【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 包括幾何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺、幾何造型等【8】。目前，世界各國對(duì)反求工程技術(shù)都給與高度重視，在國外，如美國、日本、英國等發(fā)達(dá)國家對(duì)反求工程技術(shù)方面的研究一直走在世界的前列，每年都有大量的研究成果問世，他們對(duì)反求工程技術(shù)的研究有許多值得我們借鑒的地方。 美國UGS公司提供的反求工程軟件Imageware【9】，具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)功能，可以處理幾萬至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)，根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。另外，Imageware在計(jì)算機(jī)輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強(qiáng)大功能，使它成為反求工程軟件的領(lǐng)導(dǎo)者。Imageware采用的是NURBS曲面模型，與UG、Pro/E、CATIA等通用CAD/CAM軟件采用的曲面描述方法相同，可方便的溝通。 CATIA是法國達(dá)索系統(tǒng)公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域中處于領(lǐng)先地位。它的數(shù)字化外形編輯器由于解決數(shù)字化數(shù)據(jù)導(dǎo)入、壞點(diǎn)剔除、勻化、截?cái)嗝?、特征線、外形和帶實(shí)時(shí)診斷的質(zhì)量檢查等問題。該模塊用于反求工程周期的開始階段?？焖偾嬷亟ǎ≦uick Surface Reconstruction）模塊可以根據(jù)數(shù)字化數(shù)據(jù)方便地重建曲面。它用于分析曲率和等斜率特性的工具，使用戶可以方便地在有關(guān)曲面區(qū)域中創(chuàng)建多邊形線段【10】。 另外還有英國DELCAM公司的CopyCAD在國內(nèi)也擁有了相當(dāng)?shù)目蛻羧?。?shù)字化制造針對(duì)三位散亂數(shù)據(jù)測(cè)量點(diǎn)的表面重建，國內(nèi)在此領(lǐng)域的研究也很熱烈，并以取得一系列的成果【11】。進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，反求工程技術(shù)被放到大幅度縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期和增強(qiáng)企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力的主要位置上。1998年，全球反求工程技術(shù)系統(tǒng)加工中心達(dá)到331個(gè)，擁有快速成型機(jī)660臺(tái)套，同時(shí)有27個(gè)快速成型設(shè)備公司，12個(gè)大的材料供應(yīng)商，15個(gè)專業(yè)軟件公司，再加上從事該項(xiàng)目的51個(gè)教育和研究機(jī)構(gòu)以及227個(gè)提供贊助的基金會(huì)以及大量的激光設(shè)備應(yīng)用者和真空鑄造機(jī)制設(shè)備，形成了一個(gè)強(qiáng)大的集成體。在經(jīng)過了初期50％的高速增長(zhǎng)后，世界快速制造業(yè)正步入穩(wěn)定增長(zhǎng)期，年增長(zhǎng)率保持在17％左右。在越來越激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，反求工程技術(shù)在先進(jìn)工業(yè)國家中被有遠(yuǎn)見的企業(yè)采用，特別是在家電、汽車、玩具、輕工、建筑、醫(yī)療、航空航天、兵器等行業(yè)得到推廣，并取得重大的經(jīng)濟(jì)效益。 國內(nèi)的研究概況 國內(nèi)在反求工程技術(shù)領(lǐng)域的表面重建方面做了大量的探索研究工作，并取得一批十分可喜的成果。但同國外相比，國內(nèi)研究起步晚經(jīng)費(fèi)投入少，限制了高水平研究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學(xué)術(shù)領(lǐng)域還沒有形成較大影響力。較早從事反求研究工程研究的單位多為高等院校，如浙江大學(xué)、清華大學(xué)、華中科技大學(xué)、西安交通大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等，取得了非?？