逆向工程中关键技术的研究现状和发展趋势

逆向工程中关键技术的研究现状和发展趋势 摘要:随着测量技术和计算机技术的发展,以实体为研究对象,利用逆向工程技术对产品进 行建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大热点。本文阐述了逆向工程的基本概 念。重点分析了逆向工程的几个关键技术,包括:数据测量,数据处理,曲面重构,模型重 建。分析了逆向工程中曲面建模存在的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,并且对其发展趋势进行了展望。 关键词:逆向工程数据测量数据处理模型重建 1 引言 逆向工程也称反求工程或反向工程,是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型,并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进,是对已有设计的再设计。从广义讲,逆向工程可分以下三类: (1)实物逆向:它是在已有产品实物的条件下,通过测绘和分折,从而再创造;其中包括功能逆向、性能逆向、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。 (2)软件逆向:产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 和 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类:既有实物,又有全套技术软件;只有实物而无技术软件;没有实物,仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向:设计者既无产品实物,也无技术软件,仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等,设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品,该种逆向称为影像逆向。目前,国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向,即重建产品实物的C A D ,称为“实物逆向工程”。 2 逆向工程数据测量技术 数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据,将产品的几何形状数字化。其测量原理是:将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内,可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置,根据这些点的空间坐标值,经过计算机数据处理,拟合形成测量元素,如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等,经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。 现有的数据采集方法主要分为两大类: (1)接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。 接触式数据采集通常使用三坐标测量机,测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向,确定测量点数及其分布,然后确定测量的路径,有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头,触发探头又称为开关测头,当测头的探针接触到产品的表面时,由于探针受理变形触发采样开关,通过数据采集系统记下探针的当前坐标值,逐点移 动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括:机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。 采用触发式测头的优点在于:适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量;触发式探头的通用性较强,适用于尺寸测量和在线应用;体积小,易于在狭小的空间内应用;由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态,测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制,不能测量到被测零件的一些细节之处,不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触,测量速度慢,测量后还要进行测头补偿,数据量小,不能真实的反映实体的形状。 (2)非接触式数据采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集,主要包括:激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。 非接触式数据采集速度快、精度高,排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差,避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题,获得的密集点云信息量大、精度高,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难以测量的部位,最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头,由于没有力的作用,适用于测量柔软物体;非接触式探头取样率较高,在50 次/ 秒到23000 次/ 秒之间,适用于表面形状复杂,精度要求不特别高的未知曲面的测量,例如:汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响(颜色、光度、粗糙度、形状等)的影响较大,目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大,保持在10 微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。 总之,在可以应用接触式测量的情况下,不要采用非接触式测量;在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量;考虑测量成本且能满足要求的情况下,尽量采用接触式测量;对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量;对离算点的测量采用扫描式;对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量 时采用非接式测量方法。 3 逆向工程数据处理技术 数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节,它决定了后续CAD 模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量,测量数据可以分为一般数据点和海量数据点;根据测量数据的规整性,测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点;不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的,且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此,在利用测量数据进行CAD 重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括:数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。 每个CAD/CAM 系统都有自己的数据格式,目前流行的CAD/CAM 软件的产品数据结构和格式各不相同,不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接,而且直接影响了CMM 与CAD/CAM 系统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准(IGES、STE P 、AutoCAD 的DXF 等)来实现数据通讯。 在逆向工程实际的过程中,由于坐标测量都有自己的测量范围,因此无论我们采用什么测量方法,都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次完全测出。产品的数字化不能在同一坐标系下完成,而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里,这个数据处理过程就是多视数据定位对齐(多视点云的拼合)。多视数据的对齐主要可以分为两种:通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐;事后数据处理对齐。采用事后数据处理对齐又可以分为:对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐研 究研究中,出现了多种算法,如ICP 算法;四元数法;SVD 法;基于三个基准点的对齐方法等。 