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逆向工程在曲面建模质量控制中的应用

2005/5/11    来源:CAD世界网    作者:陈芳  朱河林  庄建立      
关键字:逆向工程  建模  曲面  质量控制  
介绍逆向工程最新技术动态和最新理论、结合软件介绍该技术和理论的实行方法。

    1、逆向工程

    当今逆向工程在产品工业设计过程中运用得愈加广泛。逆向工程是一种从模型对象表面获得的点数据出发,使我们能在计算机内生成一个已存在模型实物的替代品的技术。事实上,许多设计者热衷于手工地做出目标模型,目的是一方面将自己的概念设计以一个更真实的方式展现其外形;另一方面,为的是评估模型的实际尺寸能否实现所要求的性能。一旦其最终造型确定,为了产品设计过程和生产计划的顺利实现,有必要通过多种计算机辅助软件(CAD、CAS、CAID)构造一个虚拟模型诠释该模型。在整个过程中,一个重要的环节是从测量得到的点云数据重建曲面。通常,在一个点密集的数据里,很难找到创意师设计的造型特性,这会导致最终实现的产品和最初的设计模型造型的不一致性,有必要对所建立的曲面进行修复从而使误差减到最小以得到最佳效果。很明显,这些修复过程实际上是对设计工作的一种重复,蕴含着产品投放市场的相对滞后和相当大的成本增加。国外许多研究者在做这项工作。以意大利为例,许多先进企业的产品开发者如DEMO公司、IDEA公司等致力于开发一些辅助软件工具以使CAD的操作者能够快速地控制从点云数据出发到重建曲面的响应过程。所提及的控制是指如何有效地发现误差。所应用的软件有Pro/SURFACE和CDRS,这两种PTC曲面设计软件给设计者灵活控制曲面形状提供了较大的自由度,能使设计者易于实现个性化的应用而获得高质量的曲面。

    产品造型的重要性绝不亚于产品功用,因为造型是最直观具体的。工业领域市场的不断发展推动着企业开发新产品。为获得良好的商业效果,产品的外观正变得越来越重要。设计者们通过对曲面构建技术的提高和相关材料的制约来提高产品外形质量。对逆向工程而言,在产品设计和生产过程中如何实现和产品最初设计的造型一致显得尤其重要。如今有许多CAS(Computer Aided Styling)和CAID(Computer Aided Industry Design)软件,它们的目的是支持或扩展设计者的创造性,同时通过对产品虚拟模型的分析,允许设计者的设计概念能传递到那些与产品开发及生产有关的人员那里。这里的虚拟模型,我们不妨理解为产品在计算机里通过某种软件展示的模型。实际上逆向工程是一个从已有产品模型出发定义几何数据并通过这些数据在一个CAD环境下重建产品的数字化或参数化模型的过程。它的整个过程大体上通过两种方法实现,可以用图1来表示。

    建模首先从采集数据开始,可以通过多种系统获得。如今盛行激光测量技术能采集到用传统测量手段难以取到的点数据,但随之也产生了密度相对很大的点云。在点云分区后接下来的阶段就是重建CAD曲面。近年来,在建造三维CAD模型方面兴起了两个主要的研究领域,其一为自由曲面的构建;第二是形状较规则的模型建立。对于前者,侧重拟定点云数据的自动分片分区,然后单个的被划分出的点云片由CAD操作者用数学曲面NURBS或BEZIER近似逼近形成。对于后者则注重建立CAD模型的方法、减少后续产品开发和生产环节中各参与者自我主观意向对产品的影响。总的来说,产品的外形设计诞生在第一阶段,因此曲面建模是整个开发及生产过程的基础,而这项工作需要设计者较多的时间投入和高水平要求,即使是使用先进的Pro/ENGINEER软件也要求操作者是曲面设计的专家。Pro/ENGINEER软件对完成后的曲面能进行质量分析,但这种质量评估忽略了点云数据所包含的信息的重要性,除了对曲面本身特性如高斯曲率、梯度等的分析外,只检查曲面和原始点云之间的距离值。当这些评估要素是针对点非常密集的云片时就显得明显不足,会失去对外形真实性的控制。