上驳某晒⒅鸩较蚴袌?chǎng)推廣【12】。浙江大學(xué)開展了對(duì)反求工程中曲面造型技術(shù)的研究，并推出了RESoft反求工程系統(tǒng)軟件。在RESoft系統(tǒng)軟件中，首先對(duì)數(shù)字化點(diǎn)建立三角形網(wǎng)格模型。利用這一模型對(duì)曲面的特征進(jìn)行辨識(shí)，然后利用辨識(shí)的結(jié)果和用戶給定的誤差多三角形網(wǎng)格進(jìn)行必要的簡(jiǎn)化和調(diào)整，使得網(wǎng)格表示的曲面模型與實(shí)物一致，最后在三角形網(wǎng)格的網(wǎng)孔內(nèi)構(gòu)造三角Bezier曲面的去面片，各個(gè)相鄰曲面片間要實(shí)現(xiàn)G1連續(xù)【13】。華中科技大學(xué)開發(fā)了是三維激光彩色掃描系統(tǒng)3DLCS95，1995年獲得了國家專利。清華大學(xué)激光快速成型中心進(jìn)行了照片反求、CT反求研究。照片反求是通過提取實(shí)物照片的幾何信息，重構(gòu)實(shí)物的STL模型。有了STL模型，就可以用RPM系統(tǒng)制造出該物體的原型。CT反求是利用人體器官或工業(yè)零件的CT切片掃描文件，通過圖像處理，提取物體的平面輪廓線，并通過層片間的插值，得到可以被CAM系統(tǒng)接受的層片文件格式。西安交通大學(xué)CAD/CAM研究所開發(fā)的Jade系統(tǒng)是基于實(shí)體的三維重建方法處理斷層數(shù)據(jù)的三維模型反求系統(tǒng)軟件【14】。該系統(tǒng)包含有3個(gè)功能模塊：層析數(shù)據(jù)處理、特征識(shí)別、三維實(shí)體重構(gòu)。數(shù)據(jù)是通過層去測(cè)量得到的，避開由于CT、MRI等設(shè)備造價(jià)昂貴，且測(cè)量精度不高的不足。層析數(shù)據(jù)處理就是通過圖像處理技術(shù)提取邊界輪廓以得到斷面輪廓數(shù)據(jù)環(huán)。總體來講，由于缺乏自主的CAD/CAE/CAM軟件的支撐，以及反求工程的上游測(cè)試設(shè)備和下游應(yīng)用(CAD/CAE/CAM)基本為國外產(chǎn)品，使得國產(chǎn)軟件產(chǎn)品在設(shè)備接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和應(yīng)用上一直滯后與世界上相關(guān)產(chǎn)品，開發(fā)的軟件顯得勢(shì)單力薄，與國外軟件相比處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)，因此，如何將反求工程系統(tǒng)地應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)，如何根據(jù)工業(yè)設(shè)計(jì)的需求來開發(fā)合適的反求工程系統(tǒng)，還處于摸索階段【15】。 反求工程技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)反求工程是一門發(fā)展十分迅速的新興學(xué)科，覆蓋了許多技術(shù)領(lǐng)域。目前這項(xiàng)技術(shù)以推廣到設(shè)計(jì)和新產(chǎn)品的開發(fā)中，它的應(yīng)用可大大降低產(chǎn)品的開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。尤其是反求工程與快速原型、快速模具技術(shù)的結(jié)合更形成了一套快速響應(yīng)的制造路線，為企業(yè)提高產(chǎn)品的快速開發(fā)能力?？梢哉f，隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的激烈，此項(xiàng)技術(shù)將越來越發(fā)揮出其獨(dú)特的作用。當(dāng)前反求工程的理論和方法研究的重點(diǎn)在如下兩個(gè)方面：⑴針對(duì)不斷發(fā)展的高速、高精度的測(cè)量設(shè)備，需要研究和開發(fā)一種智能化的反求工程方法及其理論，能對(duì)散亂測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù)點(diǎn)、多視和補(bǔ)測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾何、拓?fù)潢P(guān)系自動(dòng)確定，能對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)“點(diǎn)云”中包含的幾何特征只能提取。