逆向工程曲面重构中建摸策略的研究

逆向工程技术(Reverse Engineering,RE)也称之为反求工程技术，是近年发展起来的一门实用化程度较高的新产品开发技术.它是指在没有技术文档的情况下，针对现有的三维实物，利用现有的数字化测 设备准确、快速的测得轮廓几何数据，并加以建构、编辑、修改生成通用箱出格式的曲面数字化模型，再送人通用的CAD/CAM中或RP系统中. 后复制出实物或原形的过程。逆向工程解决了在产品外观设计已经注册或由于商业机密，原厂不提供CAD资料的情况下.利用逆向工程工具，把原始CAD资料还原出来，它大幅度的缩短新产品开发周期，降低新产品的开发成本，是一项实现敏捷制造的重要先进制造技术。目前，逆向工程在航空业、汽车业、摩托行业、家用电器及工艺品行业得到不同程度的应用，它可以分为影像反求、软件反求和实物反求三个方面.其中实物反求是现代反求工程的主要内容。实物反求就是指利用3D数字化设备如实地测量出实物或模型表面的三维坐标点，即测量点云.再通过反求软件对侧量点云进行处理和分析，来构造其CAD模型及设计的过程。
   
    反求过程主要包括三维坐标点的测量、数据处理和曲面模型重建三大模块，由于受侧量设备和反求软件的影响，这三个环节对复杂外形产品来说做起来都比较费时费力加之实际问题当中反求对象的多样性，导致RE建模过程的复杂性，致使建模效率较低。许多学者进行了逆向工程建模技术的研究。但把它系统化，形成专门的建模理论来指导反求工作的并不多，因此这里针对逆向工程通用软件Surfacar,对反求过程中的曲面建模方法进行理论研究，以指导建模过程.提高CAD模型重构的效率。
   
    1   RE曲面建模策略的研究
  
    反求过程遵循着由点直接拟合曲面或由点到曲线、由曲线到曲面的过程，曲面建模方案的好坏直接影响建模的速度和精度。在曲面建模的研究中，我们可按以下两种方式进行建模。
   
    1.1基于曲面特征的曲面建模策略
   
    现代工业产品的设计通常遵循简单到复杂的设计原则.即由简单的平面曲线或曲线族经过拉伸、旋转、扫成或蒙皮等规则来生成复杂的曲面摸型或实体模型，这些都是基于曲面特征建模策略的基础，商用的CAD平台如UG,PRO/E等都提供了参数设计的特征造型功能。基于曲面特征的建模策略是指据点云遭染显示或曲率分析图，结合所测实体的实际表面形状，识别各种曲面特征，如平面、二次曲面、简单的自由曲面，过波曲面等.然后进行合理的点云数据分块，再通过三维特征间的拓扑约束生成表面模型。基于曲面特征的建模策略遵循着由曲面特征识别，点云分块，到曲面拟合过程，在模型重建过程中溶人的主观因素比较少，不因操作者的不同而产生很大的差异，且方便快捷易于操作。下面以实例来描述基于Surface软件通过曲面特征来解决复杂曲面建模的过程。
   
    图1(a)所示为深圳思瑞公司的SEHEIN设备扫描摩托车一个部件的激光测量数据，该模型空间尺寸约为380 x 200 x 50在数据侧量中，由于受外部环境影响及设备振动装夹等原因，不可避免的引人噪声数据，因此，首先对原始数据进行去噪处理，删去外界干扰形成的点及不在扫描线上的杂点，减少其对重建模型精度的影响，进行处理后，数据中包含了卯名列拓个点，然后对处理后的点云进行渲染，可以三角化，也可以给点群打上光源使各面产生颜色变化，识别各面，这里采用后者，得到的点云谊染效果图如图1中(b)所示，再结合实际物体的表面形状，识别其曲面特征，进行点云分块，该模型表面主要由八个平面和一个自由曲面组成，分别抽取各分块点云，然后结合曲面成形特征拟合曲面。图1中(c)为上顶面点云通过截面线经扫掠而形成直纹曲面，经拟合误差分析，偏差已经达到± 3 mm，分析如图1中(e)所示,(d)为上顶面点云直接拟合阶数为3D的B样条曲面。偏差控制在±0.2 mm，分析如图1中(f)所示，显然s样条曲面拟合效果好。然后依各分块点云逐个拟合出其它曲面，其中块z拟合如图1(g)所示，该产品的拟合精度被控制在±0.2mm范围内，拟完所有曲面后，经过曲面间编辑、补漏、光顺，结果如图1(h)所示。
   

    1. 2基于截面特征曲线的曲面建模策略
   
    由于工业产品本身的多样性和复杂性，在设计过程中原始特征的形态通过裁剪等编辑手段不断演化，因而在曲面重构过程中难以识别任意复杂的自由曲面特征，因而利用基于截面线特征曲线的曲面建模策略是实现带复杂曲面模型反求的重要手段。该方法对点云的测量精度、去噪处理及操作着水平要求较高.以保证所得到截面线特性的类似性。下面以实例来描述如何通过截面特征曲线来解决复杂自由曲面的建模过程。
   
    图2中(。)所示为某工艺品的实测点云数据，其空间尺寸大小约为60x 45 x 75，全部数据在同一坐标系下分为四次完成，数据块之间有很多重叠区域，首先对原始数据进行去噪处理，然后再提取压缩，数据中包含了292 224个点。该模型表面由许多自由曲面组成，曲面较复杂，不可能像上面摩托车部件那样，进行曲面识别，点云分区，由分块点云拟合曲面，所以对其采用沿Z向进行非均匀切片，由切片获得的点云拟合自由曲线，拟合自由曲线的精度由其控制点数决定，控制点越多.与原始点云的拟合精度越高，但加大了拟合曲线整体调整的难度，具体选择时应根据所反求物体的表面复杂程度来确定，该工艺品在截面曲线拟合时控制点选择为3Q个，拟合误差被控制在0.0984 mm范围之内，拟合的自由曲线如图2{的所示，精度分析如图2(d)所示，然后由这些自由曲线构造蒙皮曲面，过程如图2(e)所示， 后经过补漏光顺结果如图2( f)所示。
   

    2结论
   
    以上两种建模策略是反求过程中曲面重构的基本方法，其中基于曲面特征的曲面建模策略操作容易，拟合曲面较光顺，应用的相对比较广泛，但对于曲面特征已经演化，难以识别其曲面特征的产品来说，基于截面特征曲线的曲面建模策略行之有效，因此在工艺品反求中使用较多，有些产品的表面重构可能会同时使用两种建模策略，具体操作中选用那一种建模策略，取决于所反求产品实际表面的曲面复杂程度，所以把握住所反求产品的表面特征，选择恰当的建摸策略，才能保证构造出来的曲面符合要求。通过以上方法反求的产品，虽然不可能保证所反求的每一个曲面按其原始设计特征成型，但通过曲面或曲线拟合的偏差控制，可以反求出满足其工作性能的原形产品。复杂曲面CAD建模繁琐、费时，通常需要有熟练的技巧和经验，但如果能有有效的CAD建模理论的指导，会大大提高RE建模过程的效率。