逆向工程在曲面建模质量控制中的应用

介绍逆向工程最新技术动态和最新理论、结合软件介绍该技术和理论的实行方法。

    1、逆向工程

    当今逆向工程在产品工业设计过程中运用得愈加广泛。逆向工程是一种从模型对象表面获得的点数据出发，使我们能在计算机内生成一个已存在模型实物的替代品的技术。事实上，许多设计者热衷于手工地做出目标模型，目的是一方面将自己的概念设计以一个更真实的方式展现其外形；另一方面，为的是评估模型的实际尺寸能否实现所要求的性能。一旦其最终造型确定，为了产品设计过程和生产计划的顺利实现，有必要通过多种计算机辅助软件（CAD、CAS、CAID)构造一个虚拟模型诠释该模型。在整个过程中，一个重要的环节是从测量得到的点云数据重建曲面。通常，在一个点密集的数据里，很难找到创意师设计的造型特性，这会导致最终实现的产品和最初的设计模型造型的不一致性，有必要对所建立的曲面进行修复从而使误差减到最小以得到最佳效果。很明显，这些修复过程实际上是对设计工作的一种重复，蕴含着产品投放市场的相对滞后和相当大的成本增加。国外许多研究者在做这项工作。以意大利为例，许多先进企业的产品开发者如DEMO公司、IDEA公司等致力于开发一些辅助软件工具以使CAD的操作者能够快速地控制从点云数据出发到重建曲面的响应过程。所提及的控制是指如何有效地发现误差。所应用的软件有Pro/SURFACE和CDRS，这两种PTC曲面设计软件给设计者灵活控制曲面形状提供了较大的自由度，能使设计者易于实现个性化的应用而获得高质量的曲面。

    产品造型的重要性绝不亚于产品功用，因为造型是最直观具体的。工业领域市场的不断发展推动着企业开发新产品。为获得良好的商业效果，产品的外观正变得越来越重要。设计者们通过对曲面构建技术的提高和相关材料的制约来提高产品外形质量。对逆向工程而言，在产品设计和生产过程中如何实现和产品最初设计的造型一致显得尤其重要。如今有许多CAS(Computer Aided Styling)和CAID(Computer Aided Industry Design)软件，它们的目的是支持或扩展设计者的创造性，同时通过对产品虚拟模型的分析，允许设计者的设计概念能传递到那些与产品开发及生产有关的人员那里。这里的虚拟模型，我们不妨理解为产品在计算机里通过某种软件展示的模型。实际上逆向工程是一个从已有产品模型出发定义几何数据并通过这些数据在一个CAD环境下重建产品的数字化或参数化模型的过程。它的整个过程大体上通过两种方法实现，可以用图1来表示。

    建模首先从采集数据开始，可以通过多种系统获得。如今盛行激光测量技术能采集到用传统测量手段难以取到的点数据，但随之也产生了密度相对很大的点云。在点云分区后接下来的阶段就是重建CAD曲面。近年来，在建造三维CAD模型方面兴起了两个主要的研究领域，其一为自由曲面的构建；第二是形状较规则的模型建立。对于前者，侧重拟定点云数据的自动分片分区，然后单个的被划分出的点云片由CAD操作者用数学曲面NURBS或BEZIER近似逼近形成。对于后者则注重建立CAD模型的方法、减少后续产品开发和生产环节中各参与者自我主观意向对产品的影响。总的来说，产品的外形设计诞生在第一阶段，因此曲面建模是整个开发及生产过程的基础，而这项工作需要设计者较多的时间投入和高水平要求，即使是使用先进的Pro/ENGINEER软件也要求操作者是曲面设计的专家。Pro/ENGINEER软件对完成后的曲面能进行质量分析，但这种质量评估忽略了点云数据所包含的信息的重要性，除了对曲面本身特性如高斯曲率、梯度等的分析外，只检查曲面和原始点云之间的距离值。当这些评估要素是针对点非常密集的云片时就显得明显不足，会失去对外形真实性的控制。



图 1

    许多研究者竭力想开发一些软件以控制曲面外形使其与设计者的意图有最好的吻合。产品外形设计过程在不同的企业有不同的方式，但共同的目标是一致的，即让最终成型的产品完好地体现造型设计的理念。最初的产品造型设计具有多样的个性解决技巧，它们可以分成两大类别 ：第一种是在CAS系统的支持下实现三维虚拟模型。虽然这些先进软件能较好地处理视觉效果，但90%的情况下这些处理对于有效的外观评估是不够的。这是因为一个二维屏幕上的比例图像很难精确地毫无缺陷地模拟实际的外形，特别是当模型的外观曲面很复杂时。因此各零件通过快速成型技术而获得实际的客观模型来评估、修改并控制其质量，但缺陷是 ：该项技术是非常昂贵的；为了获得最佳外形效果需要随之而来的反馈回去的重复性的大量修改工作 ；快速成型技术在成型产品尺寸上有局限性。第二种是采用易于塑造制作的材料手工地实现真正的客观模型，当然这种模型可根据需要选取不同比例，即时下盛行的“泥型制作”。设计者直接在此模型上评估并决定为获得最好的外形质量所需做的修改。一旦该模型被确认、设计者“冻结”该外观造型，就可以进行下续的逆向工程、必要的CAD模型和产品生产。后一种手段在当今工业设计生产中占有至少