逆向工程中的建模技术

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逆向工程中的建模技术——黄小平　杜晓明　熊有伦文章编号:1004-132Ò(2001)05-0539-04逆向工程中的建模技术黄小平　杜晓明　熊有伦　　　　摘要:逆向工程技术已经从简单的“仿型制造”走向了“设计创新”,针对这一发展动态综合分析了CAD环境中逆向工程技术的特点,结合测量数据结构的异同介绍了各种计算机建模技术,并且指出了它们在工程中各自的适用范围,对当前该领域的研究重点提出建议。关键词:逆向工程;CAD;测量;计算机建模中图分类号:TH16　　　文献标识码:A黄小平　博士研究生[1,2]　　随着测量设备、计算机辅助几何设计支撑技术之一正在成为研究与应用的热点。(CAGD)技术的发展以及人们对设计概念理解的创新设计是逆向工程的灵魂,模型的重建是创深入,逆向工程技术作为快速设计与制造的主要新的基础,而不是最终目的。因此注重重建后模型的再设计能力是当前逆向工程研究的重要方向,将逆收稿日期:2000—12—12基金项目:国家自然科学基金资助重大项目(59990470);国家杰向工设计和正向设计有机结合起来是必然之路。出青年科学基金资助项目(59725514)ductionResearch,1998,35(8):2285～23074　结语[7]KimKJ.DeterminingOptimalDesignCharacteris2本文提出的工艺质量模型以工艺质量要素为核ticLevelsinQualityFunctionDeployment.QualityEngineering,1997,10(2):295～307心,向上描述质量要素与产品质量特性的映射关系,[8]　柯明扬.机械制造工艺学.北京:北京航空航天大学出向下描述质量要素与工艺决策参数的决策求解关版社,1996:161～178系,同时通过一种可行的关联度算法能够描述质量[9]ZHAOFL,PaulSYWu.ACooperativeFrame2要素本身之间的关联性,可用于对机械制造工艺质workforProcessPlanning.ComputerIntegrated量问题进行建模。所提出的并行制造方法,通过5个Manufacturing,1999,12(2):168～178阶段的实施步骤,进行工艺质量的目标确定、宏观规[10]KojiTeramoto,MasahikoOnosato.Coordinative划、协同求解、评价与改进,是一个系统化的实施方GenerationofMachiningandFixturingPlansbya法,有利于保证与改进产品全生命周期中的工艺质ModularizedProblemSolver.Annalsofthe量和产品质量。CIRP,1998,47(1):437～440参考文献:[11]ThurstonD.MultiattributeDesignOptimization[1]蒋鸿章.ISO9000质量管理与质量保证系列国际标准andConcurrentEngineering,ConcurrentEngi2应用指南.北京:国防工业出版社,1996:102～125neering:Automation,Tools,andTechniques.[2]　张耀宸.机械加工工艺设计手册.北京:航空工业出版London:Chapma&Hall,1993:207～229社,1987:110～662[12]OttoKN,AntonssonEK.Trade-offstrategies[3]　高连生,汪叔淳.现代制造的信息支持系统.计算机集inEngingeeringDesign.ResearchinEngineering成制造,1998,4(2):3～6Design,1991,3(2):87～103[4]KrauseFL.MethodsforQuality-DrivenProduct[13]RobertsC.ManufacturingEvaluationUsingRe2Development.AnnalsoftheCIRP,1993,42(1):source-based,Template-freeFeatures.Journal151～154ofIntelligentManufacturing.1997,8:323～331(编辑　卢湘帆)[5]ShinaSG,SaigalA.UsingCpkAsaDesignToolforNewSystemDevelopment.QualityEngineer2ing,2000,12(4):551～560作者简介:郑联语,男,1967年生。北京航空航天大学(北京市　[6]100083)机械工程与自动化学院副教授。研究方向为计算机辅助制GUZ,ZHANGYF,NeeAYC.Identificationof造,包括CAPP、工艺质量、数控加工、集成制造等。曾获部级科技进ImportantFeaturesformachiningOperationsSe2步奖1项,发表论文20余篇。汪叔淳,男,1930年生。北京航空航天quenceGeneration.InternationalJournalofPro2大学机械工程与自动化学院教授、博士研究生导师。·539·©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 中国机械工程第12卷第5期2001年5月线(右)。对于CT设备而言每层的轮廓线(contour1　测量数据结构line)的生成还需要对原始图像进行复杂的预处理,[3]获取零件三维几何数据的测量方法有多种,包括边缘提取、分析内外轮廓等工作。其中能获取外表面的(从外部可见的)位置数据的方(4)特征点和线　如图1d的零件(左),规则面法有坐标测量机法、激光三角形法、模式光法、图像较多,就专门测量相关的特征点,用以形成平面、圆分析法等,能获取物体内部以及内表面数据的方法柱、圆锥、球等基本几何元素;对于某些由运动学方有工业ICT、医学CT、MRI扫描以及层析扫描等方程形成的复杂曲面,可测量其母线及其运动迹线;对法。