逆向工程中曲面重构的应用软件研究

2022-09-10

逆向工程 (Reverse Engineering) 指将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称, 是将已有产品或者实物模型转换为工程设计模型和概念模型, 并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再制造的过程。

产品实物的逆向设计过程首先通过对实物或者模型的测量扫描以获得实物或模型的数据信息, 然后采用先进的CAD软件对所得数据进行前期处理, 之后根据不同的产品和实物具体要求快速、准确地建立实体几何模型。在工程分析地基础上进行快速原型制造、数控加工生产制造或计算机辅助分析等工作, 实现从产品或模型—设计—产品的整个生产流程。具体流程如图1。

1 逆向工程中应用的曲面重构技术

逆向工程有两个主要的研究内容:一是实物模型表面数据获取技术;二是曲面重构技术。数据获取和整合技术的发展为处理复杂物理模型提供了可能。曲面重构技术就是根据测量获取的点云数据来恢复原始曲面的几何模型, 是逆向工程中的最重要的一步, 也是逆向工程中CAD建模的关键技术之一。曲面重构是逆向工程中的重点研究内容。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两类: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, NURBS和三角Beizer曲面。

在逆向工程的CAD建模中, 曲面重构是最为重要和关键的一步。重构曲面的品质和精度直接影响最终产品CAD模型的优劣。通过处理测量数据, 建立产品表面模型或实体模型的方法有很多, 根据不同的应用对象和应用范围有不同的处理手段。按曲面模型的表达形式分类, 逆向工程中的曲面重构方法大致可分为[1,2]:以B样条或NURBS曲面为基础的四边域曲面重构方法和以三角Bezier曲面为基础的三边域曲面重构方法。

基于B样条或NURBS曲面的四边域曲面重构方法适用于汽车、飞机、轮船等的曲面零件。在目前的CAD/CAM系统中, 大多采用B样条和NURBS曲面作为其内部统一的几何表达形式。该方法进行曲面重构和一般的CAD系统兼容性好, 可以直接利用现有CAD系统的许多功能, 便于和其它CAD系统进行数据交换[3,4,5]。

2 逆向工程中常用的曲面重构的应用软件

2.1 Imageware软件的应用

Imageware软件是应用这种四边域曲面重构方法的典型软件, 是目前使用最多的逆向工程软件, 正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。Imageware提供了在逆向工程、Class A曲面设计和曲面评估方面最好的功能。Imageware软件的特点是具有强大的测量数据处理、曲面造型和误差检测的功能, Imageware软件提供了多种曲面重构流程, 有由点云直接生成曲面;但多数情况下我们处理数据的流程遵循“点—曲线—曲面”的原则, 先创建合适的曲线, 然后利用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界等方法生成曲面。有时也可以结合点云和曲线的信息来重构曲面;还可以通过其他例如圆角、过渡面等生成曲面。另外, Imageware软件还提供了强大的曲面诊断和修改功能, 用以比较曲面与点云的吻合程度, 检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性, 可以调整曲面的控制点, 让曲面更加光顺[6,7]。

2.2 ICEM SURF软件的应用

ICEM Surf是PTC (Para metr ic Te chnology Corp) 公司为诸如轿车、摩托车、商务车、农用和建筑车辆及各种体育用品与消费耐用品的可见表面的设计应用而开发的用于曲面建模的产品, 专门用于A级曲面处理和复杂曲面建模与分析, 是所有不规则形状曲面处理的理想工具。ICEM Surf是公认的进行A级曲面创建和开发的首选系统, 能满足从美学设计人员到生产工程师等所有人的需求。

在曲面构建上, ICEM Surf可以在极短的时间内由有序或无序的数字测量数据实现曲面模型的逆向重建。大多数曲面建模软件只支持近似控制曲面形状和质量。ICEM Surf支持精确控制所有曲面属性, 专用的诊断工具还可以用以指导用户在曲面的光顺度与相对于测量数据的精确度之间达到一个合理的平衡, 创建高质量曲面时具有优良的柔性, 并大大缩短了整体设计时间;在可视化处理上, ICEM Surf也与传统建模方法明显不同。借助虚拟建模技术, 设计人员和工程师可以在屏幕上动态地进行设计工作, 并可即时看到他们构想的美学形像和工程效果。ICEM Surf支持直接建模技术、全局建模技术、统一建模技术和特征建模技术。ICEM Surf比其他方法具有数据更简单、更低的数学阶次的特点。这使它更快, 曲面之间的配合更好更光滑。结果是成形面的设计时间更短, 具有高度的可行性、可制造性而不只是概念性的。ICEMSurf中的曲面 (Surface) 是由曲面片 (Patch) 和 (F a c e) 构成的, 其中曲面片有三种形式, Bezier形式, B样条形式和NURBS形式。裁剪面通常是基于曲面片, 经过闭合边界裁剪得到。ICEM Surf允许用户对曲面任意分割, 并且允许用户同时编辑多张曲面片。

