2.2 测量数据的预处理
CAD模型重建之前应进行数据预处理,工作包括数据平滑、排除噪声数据和
异常数据、压缩和归并冗余数据、遗失点补齐、数据分割、多次测量数据及图像的数据定位对齐和对称零件的对称基准重建。数据平滑通常采用标准高斯、平均或中值滤波算法,高斯滤波能较好地保持原数据的形貌,中值滤波消除数据毛刺的效果较好,应用时可根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。数据精简是减少数据“点云”中存在的大量冗余数据,主要针对激光测量产生的点云数据,不同类型的“点云”可采取不同的精简方式,如散乱点可选择随机采样、均匀网格、三角网格方法;扫描线和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法; 网格化点云可采用等分布密度法和最小包围区域法等。数据平滑和精简存在的问题是有时会丢失有用的数据信息,特别是尖锐角、棱线以及曲率变化大的区域的数据。
2.3 模型重建及再设计
在分析反求已有产品的基础上进行设计, 称为“ 再设计” 或“ 二次设计” 。二次设计与一般的创新设计相同, 也要经过产品规划、方案设计、技术设计、施工设计4 个主要阶段。产品规划主要在探寻原产品设计思想的前提下, 进行详细的需求分析、市场预测, 确定设计参数和制约条件, 提交详细的设计任务书作为设计评价、决策的依据。方案设计( 也称概念设计) 阶段, 主要依据对原产品的分析, 确立执行系统原动系统、传动系统测控系统等设计方案, 以期达到或超越原产品的性能。技术设计阶段, 在原理方案的基础上, 抓住关键功能、关键技术、关键结构、关键材料等因素, 进行具体结构的优化设计。施工设计阶段, 主要对零部件的装配进行详细设计, 完成全部生产图纸工艺文件等的编制。二次设计与一般设计的不同点在于, 有时设计侧重于仿型, 有时侧重于变异, 有时侧重于开发。仿型设计属于基本模仿原设计, 有时在材料国产化、标准件国际化方面作必要的对照改变。变异设计是在原产品基础上, 对某些参数、结构、材料、工艺等作出改进, 以超越原产品或形成产品系列化生产。开发设计则是在分析原产品的基础上, 抓住功能的本质, 从原理方案上大胆实施创新设计, 以期获得相同功能的不同产品。
CAD模型重建是逆向工程的关键,根据实物外形的数字化信息,可以将测量得到的数据点分成2类: 有序点和无序点(散乱点) ,由不同的数据类型,形成了不同的模型重建技术。目前较成熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常用的曲面模型有Bezier B- Spline、NU RBS和三角Beizer曲面。
三 不同反求对象的分析特点
按照反求的对象不同, 可将反求分为实物反求、软件反求和影像反求3 种：
3.1 实物反求
实物是指原产品的实际设备、零部件。实物反求的对象最具体, 具有较好的分析条件。实物反求时, 先对有关产品进行外观分析和性能试验。在功能分析、原理方案分析的基础上,按部件、组件零件逐步分解测量, 求得零件的材料、结构形状尺寸和零件之间的组配关系, 分析零件的加工工艺和精度要求。通过全面反求, 掌握原产品的关键技术, 探查产品存在的矛盾及不足。
3.2 软件反求
软件指产品图纸、技术资料文件产品样本说明书等。通过软件反求, 一般可知产品的功能理方案和结构组成。若有零件图, 则可详细了解零件的材料尺寸、精度有时, 只有进行零件的性能计算和模拟试验, 才能确定某些因素。
3.3 影像反求
根据图片影视画面等影像资料, 进行产品反求设计, 称为影像反求。通过影像资料得到的设计信息最少, 反求难度最大, 要求设计者具有较丰富的设计实践经验。影像反求, 首先要根据产品的工作要求, 分析其功能和原理方案。影像反求时, 产品结构和材料的分析, 往往要根据其外部已知信息, 参照功能和工作原理进行推理。为了得到较准确的形体尺寸, 需要采用透视图原理, 求出各尺寸之间的比例, 然后用参照物对比法确定待求尺寸。参照物可以是已知尺寸的人、物或景。
四 反求工程的关键技术
目前国内外的反求工程研究仅限于CAD模型三维重构,且用重构参数作为制造产品的原始参数,是一种“形状制造”而不是“精度制造” ,这是目前反求工程研究的缺憾。针对这种情况,我们认为,反求工程的研究,尚处于我们称之为反求工程的初始阶段。充分发挥反求工程的特点,不但能通过原型实现消化和吸收,而且还要修改和再设计,实现创新之目的。因此,反求工程的研究,应解决以下关键技术:
（1）研究更加实用的测量方法和设备,提高测量精度,减小测量误。 (2)研究更加实用的三维重构方法和软件系统,提高计算精度,减小计算误差。
(3)将人工智能技术、数理统计理论、精度设计等多学科技术合理运用,形成一个独特的设计参数还原的技术,有效地解决原始设计参数还原问题。
(4)建立能满足反求工程Ⅱ 要求的产品主模型技术及描述产品装配关系的产品装配建模体系,以利于原始设计参数的还原。
(5)开发包含有原型产品的精度设计与分析功能、可实现原始设计参数还原的软件。
五 逆向软件
伴随着逆向工程及其相关技术基础研究的进行,其成果的商业应用也受到重