这些方法在精度和速度上都存在很大差异,但从于那些完全没有生成规则的曲面还可以先按照交线建模角度出发,我们更关心的是数据反映的特征及进行分割,在每块区域沿某个方向测量一些脊线,作其组织结构,图1列举了用于建模的几种主要数据为将来建模的依据。结构。数据的不同结构和特点决定建模过程的难易程(1)散乱点　无论采用何种测量设备,如果使度以及将要采取的造型策略。在从图1a～图1d的4用了多次测量的策略,导致数据在分布上不遵循一种不同数据结构中,包涵的模型几何信息呈逐步增定的规则,无明显的几何关系则称为散乱点(见图长的趋势,对建模而言采用靠后的测量数据,建模相1a),在测量整个零件的外曲面时常出现。对也要方便一些。2　模型重建技术2.1　应用环境所有的建模方法都要为最终的应用目标服务,(a)散乱点从大的方面划分,最终目标有三类:①真实感模型显示;②快速原型制造;③产品再设计。在一个有一定规模的制造系统中,这几个目标有可能同时存在。图2给出了一个比较完整的逆向工程系统的结构示意,图中的虚线框部分是逆向工程部分,它和CADöCAM环境、零件数据库、加工过程一起组成(b)栅格点了一个有机整体,甚至可以形成从设计到加工、检测的一个闭环结构。(c)等值线如果我们的目标是面向真实感模型显示和快速(d)特征点和线原型制造,那么采用三角形网格和三边域曲面是合图1　不同的测量数据结构适的方法,如果面向的是以产品再设计为目标的(2)栅格点　测量点在扫描平面上呈等距栅格CADöCAM环境,需要将单个逆向工程零件或零件状分布,在激光扫描仪、光学数字化仪中较多采用。的部分设计结构纳入整个产品的设计中,那么就必数据点间具有确定的位置关系(见图1b)。须和传统的正向设计相一致,考虑4种CAD建模(3)等值线　在CT、层析式设备中出现,数据方法:线框造型、曲面造型、实体造型、参数化特征造点由沿某方向的一系列面族与目标表面相交形成型,因为测量数据获取的主要是零件表面测量点的(见图1c),如图1c中的地形等高线(左)、头骨截面坐标,所以曲面造型方法是逆向工程技术的主要思·540·©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 逆向工程中的建模技术——黄小平　杜晓明　熊有伦路,目前在大多数加工环境中要求实体模型,因此实求,不满足就一分为四,然后对每一部分重复上述过体造型的方法也逐渐得到重视。程,直至每个子曲面都能满足精度要求。2.2　三角形网格和三边域曲面重构方法(2)基于特征线的方法　需要寻找曲面的尖锐这种方法适用于图1a～图1c3类测量数据的过渡、曲率极值点以及曲面对称中心等特征作为曲建模,对数据几何结构特征无特殊要求,广泛应用于面片之间的边界,这样得到的特征网格比前一种方各领域数据的可视化、快速原型制造、仿型加工,基法得到的网格能更合理地反映零件的结构特征,也本过程如下:更适合于下一步的曲面模型建立。(1)对给定的离散数据点进行三角剖分。可分(3)基于面的方法　这是一种结合曲面拟合的为对测量数据投影域的剖分和在空间直接剖分两种分割方法,首先给某个区域的点集赋予一个曲面表类型,目标是使散乱的数据点在空间中连接成一个达形式,然后按由近及远的顺序向外扩展,同时不断最优的三角网格,尽量接近Delaunay三角化;检验曲面的拟合程度,直至误差超出预定要求时停(2)计算三角网格边界条件,构造初始三角曲止。在进行层析数据的重构时常常采用这类方法。面;手工分割方式的原则是尽可能方便曲面造型,1(3)构造整体G连续的插值曲面。已经证明在对于人工零件的分割,可以认为是“反推原始设计意三角网格上构造的插值曲面至少需用4次三角图”,显然目前的智能识别系统还不能达到这样的水1Bernstein-Bezier曲面片才能保证G连续。平。在面向快速原型制造的应用中,只需要进行步对于比较复杂的自由曲面、复杂曲面的造型一骤(1)就能得到STL格式的零件几何表示,为满足直是逆向工程建模研究中的重点内容。常用的曲面一定的精度,这种三角片文件常占用巨大的存储空造型的手段如下:间,对实时动画显示很不利,因此基于曲面曲率变化(1)放样法(lofting)对数据云取不同的截面[4]的冗余数据精简方法也得到深入研究。点,构成截面线,再由截面线构成曲面。构造的截面图3是我们在数字地球项目中对地表模型重建线必须满足同向、节点分布相近的原则才能保证最的实例,采用三边域曲面造型获得了较好的视觉效终形成的曲面不扭曲;果,而且容易实现快速原型加工。需要指出的是这种(2)旋转法　对于旋转形成类的曲面,首先切曲面建模方式对表现复杂曲面结构具有灵活、方便取并拟合一根母线,然后旋转成曲面;的优势,但和传统的正向造型设计区别很大,很难对(3)包封曲面法(wrap-surface)在对由四生成的曲面进行有效编辑和处理,和通用CADö边形区域分割而成的数据点集合,首先进行测量点CAM环境的结合还需要特殊的接口将其转换成为的参数化,然后拟合出满足方程S=BP的参数曲常用的四边域曲面形式才能实现。面。其中S为曲面型值点坐标矩阵,B为曲面基函数系数矩阵,P为控制点矩阵。对于图1b类数据,由于具有均匀分布的特点,参数化可以直接在其投影域上实现,对于图1a类散乱点,采用向心参数化、Fo2ley参数化等方式消除数据非均匀性的影响效果比较好。在构造单个曲面中需要考虑的主要问题是实现型值点与拟合曲面之间的距离最小的优化目标,采图3　地貌数据的三角剖分和插值曲面2.3　曲面造型(表面模型)用非线性最小平方和算法对型值点的参数值进一步曲面模型描述零件的表面几何形状,没有体的优化,并得到新的构造曲面是有效的方法。如果优化信息。曲面类型有规则曲面、自由曲面、复杂曲面3后的误差距离仍然不满足预定误差要求,就只有采种,在构造曲面前需要做好不同曲面的区域分割用增加曲面节点等方法改变曲面形式,重新拟合计(segmentation)工作,通常即使是全自由曲面构成算。