工業(yè)設(shè)計(jì)中的逆向工程技術(shù)論文
隨著工業(yè)技術(shù)水平及人們生活質(zhì)量、教育水平、審美水平的提高，互聯(lián)網(wǎng)的普及，普通消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量要求、品味也在不斷地提高，人們已不僅僅滿足于產(chǎn)品的基本功能，對(duì)產(chǎn)品的使用性能和外觀的要求也逐年提高，這些因素決定著產(chǎn)品在市場(chǎng)上的銷(xiāo)售曲線。如何快速有效地適應(yīng)市場(chǎng)的變化，設(shè)計(jì)出具有優(yōu)美形態(tài)的產(chǎn)品，逆向工程技術(shù)的出現(xiàn)，無(wú)疑為工業(yè)設(shè)計(jì)注入了新的方法和技術(shù)支持。
一逆向工程及其應(yīng)用概述
傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程通常是從概念設(shè)計(jì)到工程圖，再制造出產(chǎn)品，我們稱(chēng)之為正向工程(或正向設(shè)計(jì))，而產(chǎn)品的逆向工程是根據(jù)已有的實(shí)物(或零件或模型)生成工程圖，再制造產(chǎn)品。根據(jù)逆向?qū)ο蟮牟煌嫦蚬こ炭煞譃閷?shí)物逆向、軟件逆向、影像逆向三個(gè)類(lèi)別。在工業(yè)設(shè)計(jì)領(lǐng)域中逆向工程的實(shí)際應(yīng)用主要有以下幾個(gè)方面：(1)新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，主要用于新產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計(jì)或改型設(shè)計(jì);(2)已有產(chǎn)品的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖;(3)損壞或磨損產(chǎn)品的還原;(4)復(fù)雜產(chǎn)品的特征斷面設(shè)計(jì)提取;(5)數(shù)字化模型的檢測(cè)，如可以檢測(cè)產(chǎn)品的形變、焊接質(zhì)量等以及進(jìn)行模型的比較;(6)在美學(xué)與工程設(shè)計(jì)同等重要的領(lǐng)域，如交通工具設(shè)計(jì)領(lǐng)域，廣泛采用真實(shí)比例的模型來(lái)評(píng)估產(chǎn)品的美學(xué)和工程是否適合批量生產(chǎn)，此時(shí)逆向工程起到了關(guān)鍵性的作用。
逆向工程也稱(chēng)為反求工程、反向工程、三坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)繪、三坐標(biāo)的造型、抄數(shù)等。它是由已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ屯ㄟ^(guò)關(guān)鍵設(shè)備精準(zhǔn)測(cè)繪，認(rèn)真剖析其設(shè)計(jì)意圖并構(gòu)建其CAD模型，從而較快地實(shí)施產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案的先進(jìn)技術(shù)手段。
二逆向工程實(shí)施的硬件條件和軟件條件
1.逆向工程硬件條件
在應(yīng)用逆向工程技術(shù)設(shè)計(jì)時(shí)，需將設(shè)計(jì)對(duì)象(模型或零件)進(jìn)行三維數(shù)據(jù)的采集。因此，硬件檢測(cè)設(shè)備是逆向工程的核心硬件。目前的測(cè)量技術(shù)常用的有坐標(biāo)測(cè)量法、激光線結(jié)構(gòu)光掃描、層切圖像法、投影光柵法。常見(jiàn)的物體三維幾何形狀的測(cè)量方法分為接觸式測(cè)量與非接觸式兩大類(lèi)。接觸式是傳統(tǒng)的測(cè)量方式，測(cè)量過(guò)程中探頭與模型表面接觸，其典型代表為機(jī)械三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x(CMM)。此種測(cè)量技術(shù)已發(fā)展得較為成熟，其突出優(yōu)點(diǎn)是精度高(可達(dá)±0.5μm)，對(duì)被測(cè)對(duì)象的材質(zhì)和表面處理一般無(wú)特殊要求，對(duì)于只測(cè)物體表面特征曲面的零件，該測(cè)量方法非常適合。