在制造领域中反求工程的应用的

　　引言

　　近年来，反求技术异军突起，在诸多行业发挥着越来越重要的作用。一般来讲，反求包括原理反求、材料反求、曲面反求、结构反求、功能反求等等。在制造领域，反求技术表现为对已有物体的参照设计，通过对实物的测量构造物体的几何模型，进而根据物体的具体功能进行改进设计和制造。

　　2 关键技术

　　反求设计是指对存在的实物模型或零件进行测量，根据测量数据重构出实物的CAD模型的一个过程。在设计与制造中，自由曲面起着重要作用。自由曲面逆求工程是由3个重要方面组成，首先对样件进行形状测量，得到样件的数据模型;然后将仿形测量的数据模型传给CAD软件进行建模和修改，得到一个较为满意的产品造型;最后进行成形制造，得到一个与样件相同或相似的产品。

　　2.1 反求技术中的仿形测址技术

　　在逆求工程中，形状测量是最为关键的一步，因为只有测得了样件的三维形状，才有可能去仿制它。所以，形状测量在逆求工程的全过程中占有很大的比重。目前，反求设计的实现手段正由熟练的手工过程转变到以计算机软件和现代测量仪器为主的自动测量过程。采用的测量仪器有坐标高速扫描仪、三坐标测量仪(coordinate measure machine,CMM) 、激光扫描仪，以及3D数字仪、双筒立体视声笔等，这些测量仪器主要应用在复杂零件和工具的自动识别和重新设计等方面。随着计算机机器视觉这一新兴学科的兴起和发展，用非接触的光电方法对曲面的三维形貌进行快速测量已成为大趋势。这种非接触测量避免了接触测量中对测头半径补偿带来的麻烦，可以实现对各类表面进行高速三维测量。

　　目前，非接触式三维测量的方法很多，例如，激光扫描测量、结构光测量、立体视觉和激光雷达等。这些方法都有其一定的适用范围。对于逆求工程来说，主要目的是要对形状进行仿形测量，这就要求具有较高的测量精度和一定的测量范围。采用结构光的三角测量法可以说是最为适合的，而且从目前用光电法对形状进行仿形测量的方法上看，结构光的三角测量法也是使用最为广泛的。它不仅适合于小部件物体测量，而且也适合于机翼、人体等大物体的测量。结构光的三角测量法是商品化光电测量系统中最为流行的，其方法是用一光束以一定角度投影到被测物体表面，再以一定角度用摄像机摄取图像，最后根据三角原理从二维图像中提取第三维信息，即深度信息。

　　2.2 成形制造技术

　　在逆求工程中自由曲面的快速制造技术是随着制造技术的发展而其加工速度不断提高的。数控机床发明以来，研究人员就在不断对其控制算法加以改进，以便能采用各种刀具对曲面进行快速加工。近年提出的五坐标数控加工密切曲率法，采用中凹的盘铣刀取代传统的球铣刀或平头铣刀，在每一行程中让刀具轴线相对于工件按特定的规律摆动，使得在垂直于进给方向的法截面中，由刀尖轨迹形成的包络面与理论曲面的法截线具有相同的1-3阶导数，从而在保持精度不变的前提下使实际行程次数大幅度减少。这是上个世纪末曲面铣削加工中效率最高的方法。

　　已知自由曲面CAD模型，可以使用传统的方法如数控机床进行加工，但是它对于复杂的自由曲面加工成本高、效率低。近年来，各种快速成形制造技术广泛应用于工业中，如选择性激光烧结法(SLS)、熔融沉积成型法(FDM)、喷墨打印法(UP)、叠层实体制造工艺(LOM)等，这些RPM技术的共同特征是由材料逐层累加直接从CAD数据生成产品模型。

　　各种快速成形制造技术的过程都包括CAD模型建立、前置处理、原型制作和后置处理四个步骤，如图1所示。

　　图1 快速成形制造技术的制造过程

　　RPM技术最适合快速逆求工程中的自由曲面成形制造。目前，RPM技术的精度还不高(只能达到0.1mm),且成本高，还没有广泛用于生产，主要是对新产品设计中概念模型的快速制造和对新设计产品工艺性的快速试验，为客户快速提供产品外观形状以及加工制造一些难于加工的模型，进而实现模具制造。这一新技术由于具有快速性优点，它的应用领域正在不断扩大。不过，RPM工艺过程是由CAD数据驱动的，由于数据结构不同，CAD系统难于直接驱动RPM设备，必须有一个统一的格式。目前，STL文件格式已成为快速成形制造技术的标准格式。

　　2.3 反求技术中的表面再现技术

　　逆求工程在形状数字化后，另外一个重要方面是要将样件形状数据输入CAD数据库，以便在CAD软件平台上对样件进行设计。这一工作是仿形测量后必不可少的，从测量的大量数据中，以计算机能够理解的形式定义三维物体的表面形状，这一过程就是原形再现(或复现)。

　　逆求工程中的光电测量系统的数据量既大又密，常被形象地称为“数据云”。这种“数据云”的数据若被安排在规则的栅格上，用B样条表面模型技术可能是迅速和有效的，但采用立体扫描测量或全场测量得到的“数据云”一股都是十分庞大的离散点数据，这样的数据是不适用于定义曲面和产生CAD/CAM数据库数据的。因而，要用一定的数学算法将这类“数据云”进行工程的近似化处理，这实际上是用某种平滑滤波函数来大大减少数据量，如程序判断滤波、N点平均滤波，以及采用预测递推辨识与卡尔曼滤波相结合的自适应滤波算法。这样做可以剔除疵点，减小表面噪声，同时对比较粗糙的被测表面也可起到平滑作用。最终实现用某种特定的数学形式唯一地表达出这个三维曲面，以便采用丰富的CAD/CAM工程软件进行产品设计工作。其中，密集采样数据滤波后可能还有很密的数据点，这可能还是一种“数据云”。在软件的实际处理中多采用两步表面近似法来建立曲面模型:①用非规则离散表面的拟合近似法分区建立一个拓扑的矩形网格;②用整体张量对第一步的结果进行B样条表面插值，从而产生另一个可选择的矩形网格。这种两步表面近似法的优点是:最终得到的表面用标准数据格式表达，这样就使该数据模型能适应所有主要的CAD/CAM软件，从而在CAD/CAM软件中实现表面的复现。

