基于逆向工程的三維曲面重構(gòu)軟件的研究

王曉輝，劉清榮，郭 楠

（赤峰學院 建筑與機械工程學院，內(nèi)蒙古 赤峰 024000）

1 逆向工程

逆向工程(RE，Reverse Engineering)又稱之為反求工程、反向工程.它是指在無設計圖紙或圖紙不完整的條件下，通過某種測量儀器或光學設備，對實物或模型進行測量，以獲取實物或模型的數(shù)據(jù)信息.根據(jù)獲取的數(shù)據(jù)信息，再通過相應的處理軟件，將實物或模型轉(zhuǎn)變成工程CAD模型的過程.

產(chǎn)品的正向設計是經(jīng)由概念設計，到繪制圖樣，再通過設備制造出產(chǎn)品的過程，也成為正向工程(或順向工程).而逆向工程則與正向工程的設計方法不同.逆向工程是一種逆向思維的工作過程，它是先對已有產(chǎn)品的設計原理、結(jié)構(gòu)、材料、工藝裝配等方面進行分析研究，在此基礎上進行創(chuàng)新，對產(chǎn)品的性能、結(jié)構(gòu)形狀等方面進行改進，以滿足設計與市場的需求.逆向工程就是一個“認識原型一再現(xiàn)原型一超越原型”的過程[1].

逆向工程技術的快速發(fā)展與廣泛應用，為新產(chǎn)品的開發(fā)提供了重要的技術支持，同時也使得逆向工程技術的應用領域不斷拓寬.逆向工程分為數(shù)據(jù)的獲取、數(shù)據(jù)預處理、曲面重構(gòu)、CAD模型構(gòu)造以及快速成型等五大關鍵技術.其中曲面重構(gòu)是產(chǎn)品建模的重要環(huán)節(jié)，曲面重構(gòu)的效果直接關系到后續(xù)產(chǎn)品模型的品質(zhì).

隨著計算機技術的快速發(fā)展，近年來與逆向工程技術相關的軟件在新產(chǎn)品設計開發(fā)中得到越來越多的應用.許多逆向工程技術的理論研究逐步向逆向設計軟件中轉(zhuǎn)化，大大提高了產(chǎn)品的開發(fā)效率和質(zhì)量，推動了逆向技術的快速發(fā)展.

2 三維曲面模型重構(gòu)軟件

在逆向工程技術中，常用的專業(yè)三維曲面重構(gòu)軟件有Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio、Rapid Form、Re-Soft和QuickForm等[2]，此外還有一些非專業(yè)的逆向設計軟件，如：UG、Pro/Engineer、CATIA和 SolidWorks等自帶逆向工程插件的三維重構(gòu)軟件.

2.1 Imageware軟件的應用

Imageware是常用的一種逆向工程軟件，它提供了逆向工程、A級曲面設計和曲面評估方面的功能，廣泛應用于汽車、航空、航天、家電、模具、計算機零部件領域.Imageware包含定量和定性的模型評價工具，可以對產(chǎn)品進行質(zhì)量誤差檢測，通過將加工好的實際零件與其CAD模型相比較，使得在產(chǎn)品開發(fā)過程中既能保持設計和工程意圖，又能保證產(chǎn)品質(zhì)量誤差檢測.Imageware曲面模塊提供功能強大的曲面拼接能力，允許相臨近的曲面片在邊界位置作位置、相切及曲率連續(xù)的約束處理，同時提供豐富的選項以精確控制結(jié)果.此外，Imageware還提供了多種創(chuàng)建曲面的方法，及強大的曲面診斷和修改功能.