但由于該方法是接觸式測(cè)量，容易損傷探頭和劃傷被測(cè)物體表面，不能對(duì)軟材質(zhì)和超薄形物體進(jìn)行測(cè)量，難以實(shí)現(xiàn)快速測(cè)量。非接觸式測(cè)量是以現(xiàn)代光學(xué)為基礎(chǔ)，融合了電子學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)視覺(jué)等科學(xué)技術(shù)為一體的現(xiàn)代測(cè)量技術(shù)。相對(duì)于接觸式測(cè)量方法，非接觸式有眾多優(yōu)點(diǎn)：掃描速度快(可達(dá)到10000個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)/秒)、掃描精度高、對(duì)細(xì)微部分的掃描精度也不受影響。目前非接觸式測(cè)量方法比較具有代表性的是激光三角法及投影光柵法。
2.逆向工程軟件條件
逆向工程的`軟件眾多，但無(wú)論選用哪個(gè)逆向設(shè)計(jì)軟件，其逆向設(shè)計(jì)本質(zhì)是一樣的，即利用軟件所提供的各項(xiàng)工具，按照逆向建模的一般流程，即數(shù)據(jù)的輸入—線—曲面進(jìn)行的。將建模策略、曲面結(jié)構(gòu)分析和逆向工程設(shè)計(jì)流程緊密結(jié)合，才能很好地完成曲面重構(gòu)。
與正向CAD建模軟件相比，逆向工程軟件具有數(shù)據(jù)處理、特征識(shí)別、曲線擬合編輯修改、曲面造型及高級(jí)幾何處理、CAD/CAM/CAE集成等優(yōu)點(diǎn)。目前，專(zhuān)門(mén)用于逆向工程的軟件有Imageware、GeomagicStudio、CopyCAD、RapidForm四大專(zhuān)業(yè)逆向工程軟件，一些大型的CAD軟件也都為逆向工程提供了設(shè)計(jì)模塊，如Creo(Pro/E升級(jí)版)、CATIA等都有相應(yīng)的逆向工程設(shè)計(jì)模塊。而對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)的學(xué)生、設(shè)計(jì)師常用的三維建模軟件是Rhino或Alias，Rhino有相應(yīng)的逆向工程設(shè)計(jì)插件RhinoResurf來(lái)加強(qiáng)逆向設(shè)計(jì)，可以快速地從網(wǎng)格模型的基礎(chǔ)上重構(gòu)出覆蓋模型的NURBS曲面塊，曲面精度比較好，光滑度高，曲面之間的拼接連續(xù)性可達(dá)到G1連續(xù)。Alias是目前最為專(zhuān)業(yè)的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，集正向設(shè)計(jì)與逆向設(shè)計(jì)于一體的強(qiáng)大工業(yè)設(shè)計(jì)軟件。
三逆向工程技術(shù)在工業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)踐中的應(yīng)用
本文選用Alias軟件作為實(shí)踐軟件，Alias軟件是集正向和逆向?yàn)橐惑w的專(zhuān)業(yè)工業(yè)設(shè)計(jì)軟件，巧妙地將設(shè)計(jì)與工程、藝術(shù)和科學(xué)連接起來(lái)，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)設(shè)計(jì)領(lǐng)域。Alias逆向工程就是用Alias提供的工具按一般逆向流程，即點(diǎn)云處理—曲線生成/處理—曲面生成/處理流程。本文以汽車(chē)后視鏡為例進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明。
1.點(diǎn)云的處理
在Alias中的點(diǎn)云數(shù)據(jù)一般是以三角網(wǎng)格面的方式顯示的，因此也常常被稱(chēng)為網(wǎng)狀點(diǎn)云。通常在Alias中的點(diǎn)云的處理方式有：(1)減少點(diǎn)云數(shù)量，從理論上來(lái)講，網(wǎng)狀點(diǎn)云的數(shù)量越多，曲面的顯示精度就越高，但如果點(diǎn)云數(shù)據(jù)超過(guò)一定的數(shù)據(jù)量，不但沒(méi)有提高顯示精度，反而會(huì)影響Alias軟件的操作速度。(2)拆分點(diǎn)云、剪切點(diǎn)云，通常產(chǎn)品都具有對(duì)稱(chēng)性，保留一半的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，重構(gòu)一半的曲面，再利用Alias的層對(duì)稱(chēng)很容易得到整體曲面。本文處理后的后視鏡點(diǎn)云數(shù)據(jù)，如圖3所示。
