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2007-12-07 15:50 |
逆向工程中的CAD建模技術(shù)及軟件系統(tǒng)
作者：李志新 黃曼慧 成思源 XU"~h64]
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為了適應(yīng)市場的需求，更多的是為了適應(yīng)不斷發(fā)展的先進制造技術(shù)，需要將實CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)( RF)、計算機輔助制造(CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等先進技術(shù)對其進行處理和管理，并進行進一步修改和再設(shè)計優(yōu)化。由于這樣的需求，便需要一個解決方案:樣品—數(shù)據(jù)—產(chǎn)品。逆向工程便由此誕生了，逆向工程也稱為反求工程(Reverse Engineering,簡稱RE)。逆向工程為制造業(yè)提供了一個全新、高效的重構(gòu)手段，實現(xiàn)從實際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。 4^URX >nx8
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實體逆向工程的需求主要有兩方面:一方面，作為研究對象，產(chǎn)品實物是面向消費市場最廣、最多的一類設(shè)計成果.也是最容易獲得的研究對象;另一方面，在產(chǎn)品開發(fā)和制造過程中，雖已廣泛使用了計算機幾何造型技術(shù)，但是仍有許多產(chǎn)品，由于種種原因，最初并不是由計算機輔助設(shè)計模型描述的，設(shè)計和制造者面對的是實物樣件。 NQ6sGL
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在逆向工程中，三維CAD模型的重建是指利用產(chǎn)品表面的散亂點數(shù)據(jù)，通過插值或者擬合，構(gòu)建一個近似模型來逼近產(chǎn)品原型。三維CAD模型的重構(gòu)是整個逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，是后續(xù)產(chǎn)品加工制造、快速成形、工程分析和產(chǎn)品再設(shè)計的基礎(chǔ)。而伴隨著逆向工程及其CAD重建相關(guān)技術(shù)理論研究的深人進行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視，涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化逆向工程CAD建模軟件系統(tǒng)。 Phke`3tth
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1 CAD建模技術(shù)及軟件系統(tǒng) h*v8#\b$J_
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產(chǎn)品的三維CAD建模是指從一個已有的物理模型或?qū)嵨锪慵a(chǎn)生出相應(yīng)的CAD模型的過程，包含物體離散測點的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個RE過程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。其內(nèi)容涉及計算機、圖像處理、圖形學(xué)、計算幾何、測量和數(shù)控加工等眾多交叉學(xué)科和工程領(lǐng)域，是國內(nèi)外學(xué)術(shù)界，尤其是CAD/CAM領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點和難點問題。 g1( IR)U!z
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在實際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品形面往往由多張曲面混合而成。由于組成曲面類型的不同，因此，CAD模型重建的一般步驟為:先根據(jù)幾何特征對點云數(shù)據(jù)進行分割，然后分別對各個曲面片進行擬合，再通過曲面的過渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個曲面“縫合”成一個整體，即重建的CAD模型。 8-O)Xx}cU
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根據(jù)曲面拓?fù)湫问降牟煌�，自由曲面建模手段分為兩大�?第一種是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法;第二種是以NURBS(非均勻有理B樣條)曲線、曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合方法。這兩種曲面重構(gòu)方案，各有利弊。 ,{mCf ^
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三角域Bezier曲面擬合具有構(gòu)造靈活、邊界適應(yīng)性好等優(yōu)點，對復(fù)雜形狀曲面的擬合具有很大的靈活性，因而在散亂數(shù)據(jù)點的曲面擬合中被廣泛應(yīng)用。這種方法最適合表現(xiàn)無規(guī)則、復(fù)雜型面的物體，特別是人臉這類對象。但這種方法所構(gòu)造的曲面模型不符合產(chǎn)品描述標(biāo)準(zhǔn)，與通用CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換困難，因此，利用這種方法生成的曲面必須轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。但是，在轉(zhuǎn)換過程中，不可避免地會丟失一些信息.產(chǎn)生一定的誤差;同時，這種方法還存在對曲面修改能力不足、可控性差等缺點，這些都限制了它在實踐中的應(yīng)用。 R2
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NURBS方法建立在B樣條方法之上，較好地實現(xiàn)了解析幾何與自由曲線曲面的統(tǒng)一，成為當(dāng)今CAD/CAM軟件中曲面數(shù)學(xué)表達(dá)的主流。這類曲面可以應(yīng)用四邊參數(shù)曲面片插值、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣( Lofting )或蒙皮(Skinning )、掃掠( Sweeping )、混合(Blend)和四邊界構(gòu)造，并以此為基礎(chǔ)，形成了一套完整的曲面延(札求交、裁減、變換、拼接及光順等算法。但該方法只有當(dāng)測量點數(shù)據(jù)滿足以張量積形式分布和數(shù)據(jù)變化不太劇烈的要求時，才能得到光順的曲面，不適用于大規(guī)模散亂數(shù)據(jù)的曲面重建。 S m5H_m!
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伴隨著逆向工程及其CAD重建理論研究的深人進行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視，涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化逆向工程CAD建模系統(tǒng)。當(dāng)前，市場上提供了逆向建模功能的軟件達(dá)數(shù)十種之多，但大致可以分為兩類:一是專用的逆向軟件，如Imageware ,Geomagic , Polyworks ,CopyCAD, ICEMSurf和RE-Soft等;二是提供逆向處理模塊的正向CAD/CAM軟件，如PTC的Pro/Scan-tools模塊、UG的Point cloudy功能等。 D"D<+
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逆向工程軟件采用NURBS或者三角域曲面造型.具有較強的點云處理功能，但對于特征的識別難度較大，依賴于操作人員的經(jīng)驗;同時在進行曲面的擬合造型時，所提供的功能不如先進的正向CAD/ CAM軟件。而正向CAD/CAM軟件大多采用B樣條或NURBS方法進行曲面造型，具有很強的曲面造型功能。針對點云數(shù)據(jù)的處理，雖然提供有專門的模塊，但與逆向軟件相比，處理功能還不夠豐富和強大。 ^ (F dXGs[
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