【文章內容簡介】 包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型等【8】。目前，世界各國對反求工程技術都給與高度重視，在國外，如美國、日本、英國等發(fā)達國家對反求工程技術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，他們對反求工程技術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】，具有強大的數據處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數據，根據這些點云數據構造的A級曲面具有良好的品質和曲面連續(xù)性。另外，Imageware在計算機輔助曲面檢查、曲面造型及快速樣件等方面具有其它軟件無可匹敵的強大功能，使它成為反求工程軟件的領導者。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是法國達索系統公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，在世界CAD/CAE/CAM領域中處于領先地位。它的數字化外形編輯器由于解決數字化數據導入、壞點剔除、勻化、截斷面、特征線、外形和帶實時診斷的質量檢查等問題。該模塊用于反求工程周期的開始階段?？焖偾嬷亟ǎ≦uick Surface Reconstruction）模塊可以根據數字化數據方便地重建曲面。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在國內也擁有了相當的客戶群。數字化制造針對三位散亂數據測量點的表面重建，國內在此領域的研究也很熱烈，并以取得一系列的成果【11】。進入20世紀90年代以來，反求工程技術被放到大幅度縮短新產品開發(fā)周期和增強企業(yè)競爭力的主要位置上。1998年，全球反求工程技術系統加工中心達到331個，擁有快速成型機660臺套，同時有27個快速成型設備公司，12個大的材料供應商，15個專業(yè)軟件公司，再加上從事該項目的51個教育和研究機構以及227個提供贊助的基金會以及大量的激光設備應用者和真空鑄造機制設備，形成了一個強大的集成體。在經過了初期50％的高速增長后，世界快速制造業(yè)正步入穩(wěn)定增長期，年增長率保持在17％左右。在越來越激烈的市場競爭中，反求工程技術在先進工業(yè)國家中被有遠見的企業(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，并取得重大的經濟效益。 國內的研究概況 國內在反求工程技術領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，國內研究起步晚經費投入少，限制了高水平研究的開展，創(chuàng)新性的研究不多，在世界學術領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、清華大學、華中科技大學、西安交通大學、西北工業(yè)大學等，取得了非?？上驳某晒⒅鸩较蚴袌鐾茝V【12】。浙江大學開展了對反求工程中曲面造型技術的研究，并推出了RESoft反求工程系統軟件。在RESoft系統軟件中，首先對數字化點建立三角形網格模型。利用這一模型對曲面的特征進行辨識，然后利用辨識的結果和用戶給定的誤差多三角形網格進行必要的簡化和調整，使得網格表示的曲面模型與實物一致，最后在三角形網格的網孔內構造三角Bezier曲面的去面片，各個相鄰曲面片間要實現G1連續(xù)【13】。華中科技大學開發(fā)了是三維激光彩色掃描系統3DLCS95，1995年獲得了國家專利。清華大學激光快速成型中心進行了照片反求、CT反求研究。照片反求是通過提取實物照片的幾何信息，重構實物的STL模型。有了STL模型，就可以用RPM系統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系統接受的層片文件格式。西安交通大學CAD/CAM研究所開發(fā)的Jade系統是基于實體的三維重建方法處理斷層數據的三維模型反求系統軟件【14】。該系統包含有3個功能模塊：層析數據處理、特征識別、三維實體重構。數據是通過層去測量得到的，避開由于CT、MRI等設備造價昂貴，且測量精度不高的不足。層析數據處理就是通過圖像處理技術提取邊界輪廓以得到斷面輪廓數據環(huán)?？傮w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試設備和下游應用(CAD/CAE/CAM)基本為國外產品，使得國產軟件產品在設備接口、數據轉換和應用上一直滯后與世界上相關產品，開發(fā)的軟件顯得勢單力薄，與國外軟件相比處于競爭劣勢，因此，如何將反求工程系統地應用于工業(yè)產品創(chuàng)新設計，如何根據工業(yè)設計的需求來開發(fā)合適的反求工程系統，還處于摸索階段【15】。 反求工程技術發(fā)展趨勢反求工程是一門發(fā)展十分迅速的新興學科，覆蓋了許多技術領域。目前這項技術以推廣到設計和新產品的開發(fā)中，它的應用可大大降低產品的開發(fā)成本、縮短研發(fā)周期、增強企業(yè)的競爭力。尤其是反求工程與快速原型、快速模具技術的結合更形成了一套快速響應的制造路線，為企業(yè)提高產品的快速開發(fā)能力?？梢哉f，隨著市場競爭的激烈，此項技術將越來越發(fā)揮出其獨特的作用。當前反求工程的理論和方法研究的重點在如下兩個方面：⑴針對不斷發(fā)展的高速、高精度的測量設備，需要研究和開發(fā)一種智能化的反求工程方法及其理論，能對散亂測量點數據點、多視和補測數據點的幾何、拓撲關系自動確定，能對測量數據“點云”中包含的幾何特征只能提取。