2.曲面拓?fù)浞治?/p>
在進(jìn)行逆向重構(gòu)曲面前，對(duì)產(chǎn)品的整體形態(tài)與局部形態(tài)的分析是必要的，分析曲面的拓?fù)浣Y(jié)果，有助于順利完成重構(gòu)曲面。大體的思路同正向建模一樣，分析出基礎(chǔ)曲面(也叫大面)和過(guò)渡曲面以及倒角，以及過(guò)渡全面與基礎(chǔ)曲面是如何連接的。打開(kāi)曲面曲率檢查有助于分析曲面的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
3.特征線提取
Alias的特征線的提取主要依靠截面線進(jìn)行。Alias提供CrossSectionEdit工具創(chuàng)建X、Y、Z三個(gè)方向上的截面線，可以根據(jù)實(shí)際要求選擇三個(gè)方向，并可控制其疏密度，過(guò)疏或過(guò)密都對(duì)曲面重構(gòu)不利。本文的例子中三個(gè)方向都選，Alias可自動(dòng)分成X、Y、Z三色圖層，紅綠藍(lán)(RGB)三色，正是代表XYZ三個(gè)方向，如圖4所示。
圖3處理后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)圖4截面線
CrossSectionEdit工具創(chuàng)建的點(diǎn)云數(shù)據(jù)截面線，由于其數(shù)據(jù)量大，與點(diǎn)云貼合緊密，不適合直接作為重構(gòu)曲面的特征線，因此，要?jiǎng)?chuàng)建高質(zhì)量的新曲線來(lái)擬合截面線。主要利用FitCurve自動(dòng)擬合工具創(chuàng)建高質(zhì)量曲線，所謂高質(zhì)量曲線有兩個(gè)原則：CV(ControlVertex)點(diǎn)排列光順，盡量少的CV點(diǎn);高曲率的位置多放置CV點(diǎn)，低曲率的位置少放置CV點(diǎn)。
4.曲面重構(gòu)
依據(jù)曲面拓?fù)浞治�，按照基礎(chǔ)面—過(guò)渡面的建模思路重構(gòu)曲面。對(duì)于逆向重構(gòu)曲面，保證重構(gòu)曲面與點(diǎn)云的貼合度是關(guān)鍵，利用特征線通過(guò)四邊面、路徑掃描、曲面拉伸等工具構(gòu)建基礎(chǔ)面，然后反復(fù)運(yùn)用高級(jí)建模工具進(jìn)行倒角作面、光順對(duì)齊、混接曲面得到過(guò)渡曲面，整個(gè)過(guò)程中通過(guò)拉動(dòng)CV點(diǎn)來(lái)保證曲面與點(diǎn)云貼合度是常用的辦法。最終完成曲面。
5.數(shù)據(jù)的評(píng)估
為了讓數(shù)據(jù)能夠順利地輸出給下游的工程軟件，防止破面、少面等狀況，以及保證數(shù)據(jù)的質(zhì)量，必須對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估和處理。評(píng)估內(nèi)容包括：檢查有理性、圓周性、有無(wú)重復(fù)節(jié)點(diǎn)、曲面的法向是否統(tǒng)一等。
四結(jié)束語(yǔ)
逆向工程對(duì)工業(yè)設(shè)計(jì)本身而言只是一項(xiàng)先進(jìn)的工具手段，和設(shè)計(jì)師本身的理念、創(chuàng)意并沒(méi)有太大的關(guān)系，但掌握了這項(xiàng)先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段之后將對(duì)設(shè)計(jì)師理念的再現(xiàn)、創(chuàng)意的闡述起到關(guān)鍵的作用。相信這項(xiàng)技術(shù)必將推動(dòng)工業(yè)設(shè)計(jì)達(dá)到新的高度。Alias同時(shí)具有正向與逆向、精確與靈活的特點(diǎn)，并將設(shè)計(jì)與工程、藝術(shù)與科學(xué)連接起來(lái)，對(duì)于工業(yè)設(shè)計(jì)師進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)具有重要意義。
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