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    逆向工程CAD建模关键技术研究:逆向工程关键技术

    时间：2018-08-08来源：山茶花美文网 本文已影响 人 山茶花美文网手机站

    逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的数字化技术，针对其关键技术——产品数字化、数据处理和曲面重构等进行了研究，并就未来的发展进行了探讨。

    0前言

    逆向工程技术(reverse engineering，RE)，又名反向工程、反求工程，也可以叫做测量造型。逆向工程起源于精密测量和品质检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。目前大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”

    逆向工程是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的CAD模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，从而实现产品的再设计。特别强调再创造是反求的灵魂，它不是简单的复制或模仿，而是在原有基础上的再创造。它表征了一种CAD模型不存在的产品设计新方法。逆向工程的一般流程如图l所示。

    逆向工程CAD建模关键技术研究1

    图l 逆向工程流程图

    逆向工程CAD建模关键技术和研究，是加快我国产品创新设计的发展步伐所急需解决的重要工程。同时，逆向工程CAD系统和技术可广泛应用于汽车、摩托车、家用电器等复杂产品外形的修复、改造与创新设计;自然景物的计算机描述;人体拟合;如头盔、太空服等一些功能复杂、价格昂贵的产品的设计等。因此，这一研究具有广阔的应用前景，尤其是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业产品的快速CAD设计与制造水平，增强产品设计与制造中的高新技术含量，提高产品的市场竞争能力，具有重要的实际意义和经济价值。

    1 测量规划

    在实际的操作过程中，首先要进行测量前的规划。测量规划的目的是精确而又高效地采集数据。精确是指所采集的数据足够反映样件的特征，而不会产生误导;高效是指在能够正确表示产品特征的情况下，所采集的数据尽量少，所走过的路径尽量短，所花费的时间尽量少。

    关键字： AutoCAD 2009 Photoshop手绘 AutoCAD对象 中望CAD AutoCAD三维造型

    逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的数字化技术，针对其关键技术——产品数字化、数据处理和曲面重构等进行了研究，并就未来的发展进行了探讨。

    目前提出了一种基于元特征的复杂结构零件逆向测量规划技术。通过功能一结构映射，研究了复杂结构零件的元特征解耦机理，提取零件最小化特征单元。构建包含精度特性、特征复杂度等元特征属性的信息模型及包含测量精度等的测量方法信息模型。建立元特征和测量方法匹配评价影响因素集，研究特征属性的关系模型。在此基础上，通过定性评价和模糊定量评价两个步骤得到匹配优度量化值，实现了测量方法的定量化最优选择。然后。对分散的元特征进行组合，优化整个测量过程。

    2 数据采集

    数据采集，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因而，高效、高精度的实现样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中最基本、最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计师与逆向工程及CAD/CAM/CAE/RP/CNC之间扮演着桥梁的作用。可以这么认为，数据测量是逆向工程的基础，测得数据的品质事关最终模型的品质，直接影响到整个工程的效率和品质。

    目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。各种测量方法的具体分类如图2所示。

    逆向工程CAD建模关键技术研究2

    图2 实物数字化方法

    3 多视对齐

    工程实际中，为完成对整个物体模型的测量，常把物体表面分成多个局部相互重叠的子区域，从多个角度获取独立的点云，称为多视(multi-view)点云。由于在多次测量时所对应的局部坐标系是不一致的，必须把它统一到同一坐标系，消除测量间的重叠部分，以得到被测物体表面的完整数据，此处理过程即为多视数据的对齐(registration)。

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    逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的数字化技术，针对其关键技术——产品数字化、数据处理和曲面重构等进行了研究，并就未来的发展进行了探讨。

    数据处理中对多次测量数据的拼合问题也就是坐标变换问题。Faugeras和Hebert在1986年应用四元组算法(quaternion)来求解，以处理物体移动时物体对齐问题。S.A Run等人在1988年通过SVD分解(singular value decom position)来求两个对应点集的变换问题;Besl和Mckay在1992年提出了著名的ICP算法(iterative closest point algorithm)对齐方法，首先从一个点集、一条曲线或一个曲面中找到与一点对应的最近点，再用这个结果去找两个对应的点集，最后采用单位四元素法来找出两个点集的变换矩阵;Rutishauser等在1994年提出一种用三角面片分割阵列图像(range images)，然后用统计的方法来合并两个阵列图像的方法。与这些方法相比，三点定位法是一种简单实用的拼合法，但三点定位法只适用于一般场合，并不能应用在需要高精度和大测量范围的汽车和航空领域，如在汽车整车测量过程中，由于种种原因导致某部分数据没有纳入测量范围，一段时间后需补充部分数据，而所分布的参考点已经无法再用。此类问题的出现，用公共参考点来进行拼接已不再可能。

    目前提出一种新的多视曲面拼合的思路，即点纹法。它采用了高精度的纹路圈进行多视曲面的匹配，正因为所用的匹配纹路像手指上的指纹，故把它命名为点纹法。其基本思路：在被测曲面的多幅视图上，各选取一些重复区域上相对应的候选点，并构造出纹路圈，然后把纹路圈投影到点p的切平面上，这样就在切平面上形成了二维点纹，其他视图也如此，就可产生相对应的点纹，然后用改进的ICP算法对各幅视图的二维点纹进行自适应迭代，再经过基于径向基函数(RBF)神经网络对冗余数据进行融合处理。

