巨野县营里镇人民政府
摘要：通过分析和研究逆向工程技术，提出了其关键技术为数据采集、数据预处理、数据分割、曲面重构和CAD模型建模，分析了逆向工程技术在产品设计中的应用，其能提高产品设计的准确性，大大缩短产品研发周期。
关键词：逆向工程数据采集曲面重构点云
0引言
在21世纪的今天，市场的产品变化很快，能不能很快制造出符合市场需要的商品是一个公司生存发展的关键。但由于很多原因我们只能得到简单的实物模型，无法得到图纸和相关的产品数据。因此就没有办法得到产品的数据尺寸，从而把极大地困难带给后续的制造技术和模具的制造。从而就急需一种能通过先进技术对实体进行处理进而将样品制造出来的技术，而逆向工程正是在这种背景下应运而生。
1逆向工程概述
逆向工程又叫反求工程或反向工程，它是根据一个实物产品，通过三维数字化扫描仪精确快速的测量事物的轮廓坐标，再通过三维CAD曲面重建并修改后传递给一般地CAD/CAM系统，再通过CAM编出刀具的程序传给CNC加工设备，从而制造相应的模具。单地说，逆向工程就是根据已存在的产品样件模型，进行解剖、深化和再设计，反向推出产品设计数据的过程。反向工程分为下面三类：
①实物反向：它是已经有了实物，经过测量和相关分析进而再生产。它有性能逆向、功能逆向、结构、材料等各方面的反向。而且这种反向的目标可以是一个整体可以是一部件也可以是一组件。
②软件反向：我们把产品的样本和设计书、产品的图纸和使用手册、相关的标准和质量保证文件等都叫做技术软件。它分为以下三类：有实物和全套技术软件的；只有全套技术软件的；只有实物的。
③影像反向：这种逆向没有技术软件也没有相关的实物，我们只能获得产品的一些广告图片和一些参观视频等，产品的研发人员只能根据这些资料去设计和构思产品，我们把这种反向叫做影像反向。
2逆向工程中的关键技术
逆向工程主要有数据的采集、数据的预处理、数据分割、曲面重构和CAD模型的建立等关键技术。
2.1 数据的采集
数据的采集首先是采用特殊的采集设备和特殊的采集方法测得产品轮廓的坐标数据，再把产品几何外形数字化。它的基本原理是：把要测量的产品放在三维坐标扫描仪器中，从而得到扫描点的坐标数据，再根据这些坐标数据，最后经过计算机数据的处理，拟合形成采集元素，如圆、圆柱、圆锥、球、曲面等，经过数学计算得出其外形、位置公差及其它相关的几何量数据。现有数据的采集方法主要有两种：
2.1.1 接触式数据采集：它包括触发式的数据采集、连续扫描式的数据采集、超声波法、磁场法等。接触式的数据采集经常三坐通过三坐标丈量机，测量时可通过实物的特征和测量的要求选择测头和方向，确定测量点数和它的分布，进而确定测量的路径，有时要进行碰撞的检查。接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度很慢，测量后还要进行测头补偿，数据量很小，不可能真正的反映实体外形。
2.1.2 非接触式数据采集：这种采集方法主要依据光学原理，它包括结构光法、激光三角形法、图像分析法等。非接触式数据的采集具有精度高和速度快的优点，可以避免因为接触压力以及测量摩擦力而产生的误差。而且测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头很难测量的部位，最大限度地体现被测量表面的真实轮廓。
2.2 数据的预处理
因为测量设备的缺陷、测量的方法和零件的表面质量的影响，使得测量结果含有误差，特别对于边界和尖锐边的数据测量。对原始数据预处理能够降低甚至消除误差对后面建模的影响。预处理包括：去除误差的点、精简数据、多视点云对齐、提取特征以及数据的分块等。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
2.2.1 去除误差点
