確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這些關(guān)系到相關(guān)軟件的選擇和軟件模塊的確定。                (2)零件原形的數(shù)字化。根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)確定掃描方法以及掃描設(shè)備，利用3D掃描測(cè)量設(shè)備來(lái)獲取零件實(shí)物表面點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。                (3)提取零件的幾何特征。按測(cè)量數(shù)據(jù)的幾何屬

13、性對(duì)其進(jìn)行分割，分割方法一般可分為兩類，一類是基于邊界分割法，一類是基于區(qū)域分割法。區(qū)域分割法將相似幾何特征的點(diǎn)劃為同一區(qū)域，具有明確的幾何意義，是較為常用的分割方法。                (4)零件CAD模型的重建。將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過表面片的拼接獲取零件實(shí)物表面的CAD模型。                (5)重建CAD模型的檢驗(yàn)與修正。由于測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)往往存在一些數(shù)字誤差，所

14、以需要對(duì)曲面或曲線進(jìn)行光順處理，提高曲面質(zhì)量。另外還要檢驗(yàn)重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗(yàn)性能指標(biāo)的要求，對(duì)不滿足要求的應(yīng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整修改，直至達(dá)到零件的設(shè)計(jì)要求。                                                4應(yīng)用實(shí)例           

15、                     某化工企業(yè)攪拌機(jī)的葉片由于損壞且購(gòu)買不到配件，使用逆向工程技術(shù)構(gòu)造CAD模型用于加工。筆者使用的掃描設(shè)備是美國(guó)三維數(shù)碼公司(3D Digital Corp)產(chǎn)品，型號(hào)為Optix 400S。掃描前先將葉片實(shí)物噴上光學(xué)測(cè)量的顯影粉(圖2)。                掃描過程中，每掃描完一次需要將零件轉(zhuǎn)過一定的角度再掃描，直到將所有的面都被掃到為止。特別要注意的是零件掃描的

16、面要與上一次掃描的面具有一定的重合部分，并且重合的部分要有一些特征點(diǎn)(如尖角、邊角等)，否則在后期點(diǎn)云處理時(shí)這兩次掃描的數(shù)據(jù)點(diǎn)云沒辦法拼接。如果實(shí)在找不到特征點(diǎn)，掃描前需要手工制作標(biāo)記，待點(diǎn)云數(shù)據(jù)拼接完后，刪除標(biāo)記處的數(shù)據(jù)，再在逆向工程軟件中使用補(bǔ)洞的功能將這一部分補(bǔ)起來(lái)。全部掃描結(jié)束后，筆者使用Geomagic軟件將數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入進(jìn)行后處理，生成CAD模型(圖3)。使用Geomagic軟件可以輸出igs、stl、stp、dxf、obj等多種格式的文件，可被在CADCAM領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的軟件，如UG、PROE、CIMATRON、CATIA、SOLIDWORK等導(dǎo)入。                    5結(jié)束語(yǔ)