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现代制造工程2007年第2期CAD /CAE /CA PP /CAM

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逆向工程技术及其应用

李志新1,黄曼慧2,成思源3

( 1 重庆大学 ,重庆 400030; 2 广东商学院信息学院 ,广州 510320; 3 广东工业大学机电学院 ,广州 510090)

摘要:表面数字化和三维CAD建模是逆向工程中的关键技术。对目前逆向工程中的表面数字化及CAD建模技术进行总结和分析,给出应用实例,并指出存在的不足和进一步发展的方向。

关键词:逆向工程; CAD建模;表面数字化

中图分类号: TP391文献标识码: A文章编号: 1671—3133 ( 2007) 02—0058—03

Reverse eng ineer ing techn ique and its applica tion

2 主 2 2

L i Zhi xin1 , Huang M an hui2 , Cheng Si yuan3

( 1 Chongqing University, Chongqing 400030, CHN; 2 Guangdong B usiness College,

Guangzhou 510320, CHN; 3 Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, CHN ) Abstract: Surface digitization and 3D CAD modeling are two key techniques in reverse engineering. The state of arts of these two

techniques are summarized and analyzed, and the app lication examp les are also given. Finally the future development of reverse

engineering technique is given.

Key words: Reverse engineering; CAD modeling; Surface digitization

逆向工程技术( Reverse engineering technique)过分依赖于测量者的经验,特别是对于几何模型未知要包括两方面的研究内容[ 1, 2 ],一是实物表面数据的的复杂产品,难以确定最优的采样策略与路径。

获取,即表面数字化技术;二是对测量数据进行处理随着快速测量的需求及光电技术的发展,以计算

生成三维模型,即表面重建技术,国内外学者针对这机图像处理为主要手段的视觉测量技术得到飞速发两项内容也进行了大量的研究。下面分别对逆向工展[ 3, 4 ]。激光三角法是目前最成熟,也是应用最广泛

程中的数字化技术、CAD模型重建技术及软件技术的的一种主动式视觉方法。激光三角法具有测量速度

现状进行综述。快,可达到较高的精度(±10μm )等优点。其存在的

1 表面数字化技术主要问题是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感,存在由遮挡造成的阴影效应,对突变的台阶

高效、准确地实现样件表面的数字化,是实现逆和深孔结构易于产生数据丢失。

向工程的基础和关键技术之一。在逆向工程中,传统投影光栅法的基本思想是把光栅投影到被测物的数字化方法是采用接触式测量,其典型代表是三坐表面上,受到被测样件表面高度的调制,光栅投影线标测量机( Coo rdinate M easure M achine, CMM )。发生变形,变形光栅携带了物体表面的三维信息,通CMM 通常是基于力2变形原理 ,通过接触式探头过解调变形的光栅影线,从而得到被测表面的高度信沿样件表面移动,并与表面接触时发生变形检测出接息。投影光栅法的主要优点是测量范围大、速度快、触点的三维坐标。CMM对被测物体的材质和色泽没成本低、易于实现,缺点是精度较低(±0 02mm ) ,只, 可达到很高的测量精度( 0 5μm ) , 对能测量表面起伏不大的较平坦物体,对于表面变化剧有特殊要求±

1 1

物体边界和特征点的测量相对精确,对于没有复杂内烈的物体,在陡峭处往往发生相位突变,使测量精度

部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则大大降低。

零件反求特别有效。其主要缺点是效率低,测量过程由于以上方法均无法测量物体的内部轮廓,因而

3 广东省自然科学基金项目( 5300090 )

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现代制造工程 2007年第 2期

断层测量近年来被认为是最有发展前景的数字化方 中 ,能够构造出标准的 B 样条曲面。

法而受到重视 [ 5 ] 。断层测量是利用计算机断层扫描

基于断层数据的表面重建方法最早采用基于轮 技术沿某一方向逐层扫描实物断面获得一系列截面 廓线的描述方法 ,后经发展 ,形成了如平面轮廓的三 图像的测量方法。断层数据的采集方法分为非破坏 角形算法、基于表面轮廓的 Delaunay 等多种算法 [ 5 ] 。