误差点又叫失真点，它是由于测量设备的参数改变或者环境变化而造成的。若是人工测量会产生操作误差，所以数据预处理关键是找出潜在的误差点。在相同的一个截面扫描中，若一点和它邻近的偏差较大，我们就把这个点认为是一个误差点。判别误差点方法有：直观检查法、角度判断法、曲线检测法等。
2.2.2 数据的精简
通过测量仪器获得的数据点云非常密集，含有很多的冗余数据，不可能直接用来构造曲面。而且冗余的数据会浪费很多无效的运算开支进而大大降低几何建模速度。精简数据就是删减原始的点云和压缩冗余的数据。
2.2.3 点云对齐
在反向工程中，有时要测的产品尺寸会大于设备测量范围，所以要从多个视角测量来获取产品表面的全部数据。多视角测量就是把实物从不同角度装夹测量来获取实物的表面数据。因为每次测量的点集是在不同的坐标系下测得，因此必须进行数据对齐处理使各个坐标系统一，我们把这叫做多视点云对齐。
2.2.4 特征提取与数据的分块
特征的提取最重要的是在测量数据中筛选出便于生成特征曲线和特征曲面的点，再用这些点去生成特征线和面。而数据的分块是根据构成产品外形曲面的子曲面类型，再把属于同一个子曲面类型的数据分成一组。再把全部的数据分成不同曲面类型的数据区域，进而分别拟合单个去面片最后用过曲面相交、裁剪、倒圆等方法从而把多个子曲面缝合成一个整体。
2.3 曲面的重构
曲面重构是根据数据采集的信息来恢复原始曲面几何模型，它是反向工程的重要阶段。根据曲面重构的不同方法，它可分为：
2.3.1 基于曲线的曲面重建
这种方法的原理是以数据分割为基础在用测量的点坐标拟合出曲面的网络样条曲线，继而通过CAD/CAM系统提供的混合、放样、扫掠等功能进行重建曲面模型，在使用求交、过渡、剪裁等方法把各光滑子曲面拼接成一整体曲面。基于曲线的曲面重建是应用网格曲线来构造曲面，是规则形状产品的一种有效模型重构方法。
2.3.2 基于测量点的直接拟合
这种方法的原理是直接重构符合测量的拟合或插值曲面。它分为曲面逼近和曲面插值，其中曲面逼近是构建一个曲面使之在某一条件下最接近测量点数据，而曲面插值是构建一个顺序通过测量点集的曲面。这种方法可分为基于三边域的曲面重建和基于四边域的参数曲面重建。
3 逆向工程应用
在设计需要通过实验才能定型的产品模型时，我们就经常使用逆向工程的手段。比如在汽车、航空、航天等领域，经常要通过风洞等实验来建立符合空气动力学等的要求产品模型。然而这类产品大多是由复杂的曲面拼接而成。我们借助反向工程可把产品转换成三维CAD模型和模具。而往往在模具行业中，通常需要反复的修改原始的设计模具型面。把实物产品经过数据测量和处理使之产生和实际相符合的产品数字化模型，把模型进行修改后再进行加工这会大大的提高产品生产率。所以逆向工程对于改型设计方面可发挥着正向设计不可替代的作用。逆向工程在医学领域中，可以对人体外形测量，进行人体关节复制和制造假肢等功能。也可用于修复或者复制坏损的艺术品、文物、或者缺乏供应的损坏零部件等。
4 结论
逆向工程是一种整合实用性、开拓性以及综合性于一体的技术，通过逆向工程对产品设计不仅能大大提高产品设计精确性而且能大大缩小产品开发的周期。伴随着各种行业对快速创新产品的急需，逆向工程技术一定将发挥着广泛和不可替代的作用。
参考文献：
[1]王宵，等编著.逆向工程技术及其应用[M].北京：化学工程出版社，2004.
[2]张伟，姜献峰等.逆向工程误差剖析与质量控制[J].机电工程，2001，18（1）.
[3]金涛，童水光等.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003.
[4]许智钦，孙长库等.3D逆向工程技术[M].北京：中国计量出版社，2002.
[5]季劲松.逆向工程中三坐标测量数据处理的研究及系统开发[D].浙江：浙江大学，2002.1.
论文作者:彭道远
论文发表刊物:《建筑模拟》2018年第15期
论文发表时间:2018/8/30
标签：曲面论文; 测量论文; 数据论文; 产品论文; 工程论文; 误差论文; 实物论文; 《建筑模拟》2018年第15期论文;