“道路工程”課程設計的論文
摘要：本文針對產(chǎn)品外觀(guān)設計過(guò)程中逆向工程技術(shù)的應用進(jìn)行了探討，重點(diǎn)討論了與外觀(guān)設計緊密聯(lián)系的反求技術(shù)的運用及最新發(fā)展動(dòng)向，并就相關(guān)問(wèn)題提出了自己的看法。通過(guò)進(jìn)一步的研究尋找快速、準確、高效的產(chǎn)品外觀(guān)設計方法是這篇文章的宗旨。
關(guān)鍵詞：逆向工程快速采集曲面擬合三維測量技術(shù)
1、引言
作為一種新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)以及消化、吸收先進(jìn)技術(shù)的重要手段,逆向工程和快速原型技術(shù)可以勝任消化外來(lái)技術(shù)成果的要求。它們的出現改變了傳統產(chǎn)品設計開(kāi)發(fā)模式,大大縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的時(shí)間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。
當今，各個(gè)行業(yè)越來(lái)越注重產(chǎn)品的外觀(guān)設計，以此來(lái)吸引顧客，最終在商業(yè)上取得成功。這點(diǎn)在消費產(chǎn)品的設計中體現的尤為突出。特別是手機、數碼相機、汽車(chē)等行業(yè)。
1.1逆向工程及其應用范圍
在工業(yè)領(lǐng)域，往往會(huì )碰到根據模型或實(shí)物來(lái)構建其三維數字模型的需求。這就用到了逆向工程技術(shù)，逆向工程(ReverseEngineering)也稱(chēng)反求工程，是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)行測量即數字化采樣，然后根據測量數據通過(guò)三維幾何建模方法重建實(shí)物的CAD數字模型，從而實(shí)現產(chǎn)品設計與制造的過(guò)程。
逆向工程在工業(yè)制造領(lǐng)域的實(shí)際應用主要包括以下幾個(gè)方面：
a)新零件的設計，主要用于產(chǎn)品改型或仿型設計；
b)已有零件的復制和仿制，再現原產(chǎn)品設計．復雜產(chǎn)品仿制等；
c)損壞或磨損零件的還原，以便修復或重制；
d)產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形，檢測焊接質(zhì)量等，以急對加工產(chǎn)品與三維數字化模型之間的誤差進(jìn)行分析。
在制造業(yè)中，逆向工程已成為消化吸收新技術(shù)和二次開(kāi)發(fā)的重要建徑之一。作為改進(jìn)設計的一種重要手段，它有效地加快了新產(chǎn)品響應市場(chǎng)的速度。同時(shí)，逆向工程也為快速原型提供了很好的技術(shù)支持．成為制造業(yè)信息傳遞重要而簡(jiǎn)沽的途徑之一。
另外．逆向工程在文化藝術(shù)、醫學(xué)領(lǐng)域也有較好的應用，包括根據木制或泥塑模型進(jìn)行藝術(shù)美學(xué)設計，數字文物和數字博物館，虛擬手術(shù)等。
2、逆向工程的結構體系
逆向工程系統主要由三部分組成:產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是據采集、數據處理和模型的重建。
(1)數據采集
數據采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實(shí)物的二維、三維幾何數據,影響到重構的CAD實(shí)體模型的質(zhì)量,并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。
(2)數據處理
對于獲取的一系列點(diǎn)數據在進(jìn)行CAD模型重建前,必須進(jìn)行格式轉換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點(diǎn)等處理。
(3)模型重建
將處理過(guò)的測量數據導入CAD系統,依據前面創(chuàng )建的曲線(xiàn)、曲面構建出原型的CAD模型。
3、逆向工程研究及應用現狀
3.1基礎研究現狀