2.3 Geomagic Studio软件的应用

Geomagic Studio软件是应用三边域曲面重构方法的逆向工程专用软件。该软件可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格, 并可自动转换为NURBS曲面。Geomagic Studio软件是点云处理及三维曲面构建功能强大的软件, 这个软件的特点在于, 该软件从点云处理到三维曲面重建所需要的时间通常只有同类产品的三分之一。因此, Geomagic软件主要应用于快速消费品、玩具及其非工业成品 (如医学方面、文物和艺术品保存) 方面。利用Geomagic Studio软件可比较容易的从扫描所得的点云数据创建出多边形模型和网格, 并可自动转换为NURBS曲面。

2.4 Mimics和3Matic软件的应用

Materialise公司的软件产品Mimics和3Matic是医学领域中应用逆向工程技术的一款软件。该软件是主要通过对STL文件格式处理, 应用三角面片的方式来处理反向工程中CAD建模问题的新型软件。Mimics软件的优势是能在很短的时间内把CT或者MRI核磁共振得到的数据转化成完整的CAD数据形式或者有限元网格形式, 甚至是快速原形制造需要的数据。Mimics软件可以直接和STL文件、CAD软件、FEA有限元分析软件结合, 为医学模拟应用提供了很好的平台。

3Matic软件的主要特点是也是采用三角面片来表示所有的几何特征, 这种离散的表示形式使数据的存储、计算和自动操作变得容易很多。另外, 该软件可以对多种形式的输入数据进行操作, 转化为STL文件进行处理, 并能将CAD模型数据和扫描得到的不同形式的数据结合进行处理。在逆向工程应用中, 能进行部分的建模操作, 具有草图功能, 由于其采用的是三角面片的处理形式, 所以软件的处理过程非常的节省时间成本[8]。

2.5 UG等软件的应用

在逆向工程中除了利用专业的逆向工程软件进行曲面重构以外, 还会利用一些非专业的逆向设计软件, 如:UG、Pr o ENGINEER、CATIA等进行逆向工程的曲面重构。UG软件是目前市场占有量很高的高度集成的造型软件, 具有丰富的曲面建模工具。包括直纹面、扫描面、通过一组曲线的自由曲面、通过两组类正交曲线的自由曲面、曲线广义扫掠、标准二次曲线方法放样、等半径和变半径倒圆、广义二次曲线倒圆、两张及多张曲面间的光顺桥接、动态拉动调整曲面、等距或不等距偏置、曲面裁减、编辑、点云生成、曲面编辑。

3 结语

在逆向工程技术发展迅速的今天, 越来越多的利用不同曲面重构方法的软件方法应用在逆向工程的建模过程中, 如专用的逆向工程软件如Imageware、ICEM SURF、Geomagic、Mimics和3Matic, 同时还有很多正向CAD设计软件如UG、UG、Pro/ENGINEER、CATIA等, 并没有任何一个单一的软件产品的功能是完善地适用于所有的产品, 达到理想的快速而且高效的应用目的, 因此, 具体在逆向工程应用过程中达到预期的重构效果要针对不同的产品特征和需求进行软件选择。

摘要：本文在逆向工程曲面重构技术的基础上, 对应用在逆向工程的建模过程中的不同软件方法, 如专用的逆向工程软件如Imageware、ICEM SURF、Geomagic、Mimics和3Matic, 和正向CAD设计软件如UG、UG、Pro/ENGINEER、CATIA等进行了特点和应用方法的研究和比较, 以达到在实际应用中选择适当的软件进行曲面重构的目的。

关键词：计算机应用,逆向工程,曲面重构