1、逆向工程

　　當今逆向工程在產品工業(yè)設計過程中運用得愈加廣泛萄焦。逆向工程是一種從模型對象表面獲得的點數據出發(fā)，使我們能在計算機內生成一個已存在模型實物的替代品的技術叫逸。事實上俄耸，許多設計者熱衷于手工地做出目標模型惊钮，目的是一方面將自己的概念設計以一個更真實的方式展現其外形计员；另一方面，為的是評估模型的實際尺寸能否實現所要求的性能假仙。一旦其最終造型確定典挑，為了產品設計過程和生產計劃的順利實現，有必要通過多種計算機輔助軟件（CAD拙寡、CAS、CAID)構造一個虛擬模型詮釋該模型肆糕。在整個過程中般堆，一個重要的環(huán)節(jié)是從測量得到的點云數據重建曲面。通常，在一個點密集的數據里私沮，很難找到創(chuàng)意師設計的造型特性和橙，這會導致最終實現的產品和最初的設計模型造型的不一致性，有必要對所建立的曲面進行修復從而使誤差減到最小以得到最佳效果低腕。很明顯，這些修復過程實際上是對設計工作的一種重復蓄稠，蘊含著產品投放市場的相對滯后和相當大的成本增加颖怕。國外許多研究者在做這項工作。以意大利為例译拿，許多先進企業(yè)的產品開發(fā)者如DEMO公司剔撮、IDEA公司等致力于開發(fā)一些輔助軟件工具以使CAD的操作者能夠快速地控制從點云數據出發(fā)到重建曲面的響應過程。所提及的控制是指如何有效地發(fā)現誤差薛对。所應用的軟件有Pro/SURFACE和CDRS秦砌，這兩種PTC曲面設計軟件給設計者靈活控制曲面形狀提供了較大的自由度经聊，能使設計者易于實現個性化的應用而獲得高質量的曲面。

　　產品造型的重要性絕不亞于產品功用匹惊，因為造型是最直觀具體的守譬。工業(yè)領域市場的不斷發(fā)展推動著企業(yè)開發(fā)新產品凛忿。為獲得良好的商業(yè)效果澈灼，產品的外觀正變得越來越重要。設計者們通過對曲面構建技術的提高和相關材料的制約來提高產品外形質量店溢。對逆向工程而言叁熔，在產品設計和生產過程中如何實現和產品最初設計的造型一致顯得尤其重要。如今有許多CAS(Computer Aided Styling)和CAID(Computer Aided Industry Design)軟件床牧，它們的目的是支持或擴展設計者的創(chuàng)造性荣回，同時通過對產品虛擬模型的分析，允許設計者的設計概念能傳遞到那些與產品開發(fā)及生產有關的人員那里戈咳。這里的虛擬模型心软，我們不妨理解為產品在計算機里通過某種軟件展示的模型。實際上逆向工程是一個從已有產品模型出發(fā)定義幾何數據并通過這些數據在一個CAD環(huán)境下重建產品的數字化或參數化模型的過程著蛙。它的整個過程大體上通過兩種方法實現删铃。

　　建模首先從采集數據開始，可以通過多種系統(tǒng)獲得。如今盛行激光測量技術能采集到用傳統(tǒng)測量手段難以取到的點數據猎唁，但隨之也產生了密度相對很大的點云咒劲。在點云分區(qū)后接下來的階段就是重建CAD曲面。近年來拄渣，在建造三維CAD模型方面興起了兩個主要的研究領域甜湾，其一為自由曲面的構建；第二是形狀較規(guī)則的模型建立鹅棺。對于前者兜充，側重擬定點云數據的自動分片分區(qū)，然后單個的被劃分出的點云片由CAD操作者用數學曲面NURBS或BEZIER近似逼近形成脂性。對于后者則注重建立CAD模型的方法雄睦、減少后續(xù)產品開發(fā)和生產環(huán)節(jié)中各參與者自我主觀意向對產品的影響⌒谡瘢總的來說娇裁，產品的外形設計誕生在第一階段，因此曲面建模是整個開發(fā)及生產過程的基礎沼津，而這項工作需要設計者較多的時間投入和高水平要求荞篙，即使是使用先進的Pro/ENGINEER軟件也要求操作者是曲面設計的專家。Pro/ENGINEER軟件對完成后的曲面能進行質量分析科绣，但這種質量評估忽略了點云數據所包含的信息的重要性殿姑，除了對曲面本身特性如高斯曲率、梯度等的分析外肯适，只檢查曲面和原始點云之間的距離值变秦。當這些評估要素是針對點非常密集的云片時就顯得明顯不足，會失去對外形真實性的控制框舔。

