傳統的產品實現通常是從概念設計到圖樣，再制造出產品，我們稱之為正向工程(或順向工程)，而相對于傳統的設計而言，“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也稱反求工程、反向工程等，它起源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反饋信息的回路，主要是通過3D數字化測量儀或光學設備對物理原型進行掃描，獲得點云數據，再通過相應的處理軟件如UG/Imageware等轉變成曲面的過程。逆向工程的思想最初是來自從油泥模型到產品實物的設計過程。在20世紀90年代初，隨著現代計算機技術及測試技術的發展，逆向工程發展為一項以先進產品、設備實物為研究對象，利用CAD/CAM等先進設計、制造技術來進行產品復制、仿制乃至新產品開發的一種技術手段，其相關領域包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型和數字化制作等。

　　1 Imageware處理逆向工程典型工作流程

　　1.1逆向工程的工作流程

　　逆向工程具體的工作流程是針對實際工作零部件(樣品或模型)，利用3D數字化測量儀或光學掃描儀快速準確地測量樣品表面或輪廓線條，得到樣品點云數據，并加以點云數據處理、曲線處理、曲面處理后，重構模型并加以分析和加工。具體工作流程，如圖l所示。

　　圖1 逆向工程典型工作流程圖

　　1.2 Imageware對點云數據的處理流程

　　在逆向工程的工作流程中，Imageware軟件主要應用在點云數據處理、模型重建過程及相關誤差評價。主要涉及到以下三個工作過程：點處理過程、曲線處理過程和曲面處理過程。

　　1.2.1點處理過程

　　讀人點云的數據——軟件能從大多數的數據來源中讀入點云的數據。

　　如果需要，把分散的點云數據對齊一必須把模型中不能一次掃描或數字化的部分進行對齊，得到實物樣件表面的完整點云。

　　清除不需要點——軟件中有許多T具可以發現并糾正或最優化不合要求的點云數據。

　　預先規劃創建曲面所需要的點，并把它顯示出來——盡量提前規劃所需要的點的數據，這樣，將來所需要的曲線或曲面就可以直接南這些點來生成。

　　創建出所需點的片段——單一的或多重的點的片段，可以很容易地由平面或非平面點云的截線或其他的新方法來創建。

　　1.2.2曲線處理過程

　　決定要創建的曲線的類型。曲線可以設計得與點的片段一模一樣，或讓曲線更光滑些，或光滑與精確相結合。

　　由已存在的點創建出曲面。在這里有許多的可能性。

　　檢查/修改曲線。檢查曲線與點或其他曲線精確度、平滑度與連續相關性等面處理過程。

　　1.2.3曲面處理過程

　　決定要創建的曲面的類型。曲面就像曲線一樣，可以選擇創建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中。

　　由點云或曲線創建曲面。在這里有許多的可能性。檢查/修改曲面。檢查曲面與點或曲線或其他曲面或特征的精確度、平滑度與連續的相關性。

　　2 Imageware在逆向工程技術中的應用

　　根據imageware處理逆向工程主要過程及相關技術，利用該軟件強大的點云處理功能，以大曲面為例，以4一邊界法開始，創建曲線，結合UG NX4曲線曲面創建優勢生成重構曲面，并進行相關的誤差分析及曲面光順評價，具體應用情況如下。

　　2.1曲面數據采集

　　在表面數字化技術中，根據測試方式不同將數據采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類。接觸式有基于力——變形原理的觸發式和連續掃描式數據采集以及基于磁場、超聲波的數據采集等。而接觸式主要有三坐標測量、激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結構光學法、圖像分析法等。另外，隨著工業CT技術的發展，斷層掃描技術也在逆向工程取得了應用。接觸式掃描對物體表面的顏色和光照沒有要求，物體邊界的測量相對精確，但缺點是速度慢，對軟質材料適應性差，而且測點分布可能不理想。非接觸式測速高，相對而言它的精度較低而且對物體表面顏色和光照要求較高。近幾年來，隨著光學掃描技術的發展，光學掃描精度不斷提高，作為非接觸光學掃描技術得到了重視，并在工業領域得到越來越廣泛的應用。#p#分頁標題#e#

　　針對該曲面體積較小，要求精度較高，表面曲面程度復雜，我們采用德國ATOS光學掃描設備對該模型進行實體掃描，獲得該模型的完整點云。德國ATOS光學掃描儀具有高質量的點云掃描精度，結構簡單、便于攜帶、測量效率高、測量范圍大、方便使用、性能穩定，首創的參考點拼合技術和先進的數碼相機定位技術為ATOS的工業應用提供了良好的支撐。

　　2.2利用4一邊界法對點云數據處理

　　曲面的原始點云數據處理是模型重構的關鍵環節，它的處理結果將直接影響后續重構模型的質量。這個過程主要包括：數據預處理，數據分塊、數據光順、三角化、數據優化、散亂數據處理等工作過程。在本例中，主要采用4一邊界法處理數據。

