0 引言
隨著工業技術的進步以及經濟的發展，在消費者高質量的要求下，功能上的需求己不再是贏得市場的唯一條件。產品不僅要有先進的功能，還要有流暢、造型富有個性的產品外觀，以吸引消費者的注意。為適應現代先進制造的發展，需要將實物樣件或手工模型轉化為CAD數據，以便利用快速成型系統(Rapid Prototyping，RP)，計算機輔助制造系統(Computer Aided Manufacture，CAM)，產品數據管理(Product Dada Management，PDM)等先進系統對其進行處理和管理，并進一步進行修改和再設計。這時候就需要一個一體化的解決方案：樣品→數據→樣品。逆向工程專門為制造業提供了一個全新高效的重構手段，實現從實際物體到幾何模型的直接轉換。現如今，利用CAD/CAM技術、先進制造技術來實現產品實物的逆向工程，已經成為CAD/CAM領域的一個研究熱點，并成為逆向工程技術應用的主要內容。
1 逆向工程的工作流程
逆向工程(Reverse Engineering，RE)也稱反求工程、反向工程等，它是將實物轉變為CAD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉換成工程設計模型和概念模型，并在此基礎上對已有的產品進行解剖、深化、再創造的過程。它起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路。
逆向工程的一般流程首先是通過測量掃描以及各種先進的數據處理手段獲得產品實物信息，把實物樣件轉換為CAD模型，然后利用計算機輔助制造、快速模型制造、快速模具和PDM系統等先進技術對其進行處理的一個系統過程，見圖1。
圖1 逆向工程工作流程
2 數據采集
在表面數字化技術中，根據測試方法的不同，可以將數據采集方法分為接觸式測量和非接觸式測量兩大類。接觸式測量一般是利用各種探頭進行數據測量。非接觸式測量主要是基于光學、聲學、磁學等領域中的基本原理，將一定的物理模擬量通過適當的算法轉化為樣件表面的坐標點。
2.1 三坐標測量
這里主要介紹接觸式測量中的三坐標測量機。作為一種測量儀器，三坐標測量機主要是比較被測量與標準量，并將比較結果用數值表示出來。為了分析工件加工數據，或為逆向工程提供工件原始信息，經常需要用三坐標測量機對被測工件表面進行數據點掃描。三坐標測量機的掃描操作是應用DMIS程序在被測物體表面的特定區域內進行數據點采集，該區域可以是一條線、一個面片、零件的一個截面、零件的曲線或距邊緣一定距離的周線等。將被測物體置于三坐標測量空間，可獲得被測物體上各測點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經計算求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。其工作的基本原理就是通過探測傳感器（探頭）與測量空間軸線運動的配合，對被測幾何元素進行離散的空間點位置的獲取，然后通過一定的數學計算，完成對所測得點（點群）的分析擬合，最終還原出被測的幾何元素，并在此基礎上計算其與理論值（名義值）之間的偏差，從而完成對被測零件的檢驗工作。圖2是用三坐標測量儀對一安全帽進行掃描得到的點云數據。
圖2 安全帽的點云數據
2.2 曲面重構
在逆向工程中，由測量點云重構實物的三維CAD模型是整個逆向過程中最關鍵、最復雜的一環，因為后續的產品加工制造、快速成型、數據處理后的點云制造、虛擬制造、仿真、工程分析和產品的再設計等應用都需要CAD模型的支持。曲面重構是利用產品表面的散亂點數據，通過插值或者擬合構建一個近似模型來逼近產品原型。根據拓撲形式的不同，目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分為以三角Bezier曲面為基礎的曲面構建方法和以NURBS（非均勻有理B樣條）曲面為基礎的矩形域參數曲面擬合方法。在數據分割的基礎上，首先辨明不同的點云數據類型，然后根據不同類型的點云模型，選擇不同的曲面構建方法。
3 Imageware對點云數據的處理
Imageware是目前運用最為廣泛的逆向工程軟件，具有強大的點處理功能，具有強大的測量數據處理、曲面造型和誤差檢測的功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數據。正被廣泛應用于汽車、航空、航天、消費家電、模具、計算機零部件等設計與制造領域。
下面我們用Imageware對上述的安全帽的點云數據進行擬合。
3.1 點云數據的預處理
(1)Imageware可以把實體在三坐標測量儀中掃描出的大量的點云讀入，查看點云的信息，觀察點云數據的大致的形狀。
