“道路工程”課程設計的論文
摘要：本文針對產品外觀設計過程中逆向工程技術的應用進行了探討，重點討論了與外觀設計緊密聯系的反求技術的運用及最新發展動向，并就相關問題提出了自己的看法。通過進一步的研究尋找快速、準確、高效的產品外觀設計方法是這篇文章的宗旨。
關鍵詞：逆向工程快速采集曲面擬合三維測量技術
1、引言
作為一種新產品開發以及消化、吸收先進技術的重要手段,逆向工程和快速原型技術可以勝任消化外來技術成果的要求。它們的出現改變了傳統產品設計開發模式,大大縮短了產品開發的時間周期,提高產品研發的成功率。
當今，各個行業越來越注重產品的外觀設計，以此來吸引顧客，最終在商業上取得成功。這點在消費產品的設計中體現的尤為突出。特別是手機、數碼相機、汽車等行業。
1.1逆向工程及其應用范圍
在工業領域，往往會碰到根據模型或實物來構建其三維數字模型的需求。這就用到了逆向工程技術，逆向工程(ReverseEngineering)也稱反求工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量即數字化采樣，然后根據測量數據通過三維幾何建模方法重建實物的CAD數字模型，從而實現產品設計與制造的過程。
逆向工程在工業制造領域的實際應用主要包括以下幾個方面：
a)新零件的設計，主要用于產品改型或仿型設計；
b)已有零件的復制和仿制，再現原產品設計．復雜產品仿制等；
c)損壞或磨損零件的還原，以便修復或重制；
d)產品的檢測，例如檢測分析產品的變形，檢測焊接質量等，以急對加工產品與三維數字化模型之間的誤差進行分析。
在制造業中，逆向工程已成為消化吸收新技術和二次開發的重要建徑之一。作為改進設計的一種重要手段，它有效地加快了新產品響應市場的速度。同時，逆向工程也為快速原型提供了很好的技術支持．成為制造業信息傳遞重要而簡沽的途徑之一。
另外．逆向工程在文化藝術、醫學領域也有較好的應用，包括根據木制或泥塑模型進行藝術美學設計，數字文物和數字博物館，虛擬手術等。
2、逆向工程的結構體系
逆向工程系統主要由三部分組成:產品實物幾何外形的數字化、CAD模型重建、產品或模具制造。逆向工程中的關鍵技術是據采集、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、完整地獲取實物的二維、三維幾何數據,影響到重構的CAD實體模型的質量,并最終影響產品的質量。
(2)數據處理
對于獲取的一系列點數據在進行CAD模型重建前,必須進行格式轉換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。
(3)模型重建
將處理過的測量數據導入CAD系統,依據前面創建的曲線、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領域的曲面重構和實體重構算法研究。國際市場目前已出現了不少商用的逆向工程軟件系統。國內有關逆向工程的基礎研究也在不少單位內展開，如浙江大學、華中理工大學、西安交通大學、西北工業大學等，并取得了一定成果。
由于曲面重構的復雜性，逆向工程領域還有很多問題值得研究，包括曲面重建和體視化技術、曲面造型方法、特征檢測等。
3.2應用研究現狀
作為先進制造技術的重要組成部分，逆向工程的應用研究已成為國內外關注的熱點之一。
逆向工程廣泛應用于產品改型或仿型設計。西門子電氣的逆向工程小組通過對渦輪葉片進行逆向設計，優化設計方案，在不到12天的時間內就開發出了用于其它方面的新型渦輪，目前該套系統已開始對外提供逆向工程應用服務。采用光學掃描儀對水泵葉輪進行數據采集，通過逆向設計完成水泵葉輪的三維造型。另外，在汽車的改型設計中奇瑞和通用都無一例外的應用了逆向工程技術。
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對波音747的尾翼進行了復原設計，并在一個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開展了一項重要研究，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)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)技術來提高零件檢驗的速度。掃描數據輸入CAI軟件，與CAD設計模型進行比較和誤差分析并自動生成檢驗報告。之前，AMT檢驗一個零件需要半天時間設置和數小時運行；現在只需半小時設置，實際檢測只要幾分鐘即可。
