逆向工程技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用

吳頂東+++倪子田

摘 要：本文通過對逆向工程技術(shù)的簡述及對逆向工程的幾個(gè)步驟，如數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)處理、模型重建的論述，介紹逆向工程技術(shù)在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：逆向工程 點(diǎn)云 數(shù)字化測量 數(shù)據(jù)處理

隨著我國數(shù)控模具技術(shù)的高速發(fā)展，CAD技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員進(jìn)行研究開發(fā)的重要工具。廣泛應(yīng)用逆向工程技術(shù)，不但對數(shù)控專業(yè)的培養(yǎng)模式，而且對其的產(chǎn)業(yè)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及其生產(chǎn)的方式產(chǎn)生很大的影響。筆者在調(diào)研了相當(dāng)多的職業(yè)院校和數(shù)控企業(yè)的數(shù)控專業(yè)職業(yè)教育現(xiàn)狀后發(fā)現(xiàn)逆向工程人才越來越欠缺。如何培養(yǎng)逆向技術(shù)人員，成為技工院校的一個(gè)新課題。

一、逆向技術(shù)概述

逆向技術(shù)也稱反向技術(shù)，主要是指根據(jù)已經(jīng)存在的零件實(shí)體生成電子模型圖，并在此基礎(chǔ)上對其進(jìn)行優(yōu)化處理，也稱之為再設(shè)計(jì)。和正常的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的區(qū)別，逆向設(shè)計(jì)是對已經(jīng)存在的產(chǎn)品進(jìn)行復(fù)原的過程。簡單地說，逆向工程就是根據(jù)過去已存在的產(chǎn)品復(fù)原出其數(shù)據(jù)。

二、數(shù)字化測量設(shè)備

技校開展逆向工程技術(shù)教學(xué)起碼需要自身或校企合作擁有以下技術(shù)及設(shè)備：數(shù)據(jù)測量技術(shù)及光學(xué)掃描系統(tǒng)。

數(shù)據(jù)測量是指通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何外形數(shù)字化的技術(shù)。

由于光學(xué)掃描系統(tǒng)價(jià)格比較昂貴，一般的院?？赏ㄟ^校企合作的模式開設(shè)數(shù)字化測量這門課程。除此之外，可以聯(lián)系相關(guān)工廠、企業(yè)，得到一些有用的產(chǎn)品數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信一般是通過數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)的。這些數(shù)據(jù)類型很多，主要是STEP、IGES等等。

三、逆向工程數(shù)據(jù)處理技術(shù)

在逆向工程中，對數(shù)據(jù)的處理是一項(xiàng)非常重要的技術(shù)，其結(jié)果決定了電子圖重建是否能進(jìn)行，能否方便、正確地進(jìn)行。

在逆向工程中還有一項(xiàng)比較重要的技術(shù)就是對數(shù)據(jù)的平滑處理，因?yàn)樵趯Ξa(chǎn)品進(jìn)行測量的時(shí)候有噪音的生成，這種噪音的存在會(huì)影響數(shù)據(jù)處理的精度。目前對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理的方法有中值濾波、標(biāo)準(zhǔn)高思以及均勻?yàn)V波的算法等，因此，在保證一定精度的情況下，平滑過渡時(shí)取點(diǎn)可間距大一點(diǎn)，變化大的地方取點(diǎn)要密。

四、逆向模型重建技術(shù)

1.曲線擬合造型

用一個(gè)多項(xiàng)式的函數(shù)通過插值去逼近原始的數(shù)據(jù)，最后得到足夠光滑的曲面。構(gòu)成曲面的基礎(chǔ)是曲線，對于逆向技術(shù)，采用這種方法所使用的數(shù)學(xué)模型是一個(gè)多項(xiàng)式函數(shù)，主要的做法是通過一些特征值去逼近原始的數(shù)據(jù)，最后得到的表面就是光滑的。曲線是構(gòu)成曲面的基礎(chǔ)。針對于目前的逆向技術(shù)，人們常用的方法就是先用插值或逼近的方法將數(shù)據(jù)點(diǎn)擬合成光滑的曲線，接著重構(gòu)造型。

2.擬合造型曲面片

這主要是對大量數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行擬合線，進(jìn)而擬合成曲面層，最后擬合曲面片。曲面模型的生成，主要是對這些現(xiàn)成面線進(jìn)行過度、過度混合以及連接形成的。這種方法不但可以對那些有規(guī)律的點(diǎn)進(jìn)行處理，而且可以對那些沒有規(guī)律的點(diǎn)進(jìn)行處理，主要是用逼近法生成樣條曲線，進(jìn)而生成樣條曲面。

3.實(shí)體模型——點(diǎn)數(shù)據(jù)網(wǎng)格化、網(wǎng)絡(luò)化

這種方法的原理是認(rèn)為曲面是由許多小三角形組成的。這種小三角形面積越小，曲面的精度就越高，因此，將所能得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行無限逼近，并形成無數(shù)個(gè)三角面片，將這些無限個(gè)三角面片組合起來就是產(chǎn)品的實(shí)體模型。目前這種方法形成了兩種分支，使用這種方法的前提是保證具有給定的數(shù)據(jù)點(diǎn)和產(chǎn)品的原始外形，并對面片和節(jié)點(diǎn)進(jìn)行反復(fù)排除。為尋找具有最小的面片、最小的節(jié)點(diǎn)以及最小多面體，新的三角形不停地構(gòu)建，最終達(dá)到指定的節(jié)點(diǎn)數(shù)。

