逆向工程CAD建模关键技术研究

摘要：近几年来，随着计算机技术的发展，逆向工程因其更适合开发产品，而备受人们的关注。逆向工程是工业产品加工设计的一种新方法，它直接利用现有的产品技术特点将实物模型转化为CAD模型。其中三维CAD模型的重构是最为关键的步骤，需要运用到多种关键技术才能完成实物模型的转化。当前它的应用范围极广，本文基于此，重点研究逆向工程CAD建模关键技术。

关键词：逆向工程;CAD建模;关键技术

引言：

一般情况下，工业产品的设计与加工需要先根据产品的需求开始构思，然后确定出产品的功能和规格，最后再设计相关的组件。这样可以将设计出的原始设计图保存起来，一般都会保存为CAD格式。利用这样的方法进行工业产品的设计与加工，是一种正向工程。而逆向工程是刚好与之相反的一种新加工方法，它是把实物模型，通过测量和数据采集后，利用数字化技术获得点云图像，接着进行曲面重构，重新获得修改后的模型，最终投入产品的生产。

一、实体三维测量技术

在逆向工程的实际操作过程中，首先需要运用的技术是三维测量技术。一般情况下可以分为损坏性和非损坏性两种不同的测量技术。损坏性方式是对被测的实物进行断层扫描，可以对实体的内部进行测量。该技术的优点在于测量的精密度更高，但缺点在于测量的速度比较慢，且会毁坏原本的实物[1]。

而非损坏性的测量方式又可以分为接触与非接触式两种不同的方法。其中，接触式的测量方法需要用到三维坐标测量仪和接触式传感器。其优点在于精度高，但是对周围环境的要求也比较高，需要用探头进行补偿性测量。若有些地方探头也测量不到，就要再用别的方式进行测量。如此一来就有一定的局限性，且测量的速度也是比较慢的。非接触性的测量方式速度较快，适合大面积的数据测量与采集，且对曲面形状也能进行测量。主要會利用到激光扫描技术、多视图拼接技术。

二、测量数据的处理技术与规划

数据的处理是逆向工程中的关键技术。它直接影响到了后期建模与重构的精准度。一般来说，测量系统会从原始实体物件的各个曲面上采集到大量的数据，这些数据之间没有一定的联系。通常情况下都是一些空间数据点，其中还有许多没有用的数据。故而就需要运用到数据滤波技术，以排除大量的无用数据。

在数据处理完成后，要准确地规划建模方案。主要是对逆向工程的建模目的和建模指标进行一个整体的规划路线。一般可分为两种不同的方式，一种是基于曲面特征进行建模，它能够较好的保持模型的精度，且操作简便。而另一种是基于截面进行建模，这种方法不适用于具有复杂曲面的模型设计。故此现阶段大多采用前者。

三、点云多视对齐技术

点云多视对齐技术多要与点云分割技术配合使用，它是一种测量数据预处理的加工技术。一般情况向下，对实物模型进行扫描测量后会得到大量的数据。此时的物体表面存在互相重叠在一起的多个区域，由于测量时是从多个角度进行测量的，那么就会得到多种不同的点云，也就是多视点云。因为产品大多是有多个曲面组成的，所以就要将不同区域的点云数据进行分割和对齐。为了将点云数据分割并对其，就要将统一的局部坐标划分在一起，并消除重叠的部分，也就得到了曲面的完整数据。一般可以采用的分割对齐方法有三种，一种是基于曲面，另一种是基于边，还有一种是基于面[2]。

四、数据滤波技术

目前，在数据采集的过程中，受到环境因素和人为操作因素的影响，测量出的数据中会存在噪声数据。为了降低对后期建模数据的影响，需要对点云进行平面的滤波处理，即为了保证点云的光顺度，进行的数据过滤。常见的滤波有三种，分别是高斯滤波、中值滤波和平均滤波。其中，高斯滤波的平均效果小，且呈高斯状态分布，能够较好的维持原件的形状。而中值滤波主要是为了消除边缘的毛刺，它主要是统计出数据的中值。平均滤波是取平均值。需要注意的是，点云滤波是在之前已经分割对齐的基础上，对有序的点云进行的点云滤波。但是点云精度越高，它的光顺程度就越差。反之，精度越低，则越为光顺。以上提到的三种滤波方法在使用过程中，要具体问题具体分析，合理地设置滤波参数。

现阶段出现了新的分块滤波技术。它可以实现噪点的快速和精准过滤。主要通过提取具有明显特征的分界线和基础几何元素，将曲面进行分块。大大提升了对噪点的判断精确度，也可以实现更为精准的过滤。此外，还有很多方法都会被应用到实际的数据加工中。

五、曲面拟合重构

这是逆向工程中最为关键的一个步骤，大多是基于之前的数据加工，最终利用软件技术，直接进行曲面的拟合重构。一般选用NURBS曲线法和三角Bazier曲面重构法、Bazier法以及B条样法。其中三角Bazier曲面更适用于复杂的逆向工程，但是不适用于CAD建模软件，要进行NURBS曲面的转换，在转换过程中容易造成数据的丢失。故此，常用Bazier法、B条样法和NURBS曲线法这些比较成熟的曲面拟合重构技术。

六、结束语

总而言之，逆向工程作为一种产品开发的新方法，而今越来越受到人们的关注。因为它的优点，在开发模具、原型制作、造型设计以及人体的形状测量等方面都得到了广泛的应用。此外还有许多产品的设计并不是来自于设计的图纸和概念，而是从另外一些实物模型上获取的灵感。那么在没有图纸的情况下，逆向工程的作用就得到了很好地发挥。其关键技术主要是通过利用数据的测量与处理技术，进行点云成像和曲面重构，最终获得CAD建模。但目前，逆向工程还需要我们进一步研究开发，以保证建模能够更加精密、准确。

参考文献：

[1]田立臣，祁丽丽，张智程，徐宏伟，王喜岩，魏高顺.基于逆向工程的曲面建模与创新设计[J].发明与创新（职业教育），2021（05）：214-215.

[2]高宇，李卫民，赵旭东，江国海，丛伟.逆向工程技术研究现状与展望[J].辽宁工业大学学报（自然科学版），2021，41（02）：90-94+128.

作者简介：姓名：王金铃;出生年月：1972.04;性别：女;民族：汉;籍贯：山东邹平;职务/职称：副教授;学历：硕士研究生;研究方向：机械cad，逆向;单位信息（单位全名）：山东轻工职业学院;所在省市：山东省淄博市;邮编：255000