　　許多研究者竭力想開發(fā)一些軟件以控制曲面外形使其與設計者的意圖有最好的吻合蹦玫。產品外形設計過程在不同的企業(yè)有不同的方式，但共同的目標是一致的刘绣，即讓最終成型的產品完好地體現造型設計的理念樱溉。最初的產品造型設計具有多樣的個性解決技巧，它們可以分成兩大類別 ：第一種是在CAS系統(tǒng)的支持下實現三維虛擬模型纬凤。雖然這些先進軟件能較好地處理視覺效果福贞，但90%的情況下這些處理對于有效的外觀評估是不夠的。這是因為一個二維屏幕上的比例圖像很難精確地毫無缺陷地模擬實際的外形移斩，特別是當模型的外觀曲面很復雜時肚医。因此各零件通過快速成型技術而獲得實際的客觀模型來評估绢馍、修改并控制其質量向瓷，但缺陷是 ：該項技術是非常昂貴的；為了獲得最佳外形效果需要隨之而來的反饋回去的重復性的大量修改工作 ；快速成型技術在成型產品尺寸上有局限性夜川。第二種是采用易于塑造制作的材料手工地實現真正的客觀模型日俱，當然這種模型可根據需要選取不同比例，即時下盛行的“泥型制作”麻百。設計者直接在此模型上評估并決定為獲得最好的外形質量所需做的修改款拣。一旦該模型被確認、設計者“凍結”該外觀造型拴猖，就可以進行下續(xù)的逆向工程朋傲、必要的CAD模型和產品生產。后一種手段在當今工業(yè)設計生產中占有至少70%的比重伐蔚。不難看出昨跺，客觀模型在上述兩種情況中都很重要。通過以計算機為基礎的技術用一個數字化或參數化模型充當客觀實際模型的完全替代品在時下是不可想象的谁意，也是不現實的发娶。該過程能達到的目的是盡可能地減少重復修改的次數（CAD模型、實際樣品和數字化加工CNC獲得的產品）料潘，即如何盡快縮短產品開發(fā)周期抽碌。國外許多研究者在從事這個課題。他們的目的是讓建立模型的手段如何更符合决瞳、貼近造型設計的理念货徙。可以預見皮胡，將來虛擬現實技術的應用會在設計者和參數化模型之間建立最直接的相互接觸和影響（設計者去“觸摸”虛擬的模型）破婆。一個在短期內可能實現的方法是基于特征的建模向曲面造型建模的轉化、傳遞胸囱。構建特征模型存在兩種方式 ：其一為“使用特征設計”法：將數據庫里的特征以某種方式安置在一起祷舀，從而創(chuàng)建目標模型。該方法要求對模型的全部特征有一個較好的全局的綜合概括烹笔。其二是基于對模型所有特征的認知裳扯，從幾何數據模型(如采集的點云數據)出發(fā)的設計法，在這種情況下谤职，設計過程的第一步——模型測量是必要的饰豺。

　　鑒于上述技術尚處在起步階段，當今的逆向工程亟待優(yōu)化允蜈，而其中最重要的環(huán)節(jié)是重建曲面冤吨。突出的問題是客觀模型和CAD模型之間相應的造型誤差。許多研究工作就是圍繞如何減少這些誤差進行自動控制的方法帆田。讓我們審視一下構建曲面中存在的問題训寝。必須注意到曲面構建的前提是：它是一個近似過程而非分割過程勾勃。點云代表的是CAD操作者建立必要曲面塊的基礎，因此不可能獲得測量模型和CAD模型的完美吻合恨蒙。影響誤差的原因可分為以下三個主要要素：首先区糟，直接從密集點云識別外形特點的難度，當模型的尺寸較大時教够，難度會明顯增加潮兼。例如，很難辨別某區(qū)域點代表的是平面區(qū)域還是曲率較小區(qū)域 杠捂；把握不同曲面之間的真實連結情況等始树，從而導致相應的點云數據和CAD模型之間的誤差。其次赋芥，將重建的曲面輸入到實體模型會產生誤差喝暂，該過程誤差通常在產品加工中體現得尤為明顯，因為加工是從參數模型到實際模型的又一次近似彻犁。第三叫胁，從采集數據到加工成品的過程中有不同的操作者和設計者的參與，對整個產品的運作過程會在他們之間產生人為主觀誤差汞幢。顯然驼鹅，這些誤差如果不控制在設計階段，它們就會反應在最終成品上森篷，并導致因模具修改而追加的時間和成本消耗输钩。定義這些誤差、用有效的方式識別仲智、評估并補正它們是許多逆向工程課題研究的內容买乃。在這里介紹一種識別誤差的方法，它是從模型的典型線條上抽取相關幾何參數并對它們進行分析钓辆。這種方法能自動找到重點區(qū)域剪验，提示CAD操作者出現造型誤差的地方。它是對點云和重建的曲面共同的一系列幾何特性的對置和分析前联。如果忽略在采集模型數據階段產生的誤差功戚，點云應該代表造型師的“真實”概念設計外形。該方法特別運用了如下幾何要素：典型線條橱孽、橫截面拥臼、等高線、梯度愁豆、曲率搭奄、曲線圓。