　　数据处理的一个重要工作是对扫描数据点进行编辑。提供的编辑功能一般包括数据调整、复制、区域修剪、数据密度修改、数据光顺、噪音去除、尖角保留等。通过数据编辑，可以得到想要的数据。数据处理主要靠操作者的经验和实际需求灵活掌握，避免出现由于初始数据已发生改变，造成形状变形和精度降低等问题，一般要进行以下几方面的工作:

　　1)补偿点产生首先需要一个标准数据接口将这些数据转换成标准的内部数据格式。有2个重要的过程需要从输人点系产生补偿点:首先，对于接触扫描，需要恢复这些初始表面上的点，因为从接触扫描仪获得的坐标值并不真正代表接触点的坐标，而反映的是探头的中心或顶部的值，因此有必要对这些坐标值进行补偿转换;其次，建立刀具轨迹时，有些刀具(如铣刀)，也需要与工件之间有一定的偏移。对于产生补偿点，首先需要计算出标准点，而由于没有表面的数学表达公式，不能使用通常的方法计算出标准点。目前已开发出特殊的算法，能够在所规定的公差范围之内，获得近似的标准值。

　　2)噪声点删除首先是删除这些噪声点，以减少误差点对后续相邻区域平滑或细化等处理步骤不可预见的干扰和影响。然后可进行数据点精化处理，消除数据波动，修改范围可由用户通过图形交互设定。

　　3)数据点精化在CAD系统中，需要对获得的扫描数据点进行曲面重构、数控加工或快速原型直接拷贝等后续工作。在进行这些操作之前，首先要对大量初始测量数据点进行精化处理，它包括对测量数据点过滤、平滑等操作，数据点过滤的原则是在扫描线曲率较小时减少点数，曲率较大时保留较多的点数。数据点过滤一般在平滑之前，这样能够减少由于数据点过密造成局部区域产生较大曲率等问题，并且有利于提高平滑过程的效率和精度。

　　4)数据点加密表面上这与数据点精化相矛盾，但实际上由于测量设备及测量方式不同，造成测量数据点分布的结果不同。通常测量机所采集的数据是自动计算拱高差得到的，即在较平缓的区域采集到的数据点较少或没有，造成曲线拟合时会出现失真现象;同时在重构曲面时，需要插值加密;而从四边形网格的要求出发，相对应的边也需要将数据点均匀化，否则在构造曲线、曲面时，会产生较大的波动。因此，对于某些局部的数据不足，应该允许用户采用自动和交互2种方法进行数据点加密和补充。数据点加密的方式可以采用屏幕方式和相邻点插值等方法。

　　5)坐标转换对扫描数据点通常要提供1种类型的坐标转换，即平移、旋转、缩放和镜面对称。平移和旋转常用于调整CNC机床坐标的刀具轨迹位置。缩放功能除了用于测试和演示外，还可用于塑料注射模具中，考虑由于塑料件收缩，需要尺寸补偿的问题，还要很容易地设定不同方向的缩放因子。镜面对称功能主要用于凸凹转换，在模具设计和制造中，这种功能能够减少大量的重复性劳动，此外它还能够用于具有镜面对称形状的零件。

　　在逆求工程中，测量数据到表面复现的目的是要利用CAD/CAM软件进行设计，并为加工进行数据准备。目前许多软件包都提供有从曲面模型到NC加工代码生成的功能，一些较新的软件还提供适用于快速成形制造的STL数据文件格式。

　　由3维离散数据反求曲面STL数据文件的2种途径:

　　1)如果所得到的物体表面点的数据量充足，精度较高，如各种实物表面的激光扫描数据或三坐标测量数据、卫星遥感数据、某一局部地区按一定间距给出不同经纬度的高度，则可以利用3维离散数据直接构造曲面STL数据文件;

　　2)如果所得到的物体表面点的数据比较疏松，精度较低，如地图的等高线、各种实物表面的三坐标测量数据等，利用3维离散数据直接构造曲面STL数据文件，所形成的零件表面精度及光顺性都较差。此时可先通过离散数据拟合出样条曲面，然后将样条曲面转化成STL格式数据文件。

　　3 结论及展望

　　在制造领域，正向设计是由较高层次的抽象概念设计过渡到设计的物理实现，从概念设计到CAD模型具有一个明确的过程;而反求设计是基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计模型、是通过对重构模型特征参数的调整和修改来达到对实物模型的逼近或修改，以满足各种需求。因此，从数字化点产生到CAD模型是一个推理的过程。

　　由于反求技术在成形制造领域的广泛应用，传统的制造技术随之正在改变着。产品的生命周期缩短，用户需求多样化和交货日益缩短已为现代制造技术的三个主要竞争因素，RPM技术与反求技术相结合顺应了现代制造技术的趋势，有着广泛的应用前景。围绕着快速成形制造技术与反求技术集成的几个关键点，还有待解决好如下几个问题:

　　1)目前快速成形制造的成本很高;

　　2)如何提高数据采集的效率和精度;

　　3)多视图拼合问题无法自动处理;

　　4)应用软件交互定义多，自动提取方法有限。