⑵將反求工程方法與快速設(shè)計(jì)、制造環(huán)境有機(jī)結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的快速設(shè)計(jì)和創(chuàng)新。只有將反求工程中建模部分與整個(gè)制造環(huán)境中的設(shè)計(jì)修改、性能分析、快速原型制造等模塊結(jié)合起來，引入并型設(shè)計(jì)、反饋設(shè)計(jì)的思想，才能徹底發(fā)揮其在快速設(shè)計(jì)中的作用。目前反求工程還有許多理論和關(guān)鍵技術(shù)問題未能得到徹底解決：造型精度需要進(jìn)一步的提高；測(cè)量建模算法的有效性、建模效率，以及所建CAD模型的誤差（測(cè)量、算法誤差）分析還有待于深入研究；另外，面向RPM的反求工程系統(tǒng)在設(shè)備價(jià)格方面相對(duì)來說還比較昂貴；在工作過程中，需要適時(shí)的進(jìn)行人工干預(yù)；在快速響應(yīng)市場(chǎng)方面也有待于加強(qiáng)?？梢灶A(yù)計(jì)反求工程系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)是向自動(dòng)化、柔性化、快速化方向進(jìn)一步發(fā)展【16】。 反求工程主要步驟及關(guān)鍵技術(shù)反求工程的主要實(shí)現(xiàn)步驟包括：零件表面信息的獲取、測(cè)量數(shù)據(jù)預(yù)處理、零件三維模型的重建和加工。零件表面信息的獲取需要測(cè)量零件表面的形狀信息。在實(shí)際應(yīng)用中，測(cè)量方法有很多種，大體可分為接觸式和非接觸式兩種。測(cè)量方法如圖12所示。接觸式的測(cè)量方法精確度高，但測(cè)量效率低，裝夾過程復(fù)雜耗時(shí)，容易受到被測(cè)物體形狀的限制?，F(xiàn)在產(chǎn)品的形狀日趨復(fù)雜，凸臺(tái)、深孔、自由曲面等測(cè)量障礙區(qū)或不易測(cè)量的表面也在增多，測(cè)量過程中可能會(huì)出現(xiàn)測(cè)量探頭與被測(cè)零件發(fā)生碰撞的情況，同時(shí)增加了大量的測(cè)量時(shí)間。非接觸式測(cè)量一般使用聲波、光線、磁場(chǎng)等基本物理模擬量的特性和原理，將物理模擬量通過一定的算法轉(zhuǎn)化成坐標(biāo)值【17】。非接觸式測(cè)量所獲得的坐標(biāo)數(shù)據(jù)值總量往往非常大，并且比較散亂，對(duì)于一些特征點(diǎn)如尖角、棱邊往往需要通過特定的處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)分片。目前，非接觸式測(cè)量方法在實(shí)際生產(chǎn)中得到越來越多的應(yīng)用，通過這種方法測(cè)得的數(shù)據(jù)非常龐大，并常常帶有雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，這些都會(huì)影響到后續(xù)的處理過程。因此，需要進(jìn)行必要的處理來獲得滿意的數(shù)據(jù)，即數(shù)據(jù)的預(yù)處理過程。 數(shù)據(jù)預(yù)處理數(shù)據(jù)采集過程結(jié)束后，需要對(duì)采集到的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理才能夠進(jìn)一步應(yīng)用。這些處理過程包括多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊等。(1) 多視點(diǎn)云的拼合多視點(diǎn)云的拼合是由于在測(cè)量過程中，有些復(fù)雜型面存在投影編碼盲點(diǎn)或視覺死區(qū)，需要從其他方向進(jìn)行補(bǔ)測(cè)，或者大型零件受測(cè)量系統(tǒng)規(guī)格的限制必須分段測(cè)量，導(dǎo)致無法一次完成對(duì)整個(gè)零件的測(cè)量過程。多次測(cè)量所得的多個(gè)獨(dú)立的子區(qū)域稱為多視點(diǎn)云。多視點(diǎn)云的拼合即把各次測(cè)量對(duì)應(yīng)的局部坐標(biāo)統(tǒng)一到同一坐標(biāo)系，并消除兩次測(cè)量間的重疊部分，使之成為完整點(diǎn)云，從而得到被測(cè)物體表面的完整數(shù)據(jù)。(2) 點(diǎn)云過濾點(diǎn)云過濾需要進(jìn)行誤差點(diǎn)的識(shí)別、去除和數(shù)據(jù)平滑的工作。由于測(cè)量設(shè)備的標(biāo)定參數(shù)發(fā)生改變或測(cè)量環(huán)境突然變化、人工操作誤差，會(huì)造成誤差點(diǎn)的產(chǎn)生。