数据平滑的目的是消除测量数据的噪声,以得到精确的数据和好的特征提取效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌,中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。 运用点云数据进行造型处理的过程中,由于海量数据点的存在,使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用,因此,可以在保证一定的精度的前提下减少数据量,对点云数据进行精简。目前采用的方法有:利用均匀网格减少数据的方法;利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法;利用误差带减少多面体数据点的方法。数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型,将属于同一曲面类型的数据成组,划分为不同的数据域,为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。目前的分割方法有:基于参数二次曲面逼近的数据分割方法;散乱数据点的自动分割方法;基于CT 技术的数据分割方法。 4 曲面重构技术 根据数据采集信息恢复原始曲面几何模型被称为曲面重构, 曲面重构方法可以分为: 函数 excel方差函数excelsd函数已知函数     2 f x m x mx m      2 1 4 2拉格朗日函数pdf函数公式下载 曲面拟合法、矩形域参数曲面拟合法、三角曲面拟合法、神经网络拟合法。 (1) 函数曲面拟合法 此方法是用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据, 最终得到足够光滑的曲面。它的优点是原理比较简单, 只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面, 但也容易造成计算的不稳定, 同时边界的处理能力也比较差, 一般用于拟合比较简单的曲面。 (2) 矩形域参数曲面拟合法 双三次B-sp1ine法、NURBS法、Coons法都属这类拟合。其中最简单、常用的是采用以距离加权插值法为基础的双三次B- sp1ine法。文献[8] 研究了逆向工程中截面测量数据的B样条曲面拟合问题,结合二分法和最小二乘法, 提出并实现了截面数据的B样条曲面拟合算法。该算法在满足指定精度的条件下, 对测量数据有较大的压缩率, 同时利用B样条具有跨界曲率自连续性使得曲面片间的光顺性得以简化。而在主流的逆向工程软件中NURBS曲面造型应用得更为广泛, 这主要是由于它能精确表示解析实体和自由曲面, 具有优良的局部形状控制能力和几何不变性。但NURBS曲面重建不适合于大规模散乱数据点, 必须首先将数据量压缩, 再进行曲面重建。 (3) 三角曲面拟合法 目前主要有三角Bezier曲面法, 它具有构造灵活、边界适应性好的特点, 优点主要是概念简单、数据压缩量大, 并在自适应曲面逼近的过程中不需要对整个曲面进行重构, 而只改变有关区域, 所以速度快。缺点在于所构造的曲面模型不符合产品描述标准, 与现有的CAD/ CAM软件系统接口很难, 并且这种方法生成的三角网格数目一般都很庞大, 需要用专门的算法对网格进行简化处理。为了克服这些缺点, 文献[ 9] 中提出一种基于三角Bezier 曲面模型初始表达的跨平台产品逆向工程CAD建模策略, 既能利用三角Bezier曲面的优势, 又能有效地与通用CAD软件集成。文献[10] 针对逆向工程中三角曲面片逼近过程遇到的曲面片内部点不足问题, 提出了一种基于局部三角Bzier曲面片逼近的点插补算法。利用该算法插补所得的点, 不仅精度比较高, 而且分布也比较均匀, 非常适合后续曲面片构造的需要。 (4) 神经网络拟合法 20世纪90年代神经网络技术也引入到曲面重构的领域, 其中最早出现的方法是利用了 BP(Back Propagation) 算法的训练和学习建立一个神经网络模型来解决曲面的重构问题。BP算法是神经网络学习中一种被广泛采用的算法, 具有简单、有效、易于实现的优点, 并且算法的收敛速度较快。但是由于算法本身的特点, 对算法参数的选择有很大的难度, 易导致拟合效果达不到最优。文献[11] 提出了基于SOFM( Self-Organizing Feature Map) 神经网络的大规模散乱点数据压缩方法, 并建立了重构矩形拓扑整体网格和三角拓扑整体网格神经网络模型, 有效的解决了稳定性问题。 5 逆向模型重建技术 在整个逆向工程中,产品的三位几何模型CAD重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的CAD 模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前,设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息,而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续应用问题。目前使用的造型方法主要有: (1)曲线拟合造型:用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据,最终得到足够光滑的曲面。曲线是构成曲面的基础,在逆向工程中常用的模型重建方法为,首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线,然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。优点是原理比较简单,只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面,但也容易造成计算的不稳定,同时边界的处理能力也比较差,一般用于拟合比较简单的曲面。 (2)曲面片直接拟合造型该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合,获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点,也可以处理散乱数据点。算法有:基于有序点的B 样条曲面插值;B样条曲面插值;对任意测量点的B 样条曲面逼近。 (3)点数据网格化 网络化实体模型通常是将数据点连接成三角面片,形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法:基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上,反复排除节点和面片,构建新的三角形,最终达到指定的节点数;寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。 6 逆向工程曲面建模存在的问题 逆向工程技术主要包括零件数字化、特征提取和建模。零件数字化技术发展相对成熟,已有相关的商品化设备。但无论是接触式还是非接触式测量,普遍存在的问题是标定、精度、测量的可及性、阻塞、噪声、样件的公差分布等,尤其是噪声点,对后续处理带来极大的不便。特征提取就是建立能够刻画曲面形貌的特征线或属于统一特征的面,常用的方法有基于边的方法、基于面的方法和两种方法的混合。建模就是采用何种曲面形式对点云进行描述,自动化建模过程中,曲面的分块和拟合之间是一种相互关联、相互制约的关系,如果知道曲面的具体形式,就可以很容易地判断属于它的点集;同样,如果能够知道哪些点属于同一个曲面,也可以找出最适合的曲面类型对其进行拟合。然而这两点却均不可求,因此即使是一个比较简单的实体,进行自动分块也是一件困难的事,需要通过交互方式或迭代方式给出,这也是逆向工程研究的热点之一。 用自由网格曲面构造物体是要很长时间完成,从几分钟到几个小时不等,误差对于工程应用来说是很大的。此外重构物体是由许多面片组成,这些面片对于造型处理起来也不直观。另一个问题是大多数算法对各向异性的图形数据要做很多工作。所有这些问题表明:逆向工程中现有的算法对于工程应用也不很成熟,需要研究新的技术和方法 7 发展趋势 (1) 如何高效、准确地实现实物表面数据采集。作为逆向工程实行的第一步, 实物数字化直接关系到模型重建的准确性。目前基于CAD模型的实物测量技术成为研究重点, 这种在有CAD模型指导的情况下进行测量的技术, 消除了测量中由于人为因素而造成的误差, 也提高了效率。相信以三维CAD环境为中心, 根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径、进行路径规划和自动测量将成为今后的研究方向。 (2) 如何高效的进行数据预处理。随着非接触式光学扫描技术的广泛应用, 测量所得的数据量将越来越大了, 高效的数据处理算法就显得尤为重要。同时数据预处理方法的选择应该决定于测量数据的后续应用。 (3) 如何保证曲面重建时既能准确反映原始曲面的信息又能提高效率。特别是多个子曲面拼合时整体特征的识别更为重要, 曲面整体的光顺评价也值得注意。 (4) 集成技术的研究。发展基于集成的逆向工程技术, 包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术, 基于网络的协同设计和数字化制造技术等。 参考文献: [1]金涛.逆向工程技术[M ].机械工业出版社,2003.8. 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