在逆向工程的基礎研究方面，國內外已做了大量的工作，主要集中在CAGD領(lǐng)域的曲面重構和實(shí)體重構算法研究。國際市場(chǎng)目前已出現了不少商用的逆向工程軟件系統。國內有關(guān)逆向工程的基礎研究也在不少單位內展開(kāi)，如浙江大學(xué)、華中理工大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，并取得了一定成果。
由于曲面重構的復雜性，逆向工程領(lǐng)域還有很多問(wèn)題值得研究，包括曲面重建和體視化技術(shù)、曲面造型方法、特征檢測等。
3.2應用研究現狀
作為先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，逆向工程的應用研究已成為國內外關(guān)注的熱點(diǎn)之一。
逆向工程廣泛應用于產(chǎn)品改型或仿型設計。西門(mén)子電氣的逆向工程小組通過(guò)對渦輪葉片進(jìn)行逆向設計，優(yōu)化設計方案，在不到12天的時(shí)間內就開(kāi)發(fā)出了用于其它方面的新型渦輪，目前該套系統已開(kāi)始對外提供逆向工程應用服務(wù)。采用光學(xué)掃描儀對水泵葉輪進(jìn)行數據采集，通過(guò)逆向設計完成水泵葉輪的三維造型。另外，在汽車(chē)的改型設計中奇瑞和通用都無(wú)一例外的應用了逆向工程技術(shù)。
在破舊零件的復原設計方面，2000年，波音公司應用逆向工程技術(shù)對波音747的尾翼進(jìn)行了復原設計，并在一個(gè)工作日內制造出了零件，為老式飛機的維修和零件更換提供了快捷途徑。
逆向工程在產(chǎn)品檢測和誤差分析方面也有較好的應用。早在90年代初．NASA就應用逆向工程技術(shù)開(kāi)展了一項重要研究，就是研究X-38飛行器與其CAD設計模型之間的匹配精度和誤差，以分析和驗證CFD(計算流體力學(xué))模擬的準確度。最近，AMT公司借助非接觸的撒光掃描儀和CAI（計算機輔助檢測)技術(shù)來(lái)提高零件檢驗的速度。掃描數據輸入CAI軟件，與CAD設計模型進(jìn)行比較和誤差分析并自動(dòng)生成檢驗報告。之前，AMT檢驗一個(gè)零件需要半天時(shí)間設置和數小時(shí)運行；現在只需半小時(shí)設置，實(shí)際檢測只要幾分鐘即可。
在醫學(xué)領(lǐng)域的應用中，采用CT斷層掃描技術(shù)獲得二維圖像，通過(guò)專(zhuān)用軟件進(jìn)行圖像處理和模型重建．獲得人體股骨的數字模型，用于人工關(guān)節定做式置換。國內外有人把逆向工程用于矯正牙套的設計中，通過(guò)對牙齒石膏模型進(jìn)行掃描測量和三維重建，獲得牙齒三維數字模型．然后基于該模型進(jìn)行修改和矯正，制造出一系列矯正牙套。目前，該技術(shù)在國外已投入商用．在國內上海交通大學(xué)也開(kāi)發(fā)出基于逆向工程的快速牙套設計和制造系統，并開(kāi)始初步應用。
總的來(lái)說(shuō)，國外在逆向工程研究和應用方面起步較早：國內逆向工程應用主要集中在復雜曲面零件的開(kāi)發(fā)和模具設計上。在汽車(chē)、航空、玩具等行業(yè)應用比較廣泛。
4、逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)
4.1實(shí)物數字化技術(shù)
即實(shí)物掃描的區域規劃及精度保證技術(shù),研究在掃描時(shí)影響測量精度的各種因素,保證精度而采用的方法和措施,檢查和驗證精度的方法;在進(jìn)行掃描區域劃時(shí)如何綜合考慮掃描精度、掃描效率和曲面擬合重構時(shí)的擬合精度、曲面拼接光順性問(wèn)題;零件基準測量的精度保證問(wèn)題。德立科技有限公司新推出的基于美國星科和普賽技術(shù)的柔性三坐標測量及激光掃描檢測系統FlexME代表著(zhù)新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE)和計算機輔助檢測(ComputerAidedInspection,CAI)系統已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)入中國。與傳統的三坐標測量或激光掃描系統不同,星科的柔性三坐標測量關(guān)節臂,以及基于該關(guān)節臂和普賽公司的激光掃描測頭的FlexME系統不僅測量精度高、速度快、柔性好、范圍大,而且輕巧易搬、對使用環(huán)境無(wú)特殊要求,可以用于機械產(chǎn)品的逆向工程、模具制造的計算機輔助檢測、產(chǎn)品加工裝配的在線(xiàn)或離線(xiàn)檢測。