噪聲點(diǎn)是由于測(cè)量過程中受到各種人為或隨機(jī)因素的影響而產(chǎn)生的，它的存在會(huì)影響后續(xù)的模型重建及生成的模型質(zhì)量，數(shù)據(jù)平滑主要是針對(duì)完整點(diǎn)云中的大量的噪聲點(diǎn)進(jìn)行處理。對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行平滑濾波，可得到精確的模型和高質(zhì)量的特征提取效果。(3) 數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)的問題主要產(chǎn)生在基于激光掃描測(cè)量造型的過程中。由于激光掃描測(cè)量每分鐘會(huì)產(chǎn)生成千上萬個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，直接對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行造型處理會(huì)造成整個(gè)過程的難以控制以及效率低下，因此要在保證一定精度的前提下減少數(shù)據(jù)量，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行精簡(jiǎn)。(4) 點(diǎn)云分塊點(diǎn)云分塊是根據(jù)組成實(shí)物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一類型的數(shù)據(jù)成組，把所有數(shù)據(jù)劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域。這是由于在實(shí)際產(chǎn)品里只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品形面多數(shù)是由多張曲面混合而成。點(diǎn)云分塊是為了利于后續(xù)的模型重建工作。 模型重構(gòu)模型重構(gòu)是利用產(chǎn)品表面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過插值或者擬合來還原產(chǎn)品原形，目前的建模手段分為兩大類：三角域Bezier曲面擬合和矩形域參數(shù)曲面擬合。其中矩形域參數(shù)曲面擬合方法是應(yīng)用較多的一類，許多研究成果已成為成熟技術(shù)，如Coons曲面、B樣條曲面和NURBS曲面等，在實(shí)際中得到了廣泛應(yīng)用【18】。 本文重點(diǎn)研究汽車輪轂盤反求造型的過程及基于UG的輪轂盤數(shù)控加工編程。研究的主要內(nèi)容如下：1）引言。主要介紹反求工程的概念，反求工程的國內(nèi)外研究概況及發(fā)展趨勢(shì)以及反求造型的基本步驟和關(guān)鍵技術(shù)。2）反求輪轂盤造型。分析點(diǎn)的組成，創(chuàng)建六個(gè)半月形孔和四個(gè)小孔特征及繪制標(biāo)志。3）基于UG的輪轂盤數(shù)控加工編程。對(duì)輪轂盤上下表面進(jìn)行創(chuàng)建程序、創(chuàng)建加工刀具、創(chuàng)建幾何體、工件創(chuàng)建、創(chuàng)建方法、創(chuàng)建操作、型腔銑切削參數(shù)的設(shè)置、加工刀具路徑生成及刀具路徑的模擬。4）總結(jié)。對(duì)所做工作進(jìn)行總結(jié)。2 反求輪轂盤造型打開輪轂盤的點(diǎn)云文件1）設(shè)置圓弧顏色為黑色選擇“首選項(xiàng)”/“對(duì)象”，“類型”下拉框中選擇“圓弧”，在顏色欄點(diǎn)擊顏色區(qū)，選擇黑色。 2）設(shè)置圖層選擇“格式”/“圖層的設(shè)置”，選擇第8層，設(shè)置為不可見，完成層設(shè)置操作，只顯示綠色點(diǎn)。 3）繪制圓弧以“起點(diǎn)，終點(diǎn)，圓弧上的點(diǎn)”方式繪制圓弧，按順序一次選三個(gè)點(diǎn)連接畫弧，接著按照上面的方法，繪制右邊相鄰的圓弧，完成創(chuàng)建圓弧。 4）橋接曲線選擇“插入”/“來自曲線集的曲線”/“橋接”，取消“關(guān)聯(lián)輸出”復(fù)選框前面的勾，然后在圖形中依次選擇兩條曲線，創(chuàng)建橋接曲線。由于不貼點(diǎn)，可以在“橋接曲線”對(duì)話框中“相切幅值”欄第一曲線選項(xiàng)中移動(dòng)滑塊至適當(dāng)位置，使橋接曲線貼點(diǎn)，創(chuàng)建橋接曲線。5） 繪制整圓選擇菜單“格式”∕ “圖層的設(shè)置”選擇第3圖層為可選，其余為不可見；再在選擇菜單“插入”∕ “曲線”∕ “基本曲線”中選擇圓弧，選擇“整圓”，取消“線串模式”，完成整圓繪制。6） 修剪