视。较早是一些商品化的CAD /CAM软件集成进专用的逆向模块,如Pro /Engineer的SCAN- TOOLS模块、U GⅡ的点云处理、曲线及曲面拟合功能和ST RIM100的点处理加工、自动生成曲面和简单的边界识别等功能。在此基础上,由于市场需求的增长,有限的功能模块已不能满足数据处理、造型等逆向技术的要求,后期发展形成了专用的逆向软件。目前面市的产品类型已达数十种之多,较具代表性的有SDRC 公司的Image Ware Surface Raindrop Geo magic 公司的Geo magic、Para form 公司的Para form、UGS公司的Quick Shape、PTC公司的ICEM Surf、DELCAM 公司的Copy CAD软件, MDTV 公司的Surface Reconstruction, 以及Alias Wave front公司的Surface Studio 等。上述软件共同的特点是具备多种数据处理及分割方法, 具有部分规则特征识别,自动曲面拟合,强大的曲线、面编辑处理和模型评估检查的功能,不同格式的数据转换接口。如果是CAD /CAM软件公司开发的产品, 还可以和各自的CAD /CAM母体软件实现无缝集成,并利用其提供的强大功能支持,形成技术和市场优势, 其中Image Ware Surface Para form 系列软件代表了逆向工程技术的最新进展。
六 目前存在的问题
尽管经过多年的发展, 逆向工程研究领域取得了上述的研究成果, 但在应用方面、理论方面仍然很不成熟, 还有若干问题有待于解决: ①缺乏统一的逆向工程的概念、标准术语。导致了研究人员在交流上的困难, 不利于工具的研制, 也不利于逆向工程技术的应用; ② 缺乏统一的逆向工程机制的分类框架。导致不同工具或技术比较功能和性能时的困难。尽管cost R.ITUcy 等人提出来一个逆向工程描述模型作为分类框架, 但该框架还有待于进一步的评估、验证; ③ 缺乏对逆向工程工具的广泛使用。逆向工程工具缺乏与其它开发工具的有效集成, 影响到使用的普及, 导致逆向工程技术发展上的困难; ④缺乏对现有工具和理论进行有效评估的标准及工具。尽管出现了一些评估技术及其应用, 还是缺乏统一的评估标准, 缺乏有效的验证工具的支持,无法确定逆向工程技术是否得到提高, 导致逆向工程工具发展上的困难。
七 国内研究状况
与国外相比,国内研究起步晚、经费投入少,限制了高水平研究的开展,创新
性的研究不多,在世界学术领域,还没有形成较大的影响力。已知的较早从事逆向工程研究的单位多为高等院校,较有代表性的有西安交通大学CIMS中心的面向CMM的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究、上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术、浙江大学生产工程研究所的三角面片建模、南京航空航天大学CAD /CAM工程研究中心的基于海量散乱点三角网格面重建和自动建模方法、华中科技大学的曲面测量与重建和西北工业大学的数据点处理、建模等, 为数不多的论文散见于计算机应用、机械工程
等类学位论文、会议及杂志上。在应用研究上,除一些实验室的小型软件外,自主开发的商用逆向软件仅有浙江大学生产工程研究所的反求工程CAD软件RE- SOFT 和西北工业大学的实物测量造型系统NPU- SRMS,由于缺乏自主的CAD /CAM软件的支撑,以及逆向工程的上游测试设备和下游应用( CAD /CAE /CAM)基本为国外产品,使得国产软件产品在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品,开发的软件显得势单力薄,与国外软件相比处于竞争的劣势。
八 发展趋势
出于市场的需要,逆向工程的研究日益引人注目,从文献对逆向工程几何造
型研究工作全面总结至今,在数据处理、曲面片拟合、规则特征识别、专用商业软件和3维扫描仪的开发上已取得较为明显的进步,但在实际应用中,整个过程仍需大量的人工交互,操作者的经验和素质影响着产品的质量,自动重建曲面的光顺性难以保证,因此逆向工程技术依然是目前CAD /CAM领域一个十分活跃的研究方向,以下一些关键技术值得今后研究的关注: ①数据测量: 发展面向逆向工程的专用测量系统,高速、高精度地实现实物外形的数字化,并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径,能进行路径规划和自动测量; ②数据预处理: 研究适应不同的测量方法和后续用途的离散采集点数据预处理技术; ③拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接; ④有效的特征识别和考虑约束的模型重建,复杂组合曲面的识别和重建方法; ⑤集成技术: 发展基于集成的逆向工程技术,包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术,基于网络的协同设计和数字化制造技术等。
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