2023年逆向工程技术在机械领域的应用.doc

逆向工程技术在机械领域的应用 逆向工程技术已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为实现新产品快速开发的重要技术手段。介绍了逆向工程的概念、技术流程、测量系统、常用软件以及实际应用。    逆向工程技术(Reverse Engineering)是近几年迅速开展起来的一门新兴学科，也称为反求工程。从广义讲，逆向工程可分为：实物逆向、软件逆向和影像逆向三大类。在机械领域中，逆向工程应用主要集中在实物逆向，即在没有产品零件图纸或者图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，按照现有零件的实物，利用3D测量系统获取数字化信息，再通过CAD技术重新构造实物CAD模型的过程。它与传统的正向设计有着很大差异。通过逆向工程所获得的CAD模型，再经过CAM或RP系统可以复制一个外型尺寸相同的零件实物。逆向工程与顺向工程如图1所示。                 逆向工程技术已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为实现新产品快速开发的重要技术手段。一般来说，逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面。在机械领域的实际应用中，主要包括以下几个方面：①对已有零件的复制，再现原产品的设计意图；②当原始设计不可得时，用于对已有产品的改型或仿型设计；③在设备维修中对个别损坏或磨损零件的复制；④在美学设计特别重要的领域，通常采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，再通过逆向工程进行设计；⑤当设计需要实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法，例如，在航天航空领域，为了满足空气动力学等要求，需要进行风洞实验的产品模型；⑥数字化模型的检测，如检验产品的变形分析、焊接质量以及零件实物与CAD模型的比拟等。                     1逆向工程数据采集技术                 数据的采集是指通过特定的测量设备和测量方法获取产品外表离散点的三维几何坐标数据。高效、准确地采集到产品外表的三维几何坐标数据，是实现逆向工程的根底和关键技术之一。根据测量的方式不同，可以将三维测量设备分为接触式和非接触式两大类型。                   1．1接触式测量系统                 接触式三坐标测量机(Coordinate Measure Machine，CMM)可谓接触式测量的代表。接触式三坐标测量机通常是基于受力变形的原理，通过探头测取三维几何坐标数据。操作者事先设计规划好测量途径与方式，三坐标测量机便会按照所指定的路径测取三维几何坐标数据。一般来说，接触式三坐标测量机测量较稳定，易于定位，测量精度高，对被测物体的材质和色泽没有特殊要求。其主要缺点是测量效率低，测量探头的半径必须进行补偿，并且有可能会出现探头测不到的盲区。使用自动测量还有较多的参数必须决定，包括探头形状和大小、扫瞄间隔、步进距离、误差容许量、扫瞄速度、扫瞄方向等，这些都过分依赖操作者的经验，特别是在测量复杂产品零件时，确定最优的采样策略和路径较困难。另外，由于存在测量力，接触式三坐标测量机无法在一些软质外表进行测量。                     1．2非接触式测量系统                 非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。在逆向工程中最为常用是较为成熟的光学测量方法。其可分为：①基于光学三角形原理的激光扫描法；②基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法；③基于工业CT断层扫描图像法；④立体视觉测量方法。使用非接触测量产品零件测量速度快，不需要进行探头半径补偿。由于不存在测量力，可对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描。但工件坐标定位较困难，测量精度较低，陡峭面不容易测量，另外被测产品零件外表特征(颜色、反光度、粗糙度、形状等)对测量的精度影响较大。                                     2逆向工程的数据处理及常用软件                 数据处理是逆向工程的一个重要的技术环节，它决定了CAD模型重建过程是否能够方便、准确地进行。使用测量设备测取的三维几何坐标数据都是一些离散点的点云数据，其中存在着噪声点，所以还需要相应的软件来处理点云数据。点云数据的处理包括噪声去除、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等诸多方面。目前比拟常用的逆向工程软件有：                 (1)Geomagic。美国RainDrop(雨点)公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。处理复杂形状或自由曲面形状时，效率比传统CAD软件提高了10倍。另外还可为新兴应用提供理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。                 (2)Imageware。作为UG NX中提供的逆向工程造型软件，ImageWare具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。                 (3)CopyCAD。英国DelCam公司系列CAD产品中的一个，主要处理测量数据的曲面造型。作为一个系列产品的一局部，CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成，为用户的使用提供方便。                 (4)RapidForm。韩国INUS公司开发的逆向工程CAD软件。主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以方便地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。                                     3实施逆向工程的步骤                 逆向工程设计实施步骤如下:                 (1)设计前的准备工作。设计之前应确定设计的整体思路，对实物模型进行系统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的根本构成形状的曲面类型，这些关系到相关软件的选择和软件模块确实定。                 (2)零件原形的数字化。根据测量对象的特点确定扫描方法以及扫描设备，利用3D扫描测量设备来获取零件实物外表点的三维坐标值。                 (3)提取零件的几何特征。按测量数据的几何属性对其进行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是基于区域分割法。区域分割法将相似几何特征的点划为同一区域，具有明确的几何意义，是较为常用的分割方法。                 (4)零件CAD模型的重建。将分割后的三维数据在CAD系统中分别做外表模型的拟合，并通过外表片的拼接获取零件实物外表的CAD模型。                 (5)重建CAD模型的检验与修正。由于测量得到的数据点往往存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理，提高曲面质量。另外还要检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求的应进行适当的调整修改，直至到达零件的设计要求。                                                 4应用实例                                 某化工企业搅拌机的叶片由于损坏且购置不到配件，使用逆向工程技术构造CAD模型用于加工。笔者使用的扫描设备是美国三维数码公司(3D Digital Corp．)产品，型号为Optix 400S。扫描前先将叶片实物喷上光学测量的显影粉(图2)。                 扫描过程中，每扫描完一次需要将零件转过一定的角度再扫描，直到将所有的面都被扫到为止。特别要注意的是零件扫描的面要与上一次扫描的面具有一定的重合局部，并且重合的局部要有一些特征点(如尖角、边角等)，否那么在后期点云处理时这两次扫描的数据点云没方法拼接。如果实在找不到特征点，扫描前需要手工制作标记，待点云数据拼接完后，删除标记处的数据，再在逆向工程软件中使用补洞的功能将这一局部补起来。全部扫描结束后，笔者使用Geomagic软件将数据文件导入进行后处理，生成CAD模型(图3)。使用Geomagic软件可以输出igs、stl、stp、dxf、obj等多种格式的文件，可被在CAD／CAM领域广泛应用的软件，如UG、PRO／E、CIMATRON、CATIA、SOLIDWORK等导入。                     5结束语                 逆向工程技术以其独有的特点已广泛应用于新产品的开发、模具的设计、旧零件的复原等许多方面。但目前来说还存在着较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等。随着测量设备和软件智能化的开展，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的缺乏。发表时间：2023-1-25  韩立洋 郭旭红