逆向工程技术与应用论文

逆向工程技术与应用

Reverse Engineering Technology and Application

摘要：文章综合介绍了逆向工程技术基本概念，重点分析了逆向工程技术过程，包括数据读入、数据预处理、特征提取、模型优化与再设计，其中表面数字化和三维CAD建模是逆向工程中的关键技术，指出了应用领域，并给出了实际应用的案例。

关键词：逆向工程特征优化再设计

Abstract：The paper outlines the basic conception of Reverse technique, especiall the analysis of the technique process,including data capture，data preprocessing，feature extraction, model optimization and re-designing.Suface digitization and 3D CAD modeling are two key techniques in reverse engineering.Then introduce the application realm of reverse engineering technology and give an example．

Key words：reverse engineering feature optimization re-design

1 引言

新产品开发是企业确保市场竞争优势、维持企业生存及成长的重要机能。特别是面对产品更新换代加快．某些产品的市场寿命已经比新产品开发周期更短的环境．保持不断地推出适销对路的新产品．是企业能够在市场竞争中取胜的基础。

逆向工程技术(reverse engineering．RE)是相向工程技术而言的。也称为反求工程技术[]1。它是近年来发展起来的一种产品数字开发方法．它的出现极大地缩短了产品的开发周期。提高了产品精度．目前越来越受到人们的关注和重视[]2。传统的正向工程通常是从概念设计到图样．再制造出产品．也就是说，传统的设计是由未知到已知、由想象到现实的过程．是“从无到有”：而逆向工程是在现有实体测量数据的基础上重构其三维CAD信息模型的过程，将模型的格式文件加以转换．就可以被快速原型制造系统所接受．从而实现了产品的快速开发．其是”从有到新”。逆向工程包括数据读入、数据预处理、特征提取及建模、STL模型的优化与再设计。见图1。

图1 逆向工程流程图 2 逆向工程的技术过程

2.1 数据输入

数据的读入是进行逆向工程的第一步．将实体的表面进行数字化。根据数据测量方式的不同可分为接触式测量和非接触式测量。接触式测量方法通过测量探针与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置。根据测量探针的工作方式又可分为触发式和连续式测量。三坐标测量机是最常见的接触式测量方式。见图2。

非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理．将一定的物理模拟量通过适当的算法转换为样件表面的坐标点。其中较为成熟的是光学测量方法．有激光扫描、结构光、莫尔条纹、数字图像处理等

3 表面数字化技术

高效、准确地实现样件表面的数字化，是实现逆向工程的基础和关键技术之一。在逆向工程中，传统的数字化方法是采用接触式测量，其典型代表是三坐标测量机(Coordinate Measure Machine,CMM)。

CMM 通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动，并与表面接触时发生变形检测出接触点的三维坐标。CMM 对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度—（m μ5.0±），对物体边界喝特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量

特征曲面的规则零件反求特别有效。其主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略和路径。

随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的视觉测量技术得到飞速发展[]11,10。激光三角法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种主动式视觉方法。激光三角法具有测量速度快，可达到较高的精度（m μ10±）等优点。其存在的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，对突变的台阶和深孔结构易于产生数据丢失。

4 CAD 模型重建技术与软件

逆向工程三维CAD 模型重建后续产品加工制造、快速成型、工程分析喝产品再设计的基础，其目标是根据离散的数据点集构造出一段光滑、连续的CAD 模型，因此，模型重建技术是逆向工程的关键技术[]15,14。在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品形面往往由多张曲面混合而成。因此在曲线、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：先根据几何特征对点云数据进行分割，然后分别对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过度、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的CAD 模型。

测量数据分割完成后，根据曲面造型方法的不同，分为基于曲线的曲面造型方法和基于测量点的曲面造型方法。

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组成曲面的网格样条曲线，再利用放样、混合、扫描等曲面造型功能进行曲面重建，最后通过延伸。求交、过渡、裁剪等操作，将各曲面片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方法的原理是直接建立满足对数据点的插值或拟合曲面，既能处理规则点也可直接拟合散乱点。对于大量数据点，支持

曲面对点的最佳拟合。曲面一般选取B样条表示，在曲面重建中，能够构造出标准的B样条曲面。

基于断层数据的表面重建方法最早采用基于轮廓线的描述方法，后经发展，形成了如平面轮廓的三角形算法、基于表面轮廓的Delaunay等多种算法[]12。基于表面的优点是可以采用比较成熟的计算机图形学的方法进行显示，计算量小，运行速度快，借助于专业硬件支持，可以实现实时显示，但表面重建需要首先对断层图像进行分割以提取出断层数据，由于目前分割技术所限，缺少准确有效的方法，在分割时细节信息容易丢失。

5 基于STL模型的逆向工程实体建模

模型是以三角形集合来表示物体外轮廓形状的几何模型[]16。在实际应用中对STL模型数据是有要求的，尤其是在STL模型广泛应用的RP领域，对STL 模型数据均需要经过检验才能使用。这种检验主要包括两方面的内容：STL模型数据的有效性和STL模型封闭性检查。有效性检查包括检查模型是否存在裂隙、孤立边等几何缺陷；封闭性检查则要求所有STL三角形围成一个内外封闭的几何体[]17。文中讨论的STL模型重建技术中的STL模型，均假定已经进行有效性和封闭性测试，是正确有效的STL模型。

由于STL模型仅仅记录了物体表面的几何位置信息，没有任何表达几何体之间关系的拓扑信息，所以在重建实体模型中凭借位置信息重建拓扑信息是十分关键的步骤。另一方面，实际应用中的产品零件（结构件）绝大多数是由规则几何形体（如多面体、圆柱、过度圆弧）经过拓扑运算得到，因此对于结构件模型的重构来讲拓扑关系重建显得尤为重要。实际上，目前CAD/CAM系统中常用的B-rep模型即是基于这种边界表示的基本几何体素布尔运算表达的。

因此STL模型重建的过程如下：首先重建STL模型的三角形拓扑关系；其次从整体模型中分解出基本几何体素；重建规则几何体素；然后建立这些几何体素之间的拓扑关系，最后中间整个模型。