    4 数据滤波

    受人为和环境因素的影响，测量的数据将包含噪声，为降低噪声对后续建模的影响，可对点云进行光顺处理，即滤波。常用的滤波算法有高斯(Gaussian) 滤波、平均(averaging)滤波和中值(median)滤波3种。高斯滤波指采样点的权重为高斯分布，平均效果小，故滤波时能较好地保持原形貌。平均滤波指采样点的值为各数据点的统计平均值。中值滤波指采样点的值为各数据点的统计中值，这种滤波可较好地消除毛刺。这3种方式可根据具体情况灵活应用。点云滤波主要是针对有序点云进行的，若点云无序，则可能出现意外结果。数据光顺与维持点云高精度在一定程度上是对立的，点云精度越高，可能光顺性就越差，而提高光顺度，则精度可能降低。因此操作时应根据产品的用途和要求合理地设置滤波参数。

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    逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的数字化技术，针对其关键技术——产品数字化、数据处理和曲面重构等进行了研究，并就未来的发展进行了探讨。

    目前提出的分块滤波技术可实现噪声点的快速、精确过滤，其基本思想是提取实体表面的特征分界线和具有明显几何特征的几何元素，依次将整个曲面分块，对平滑面片数据、特征分界线、明显特征几何元素分别进行噪声判断，这样可实现较为准确的过滤。除此以外，在数据采集过程中常采用取样(sampling)和弦差分(chordal deviation)进行数据精简，以减少数据采集量。

    5 曲面拟合

    通过CAD系统进行曲面重构，是反求工程技术的关键，也是反求技术的核心。目前，在反求工程技术中主要有3种曲面重构的方法。一是以B-spline曲线或NURBS(非均匀有理B样条)曲线为基础的曲面重构方法;二是以三角Bezier曲面为基础的曲面重构方法;三是以多面体方式来描述曲面物体。

    5.1 以NURBS曲线曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法

    复杂的自由曲面不能用初等解析式表示，通常用矢函数形式的参数曲面方程来描述，常用的参数曲面有Coons曲面、Bezier曲面、B样条曲面、 NURBS曲面等。这些曲面都是由基本函数和控制点定义的。常用的是采用以距离加权插值法为基础的B样条法。B样条方法的缺点是不能精确表示圆锥截线及初等解析曲面，曲线曲面的表达没有统一的数学描述形式，这就造成了产品几何定义的不惟一。1975年美国Syracuse大学的Versprille在他的博士论文中提出了有理B样条方法，后来Piegl和Triller等人将Bezier，有理Bezier，均匀B样条、非均匀B样条进行了归纳统一，从而提出了非均匀有理B样条方法(NURBS)，成为现代曲面造型中最为广泛流传的技术。NURBS方法的突出优点是：它可以在表示自由曲线曲面的同时，又能精确地表示二次规则曲线曲面，从而能用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面，其他非有理方法无法做到这一点。NURBS方法是非有理B样条方法在四维空间的直接推广，多数非有理B样条曲线、曲面的性质及其相应算法也适用于NURBS曲线曲面，便于继承和发展。

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    逆向工程是将实物模型转变为CAD模型的数字化技术，针对其关键技术——产品数字化、数据处理和曲面重构等进行了研究，并就未来的发展进行了探讨。

    5.2 以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法

    三角Bezier曲面构造方法对数据点的预处理要求不高，可应用于任意边界形状的散乱点数据，构造比较灵活，有很好的适应性，可以有效地处理散乱数据点。它的思路是将原始点云数据作为一个整体考虑，首先提取特征线(一般为曲率变化剧烈处)，并在此基础上构成初始的三角网格，然后将测量得到的型值点按曲率变化情况在三角网格中实现网格细分，最后运用三角Bezier曲面在网格的基础上构造光滑曲面。该方法的缺点是会产生相当的节点和面片，数据计算量大，结果的好坏对边界特征的提取、三角网格的剖分及细化依赖性很大。

    逆向工程CAD建模关键技术研究3

    图3 点云模型

    逆向工程CAD建模关键技术研究4

    图4 CAD模型

    6 结论

    给出了一个如图3所示的散乱点云例子，通过点云数据的处理，以及曲面的重构，最终得到如图4所示的CAD模型。目前数据获取中测量手段的应用过程仍是一个孤立的行为，测量过程中对后续的数据处理和模型建立，甚至快速加工的要求很少考虑。根据几何外形或者后续处理的要求进行特定方式的扫描是一个很重要的发展趋势。

    另外，由于没有准确还原零件原有的几何特征，也没有考虑客观存在的特征间的约束关系和模型的整体信息，孤立的拟合测量点形成的曲面模型不能表达零件高层次的结构特征信息，在产品改型、创新设计，特别是对自由曲面外形组成的零件模型，就存在编辑、修改和表达的困难，这一直是模型重建的难点。因此基于零件整体特征及约束的几何模型重建技术被提出，同时也代表着逆向工程中三维曲面模型重构技术发展的方向。

            注：更多请关注CAD教程栏目

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