4.2測量數據的預處理
即云狀數據處理技術(shù):研究高密度、大容量的點(diǎn)云數據的處理技術(shù),包括多次掃描點(diǎn)云的拼接問(wèn)題,掃描點(diǎn)云的數據簡(jiǎn)化問(wèn)題、云狀數據的特征提取問(wèn)題等。
4.3曲面重建技術(shù)
研究如何選擇合適的數學(xué)表示方法、擬合修改算法、控制參數及曲面重構方法。以得到高質(zhì)量、高精度的曲面模型�；谏窠�(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的研究最近報道較多,曾建江等采用了一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型和相應的快速學(xué)習算法應用于曲面重建。該模型可以有效地逼近曲面并剔除輸入數據點(diǎn)中的“壞”點(diǎn)。張偉等提出基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的三角網(wǎng)格方法可在有效保持原數據點(diǎn)集的拓撲特征的同時(shí)實(shí)現期望規模和精度的三角網(wǎng)格剖逆向工程的'關(guān)鍵技術(shù)及其研究。
4.4重構曲面的評價(jià)和檢驗問(wèn)題
研究對曲面的評價(jià)指標、檢驗方法以及修正工具。在SURFACER和很多CAD軟件中,都采用NURBS來(lái)表示曲面。它可以表示非常復雜形狀的曲面,但曲面的表示、顯示、操作都不能用很直觀(guān)的方式進(jìn)行,很難對曲面進(jìn)行評價(jià)、檢驗和修改。利用圖形的質(zhì)心和最小慣性主軸作為定位基準,可實(shí)現被測自由曲面與標準CAD模型的自動(dòng)對齊,為實(shí)現已知CAD模型的自由曲面的在線(xiàn)檢測提供了理論依據。但這種方法實(shí)現自由曲面的在線(xiàn)檢測還需克服一些因素的影響,如CMM實(shí)際測量系統的速度、實(shí)際測量路徑的轉換精度以及由于工件自身高度在工件處于視場(chǎng)中心以外的區域時(shí)給定位及測量精度帶來(lái)的影響。
5、逆向工程中相關(guān)技術(shù)的研究重點(diǎn)
5.1三維數字化技術(shù)
目前大多數測量系統是針對具體的應用而開(kāi)發(fā),數據處理往往針對特定的測量設備、測量對象,通用性差。需發(fā)展面向逆向工程的通用測量系統,高速、高精度地實(shí)現三維物體表面的數字化,并能根據幾何外形和后續應用選擇測量方式及路徑,能進(jìn)行路徑規劃和自動(dòng)測量。
5.2數據預處理
研究熱點(diǎn)還將集中于掃描點(diǎn)云的數據簡(jiǎn)化問(wèn)題云狀數據的特征提取問(wèn)題。
5.3曲面重建技術(shù)
基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的曲面重建技術(shù)的研究將會(huì )有很大前途,研究的重點(diǎn)是復雜的特征約束重建以及如何快速、準確地識別和還原出點(diǎn)云數據中的特征及約束,并且在保證有效約束的前提下如何提高特征模型重建的速度。
5.4重構曲面的評價(jià)和檢驗問(wèn)題
這方面的研究還較少,相信隨著(zhù)逆向工程在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用,在線(xiàn)檢測的使用和重構曲面的評價(jià)會(huì )引起大家足夠的重視的。
6、結論
產(chǎn)品的外觀(guān)設計越來(lái)越復雜化、多元化，使得逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品外觀(guān)設計中的地位顯得尤為重要。產(chǎn)品實(shí)物幾何外形的數字化、CAD模型重建、產(chǎn)品或模具制造都非常需要逆向工程技術(shù)的支持。
隨著(zhù)科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究工作的不斷深入，逆向工程中技術(shù)中現有的瓶頸將會(huì )被一一解除，產(chǎn)品外觀(guān)設計也會(huì )取得長(cháng)足的發(fā)展.
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