2.2 CopyCAD軟件的應用

CopyCAD是由英國DELCAM公司出品的功能強大的逆向工程系統(tǒng)軟件.該軟件可以將數(shù)字化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成為CAD模型，主要應用于汽車設計和消費性產(chǎn)品制造業(yè)等.CopyCAD能夠接受三座標測量機、探測儀和激光掃描器所測到的數(shù)據(jù)，用自身的反饋系統(tǒng)將已存在的零件或?qū)嶓w模型的測量數(shù)據(jù)，生成三維CAD模型.CopyCAD具有模型編輯功能和曲面順滑功能，可以生成具有高質(zhì)量的復雜曲面.大部分逆向工程系統(tǒng)軟件僅能造出四邊曲面，而CopyCAD可以用較少的曲面表達規(guī)定的區(qū)域，在不損失模型精度的前提下，顯著提升CAD模型的效率.CopyCAD利用多邊剪裁曲面，亦可簡化在既有的特征上建立幾何平面的過程，并確保不同區(qū)域?qū)崿F(xiàn)順滑交接.CopyCAD簡單的用戶界面允許用戶在盡可能短的時間內(nèi)進行生產(chǎn)，并且能夠快速掌握其功能，既使對于初次使用者也能做到這點.

2.3 Geomagic Studio軟件的應用

Geomagic Studio是美國Raindrop Geomagic軟件公司推出的逆向工程軟件.對于在逆向工程中的應用，通過Geomagic Studio可以獲得完美無缺的多邊形和NURBS模型.在處理復雜形狀或自由曲面形狀時，生產(chǎn)效率比傳統(tǒng)CAD軟件效率更高.該軟件還可與所有主要的三維掃描設備和CAD/CAM軟件進行集成，作為一個獨立的應用程序可以對CAD軟件進行功能補充.Geomagic Studio可滿足嚴格要求的逆向工程、產(chǎn)品設計和快速原型的需求.借助Geomagic Studio能夠?qū)⑷S掃描數(shù)據(jù)和多邊形網(wǎng)絡轉(zhuǎn)換成精確的三維數(shù)字模型，并可以輸出各種行業(yè)標準格式.相比于其它逆向工程軟件，Geomagic Studio軟件的優(yōu)點是從點云處理到三維曲面重建的時間通常只有同類產(chǎn)品的1／3[3].

2.4 Rapid Form軟件的應用

Rapid Form是由韓國INUS Technology公司推出的專業(yè)逆向系列軟件.Rapid Form軟件從點云處理、多邊形模型構(gòu)建到NURBS曲面，各種處理模塊都在Raoid Form得到有效的集成，具有高度的集成環(huán)境.Rapid Form利用其更加直觀、快速和精確的方式，將多邊形轉(zhuǎn)化為剪切或未剪切的NURBS曲面，使從點云到構(gòu)建多邊形模型和NURBS曲面之間存在的問題得到完整的解決.Rapid Form的多邊形優(yōu)化功能可將任意多邊形模型調(diào)整到用戶要求的形態(tài).多邊形的數(shù)量、光滑度、細化、孔填充和多邊形數(shù)據(jù)的一致性等，在Rapid Form中均能有效地得到控制.此外，Rapid Form提供各種在多邊形上構(gòu)建曲線的方法，如截面線、投影線和各種插值曲線等.另外，通過曲線的各種編輯功能如修剪、合并、光滑、連續(xù)匹配、偏移和插值等，可以有效地改善曲線的質(zhì)量.對機械加工產(chǎn)品，Rapid Form還能自動識別倒圓和尖銳區(qū)域[4].

2.5 UG軟件的應用

Unigraphics（UG）是集 CAD、CAE、CAM為一體的三維參數(shù)化設計軟件.它有出色的數(shù)據(jù)處理能力，操作簡便，為機械制造企業(yè)提供從設計、分析到制造過程中的建模，已成為當前市場上最流行的數(shù)字化產(chǎn)品開發(fā)軟件之一，廣泛應用于航空航天、汽車交通、通用機械和電子等工業(yè)領域.UG是從二維繪圖、數(shù)控加工編程和曲面造型等功能發(fā)展起來的軟件.UG曲面建模技術是CAD、CAM軟件建模的重要部分.它是通過曲線構(gòu)造方法生成主要或大面積曲面，然后對曲面進行過渡和連接，光順處理，最后通過曲面編輯操作，才能完成實體建模.UG曲面建模的方法較多，功能強大，使用方便.

