逆向工程CAD建模关键技术研究
2021-01-11王金铃
摘要:近几年来,随着计算机技术的发展,逆向工程因其更适合开发产品,而备受人们的关注。逆向工程是工业产品加工设计的一种新方法,它直接利用现有的产品技术特点将实物模型转化为CAD模型。其中三维CAD模型的重构是最为关键的步骤,需要运用到多种关键技术才能完成实物模型的转化。当前它的应用范围极广,本文基于此,重点研究逆向工程CAD建模关键技术。
关键词:逆向工程;CAD建模;关键技术
引言:
一般情况下,工业产品的设计与加工需要先根据产品的需求开始构思,然后确定出产品的功能和规格,最后再设计相关的组件。这样可以将设计出的原始设计图保存起来,一般都会保存为CAD格式。利用这样的方法进行工业产品的设计与加工,是一种正向工程。而逆向工程是刚好与之相反的一种新加工方法,它是把实物模型,通过测量和数据采集后,利用数字化技术获得点云图像,接着进行曲面重构,重新获得修改后的模型,最终投入产品的生产。
一、实体三维测量技术
在逆向工程的实际操作过程中,首先需要运用的技术是三维测量技术。一般情况下可以分为损坏性和非损坏性两种不同的测量技术。损坏性方式是对被测的实物进行断层扫描,可以对实体的内部进行测量。该技术的优点在于测量的精密度更高,但缺点在于测量的速度比较慢,且会毁坏原本的实物[1]。
而非损坏性的测量方式又可以分为接触与非接触式两种不同的方法。其中,接触式的测量方法需要用到三维坐标测量仪和接触式传感器。其优点在于精度高,但是对周围环境的要求也比较高,需要用探头进行补偿性测量。若有些地方探头也测量不到,就要再用别的方式进行测量。如此一来就有一定的局限性,且测量的速度也是比较慢的。非接触性的测量方式速度较快,适合大面积的数据测量与采集,且对曲面形状也能进行测量。主要會利用到激光扫描技术、多视图拼接技术。
二、测量数据的处理技术与规划
数据的处理是逆向工程中的关键技术。它直接影响到了后期建模与重构的精准度。一般来说,测量系统会从原始实体物件的各个曲面上采集到大量的数据,这些数据之间没有一定的联系。通常情况下都是一些空间数据点,其中还有许多没有用的数据。故而就需要运用到数据滤波技术,以排除大量的无用数据。
在数据处理完成后,要准确地规划建模方案。主要是对逆向工程的建模目的和建模指标进行一个整体的规划路线。一般可分为两种不同的方式,一种是基于曲面特征进行建模,它能够较好的保持模型的精度,且操作简便。而另一种是基于截面进行建模,这种方法不适用于具有复杂曲面的模型设计。故此现阶段大多采用前者。
三、点云多视对齐技术
点云多视对齐技术多要与点云分割技术配合使用,它是一种测量数据预处理的加工技术。一般情况向下,对实物模型进行扫描测量后会得到大量的数据。此时的物体表面存在互相重叠在一起的多个区域,由于测量时是从多个角度进行测量的,那么就会得到多种不同的点云,也就是多视点云。因为产品大多是有多个曲面组成的,所以就要将不同区域的点云数据进行分割和对齐。为了将点云数据分割并对其,就要将统一的局部坐标划分在一起,并消除重叠的部分,也就得到了曲面的完整数据。一般可以采用的分割对齐方法有三种,一种是基于曲面,另一种是基于边,还有一种是基于面[2]。
四、数据滤波技术
目前,在数据采集的过程中,受到环境因素和人为操作因素的影响,测量出的数据中会存在噪声数据。为了降低对后期建模数据的影响,需要对点云进行平面的滤波处理,即为了保证点云的光顺度,进行的数据过滤。常见的滤波有三种,分别是高斯滤波、中值滤波和平均滤波。其中,高斯滤波的平均效果小,且呈高斯状态分布,能够较好的维持原件的形状。而中值滤波主要是为了消除边缘的毛刺,它主要是统计出数据的中值。平均滤波是取平均值。需要注意的是,点云滤波是在之前已经分割对齐的基础上,对有序的点云进行的点云滤波。但是点云精度越高,它的光顺程度就越差。反之,精度越低,则越为光顺。以上提到的三种滤波方法在使用过程中,要具体问题具体分析,合理地设置滤波参数。
现阶段出现了新的分块滤波技术。它可以实现噪点的快速和精准过滤。主要通过提取具有明显特征的分界线和基础几何元素,将曲面进行分块。大大提升了对噪点的判断精确度,也可以实现更为精准的过滤。此外,还有很多方法都会被应用到实际的数据加工中。
五、曲面拟合重构
这是逆向工程中最为关键的一个步骤,大多是基于之前的数据加工,最终利用软件技术,直接进行曲面的拟合重构。一般选用NURBS曲线法和三角Bazier曲面重构法、Bazier法以及B条样法。其中三角Bazier曲面更适用于复杂的逆向工程,但是不适用于CAD建模软件,要进行NURBS曲面的转换,在转换过程中容易造成数据的丢失。故此,常用Bazier法、B条样法和NURBS曲线法这些比较成熟的曲面拟合重构技术。
六、结束语
总而言之,逆向工程作为一种产品开发的新方法,而今越来越受到人们的关注。因为它的优点,在开发模具、原型制作、造型设计以及人体的形状测量等方面都得到了广泛的应用。此外还有许多产品的设计并不是来自于设计的图纸和概念,而是从另外一些实物模型上获取的灵感。那么在没有图纸的情况下,逆向工程的作用就得到了很好地发挥。其关键技术主要是通过利用数据的测量与处理技术,进行点云成像和曲面重构,最终获得CAD建模。但目前,逆向工程还需要我们进一步研究开发,以保证建模能够更加精密、准确。
参考文献:
[1]田立臣,祁丽丽,张智程,徐宏伟,王喜岩,魏高顺.基于逆向工程的曲面建模与创新设计[J].发明与创新(职业教育),2021(05):214-215.
[2]高宇,李卫民,赵旭东,江国海,丛伟.逆向工程技术研究现状与展望[J].辽宁工业大学学报(自然科学版),2021,41(02):90-94+128.
作者简介:姓名:王金铃;出生年月:1972.04;性别:女;民族:汉;籍贯:山东邹平;职务/职称:副教授;学历:硕士研究生;研究方向:机械cad,逆向;单位信息(单位全名):山东轻工职业学院;所在省市:山东省淄博市;邮编:255000