针对大规模散乱数据的曲面重构问题,一些研究的零件也需要进行分割,以保证局部细节的拟合精人员也提出一种两步法的拟合方案,首先用某种简度。分割的方式主要有自动分割和手工分割两种,自单的插值法,如Shepard插值等快速构造插值曲面,[5,6]然后在此曲面的基础上根据曲面局部的曲率值自适动分割算法的方法主要如下3种:(1)四叉树法　将整个曲面首先看成一个整应地抽取采样点,生成矩形拓扑网格,然后再运用曲[7]体,拟合成单一曲面,然后检验误差是否满足误差要面拟合方法得到NURBS曲面。·541·©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. 中国机械工程第12卷第5期2001年5月一个成熟的逆向工程曲面造型系统还应该能实效果,可以看出这种方式和正向的设计是很类似的,现一些正向设计中常用的曲面功能,如曲面求交、曲所不同的是各种几何体的生成是由测量数据驱动面过渡、曲面裁剪、曲面延拓、曲面拼接、曲面修改、的,而不是操作人员根据主观决策进行的。曲面光顺等。根据我们的具体应用经验,在确定反求3　小结得到的曲面已经基本正确后,将之输入CADöCAM环境中进行再设计是可行的方法。目前的逆向工程研究报道较多局限于特殊建模2.4　实体造型技巧的研究,研究和应用的经验告诉我们,选择建模复杂几何形体的实体模型由规则的实体(称为方法的原则必须适合测量数据结构和应用目标的两体素)经过多次拼合得到,拼合方法可以采用布尔运个要求,企业在选择测量建模方法时还要考虑已有算——并、交、差。把曲面也作为体素,实际CADö的CADöCAM环境接口是否合适。CAM系统中都把曲面造型与实体造型融合起来,在理论研究方面,“智能化”是当前逆向工程建以构造精确描述的曲面实体(而不是多面体实体)。模方法的重点。这里的“智能”体现在这样一些方面:采用实体建模的方法来反求零件,好处是显见的:直对散乱测量数据点、多视和补测数据点的几何、拓扑接面向加工,方便增添各种几何特征,如倒角、凸台、关系的自动确定;结合视觉理解方法,用高层次的几螺钉孔等,方便进行各种检验和性能分析。从发展的何模型和认识推理机制来指导对测量数据云中包含角度看,逆向工程采用实体造型基本上会沿两条路的几何特征的智能提取,从而达到合理的区域分割发展:效果;自适应的数据采样、网格划分方法,具有更合(1)基于曲面建模的实体造型　这条路沿着曲理的曲面延展、相交、过渡能力。面造型过来,对于采用多曲面表示的零件,只需要进一步确定零件表面的面、边、顶点信息,并建立层与参考文献:层之间的关系,就构成了B-rep表示的实体模型。[1]MotavalliS,ValenzuelaJ.AutomaticGeneration例如在实际CADöCAM系统中对于输入的曲面元ofDimensionallyAccurateThree-dimensionalCADModelsforReverseEngineering.Engineer2素,如果曲面间的间隙不超过规定范围,就可以用包ingDesign&Automation,1998,4(2):85～100封实体的方法生成相应的实体,对于覆盖件之类的[2]SarkarB,MenqCH.Smooth-surfaceApproxi2零件,可以将曲面沿垂直方向生长一定的厚度来生mationandReverseEngineering.ComputerAided成实体。Design,1991,23(9):623～628(2)基于体素的实体建模　这种方法的基本思[3]VaradyT,MartinRR,CoxJ.ReverseEngineer2想是从构造实体几何(CSG)发展而来,把复杂的实ingofGeometricModels-anintroduction.Com2体定义为简单的实体体素的组合,采用布尔算子实puterAidedDesign,1997,29(4):255～268现这种组合。显然这种建模方式对于基本上由规则[4]ChenYH,WangYZ.DataReductioninIntegrat2面构成的零件是适合的。edReverseEngineeringandRapidPrototyping.以前在计算机视觉领域就尝试采用广义圆柱体Int.J.ComputerIntegratedmanufacturing,1999,12(2):97～103作为体素来表达三维实体,对于图1a～图1c类型[5]TruccoE,FisherRB.ExperimentsinCurvature-的数据采用这种方式构造实体模型是非常困难的,basedSegmentationofrangedata.IEEETransac2因为首先就需要解决对密集的数据云进行识别的问tiononPAMI,1995,17(2):177～182题,即确定哪些点集属于某个体素,这在计算机视觉[6]LIUS,MAW.Seed-growingSegmentationof3领域也仍然是有待解决的难题。美国的一些从事逆-DSurfacesfromCT-contourData.Computer向工程建模的学者也曾尝试过对一些简单零件的识AidedDesign,1999,31(8):517～536别和实体建模。[7]　来新民,黄田.基于NURBS的散乱数据点自由曲面目前从工程实用的角度看,采用图1d型数据进重构.计算机辅助设计与图形学学报,1999,11(5):行实体建模是比较可行的,因为在测量阶段,测量人432～436(编辑　周佑启)员已经将识别的结果融入了测量数据的组织中,例作者简介:黄小平,男,1973年生。华中科技大学(武汉市　430074)如图1d(右)中不同形式、颜色的测量数据表示了相机械科学与工程学院博士研究生。研究方向为CADöCAM、测量及应的被测几何体素,在造型时这些测量结果起到确逆向工程。发表论文3篇。杜小明,1977年生。华中科技大学机械科定几何参数的作用。