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逆向工程关键技术研究及应用
摘要:逆向工程是一项计算机辅助设计的新技术,它是在现有产品数字化基础上进行设计创新的,其关键技术主要包括:实物数字化、数据预处理、三维模型重建等。本文总结了国内外的逆向工程技术研究现状,对其关键技术进行了研究,并概括了目前逆向工程在设计中的应用情况,最后对逆向工程存在的问题进行了讨论。
一、绪论
计算机辅助设计指利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作,简称CAD。在工程和产品设计中,计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等各项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较,以决定最优方案;各种设计信息,不论是数字的、文字的或图形的,都能存放在计算机的内存或外存里,并能快速地检索;设计人员通常用草图开始设计,将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成;由计算机自动产生的设计结果,可以快速作出图形显示出来,使设计人员及时对设计作出判断和修改;利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。CAD能够减轻设计人员的劳动,缩短设计周期和提高设计质量。
作为计算机辅助设计的一项具体应用,逆向工程是近些年发展起来的消化、吸收先进技术的一系列分析方法及应用价值的组合。传统的正向设计从实际需求出发得出产品的概念,进一步建立与之相符的CAD模型,通过一系列手段得到产品的实物模型。相对于传统正向设计,逆向工程的过程采用了通过测量实际物体的尺寸并将其制作成CAD模型的方法,真实的对象可以通过如三坐标测量仪(Coordinate Measure Machine,CMM),激光扫描仪,结构光源转换仪或者x射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量,然后通过后续处理进而得到3D模型。概括地说,逆向工程是由产品样件到数字化模型的过程,相比于传统的正向设计,它极大地缩短了产品的开发周期,提高了经济效益。
二、研究现状
逆向工程是20世纪80年代初由日本名古屋研究所、美国3M公司和美国UVP公司提出并研制开发的[1]。Besl等[2]提出了经典的最近点迭代法(ICP算法),能够很好的实现多块点云数据的拼合;李丰等[3]对点云数据多视角拼合的三基准点选取技术进行了研究;Polthier等[4]提出一种用于点云去噪的基于偏微分方程的曲面逼近算法,在去除小振幅噪音时取得了很好效果;Hamann[5]通过先计算三角面片的曲率,再根据面片位置及曲率大小删除冗余三角形,进行三角网格数据的精简;上官建林[6]提出自适应最小距离法对线扫描点云进行精简,效果较好;Fafin[7]在1982年,提出构造G1连续三角Bezier曲面的方法;Piegl等[8]研究了有理B样条曲线曲面的构造,并在此基础上提出了NURSB曲面方法;南京航天航空大学[9]基于海量散乱点的三角网格曲面建模方法;浙江大学化工机械研究所[10]提出的基于三角Bezier曲面建模的RE、RP集成技术;西安交大CIMS中心[11]的基于线结构光视觉传感器的坐标测量机的研究和面向CMM的逆向工程的测量方法。
逆向工程技术不但在理论与实践上得到了大量研究,同时也己涌现出了众多商用的逆向工程软件。在国外,出现了多个逆向工程专用和非专用的软件系统。如,美国EDS公司的Imageware、美国Raindrop公司的Geomagic Studi