吳頂東+++倪子田

摘 要：本文通過對逆向工程技術的簡述及對逆向工程的幾個步驟，如數據測量、數據處理、模型重建的論述，介紹逆向工程技術在數控教學中的應用。

關鍵詞：逆向工程 點云 數字化測量 數據處理

隨著我國數控模具技術的高速發(fā)展，CAD技術已成為產品設計人員進行研究開發(fā)的重要工具。廣泛應用逆向工程技術，不但對數控專業(yè)的培養(yǎng)模式，而且對其的產業(yè)、產品結構以及其生產的方式產生很大的影響。筆者在調研了相當多的職業(yè)院校和數控企業(yè)的數控專業(yè)職業(yè)教育現狀后發(fā)現逆向工程人才越來越欠缺。如何培養(yǎng)逆向技術人員，成為技工院校的一個新課題。

一、逆向技術概述

逆向技術也稱反向技術，主要是指根據已經存在的零件實體生成電子模型圖，并在此基礎上對其進行優(yōu)化處理，也稱之為再設計。和正常的傳統設計有一定的區(qū)別，逆向設計是對已經存在的產品進行復原的過程。簡單地說，逆向工程就是根據過去已存在的產品復原出其數據。

二、數字化測量設備

技校開展逆向工程技術教學起碼需要自身或校企合作擁有以下技術及設備：數據測量技術及光學掃描系統。

數據測量是指通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何外形數字化的技術。

由于光學掃描系統價格比較昂貴，一般的院?？赏ㄟ^校企合作的模式開設數字化測量這門課程。除此之外，可以聯系相關工廠、企業(yè)，得到一些有用的產品數據。數據通信一般是通過數據交換標準來實現的。這些數據類型很多，主要是STEP、IGES等等。

三、逆向工程數據處理技術

在逆向工程中，對數據的處理是一項非常重要的技術，其結果決定了電子圖重建是否能進行，能否方便、正確地進行。

在逆向工程中還有一項比較重要的技術就是對數據的平滑處理，因為在對產品進行測量的時候有噪音的生成，這種噪音的存在會影響數據處理的精度。目前對數據進行平滑處理的方法有中值濾波、標準高思以及均勻濾波的算法等，因此，在保證一定精度的情況下，平滑過渡時取點可間距大一點，變化大的地方取點要密。

四、逆向模型重建技術

1.曲線擬合造型

用一個多項式的函數通過插值去逼近原始的數據，最后得到足夠光滑的曲面。構成曲面的基礎是曲線，對于逆向技術，采用這種方法所使用的數學模型是一個多項式函數，主要的做法是通過一些特征值去逼近原始的數據，最后得到的表面就是光滑的。曲線是構成曲面的基礎。針對于目前的逆向技術，人們常用的方法就是先用插值或逼近的方法將數據點擬合成光滑的曲線，接著重構造型。

2.擬合造型曲面片

這主要是對大量數據點進行擬合線，進而擬合成曲面層，最后擬合曲面片。曲面模型的生成，主要是對這些現成面線進行過度、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)律的點進行處理，而且可以對那些沒有規(guī)律的點進行處理，主要是用逼近法生成樣條曲線，進而生成樣條曲面。

3.實體模型——點數據網格化、網絡化

這種方法的原理是認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，將所能得到的數據點進行無限逼近，并形成無數個三角面片，將這些無限個三角面片組合起來就是產品的實體模型。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據點和產品的原始外形，并對面片和節(jié)點進行反復排除。為尋找具有最小的面片、最小的節(jié)點以及最小多面體，新的三角形不停地構建，最終達到指定的節(jié)點數。

五、逆向工程在數控教學中的應用舉例

1.掃描

首先對主板進行數字性的掃描，因為此主板件是異形的，而且還帶有一個自由曲面，因此測量的關鍵就是測量這個帶異形的自由局面。在對組件板進行實際測量時，設備ATOS光學掃描儀是德國GOM公司制造的。為了使產品邊界更精確，在測量的時候還要測量主板的兩個側面。

2.重建

此步驟是重建主板件CAD模型圖。此步驟的關鍵在于重構主板的曲面以及找到這個曲面和孔以及周圍平面的平整結合方法。首先，要對前面所得到的數據點進行去除雜點、去除噪音、插補數據、數據平滑等處理，將數據歸類劃分區(qū)域，在區(qū)域內建立特征曲線、特征曲面以及特征曲面網格，并對此網格進行光滑處理，最后得到擬合的曲面。

制造主板件主要是用拉延模具，設計拉延模具的關鍵是對拉深頸的設計、壓料面的設計、工藝補充面和沖壓方向的選擇。工藝補充面一般設計在零件的四周，在產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具有好的流動性，其好壞對零件的成型起著關鍵性的作用，改善工藝補充面還可以讓材料的受力情況得到改善。在仔細分析了組件板之后得出結論：成型時在兩個懸臂后側的突起以及圓角部分容易出現澆注不滿的問題。再分析選擇用AUTOFORM軟件的情況，如果在對零件設計的時候把圓角加大0.5毫米，可以避免圓角拉裂，在后側主板間有一個明顯的凸起，這個凸起可以通過成型模擬的結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充面的位置，具體設計如下所示。

一是采集數據。掃描測量采用的是PIX-30三坐標測量儀，目的是得到云點數集，首先將槳葉正確地固定在掃描平臺上，并調整掃描探頭的位置，使得到一個合適的掃描區(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。然后進行自由測量，自由設置點與點之間的距離以及線線之間的距離，所得數據以STL文件格式保存，以便于后續(xù)文件打開。

二是數據處理。這一步對于逆向技術來說是最關鍵的，對模型重建的質量有很大的影響，這一步的處理結果對后續(xù)重建模型的質量有非常大的關聯。這次用的重建方法是最簡單的。首先找到壞點和噪點，然后手動把它們去除。其次找到幾個在曲面上有代表性的點，用一些特征線進行判斷，最后在滿意后對其進行光滑修正，做好準備曲面重構的基本條件。然后用反求軟件打開最初測量的數據，經反求軟件處理，得到一些掃描的線，對這些線進行三角化處理，設定好合適的參數，并產生構造線，對分割好的曲面進行擬合。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軟件來實現的，首先將之前生成的框架模型建立成3D曲面，最好利用這個曲面生成實體，完成建模。

六、小結

目前應用逆向工程的領域非常廣闊，包括對舊產品的復原、新產品的設計開發(fā)、產品的檢測等等。逆向工程是具有綜合性、實用性、開拓性很強的一門技術。對它的學習和技能的提高，將會使越來越多的技工學生走進工程設計部門，改變了技工學校的學生只能待在一線生產車間的歷史。

參考文獻：

[1]譚昌柏，周來水，安魯陵等.逆向工程中基于密集數據點的輪廓線重建技術[J].華南理工大學學報（自然科學版），2005（5）.

[2]嚴慶光.面向多點成形的逆向工程關鍵技術及應用研究[D].吉林大學，2005.

（作者單位：茂名技師學院）