在醫學領域的應用中，采用CT斷層掃描技術獲得二維圖像，通過專用軟件進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，通過對牙齒石膏模型進行掃描測量和三維重建，獲得牙齒三維數字模型．然后基于該模型進行修改和矯正，制造出一系列矯正牙套。目前，該技術在國外已投入商用．在國內上海交通大學也開發出基于逆向工程的快速牙套設計和制造系統，并開始初步應用。
總的來說，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發和模具設計上。在汽車、航空、玩具等行業應用比較廣泛。
4、逆向工程中的關鍵技術
4.1實物數字化技術
即實物掃描的區域規劃及精度保證技術,研究在掃描時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;在進行掃描區域劃時如何綜合考慮掃描精度、掃描效率和曲面擬合重構時的擬合精度、曲面拼接光順性問題;零件基準測量的精度保證問題。德立科技有限公司新推出的基于美國星科和普賽技術的柔性三坐標測量及激光掃描檢測系統FlexME代表著新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE)和計算機輔助檢測(ComputerAidedInspection,CAI)系統已經開始進入中國。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節臂,以及基于該關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、對使用環境無特殊要求,可以用于機械產品的逆向工程、模具制造的計算機輔助檢測、產品加工裝配的在線或離線檢測。
4.2測量數據的預處理
即云狀數據處理技術:研究高密度、大容量的點云數據的處理技術,包括多次掃描點云的拼接問題,掃描點云的數據簡化問題、云狀數據的特征提取問題等。
4.3曲面重建技術
研究如何選擇合適的數學表示方法、擬合修改算法、控制參數及曲面重構方法。以得到高質量、高精度的曲面模型�；谏窠浘W絡技術的研究最近報道較多,曾建江等采用了一個神經網絡模型和相應的快速學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中的“壞”點。張偉等提出基于神經網絡的三角網格方法可在有效保持原數據點集的拓撲特征的同時實現期望規模和精度的三角網格剖逆向工程的'關鍵技術及其研究。
4.4重構曲面的評價和檢驗問題
研究對曲面的評價指標、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的方式進行,很難對曲面進行評價、檢驗和修改。利用圖形的質心和最小慣性主軸作為定位基準,可實現被測自由曲面與標準CAD模型的自動對齊,為實現已知CAD模型的自由曲面的在線檢測提供了理論依據。但這種方法實現自由曲面的在線檢測還需克服一些因素的影響,如CMM實際測量系統的速度、實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中心以外的區域時給定位及測量精度帶來的影響。
5、逆向工程中相關技術的研究重點
5.1三維數字化技術
目前大多數測量系統是針對具體的應用而開發,數據處理往往針對特定的測量設備、測量對象,通用性差。需發展面向逆向工程的通用測量系統,高速、高精度地實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,能進行路徑規劃和自動測量。
5.2數據預處理
研究熱點還將集中于掃描點云的數據簡化問題云狀數據的特征提取問題。
5.3曲面重建技術
基于神經網絡技術的曲面重建技術的研究將會有很大前途,研究的重點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重構曲面的評價和檢驗問題
這方面的研究還較少,相信隨著逆向工程在工業生產中發揮越來越大的作用,在線檢測的使用和重構曲面的評價會引起大家足夠的重視的。
6、結論
產品的外觀設計越來越復雜化、多元化，使得逆向工程技術在產品外觀設計中的地位顯得尤為重要。產品實物幾何外形的數字化、CAD模型重建、產品或模具制造都非常需要逆向工程技術的支持。
隨著科學技術的不斷進步和研究工作的不斷深入，逆向工程中技術中現有的瓶頸將會被一一解除，產品外觀設計也會取得長足的發展.
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