图 1

    许多研究者竭力想开发一些软件以控制曲面外形使其与设计者的意图有最好的吻合。产品外形设计过程在不同的企业有不同的方式,但共同的目标是一致的,即让最终成型的产品完好地体现造型设计的理念。最初的产品造型设计具有多样的个性解决技巧,它们可以分成两大类别 :第一种是在CAS系统的支持下实现三维虚拟模型。虽然这些先进软件能较好地处理视觉效果,但90%的情况下这些处理对于有效的外观评估是不够的。这是因为一个二维屏幕上的比例图像很难精确地毫无缺陷地模拟实际的外形,特别是当模型的外观曲面很复杂时。因此各零件通过快速成型技术而获得实际的客观模型来评估、修改并控制其质量,但缺陷是 :该项技术是非常昂贵的;为了获得最佳外形效果需要随之而来的反馈回去的重复性的大量修改工作 ;快速成型技术在成型产品尺寸上有局限性。第二种是采用易于塑造制作的材料手工地实现真正的客观模型,当然这种模型可根据需要选取不同比例,即时下盛行的“泥型制作”。设计者直接在此模型上评估并决定为获得最好的外形质量所需做的修改。一旦该模型被确认、设计者“冻结”该外观造型,就可以进行下续的逆向工程、必要的CAD模型和产品生产。后一种手段在当今工业设计生产中占有至少70%的比重。不难看出,客观模型在上述两种情况中都很重要。通过以计算机为基础的技术用一个数字化或参数化模型充当客观实际模型的完全替代品在时下是不可想象的,也是不现实的。该过程能达到的目的是尽可能地减少重复修改的次数(CAD模型、实际样品和数字化加工CNC获得的产品),即如何尽快缩短产品开发周期。国外许多研究者在从事这个课题。他们的目的是让建立模型的手段如何更符合、贴近造型设计的理念。可以预见,将来虚拟现实技术的应用会在设计者和参数化模型之间建立最直接的相互接触和影响(设计者去“触摸”虚拟的模型)。一个在短期内可能实现的方法是基于特征的建模向曲面造型建模的转化、传递。构建特征模型存在两种方式 :其一为“使用特征设计”法:将数据库里的特征以某种方式安置在一起,从而创建目标模型。该方法要求对模型的全部特征有一个较好的全局的综合概括。其二是基于对模型所有特征的认知,从几何数据模型(如采集的点云数据)出发的设计法,在这种情况下,设计过程的第一步——模型测量是必要的。

    鉴于上述技术尚处在起步阶段,当今的逆向工程亟待优化,而其中最重要的环节是重建曲面。突出的问题是客观模型和CAD模型之间相应的造型误差。许多研究工作就是围绕如何减少这些误差进行自动控制的方法。让我们审视一下构建曲面中存在的问题。必须注意到曲面构建的前提是:它是一个近似过程而非分割过程。点云代表的是CAD操作者建立必要曲面块的基础,因此不可能获得测量模型和CAD模型的完美吻合。影响误差的原因可分为以下三个主要要素:首先,直接从密集点云识别外形特点的难度,当模型的尺寸较大时,难度会明显增加。例如,很难辨别某区域点代表的是平面区域还是曲率较小区域 ;把握不同曲面之间的真实连结情况等,从而导致相应的点云数据和CAD模型之间的误差。其次,将重建的曲面输入到实体模型会产生误差,该过程误差通常在产品加工中体现得尤为明显,因为加工是从参数模型到实际模型的又一次近似。第三,从采集数据到加工成品的过程中有不同的操作者和设计者的参与,对整个产品的运作过程会在他们之间产生人为主观误差。显然,这些误差如果不控制在设计阶段,它们就会反应在最终成品上,并导致因模具修改而追加的时间和成本消耗。定义这些误差、用有效的方式识别、评估并补正它们是许多逆向工程课题研究的内容。在这里介绍一种识别误差的方法,它是从模型的典型线条上抽取相关几何参数并对它们进行分析。这种方法能自动找到重点区域,提示CAD操作者出现造型误差的地方。它是对点云和重建的曲面共同的一系列几何特性的对置和分析。如果忽略在采集模型数据阶段产生的误差,点云应该代表造型师的“真实”概念设计外形。该方法特别运用了如下几何要素:典型线条、横截面、等高线、梯度、曲率、曲线圆。

    当一个设计者构思了一个新产品时,会设计一些主要线条来定义产品的整体形状。这些线条也就是设计者给最终产品打下的烙印。例如,我们很容易辨别甲乙两设计师设计的椅子各自到底是谁设计的。这些曲线就被称为典型线条。在许多情况下,这些元素其实并不是真正的实际的曲线,而只是由那些看到该产品的人所感知的代表曲面走势的东西。它们决定了客户对产品的印象,也即客户认为产品是否“美”的标准,因此在产品开发、生产的每个阶段要对它们进行根本的跟踪和保持。其他考虑的几何要素有:截面、轮廓线、等高线等,它们和典型线条相比,是对产品外形相对较简单的控制。从这些几何要素出发,有必要用一个客观的方法来评估曲面质量,目的是将外观转化为直观的数据,而数据应是通过点云和曲面同类元素之间的对比而得出的。为做到这一点,原则是典型线条的曲率、梯度、距离的适当结合。传统的方法是:在第一次试模后才发现设计过程的误差所在,再返回去修改曲面,这样的“重复”过程无疑会造成时间和成本的极大浪费。并且传统的误差诊断方法,如点云-曲面之间的距离、曲率分布图很难给CAD操作者一个易于利用的反馈信息,它们很难确定具体需要修改的区域范围,由此导致的修改免不了将正确的相邻区域牵连至待修改的区域,即修改范围的人为扩大或错位。相反,典型线条法将各种曲面建模误差结合在一起,按照误差“比重”大小(不同程度的误差由不同的颜色图表示),可以使CAD设计者根据线条划分的界限很快识别待修改的区域,哪些地方存在较严重误差。因此可以将误差较好地控制在曲面建模阶段。当然,更进一步的每个区域的误差种类和修正办法提示有待研究。

    2、结束语

    本文论述了逆向工程在曲面建模中应用的一些概况,还介绍了一种控制曲面建模误差的方法。通过对与典型线条相连的几何参数为基础的检验方法的完善,可以检验设计者的造型设计是否在CAD曲面建模步骤里得到很好的保持和把握。

 

责任编辑:林卿
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