逆向设计的基础流程及关键技术

逆向设计的基础流程及关键技术

摘要逆向工程技术是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术，是CAD领域中一个相对独立的范畴。逆向工程是一项开拓性、综合性、实用性较强的技术，逐渐成为产品开发中不可或缺的一环。逆向工程能够提高设计精度，获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期。逆向工程的关键技术包括:数据获取、数据处理和模型重建。通过对数据处理方法进行研究，得到数据处理的一般流程。根据根据玩具车覆盖件的特点，采用逆向工程方法完成模型重建工作。采用A TOS I光学扫描仪高效率、高精度地完成玩具车覆盖件的数据获取工作。应用CATIA软件完成玩具车覆盖件的数据处理工作，获得完整、准确的数据以方便后续模型重建工作的进行。以CA TA软件和Pro/E软件相结合的方法，充分利用软件的优势，完成玩具车模型的重构工作。

研究表明，采用逆向工程技术的方法完成玩具车覆盖件的模型，可以获得较高的模型质量，提高效率，是一种行之有效的方法，具有重要的实际意义和较高的应用价值。

关键词逆向设计CA TIA Pro/E CAD 关键技术

1逆向工程技术的现状及应用

逆向工程技术是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进技术的一系列分析方法以及应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。逆向工程的应用领域大致可分为以下几种情况：2 逆向设计的基础流程

逆向工程一般可分为四个阶段:

1.零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

2.从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。

3.零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。

4.重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复

以上过程，直至达到零件的设计要求。

3 逆向工程的关键技术

3.1曲面重构技术

在逆向工程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速成型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数字模型的支持[21]。这些应用都不同程度的要求重建的CAD模型能准确的还原实物样件，而这个工作的进行受两个因素的影响。一是设备硬件，包括数字化设备和造型软件；二是操作者(包括测量和造型人员)的经验。CAD模型重构主要有两种方法：一是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建成曲面(曲面片)；二是直接对测量数据拟合，生成曲面(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构建。

3.2曲线拟合

造型曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一种常用的模型重建方法是，先将数据点通过插值(Interpolation)或逼近(Approximation)拟合成样条曲线(或参数曲线)，再利用造型工具，如Sweep、Blend、Lofting、四边曲面(Boundary)等，完成曲面片造型，最后通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型。

3.3曲面片直接拟合造型

上述的先拟合数据点为曲线，再由曲线进行曲面造型的方法仅适合处理数据量不大(如CMM测量数据)、而且数据呈有序排列的情况。曲面模型重建的另一种方法是直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面直接拟合造型既可以处理有序点，也能处理点云数据(散乱点)。

3.4曲面光顺

在基于实物数字化的曲面模型重建中，由于缺乏必要的特征信息(指连续性要求信息)，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[23]。到目前为止，光顺仍是一个模糊的概念，一条曲线光顺与否，常因人而异，缺乏统一的判据。一般曲线满足以下四条准则，可认为曲线是光顺的：

(1)二阶几何连续(指位置、切线方向与曲率矢连续，简称曲率连续，记为G2)；

(2)不存在奇点与多余拐点；

(3)曲率变化较小；

(4)应变能小。

4 接触式、非接触式数据采集方法

接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。(1)触发式数据采集方法。(2)连续式数据采集方法。

非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，它有激光三角法、激光测距法(Laser Triangulation Methods)、结构光法(Structured Methods)以及图像分析法(Image Analysis Methods)等。

结论

本文结合逆向工程技术在工业中的应用，研究了逆向工程的关键技术及其在实际应用中需要注意的问题。主要研究工作和成果概括如下:

1、在对接触式和非接触式测量方法的基础上，分析不同测量方法的优缺点，得出要根据工作的具体需要来选择合适的测量设备和测量方法的结论，并应用ATOS I光学扫描仪高效率、高精度的完成摩托车覆盖件的数据获取工作。

2、对数据处理方法进行研究，得出逆向工程数据处理的一般流程，并应用CAD软件完成覆盖件的数据处理工作，获得完整、正确的数据以方便后续模型重建工作的进行。

3、了解曲线曲面的基本理论，得出结论:在建模过程中要准确反映设计意图，根据建模要求选择适当的曲面准则，不需要一味地追求高质量的曲面，只需保证建模的速度和质量。

4、介绍CATIA和Proe软件，充分利用软件的优势，完成玩具汽车模型的重构工作。

总之，采用逆向工程技术完成摩托车覆盖件的模型重建能够提高设计精度，获得较高的模型质量，缩短设计和制造周期，使产品能够快速进入市场提高企业的竞争力，具有重要的意义。

参考文献

[1] 李春玲.复杂曲面激光测量与重构相关技术研究[D].山东大学硕士学位论

文.2005.4.26

[2] 赵艳平.逆向工程在摩托车覆盖件建模中的应用[D].西南交通大学硕士学位论

文.2006.4

[3] 谢斌.逆向工程在汽车覆盖件成形技术上的应用[D].合肥工业大学硕士学位论

文.2005.5

[4] 金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社，2003

[5] 许智钦，孙长库.3D逆向工程技术[M].北京:中国计量出版社，2002