⑵將反求工程方法與快速設計、制造環(huán)境有機結合起來，實現產品的快速設計和創(chuàng)新。只有將反求工程中建模部分與整個制造環(huán)境中的設計修改、性能分析、快速原型制造等模塊結合起來，引入并型設計、反饋設計的思想，才能徹底發(fā)揮其在快速設計中的作用。目前反求工程還有許多理論和關鍵技術問題未能得到徹底解決：造型精度需要進一步的提高；測量建模算法的有效性、建模效率，以及所建CAD模型的誤差（測量、算法誤差）分析還有待于深入研究；另外，面向RPM的反求工程系統在設備價格方面相對來說還比較昂貴；在工作過程中，需要適時的進行人工干預；在快速響應市場方面也有待于加強?？梢灶A計反求工程系統的發(fā)展趨勢是向自動化、柔性化、快速化方向進一步發(fā)展【16】。 反求工程主要步驟及關鍵技術反求工程的主要實現步驟包括：零件表面信息的獲取、測量數據預處理、零件三維模型的重建和加工。零件表面信息的獲取需要測量零件表面的形狀信息。在實際應用中，測量方法有很多種，大體可分為接觸式和非接觸式兩種。測量方法如圖12所示。接觸式的測量方法精確度高，但測量效率低，裝夾過程復雜耗時，容易受到被測物體形狀的限制?，F在產品的形狀日趨復雜，凸臺、深孔、自由曲面等測量障礙區(qū)或不易測量的表面也在增多，測量過程中可能會出現測量探頭與被測零件發(fā)生碰撞的情況，同時增加了大量的測量時間。非接觸式測量一般使用聲波、光線、磁場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化成坐標值【17】。非接觸式測量所獲得的坐標數據值總量往往非常大，并且比較散亂，對于一些特征點如尖角、棱邊往往需要通過特定的處理軟件進行數據分片。目前，非接觸式測量方法在實際生產中得到越來越多的應用，通過這種方法測得的數據非常龐大，并常常帶有雜點、噪聲點，這些都會影響到后續(xù)的處理過程。因此，需要進行必要的處理來獲得滿意的數據，即數據的預處理過程。 數據預處理數據采集過程結束后，需要對采集到的海量數據進行處理才能夠進一步應用。這些處理過程包括多視點云的拼合、點云過濾、數據精簡和點云分塊等。(1) 多視點云的拼合多視點云的拼合是由于在測量過程中，有些復雜型面存在投影編碼盲點或視覺死區(qū)，需要從其他方向進行補測，或者大型零件受測量系統規(guī)格的限制必須分段測量，導致無法一次完成對整個零件的測量過程。多次測量所得的多個獨立的子區(qū)域稱為多視點云。多視點云的拼合即把各次測量對應的局部坐標統一到同一坐標系，并消除兩次測量間的重疊部分，使之成為完整點云，從而得到被測物體表面的完整數據。(2) 點云過濾點云過濾需要進行誤差點的識別、去除和數據平滑的工作。由于測量設備的標定參數發(fā)生改變或測量環(huán)境突然變化、人工操作誤差，會造成誤差點的產生。噪聲點是由于測量過程中受到各種人為或隨機因素的影響而產生的，它的存在會影響后續(xù)的模型重建及生成的模型質量，數據平滑主要是針對完整點云中的大量的噪聲點進行處理。對點云進行平滑濾波，可得到精確的模型和高質量的特征提取效果。(3) 數據精簡數據精簡的問題主要產生在基于激光掃描測量造型的過程中。由于激光掃描測量每分鐘會產生成千上萬個數據點，直接對點云進行造型處理會造成整個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據量，對點云進行精簡。(4) 點云分塊點云分塊是根據組成實物外形曲面的子曲面類型，將屬于同一類型的數據成組，把所有數據劃分成代表不同曲面類型的數據域。這是由于在實際產品里只由一張曲面構成的情況不多，產品形面多數是由多張曲面混合而成。點云分塊是為了利于后續(xù)的模型重建工作。 模型重構模型重構是利用產品表面的散亂點數據，通過插值或者擬合來還原產品原形，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曲面擬合。其中矩形域參數曲面擬合方法是應用較多的一類，許多研究成果已成為成熟技術，如Coons曲面、B樣條曲面和NURBS曲面等，在實際中得到了廣泛應用【18】。 本文重點研究汽車輪轂盤反求造型的過程及基于UG的輪轂盤數控加工編程。研究的主要內容如下：1）引言。主要介紹反求工程的概念，反求工程的國內外研究概況及發(fā)展趨勢以及反求造型的基本步驟和關鍵技術。2）反求輪轂盤造型。分析點的組成，創(chuàng)建六個半月形孔和四個小孔特征及繪制標志。3）基于UG的輪轂盤數控加工編程。對輪轂盤上下表面進行創(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、型腔銑切削參數的設置、加工刀具路徑生成及刀具路徑的模擬。4）總結。對所做工作進行總結。2 反求輪轂盤造型打開輪轂盤的點云文件1）設置圓弧顏色為黑色選擇“首選項”/“對象”，“類型”下拉框中選擇“圓弧”，在顏色欄點擊顏色區(qū)，選擇黑色。 2）設置圖層選擇“格式”/“圖層的設置”，選擇第8層，設置為不可見，完成層設置操作，只顯示綠色點。 3）繪制圓弧以“起點，終點，圓弧上的點”方式繪制圓弧，按順序一次選三個點連接畫弧，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“關聯輸出”復選框前面的勾，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，可以在“橋接曲線”對話框中“相切幅值”欄第一曲線選項中移動滑塊至適當位置，使橋接曲線貼點，創(chuàng)建橋接曲線。5） 繪制整圓選擇菜單“格式”∕ “圖層的設置”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