目前我们在针对复杂电器零件学与工程学院硕士研究生。熊有伦,1934年生。华中科技大学机械科结构的反求项目中采用这种建模方式取得了很好的学与工程学院教授、博士研究生导师,中国科学院院士。·542·©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved. MAINTOPICS,ABSTRACTS&KEYWORDSna)WUQidiGAOGuoanp5212523Abstract:Tomorrow'smanufacturingindustriesmustAbstract:Concurrentengineeringandagilemanufac2copewiththeglobalenterprisecompetition.Informationturingstrategymakethetraditionalserialproductdevel2technologywillplayanindispensableroleinsupportingopmenttendtowardsparallel,integratedandcoordinat2andenablingthecomplexpracticesofdesignandmanu2ed.Applicationofartificialintelligencesuchasknowledgefacturingbyprovidingthemechanismstofacilitateandengineeringisaneffectiveapproachtoimplementthemanagetheintegratedsystemdiscipline.Theneedtoim2mode.Thispapersummarizesthecase-baseddesignprovetheunderstandingofproduct'sperformanceforaf2techniquesandpresentsanintegratedreasoningmodeltermarketservicewillleadtoe-intelligenceforqualitybasedoncase-basedreasoningandrule-basedreason2maintenance.Withtheproperintegrationofe-intelli2ing,andalsointroducestheapplicationtomechanicalgenceintoproducts,manufacturingandservicesystems,productconceptualdesign.Therepresentationandorga2manufacturersanduserswillbenefitfromtheincreasede2nizationofthedesigningcasesarediscussedindetail.Fi2quipmentandprocessreliabi.nally,theintegratedsystemisanalyzedandevaluatedwithitsapplication.StudyonProcessQualityModelandItsConcurrentMan-Keywords:coordinateddesignrule-basedrea2ufacturingMethodologyforTotalLifeCycleZHENGsoningcase-basedreasoningfuzzycomprehen2Lianyu(BeijingUniversityofAeronauticsandAstronau-siveevaluationtics,Beijing,China)WANGShuchunp535-539Abstract:Thispaperpresentsanewconcept--pro2ModelingandCorrectingFEMwithContactElementforcessqualityforthetotallifecycleofproducts,andbringstheCombinedSurfacesofGrinderBoltsCHENXinforwardanunifiedprocessqualitymodel(UPQM),which(SoutheastUniversity,Nanjing,China)SUNQinghongisorganizedintofivelayers:wholeprocessquality,quali2MAOHaijunCHENNanp5242526tycharacteristics,processelements,elements'processAbstract:TheFiniteElementModel(FEM)oftheparametersandtheintegratedinformationplatform.grinderboltcombinedsurfacesusingthecontactelementBasedontheUPQM,themethodologyofconcurrentandspring-dampelementisbuiltwiththeconsiderationmanufacturingforassuringprocessqualityisdiscussed.ofcombinedsurfaces'characteristics.ByminimumingtheThemethodologyincludesfiveimplementationphases:i2meansquaredeviationbetweenthefirstthreetestedeigendentificationofqualitycharacteristics,deploymentofpro2-frequenciesandonescalculatedbyFEM,theparame2cesselements,automaticallyfocusingandcooperativelytersofthecombinedsurfacesincludingthecontactele2decisionofmulti-agentsforprocesselements,evalua2mentandthespring-dampelementhavebeendeter2tionofprocessquality,andimprovementofprocessquali2mined.Abetterdynamicmodelofthecontactsurfaceisty.TheUPQManditsmethodologyofconcurrentmanu2obtainedbyoptimizingtheparameters.Themodelhasfacturingwillfacilitatetoassuretheprocessqualityandimportantvaluesforstructuraloptimizingdesignoftheproductqualityduringthetotallifecycleofproducts.grinder.Keywords:processqualityconcurrentmanufac2Keywords:combinedsurfaceoptimizationfi2turinglifecycleprocessplanningqualityniteelementmodelmodelcorrectionconcurrentengineeringSmartMachinesandE-ManufacturingSystemsfore-ModelingTechniqueinReverseEngineeringHUANGBusinessTransformationJayLee(UniversityofWis2Xiaoping(HuazhongUniversityofScience&Technology,consin-Milwaukee,USA)p5262530Wuhan,China)DUXiaomingXIONGYoulunp5392Abstract:Web-basedintelligenceiskeytoachieving542globalleadershipinsix-sigmaproductaftermarketser2Abstract:Reverseengineeringhasdevelopedfromviceandmanufacturingproductivityforthe21stcentury.profilemodelingmanufacturingtodesigninnovation.InThispaperdiscusseshowtodesignsmartproductsandthispaperanewtechniqueofreverseengineeringandmaintenancesystemsusingweb-basedintelligencetech2theirapplicationsincomputer-aideddesignareintro2nologies.First,abriefintroductionaboutthetrendsofduced,includingsometypesofcomputeraidedmodelingproductandmaintenanceinnovationinindustryandthemethodbasedondifferentstructureofmeasureddata.Inperspectivesaregiven.Second,needsandfocusesforfu2theend,emphasesoffutureresearchesareproposed.tureproductdesign,manufacturingandservicestrategiesKeywords:reverseengineeringCADmea2areintroduced.Finally,designofe-intelligenceforsurementcomputeraidedmodelingsmartproductanditsfutureimpactsontransformingsix-sigmaproductserviceautomationtobusinessautoma2OptimizationDesignforCylinders'sEquilibratorwithtionexcellencearediscussed.ModifiedGeneticAlgorithmsRONGXuewen(Shan2Keywords:e-intelligenceremotemonitoringdongUniversityofScienceandTechnology,Jinan,e-businessprognosticse-maintenanceChina)FANBinghuiLIYunjiangJIANGHaop5432545ASystemFrameworkforNext-GenerationE-Mainte-Abstract:ThispaperadoptedoptimizationdesignfornanceSystemsMuammerKoc(UniversityofWiscon2cylinders'sequilibratorwithmodifiedgeneticalgorithms.sin-Milwaukee,USA)JayLeep5312534Theobjectiveistomaintainthelongitudinalarmhorizon2·ÒÒÒÏ·©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.