(2)對點云進行對齊與定位，由于掃描物體時，有些物體要從不同的角度掃描幾次才能完成，多次掃描所對應的局部坐標系是不一致的，需要把不同掃描坐標系的點合并起來，將每次掃描的局部坐標系統一到同一坐標系，并消除幾次掃描過程中的重疊部分，讓對象能夠完全的校準和定位，得到實物表面較為完整的點云。
(3)去除噪聲點，噪聲點是由于測量時數據誤差引入的點，主要存在于模型尖銳的邊上和邊界附近。噪聲點影響著模型重建的準確性，須對噪聲點予以去除。
3.2 點云分塊
為了使逆向設計進行的更加精確和簡單。我們通常要對復雜的點云數據進行分塊。對點云數據進行合理的分塊，不僅可以節省逆向設計所使用的時間，而且可以減小點云與擬合曲面之間的誤差。根據安全帽的點云特征，通過曲率分析，我們可以根據曲率的不同，將安全帽的點云數據分成2個點云塊，即帽身、帽檐2個部分（如圖3）。帽身和帽檐之間空缺的點云，在擬合曲面時，我們將通過倒圓角功能來生成。
圖3 點云數據的分塊
3.3 擬合曲面
Imageware軟件主要采用點-面和點-線-面兩種方法，對二次曲面、過渡曲面和自由曲面進行擬合。
(1)點-面擬合方法
當所采集的點云數據狀況為均勻的曲面或者當點云數據趨近成平面、圓柱、圓球、圓錐等幾何形狀時，可以使用“Construct-Surface from Cloud-Uniform surface”指令直接生成一個均勻的曲面。帽檐部分的點云就是用這種方式直接擬合成曲面的（如圖4）。
圖4 帽檐點云及擬合成的曲面
(2)點-線-面擬合方法
這種方法在完成曲面重構時經常用到的一種方法。并不是所有的點云數據都是均勻平滑分布的，有些時候點云數據的曲率變化較大，直接擬合成曲面會出現較大偏差，不能得到我們期望的曲面。在這種情況下我們可以先根據點云特征將點云數據的輪廓線擬合出來，然后再通過輪廓線擬合成曲面。本例中，根據帽身點云的特征，我們將安全帽點云的輪廓線提取出來（如圖5），然后根據輪廓線在進行帽身曲面的擬合與帽檐曲面的修剪。圖6是擬合完成后尚未修剪的曲面。
圖5 安全帽的輪廓線
圖6 擬合完成的曲面
3.4 修剪曲面
曲面擬合完畢后，要將多余的表面邊界剪切掉，或者要對兩個表面進行倒角。安全帽的帽檐部分的曲面，可以根據帽檐的輪廓曲線進行修剪，然后將帽身部分的曲面進行延伸，再與帽檐部分曲面進行倒角。最終擬合完成的安全帽如圖7所示。修剪曲面是一個及其繁瑣的工作，Imageware的裁剪和面倒角功能不是太理想，我們可以先用Imageware構面，然后使用其他軟件來進行修剪和面倒圓的操作。通過一系列的處理最終所得到的安全帽如圖7所示。
圖7 擬合完成的安全帽
3.5 誤差檢測
曲面擬合完成后，我們要對曲面與點云之間的誤差進行檢測，在Imageware中，誤差的檢測是通過“Measure-Surface to-Cloud difference”指令來完成的（如圖8）。如果曲面與點云之間的擬合誤差較大，我們就要對曲面進行重新擬合或者微調，使誤差達到所要求的精度。
圖8 誤差檢測
3.6 光順度和曲率連續性檢查
曲面修剪完成后，后期還應該進行必要的表面光順性的檢測。在Imageware中曲面的光順性可以通過曲率梳檢測以及等高線檢測的方法來完成。
(1)曲率梳檢測法
檢查曲面的曲率梳可以判定曲面的曲率連續性，曲率梳相鄰之間曲率針的方向以及長短反映了曲面的曲率方向與曲率值。一般說來，在同一個曲率梳上的曲率針朝著同一個方向，并且曲率針的長短起伏不大，這樣的曲面光順性較好。Imageware中，使用“Evaluate-Curvature-Surfae Needle”指令可以檢驗x、y、z三個方向上的曲率梳（如圖9）。帽身曲面部分的曲率針長短基本一致，所以，帽身曲面的光順性良好。
圖9 曲率梳檢測
(2)反射等高線檢測法
在曲面上出現等高線后，旋轉視圖查看各個角度等高線的情況，一般不出現等高線相交的情況，就說明曲面的光順性達到要求。使用指令“Evaluate-Surface Flow-Reflection Lines”可以通過等高線的方法來檢測曲面的光順性（如圖10）。
圖10 登高線檢測
4 結束語
逆向工程技術在產品設計中的應用已經日益引起人們的重視。應用前景非常廣闊。它采用三坐標測量儀對實物進行掃描得到點云，再利用Imageware軟件進行點云的處理與曲線、曲面的構造，誤差的檢測與分析，然后利用NX、CAD等造型軟件進行曲面的細節處理和結構設計最終得出完整的實體模型。
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本文標題：逆向工程技術在曲面重構及檢測中的應用
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