性测量和破坏性测量两种 , 非破坏性测量主要有 CT 基于表面的优点是可以采用比较成熟的计算机图形 测量法、MR I 测量法、超声测量法和激光测量法等 ,破 学方法进行显示 ,计算量小 ,运行速度快 ,借助于专用 坏性测量主要有层去扫描法。目前 , 设备价格昂贵、 硬件支持 ,可以实现实时显示 ,但表面重建需要首先 获取数据的精度较低 ,对实物的材料有所限制是非破 对断层图像进行分割以提取出断层数据 ,由于目前分 坏式方法的主要不足 ,而破坏式方法相对来说精度较 割技术所限 ,缺少准确有效的方法 ,在分割时细节信

高 ,但不宜用于单件或贵重零件的测量 ,而且花费时 息容易丢失。

间较长。 伴随着逆向工程及其相关技术理论研究的深入

由于 CMM 的测量精度与视觉方法在测量速度以 进行 ,其成果的商业应用也日益受到重视 ,涌现出了 及范围方面的优势 ,基于 CMM 与视觉方法集成的数 大量的商业化逆向工程 CAD 建模系统。当前 ,市场上

字化方法也格外受到学者们的重视。其基本思路是

提供了逆向建模功能的软件达数十种之多 ,但大致可 先由视觉系统提供一个被测物体的初始整体模型 ,再 以分为两类: 一是专用的逆向软件 , 如 Im ageware 、 由该模型引导 CMM 进行有针对性的测量 ,从而提高 Geomagic 、Polyworks, 、CopyCAD 、ICEM Surf 和 RE soft CMM 的测量效率以及弥补视觉技术在精度方面的不 等 ,二是提供逆向处理模块的正向 CAD /CAM /CAE 软

足 [ 6 ] 。

2

件 ,如 PTC 的 Pro / scan tools 模块、UG 的 Po int

cloudy 2 CAD 模型重建技术与软件

功能等。一般 ,无论是专用的逆向软件 , 还是提供逆

向模块的正向 CAD /CAM /CAE 软件 ,在整个逆向工程

逆向工程三维 CAD 模型重建是后续产品加工制

的 CAD 模型建构上 ,都还不具备优秀而又理想通用的

,

其目标 ,

在当前的逆向 CAD 建模中 ,结合实际中不

造、快速成形、工程分析和产品再设计的基础 处理能力

2 是根据离散的数据点集构造出一分段光滑、连续的 同需求的逆向特点 ,将通用型 CAD /CAM 软件与逆向 CAD 模型 ,因此 ,模型重建技术是逆向工程的关键技 软件相结合 , 是有效解决曲面重建工程问题的重要 术 [ 1, 2 ] 。在实际的产品中 , 只由一张曲面构成的情况 方法。

不多 ,产品形面往往由多张曲面混合而成。因此在曲

3 逆向工程技术应用 线、曲面拟合之前还要进行的工作是数据分割。由于

组成曲面类型的不同 , CAD 模型重建的一般步骤为 : 实体逆向工程

先根据几何特征对点云数据进行分割 ,然后分别对各 的应用需求主要有

个曲面片进行拟合 ,再通过曲面的过渡、相交、裁剪、 两方面: 一方面 , 作 倒圆等手段 ,将多个曲面“缝合 ”成一个整体 ,即重建 为研究对象 , 产品 的 CAD 模型。 实物是面向消费市

测量数据分割完成后 , 根据曲面造型方法的不 场最广、最多的一 同 ,分为基于曲线的曲面造型方法和基于测量点的曲 类设计成果 , 也是 面造型方法。 图 1 鼠标点云

最容易获得的研究 基于曲线的曲面重建方法的原理是在数据分割

对象; 另一方面 , 在

的基础上 ,首先由测量点插值或拟合组成曲面的网格 产品开发和制造过 样条曲线 ,再利用放样、混合、扫掠等曲面造型功能进 程中 , 虽已广泛使 行曲面重建 ,最后通过延伸、求交、过渡、裁减等操作 ,

用了计算机几何造 将各曲面片拼接或缝合成整体的复合曲面模型。

型技术 , 但是仍有 基于测量点的曲面重建方法的原理是直接建立 许多产品 , 由于种

满足对数据点的插值或拟合曲面 ,既能处理规则点也 种原因 , 最初并不 可直接拟合散乱点。对于大量数据点 ,支持曲面对点 是由计算机辅助设 的最佳拟合。曲面一般选取 B 样条表示 ,在曲面重建 图 2 重建的鼠标 CAD 模型 计模型描述的 , 设

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