　　一般來說，一個曲面有4個邊界，用戶通常希望創建出最大可能的曲面，如果用戶需要一個比較復雜的曲面來獲取所有的特征，用戶可以將曲面分割為更小的曲面。最好的開始方法是提取點云的4條邊界，并且由這4條邊界來創建曲線，然后可以得到一個足夠大的包含點云上所有的特征的曲面。具體步驟如下：

　　(1)從點云底部創建一個剖切截面來提取邊界信息，用來創建曲面底部的邊界曲線。選擇Construct→Cross Section→loudParallel。

　　(2)改變視圖，利用區域選擇命令分割上下左右點云，選擇Modify→Extract→Cirele—Select Parallel得到4條邊界點云。

　　(3)選擇Construct→Curve from Cloud→Tolerance Curve創建基于公差的4條曲線，公差0.1mm，如圖2所示，并選擇Evaluate→continuitry→Curve to Curve檢查曲線間的連續性，發現有兩條曲線不連續。

　　圖2 4邊界曲線

　　(4)編輯和修改曲線，使曲線對齊。選擇Modify→Extend，Modify→Snip→Snip Cunre(s)延長和剪切曲線，選擇Modify→Continuity→Match 2 Curves對齊曲線，使用Modify→Parameteri-zation→Insert/Remove Curve Knot(s)刪除節點。

　　(5)編輯和修改曲線，使曲線均勻并且兼容。選擇Modify→Parameterization→Reparameterize Curve使其中一條曲線變為均勻曲線，然后以該曲線為基準，重新參數化其它三條曲線。

　　(6)檢查曲線點云誤差精度對比。選擇Measure→Curve to→Cloud Difference命令，選擇所有生成曲線與對應點云，設置最大公差為0.5執行，結果如圖3所示。

　　圖3 曲線與點云之間誤差對比

　　通過誤差對比，可以看出誤差基本在0.1公差附近，如果這里誤差太大，可以重設曲線的參數或者用修改控制點的方法使曲線進入誤差范圍內。

　　2.3曲面模型重建和造型

　　在整個曲面的逆向工程過程中，三維CAD模型重建是最關鍵、最復雜的一環。因為后續的產品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產品的再設計等應用都需要CAD數學模型的支持。

　　2.3.1 Imageware曲面重構

　　利用Imageware軟件進行模型重建主要有兩種方法，即曲線擬合造型和曲面片直接擬合造型。本次主要采用曲線擬合造型方法對模型飛機翅膀進行模型重建。曲線是構建曲面的基礎，在逆向工程中，一種常用的模型重建方法是，先將數據點通過插值(Interpolation)或逼近(Approximation)擬合成樣條曲線(或參數曲線)，再利用造型工具，如Sweep、Blend、Lofting、四邊曲面(Boundary)等，完成曲面片造型，再通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。通過準備掃描線、創建薄片、點云切層、剖切截面、隱藏點云、顯示線型等。

　　在上步中我們已經創建4條邊界曲線，現在用Surface by Boundary命令來創建曲面，選擇Construct→Surface→Surface By Boundary，沿順時針或逆時針依次選取4條邊界曲線，生成曲面擬合曲線，如圖4所示。#p#分頁標題#e#

　　圖4 曲面曲線顯示

　　然后利用所有曲線視圖和原始點云對齊，這樣將用更多的元素創建曲面以捕捉曲面上的更多特征，使點云在視圖中的前方和后方擁有最少數量的點。選擇View →Align view to →Cloud實現，選擇Construct→ Surface →Fit w/Cloud and Curves來建構曲面，并選擇Measure →Surface to→ Cloud Difference檢查曲面與云點之間的誤差距離。如圖5所示，從圖中可以看出，最大誤差距離為0.113mm,誤差距離小于0.2mm,滿足我們的誤差范圍。

　　圖5 Imageware曲面與點云誤差對比

　　2.3.2 UG NX4 中曲面生成

　　在UG系統中，采用基于曲面的構造方法創建曲面，將Imageware中生成的四邊界曲線保存成.imw格式，導入UG NX4中，點擊Surface工具欄中Through Curve(s)正確。

　　選取截面1、2，生成曲面，并進行光順評價，如圖6、圖7所示。

　　圖6 創建曲面

　　圖7 UG NX4曲面光順評價

　　3 結束語

　　結合曲面自身特點，采用ATOS掃描儀得到點云數據，利用逆向造型軟件Imageware強大的點云數據處理功能，采用4-邊界法在Imageware進行點云數據處理、曲線處理、曲面處理等，重構曲面模型并進行模型誤差評價。利用UG NX4的曲面創建優勢，將Imageware中提取4-邊界曲線，導入UG NX4中創建曲面并進行光順分析，直到得到最優化曲面。不僅能夠得到原實物的精確復制品，還可以進一步創新，對設計模型進行優化和完善。這種設計方法大大縮短了設計開發周期，提高產品的設計效率