逆向工程关键技术包括:数据采集与处理(即数字化技术)、曲面构造(即建模技术)等。
1.数据采集方法
目前,数字化方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类。
接触式测量是通过传感测量仪器与样件的接触来记录样件表面的坐标位置,接触式测量的精度一般较高,可以在测量时根据需要进行规划,从而做到有的放矢,避免采集大量冗余数据,但测量效率很低。如图2-109所示为接触式测量探头。
图2-109 接触式测量探头
非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理,将测得的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。非接触式测量技术由于其测量效率高,所测数据能包含被测物体足够细节信息,但是由于非接触式测量技术本身的限制,在测量时会出现一些不可测区域(如型腔、小的凹形区域等),可能会造成测量数据的不完整。同时,此种测量方式所产生的数据过于庞大,会增大数据处理和曲面重建的负担。如图2-110所示为手持式激光扫描仪。
图2-110 手持式激光扫描仪
在逆向工程技术中,CAD模型数字化是关键的第一步。只有获取正确的测量数据,才能进行误差分析和曲面比较,实现CAD曲面建模。
近年来,国内也开展了基于其他数字化方法的逆向工程的研究,如清华大学激光快速成形中心进行的照片反求、CT反求;西安交通大学研创的激光扫描法、层析法等。
测量常用的数字化设备有三维坐标测量机、激光测量仪、工业CT和逐层切削照相测量、数控机床(NC)加工测量装置、专用数字化仪器等。(www.xing528.com)
当被测物体有内轮廓曲面,尤其是内轮廓曲面内有肋板、凸块、凹块时,三维坐标测量机与激光测量仪的测量方法就显得无能为力。为了能精确地测得物体内表面的数据,可采用计算机断层扫描——工业CT和层析法——逐层扫描法。
工业CT方法的优点是可对被测物体内部的结构和形状进行无损测量,对内部结构有透视能力,如图2-111所示。缺点是空间分辨率较低,物体外缘有时模糊不清,数据获取所需时间较长,重建图像的工作量很大,目前现场应用还很少。
层析法也称逐层切削扫描法,是将被测量的物体在工作台上装夹好,通过数控系统控制铣刀的进给速度,一层层地切削出被测物体的截面,再用CCD摄像获得每一个截面的轮廓图像,通过一系列的图像处理技术,得到每一层的数据。这种测量方法,可以精确获得被测物体的内、外曲面的轮廓数据。层析法的测量精度更高,成本更低,测量更方便。但这种测量方法是一种破坏性的测量,并且一般用于钢性物体的测量,这些都限制了它的应用。
2.数据的处理
图2-111 工业CT扫描法
对测量数据进行处理主要是通过逆向工程应用软件来实现。逆向工程应用软件能控制测量过程,产生原型曲面的测量“点云”,以合适的数据格式传输至CAD/CAM系统中;或在生成及接收的测量数据基础上,通过编辑和处理直接生成复杂的三维曲线或曲面原型,选择合适的数据格式后,再转入到CAD/CAM系统中,经过反复修改完成最终的产品造型。
从20世纪80年代开始,国外对逆向工程软件展开了一系列的研究开发。近年国内的几所著名大学如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学在这方面也相继开展研究,并前后推出一系列的逆向工程应用软件。这些种类繁多的逆向工程应用软件,按其使用功能可划分为三大类。
1)对测量“点云”尚不能直接处理成曲线、曲面,需转换为合适的数据格式文件后,传入到其他的CAD/CAM系统中,通过CAD/CAM软件将测量“点云”处理成原型曲面。例如,配三坐标测量机的专用逆向工程软件PC-DMIS。
2)对测量“点云”经后置处理后直接生成曲面,生成的曲面可采取无缝连接的方式或有冗余数据的过渡方式集成到CAD/CAM系统作后续处理。此类逆向工程应用软件中,比较有代表性的有DELCAM公司的CopyCAD软件。另外,UG及Pro/E系列产品中有独立完成逆向工程的点云数据读入与处理功能的模块,如Image Ware、ICEMSurf等。
3)完全独立的逆向工程软件,如Geomagic等一些专业处理三维测量数据的应用软件,一般具有多元化的功能,即除了处理几何曲面造型以外,还可以处理以CT、MRI数据为代表的断层界面数据造型,从而使软件在医疗成像领域具有相当的竞争力。
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