五、逆向工程在數(shù)控教學(xué)中的應(yīng)用舉例

1.掃描

首先對主板進(jìn)行數(shù)字性的掃描，因?yàn)榇酥靼寮钱愋蔚模疫€帶有一個(gè)自由曲面，因此測量的關(guān)鍵就是測量這個(gè)帶異形的自由局面。在對組件板進(jìn)行實(shí)際測量時(shí)，設(shè)備ATOS光學(xué)掃描儀是德國GOM公司制造的。為了使產(chǎn)品邊界更精確，在測量的時(shí)候還要測量主板的兩個(gè)側(cè)面。

2.重建

此步驟是重建主板件CAD模型圖。此步驟的關(guān)鍵在于重構(gòu)主板的曲面以及找到這個(gè)曲面和孔以及周圍平面的平整結(jié)合方法。首先，要對前面所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行去除雜點(diǎn)、去除噪音、插補(bǔ)數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)平滑等處理，將數(shù)據(jù)歸類劃分區(qū)域，在區(qū)域內(nèi)建立特征曲線、特征曲面以及特征曲面網(wǎng)格，并對此網(wǎng)格進(jìn)行光滑處理，最后得到擬合的曲面。

制造主板件主要是用拉延模具，設(shè)計(jì)拉延模具的關(guān)鍵是對拉深頸的設(shè)計(jì)、壓料面的設(shè)計(jì)、工藝補(bǔ)充面和沖壓方向的選擇。工藝補(bǔ)充面一般設(shè)計(jì)在零件的四周，在產(chǎn)品成型以后是要被切除的。它存在的主要作用就是能使材料在成型時(shí)具有好的流動(dòng)性，其好壞對零件的成型起著關(guān)鍵性的作用，改善工藝補(bǔ)充面還可以讓材料的受力情況得到改善。在仔細(xì)分析了組件板之后得出結(jié)論：成型時(shí)在兩個(gè)懸臂后側(cè)的突起以及圓角部分容易出現(xiàn)澆注不滿的問題。再分析選擇用AUTOFORM軟件的情況，如果在對零件設(shè)計(jì)的時(shí)候把圓角加大0.5毫米，可以避免圓角拉裂，在后側(cè)主板間有一個(gè)明顯的凸起，這個(gè)凸起可以通過成型模擬的結(jié)果來找到材料的最佳入口。通過對材料的CAE分析，可以找到最合理的拉延筋和工藝補(bǔ)充面的位置，具體設(shè)計(jì)如下所示。

一是采集數(shù)據(jù)。掃描測量采用的是PIX-30三坐標(biāo)測量儀，目的是得到云點(diǎn)數(shù)集，首先將槳葉正確地固定在掃描平臺上，并調(diào)整掃描探頭的位置，使得到一個(gè)合適的掃描區(qū)。掃描區(qū)域的合適與否主要以是否獲得最大尺寸的槳葉來衡量。然后進(jìn)行自由測量，自由設(shè)置點(diǎn)與點(diǎn)之間的距離以及線線之間的距離，所得數(shù)據(jù)以STL文件格式保存，以便于后續(xù)文件打開。

二是數(shù)據(jù)處理。這一步對于逆向技術(shù)來說是最關(guān)鍵的，對模型重建的質(zhì)量有很大的影響，這一步的處理結(jié)果對后續(xù)重建模型的質(zhì)量有非常大的關(guān)聯(lián)。這次用的重建方法是最簡單的。首先找到壞點(diǎn)和噪點(diǎn)，然后手動(dòng)把它們?nèi)コ?。其次找到幾個(gè)在曲面上有代表性的點(diǎn)，用一些特征線進(jìn)行判斷，最后在滿意后對其進(jìn)行光滑修正，做好準(zhǔn)備曲面重構(gòu)的基本條件。然后用反求軟件打開最初測量的數(shù)據(jù)，經(jīng)反求軟件處理，得到一些掃描的線，對這些線進(jìn)行三角化處理，設(shè)定好合適的參數(shù)，并產(chǎn)生構(gòu)造線，對分割好的曲面進(jìn)行擬合。最后將所建立的線框模型以IGES格式輸出。

三是三維建模。在三維建模中，我們采用的是Proe或UG軟件來實(shí)現(xiàn)的，首先將之前生成的框架模型建立成3D曲面，最好利用這個(gè)曲面生成實(shí)體，完成建模。

六、小結(jié)

目前應(yīng)用逆向工程的領(lǐng)域非常廣闊，包括對舊產(chǎn)品的復(fù)原、新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)、產(chǎn)品的檢測等等。逆向工程是具有綜合性、實(shí)用性、開拓性很強(qiáng)的一門技術(shù)。對它的學(xué)習(xí)和技能的提高，將會(huì)使越來越多的技工學(xué)生走進(jìn)工程設(shè)計(jì)部門，改變了技工學(xué)校的學(xué)生只能待在一線生產(chǎn)車間的歷史。

參考文獻(xiàn)：

[1]譚昌柏，周來水，安魯陵等.逆向工程中基于密集數(shù)據(jù)點(diǎn)的輪廓線重建技術(shù)[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2005（5）.

[2]嚴(yán)慶光.面向多點(diǎn)成形的逆向工程關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用研究[D].吉林大學(xué)，2005.

（作者單位：茂名技師學(xué)院）