2.6 Pro/Engineer

Pro/Engineer軟件是20世紀80年代由美國參數(shù)技術公司（PTC)推出的三維軟件，該軟件的模塊眾多，功能強大，涉及了機械設計的各個方面.它融合了零件設計、組件設計、模具開發(fā)、造型設計、機構(gòu)仿真等功能，廣泛應用于機械、電子、模具、汽車和航空等行業(yè)，特別在國內(nèi)產(chǎn)品的三維造型設計領域中占有著非常重要的地位.

Pro/Engineer以強大的基于特征的參數(shù)化設計功能而著稱.Pro/Engineer中的參數(shù)化不只代表設計對象的外觀尺寸，還具有實質(zhì)性的物理意義.參數(shù)化設計就是將零件尺寸的設計用參數(shù)來描述，并在設計產(chǎn)品時，可以通過修改參數(shù)的數(shù)值來更改零件的外形尺寸，具有真正參數(shù)化的實體造型過程.Pro/Engineer這種參數(shù)化的設計功能不但改變了傳統(tǒng)的設計概念，并且將設計的便捷性推進了一大步.

2.7 CATIA軟件的應用

CATIA（Computer Aided Three&Two Dimensional Interaction Application System，計算機輔助三維／二維交互式應用系統(tǒng)）是由法國達索（Ds）公司開發(fā)的大型CAD、CAM應用軟件，后被美國的IBM公司收購，主要應用于汽車設計、航空航天、船舶制造、通用機械制造等領域.CATIA具有強大的曲面建模功能，適合正向設計、逆向設計及A級曲面設計.它不僅能夠完成任何苛刻要求的曲面設計工作，而且對于逆向工程提供了強大的數(shù)字曲面編輯模塊和快速曲面重構(gòu)模塊，使逆向工程首次可以在CAD系統(tǒng)中達到更高層次的集成.CATIA所具有的數(shù)字曲面編輯模塊和快速曲面重構(gòu)模塊是逆向工程的專用模塊，可以提供多種格式的點云輸入和輸出數(shù)據(jù)，并綜合應用創(chuàng)成式曲面設計模塊GSD(Generatlve Shape Deslgn)和自由曲面造型模塊FSS(Freestyle Shape)，發(fā)揮其強大的曲面、曲線擬合功能[5].CATIA軟件吸取了其他CAD軟件的優(yōu)點，特別是在曲面造型方面.CATIA軟件中具有的FREE STYLER，CLASS A等基于NURBS算法的自由曲面造型功能，使其曲面造型功能更加強大.

3 結(jié)語

與主流逆向工程軟件 Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio、Rapid Form等相比，UG、Pro/Engineer、CATIA等三維重構(gòu)軟件逆向模塊中的逆向功能相對較弱.因此，在逆向工程應用過程中，常采用互補的設計方法，將UG、Pro/Engineer、CATIA等三維重構(gòu)軟件與專業(yè)主流逆向工程軟件相結(jié)合，從而針對不同的產(chǎn)品特征和需求，實現(xiàn)產(chǎn)品的建模.任何一種建模軟件的功能都不能完全地適用于所有的產(chǎn)品，因此，只有充分了解各種軟件的性能，根據(jù)設計的產(chǎn)品要求和設計目標，選取適合的軟件.

〔1〕劉偉軍，等.逆向工程-原理方法及應用[M].北京：機械工業(yè)出版社,2009.1.

〔2〕程軍濤.逆向工程中曲面重構(gòu)技術的應用研究[D].河南科技大學，2010.3.

〔3〕李紅莉,何柏海,郭恒亞.逆向工程中曲面重構(gòu)的應用軟件研究[J].科技資訊，2008(1):41,43.

〔4〕張學昌.逆向建模技術與產(chǎn)品創(chuàng)新設計[M].北京：北京大學出版社,2009(09):24-27.

〔5〕何耀華,周丹.CATIA軟件在車身曲面重構(gòu)中的應用[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化,2006(11):54-56.