逆向工程 (Reverse Engineering, RE) 也称反求工程, 它是相对传统的设计而言。传统的产品实现通常是从概念设计到图样, 再制造出产品, 称之为正向工程, 而逆向工程是从一个存在的零件或原型入手, 首先对其进行数字化处理, 然后进行数据处理、曲面重建、构造CAD模型等, 最后制造出产品的过程。逆向工程技术能快速建立新产品的数据化模型, 大大缩短新产品研发周期, 提高企业生产效率。现代逆向工程技术除广泛应用于模具、机械、汽车、摩托车、家电、玩具等传统领域之外, 在医学、文物、多媒体、动画及艺术品的仿制和破损零件的修复等方面也具有很大的实用价值。
本文对阿童木 (儿童玩具) 采用逆向造型, 方法如下:首先利用三维扫描仪对阿童木 (儿童玩具) 进行数据采集, 然后利用Geomagic Studio、Imageware软件对采集到的数据进行处理, 最后根据处理后的数据对阿童木进行模型重构, 从而实现阿童木的逆向造型。其逆向造型流程 (如图1所示) 。
所谓“点云” (Cloud Points) 数据是指在逆向设计过程中, 通过各种方法测得实物的三维数据, 由于在计算机屏幕上进行显示时, 由密集的三维数据点构成的图像如同成团的云雾一样, 所以形象地称之为“点云”。
在表面数字化技术中, 根据测试方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。传统的测量方法是以CMM为代表的接触式。但近年来, 随着计算机、传感、控制等技术的更新, 出现了如三角形法, 激光法以及电磁和声波法等非接触方式的测量方法。接触式方法对物体表面的颜色和光照没有要求, 物体边界的测量相对精确, 但缺点是速度慢, 对软质材料适应差, 而且测点分布可能不理想。非接触式测速高, 但是相对而言它的精度较低而且对表面和光照要求高 (如图2所示) 。
数据处理是阿童木建模逆向工程中的关键环节, 它的结果将直接影响后期模型重构的质量。此过程中经常包括以下几方面的工作:1) 数据预处理, 如噪声处理, 多视拼合等, 增强数据的合理性及完备性。2) 数据分块, 整体曲面的拟合往往较难实现, 通常采用分片曲面的拼接来形成整块曲面。3) 数据光顺, 通常采用局部回弹法、圆周率法、最小二乘法和能量法等来实现。4) 三角化 (STL) 直接为RPM产生切片数据和为Bezier三角曲面造型奠定基础。5) 数据优化, 压缩不必要的曲面片内的数据点, 减少后期计算量。6) 散乱数据处理, 对于具有较复杂形状的工件, 测量数据中必然有一部分是无序的, 须建立数据点间的拓扑关系。 (如图3所示)
在逆向工程中, 曲面的三维CAD模型重建是最关键、最复杂的工作。常用的曲面有Bezier, BSpline, NURBS和三角Bezier曲面等。基于曲线的曲面重建方法的原理是在数据分割的基础上, 首先由测量点插值或拟合出组成曲面的网格样条曲线, 再利用系统提供的混合、扫掠、曲线延伸等曲面造型功能进行曲面模型重建, 最后通过延伸、求交、过渡等操作, 将各曲面片光滑拼接或缝合成整体的复合曲面模型。基于测量点的曲面重建是直接对测量数据拟合, 生成曲面片, 最终经过对曲面片的过渡、拼接和剪裁等曲面编辑操作完成曲面模型的重建。在基于实物数字化的曲面重建中, 由于缺乏必要的特征信息, 以及存在测量和造型误差, 曲面光顺变得尤为重要。曲面的光顺性可按组成曲面网格的曲线的光顺准则判断, 一般认为曲线满足以下四条准则可认为曲线是光顺的:二阶几何连续;指位置、切线方向与曲率矢量连续, 简称曲率连续;不存在奇点与多余拐点;曲率变化小;应变能小。
将Imageware软件处理完的点云数据文件保存成IGS格式。在UG中, 通过打开命令将IGS文件导入, 通过曲线命令, 利用经过点的方式, 将一根曲线上的点依次连接起来, 完成一根曲线的构建, 并通过此方法构建其余的曲线 (如图4所示) 。
在UG中, 通过网格曲面命令将曲线依次选中, 构建模型曲面。通过缝合曲面命令对构建好的曲面进行缝合, 重新构建鼠标模型 (如图5、6所示) 。
首先将构建好的曲面进行实体化, 再根据图纸的尺寸及其他相关尺寸, 将阿童木的其他部分用UG构建出来, 最终得到一个完整的阿童木三维模型。从而实现模型的重新构建, 阿童木三维模型 (如图7所示) 。
在利用反求工程对阿童木进行逆向造型的过程中, 从数据采集、点云数据处理到重构模型, 均会产生误差。为了检验我们所构模型是否符合要求, 并找出造型的不足之处, 需要对鼠标的重构模型进行误差分析, 根据分析得到的误差值对重构模型的不足之处进行修改, 保证产品的开发及二次创新的顺利进行, 设计出满足生产要求的合格产品, 降低研发费用, 从而降低生产成本。
结合儿童玩具设计制造的特点, 采用逆向工程技术进行设计研究, 是一项开拓性、实用性和综合性很强的工作。利用激光跟踪扫描系统作为空间三维点数据的获取手段, 用逆向工程软件UG对获取的阿童木点云数据进行反求处理, 其重点难点是曲线的创建和诊断修改。只有满足曲线光顺, 曲面才能光顺, 曲面与点云的吻合精度也主要靠曲线中关键特征线的提取和创建精度来保证。采用逆向工程技术, 不仅能够得到原实物的精确的复制品, 而且可以进一步修改并生成完整的数学模型和产品图纸, 为产品的更改以及后续的数控加工带来了很大的便利, 大大地缩短设计开发周期, 提高了产品设计的工作效率。结论表明UG在逆向工程技术中的应用具有重大的意义。
摘要：介绍UG逆向工程技术的基本特点和工作流程, 以及UG曲面造型技术的主要功能, 结合儿童玩具实例探讨了UG曲面造型方法在逆向工程中应用的一般思路。研究表明, 将逆向工程应用于儿童玩具产品的开发过程中, 可以大大缩短开发周期, 保证产品质量。
关键词：逆向工程,UG,阿童木,数据采集,三维模型重构
[1] 成思源, 谢绍旺.Geomagic Studio逆向工程技术及应用[M].北京:清华大学出版社, 2010.
[2] 张良, 何雪明, 陈周, 等.基于零件模型的逆向造型研究[J].机械设计与制造, 2009 (12) :122-123.
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