反求工程CAD建模技术探讨.docx

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反求工程CAD建模技术研究
摘要将设计思想或实物原型迅速、直接、精确地转变为可以再加工的CAD模型,是产品创新设计和快速原型制造面临的关键技术.综合国内外反求工程CAD建模的研究和应用现状,分析了反求工程CAD建模问题的特点和需要进一步解决的主要问题,讨论了目前工程界普遍采用的反求工程CAD建模技术与思路,以及作者在解决这一系列问题中取得的进展情形.
关键词反求工程,CAD,三角Bézier曲面,曲面重构
1引言
快速原型制造(又称RPM技术)是产生于80年代后期、基于材料累加法的一种产品设计与制造的新技术,被认为是近20年来产品设计与制造领域的一次重大突破.其对制造行业的冲击可与50—60年代的数控技术相比,特别是快捷的产品原型制造,为面向21世纪的新产品的快速和创新设计提供了一种切实可行的技术途径.RPM综合了运算机、机械工程、CAD、数控技术、激光技术及材料科学等高新技术.通过RPM可以自动、直接、快速、精确地将设计思想转变为具有一定功能的原型,或直接制造产品,从而可以对产品设计进行快速评估、修改及功能试验,大大缩短产品的研制周期.以RPM系统为基础发展起来并已成熟的快速工装模具制造(QuickTooling&Molding)、快速精铸技术(QuickCasting),可以实现零件的快速制造(QuickManufacturing).由此可以看出,RPM的研究与发展将成为我国产品创新设计与制造的重要技术途径.反求工程(ReverseEngineering)CAD建模是实现RPM的核心技术之一,是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程.与传统意义的仿形制造不同,反求工程主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型.将RPM与反求工程结合起来,一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息,另一方面可为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的产品原型进行再创新工程服务[1].开展反求工程CAD建模关键技术和系统开发问题的研究,是进一步推进RPM技术的应用水平、加快我国产品创新设计的发展步伐所急需解决的重要工程.同时,反求工程CAD系统和技术可广泛应用于:汽车、摩托车、家用电器等复杂产品外形的修复、改造与创新设计;自然景物的运算机描述;人体拟合,如头盔、太空服等一些功能复杂、价格昂贵的产品的设计等.因此,这一研究具有广阔的应用前景,特别是对于提高我国航空、航天、汽车、摩托车、模具工业产品的快速CAD设计与制造水平,增强产品设计与制造中的高新技术含量,提高产品的市场竞争能力,具有重要的实际意义和经济价值.
2反求工程CAD建模问题的特点和研究
综述近年来,运算机和测量技术的飞速发展,以及测量手段的不断丰富,极大地刺激了反求工程技术的发展.在制造业中,常见的测量手段有三种:(1)三坐标测量机;(2)三维数字化扫描仪;(3)工业CT等断层扫描设备.坐标测量机虽然测量精度高,但测量速度和效率较低;激光扫描测量仪可以有效地测量复杂型面,但是难以处理复杂零件的内部结构测量,如对发动机缸体、航空叶片等复杂零件的精确测量;工业CT能够实现复杂实物的完整测量,但测量精度还不高.近年来显现的层析三维数字化测量技术,可以实现任意复杂零件的完整测量,精度可以达到5.3μm,是实现复杂形体的整体几何反求工程CAD建模的最有前途的测量设备之一[2].根据处理对象及采用的测量技术和手段的不同,反求工程CAD建模内容可以分为两个方面:一是以处理复杂型面为主要特点的表面反求CAD建模的研究;另一方面是研究整个形体的反求CAD建模问题.有关前者的研究比较多,而且比较深入,已进入需要进一步解决关键性应用算法和形成高性能应用系统的阶段.对于后者,虽然有医学图像可视化问题的研究成果为基础,但是要想全面、系统地解决面向可以制造的复杂实物零件的反求工程CAD建模的问题,仍存在许多需要进一步研究和解决的问题[3].复杂曲面产品的反求工程CAD建模,作为反求工程的关键技术之一,涉及运算机、图像处理、图形学、神经网络、运算几何、激光测量和数控等众多交叉学科和领域,是国内外学术界,特别是CAD/CAM领域广泛关注的热点问题之一.传统的研究和解决此问题的途径一样有两种:一是以三坐标测量机(CMM)或激光扫描测量机为基础,在人为制定的测量规划原则的指导下,将一个复杂的自由曲面分成若干个拓扑结构为四边形边界的区域,在每个区域内按截面线进行测量,然后,对每个区域内的数据进行处理,转换为通用CAD/CAM系统可以接受的数学模型文件,完成产品的测量建模.另一种方法,主要通过非接触式激光扫描测量机完成对物理模型的密集扫描,并将这些数据直接用于数控加工(英国Renishaw公