　　當一個設計者構思了一個新產品時招狈，會設計一些主要線條來定義產品的整體形狀艇氯。這些線條也就是設計者給最終產品打下的烙印殖吧。例如，我們很容易辨別甲乙兩設計師設計的椅子各自到底是誰設計的骡侮。這些曲線就被稱為典型線條纽债。在許多情況下雇蚁，這些元素其實并不是真正的實際的曲線束沼，而只是由那些看到該產品的人所感知的代表曲面走勢的東西。它們決定了客戶對產品的印象讥高，也即客戶認為產品是否“美”的標準揣誓，因此在產品開發(fā)、生產的每個階段要對它們進行根本的跟蹤和保持巾陕。其他考慮的幾何要素有：截面讨跟、輪廓線、等高線等鄙煤，它們和典型線條相比晾匠，是對產品外形相對較簡單的控制。從這些幾何要素出發(fā)梯刚，有必要用一個客觀的方法來評估曲面質量凉馆，目的是將外觀轉化為直觀的數據，而數據應是通過點云和曲面同類元素之間的對比而得出的亡资。為做到這一點澜共，原則是典型線條的曲率、梯度锥腻、距離的適當結合嗦董。傳統(tǒng)的方法是：在第一次試模后才發(fā)現設計過程的誤差所在，再返回去修改曲面瘦黑，這樣的“重復”過程無疑會造成時間和成本的極大浪費京革。并且傳統(tǒng)的誤差診斷方法，如點云-曲面之間的距離趾倾、曲率分布圖很難給CAD操作者一個易于利用的反饋信息停柬，它們很難確定具體需要修改的區(qū)域范圍，由此導致的修改免不了將正確的相鄰區(qū)域牽連至待修改的區(qū)域耀旅，即修改范圍的人為擴大或錯位盯糠。相反，典型線條法將各種曲面建模誤差結合在一起傅女，按照誤差“比重”大薪嗬俊（不同程度的誤差由不同的顏色圖表示），可以使CAD設計者根據線條劃分的界限很快識別待修改的區(qū)域原酷，哪些地方存在較嚴重誤差杉轿。因此可以將誤差較好地控制在曲面建模階段疙鸟。當然，更進一步的每個區(qū)域的誤差種類和修正辦法提示有待研究昏络。

　　2树戴、結束語

　　本文論述了逆向工程在曲面建模中應用的一些概況，還介紹了一種控制曲面建模誤差的方法慕然。通過對與典型線條相連的幾何參數為基礎的檢驗方法的完善万栅，可以檢驗設計者的造型設計是否在CAD曲面建模步驟里得到很好的保持和把握。

聲明：本網站所收集的部分公開資料來源于互聯網西疤，轉載的目的在于傳遞更多信息及用于網絡分享烦粒，并不代表本站贊同其觀點和對其真實性負責，也不構成任何其他建議代赁。本站部分作品是由網友自主投稿和發(fā)布扰她、編輯整理上傳，對此類作品本站僅提供交流平臺芭碍，不為其版權負責徒役。如果您發(fā)現網站上所用視頻、圖片窖壕、文字如涉及作品版權問題忧勿，請第一時間告知，我們將根據您提供的證明材料確認版權并按國家標準支付稿酬或立即刪除內容艇拍，以保證您的權益狐蜕！聯系電話：010-58612588 或 Email:editor@mmsonline.com.cn。