国内外逆向工程反求软件的研发和应用现状

彭 健

[摘要]逆向工程可以快速高效地还原产品模型,帮助快速生产样件,快速进行产品设计,形成从虚拟到现实的转换,对于企业在竞争中将产品快速推向市场并占领市场,加快企业产品研发等方面具有重要意义。因此,就国内外逆向工程反求软件的研发和应用现状进行阐述。

[关键词]逆向工程反求软件应用现状

中图分类号:TU-9文献标识码:A文章编号:1671-7597(2009)1210154-01

长久以来,工业产品的传统开发方式均是遵循严谨的研发流程,从产品需求的构思、功能与规格预期指标的确定,进而到各个组件的设计、制造、组装、性能测试等。每个组件都保留有原始的设计图,此设计图目前通常通过CAD文件来保存。这种开发模式被称为“预定模式”(Pre-script

ive Model),此类开发工程亦通称为“正向工程”(Forward Engineering)。

然而,随着工业技术水平的提升以及大众生活水准的提高,任何通用性产品在消费者对于高品质的要求下,功能上的需求已不再是赢得市场竞争力的唯一条件。产品不单单是功能要先进,对外观质量、人机适应性等方面也有更高的要求,故而工业造型设计领域已日益受到重视。

工业设计多着重于产品的外观造型,多针对产品的外形美观化来处理,在正向工程的研发流程中已不是传统的机械工程师们所能胜任的了,取而代之的就是所谓的“逆向工程”(Reverse Engineering)。设计师们先通过手工方式塑造出模型,例如:蜡模、木模、石膏模、粘土模、工程塑料模等等,然后再以三维尺寸测量的方式生成自由曲面的CAD文件。

由图1可了解正向工程与逆向工程的整个产品开发流程。

逆向工程以往通常是指对某一产品进行仿制工作。这种需求的产生可能是由于原始设计文件遗失、部分零件重新设计,或是委托方交付一件样品或产品(例如:仪表盘、高尔夫球头等),请制造厂商复制出来。

传统的复制方法是利用立体雕刻机或是仿型铣床制作出成比例的模具,然后再进行量产。这种方法被称之为“类比式复制”,缺点是无法建立工件尺寸的文件,也无法做任何的外形修改,现已逐渐被数字化的逆向工程系统所取代。

目前所谓的逆向工程是指针对现有工件,利用3D数字化测量仪准确、快速地取得点云数据,再由反求软件经过曲面构建、编辑、修改之后,置入一般的CAD/CAM系统进行再设计,再由CAD/CAM计算出NC加工路径,最后通过CNC数控加工设备制造产品和模具。另一种量产方式则是先以快速成型机将样品模型制作出来,然后再以快速模具设备进行产品量产。具体流程如图2所示。

逆向工程技术自上世纪90年代以来在国际上得到迅猛的发展,目前在国内特别是在经济发达的沿海地区,逆向工程的应用多集中在模具样品开发方面,特别是在以生产各种汽车、玩具配套件的企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品。

反求软件系统是逆向工程技术的核心部分,由它将对样件模型测量而得的点云数据进行处理,生成具有较高质量的曲线、曲面模型并经编辑、修改之后,或导入CAD/CAM系统进行改进改型设计、模具设计等再设计;或生成STL数据传入快速成型机生产出产品样件。在实际工程应用中由于反求软件在曲面设计编辑及细节特征设计等功能方面还不如正求CAD软件,所以在具体工作中还要采用反求、正求软件配套使用、取长补短的方式,最终做成产品的逆向CAD模型。由此可见,如何将反求软件、正求软件有机地整和,也是值得思考的问题。

此外,近年来还兴起了与逆向工程紧密关联的坐标测量机和软件相结合的三维检测技术,其概念是对新生产出的复杂形体的精密零件进行检测,测量各关键部位的点云数据,与CAD几何模型(理论模型)进行对比分析,并将分析处理结果以图像、误差标注或分析报告的形式呈现给用户,直观而高效,免去了耗时繁琐的手工检测过程。这对企业提高产品质量很有帮助。

目前,国内外知名的、具有广泛工程应用的逆向反求软件有:

美国EDS公司出品的Imageware软件,具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲线、曲面模型与实际测量数据之间的误差。

英国DELCAM公司出品的CopyCAD,是DELCAM公司系列CAD产品中的一个。能够快速编辑数字化数据,产生具有高质量的复杂曲面。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取,然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面,同时,CopyCAD还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。CopyCAD的独有的局部逆向概念功能能极大提高逆向工程的效率。

DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程。包括PowerSHAPE(设计)、PowerMILL(制造)、CopyCAD、PowerINSPECT(三维检测)等诸多软件产品。作为系列产品的一部分,CopyCAD的数据模型、几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致,这样带来的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入CAD或CAM模块中,实现了数据的无缝集成,极大地方便了用户。

美国Raindrop(雨滴)公司出品的Geomagic Studio,具有丰富的数据处理手段,可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。还出品有三维检测软件Geomagic Qualify。

韩国INUS公司出品的RapidForm,用于处理测量、扫描数据的曲面建模,提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具,用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。

以上介绍的是目前较常见的逆向工程反求软件,在国内能够见到的商品化的此类软件均是国外的。国内在逆向工程软件方面虽然也有研究,但是主要集中在几所高校。其中以清华大学、浙江大学在这方面的研究比较深入,这些研究成果也有一些以软件产品形式出现,台湾地区也出品有Digisurf等软件,但由于系统稳定性、功能、可操作性等方面的原因,这些软件还没有完全具备与国外商业化软件竞争的条件。