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工业产品的逆向工程技术及应用

2017/5/24    来源:互联网    作者:李庆  邢志勇      
关键字:逆向工程  点云处理  3D打印  
文章阐述了解决逆向工程应用于工业产品逆向建模过程中的一些关键技术。首先介绍对逆向工程的理解和目前主流逆向技术应用流程,其次以具体工业产品为例从点云获取、点云处理、逆向建模、误差分析、3D打印制造,最终获得产品样件的过程。

    逆向工程技术(Reverse Engineering,RE)是通过对一个物体或系统的物理结构分析,获得产品技术原理和工作原理的过程。逆向工程技术在产品开发过程中是指与传统产品正向设计相反的思路,从现有实物模型着手,利用各种测量设备获得测量的数据,创建出相应实物产品数字模型的技术手段。目前,逆向工程技术已经发展成为一个通过三维扫描实物的实际尺寸和现有物理组件的结构,迅速建立三维CAD模型的过程。逆向工程可以实现在原有产品的技术文件丢失时进行重建,可提高新产品的开发效率,还可用于产品分析和学术研究等。

    1 逆向工程概况

    逆向工程的原则是“从有到无”,根据产品已经存在的模型,通过各种测量和三维几何建模方法,从原始模型到创建出三维的计算机数字模型,推出产品设计数据的逆过程。目前,主流逆向工程是由三维扫描仪对现有的样品或模型进行准确、高速的扫描,得到三维点云数据,通过逆向工程软件进行数模重建,然后对重建表面进行评估和分析,转换生成IGES或STL数据,为快速原型或数控加工做好准备。

    1.1 常用数字化测量方法

    逆向工程技术中,三维扫描是最基本步骤。这是获得原始点云数据的最直接、最理想的方法。原始点云数据的背后是逆向处理的基本依据。因此,三维扫描的点云数据直接影响逆向建模成功与否。扫描设备根据测量方法可分为两类:

    (1)接触测量:根据不同的测量头,可分为触发式和连续式。三坐标测量机是上个世纪60年代开发的高效精密测量仪器,是一种精度高、柔性强的数字化测量设备。

    (2)非接触式测量:根据不同的原理,可分为三角形法、结构光方法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、超声法、色谱法、CT和MRI等。

    1.2 点云文件编辑处理

    点云数据通过非接触测量方法获得的结果是非常庞大的,往往会有很多杂点和噪声点。这些点会对后续的模型重建过程有不利影响。因此,需要在曲线重构之前对一些必要的数据进行处理和编辑,从而获得满意的点云数据,为曲面的重建做好准备。点云预处理包括点云过滤、点云对齐、减少噪音、补洞、封装和其他工作。

    1.3 三维曲面逆向建模

    逆向工程技术中的核心主题,是针对逆向工程产品CAD模型重构。由散乱的产品表面点数据拟合,创建出产品曲面或实体,最后通过曲面编辑和曲面缝合操作,构建完整的产品模型。自由曲面的重建是最重要的技术手段。

    目前共有3个类别的从点云曲面进行拟合的算法:四边域的参数曲面拟合、三边域的曲面拟合、基于多面域的表面拟合。曲面拟合四边形参数的NURBS曲面具有通用性好、算法稳定、曲面编辑能力强、良好的表面质量等特点,已成为主流的曲面拟合方法。

    创建产品的CAD模型,从而进一步进行CAM加工制造或CAE分析,并复制该产品的外观。在一般情况下,CAD模型是由许多不同的几何形状相结合,且每个都具有几何形状的特性。因此,如果逆向工程技术应用在产品设计中,该产品的原始CAD模型进行逆向,它不是使用一个简单方法来完成,而必须考虑产品外观的几何特征,选择适当的曲面创建方法,才可能得到良好的几何形状,以满足产品的外观要求。因此,要掌握产品模型的逆向过程中数据采集方法、曲面特性、曲面的表面特征,在产品曲面的重建过程中可以节省大量的时间,提高效率。

    2 工业产品的三维扫描

    工业产品工件是车辆中常用的安全锤,为正式量化生产,需要先获得三维数字化模型。工件外观如图1所示。

    1

    图1 工件外观

    2.1 三维扫描设备

    WinBDD系列三维扫描仪,采用对产品表面非接触式三维光学扫描。产品可以对复杂的自由曲面、柔软易变形或磨损的产品模型表面进行数据采集。该扫描仪超越传统激光扫描仪的低精度、低效率和行程限制等缺陷。

    在扫描之前,工件表面需要喷显像剂和贴标记点。由于要双面扫描,需要在较为平坦的表面贴上标记点。经过扫描后获得点云,如图2所示。图中可以隐约看到5个标记点的位置。

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    图2 原始点云文件

责任编辑:张纯子
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