产品逆向设计中特征和约束的重建

　　逆向工程也称反求工程(Reverse Engineering, RE)[1],是80年代发展起来的逆向产品设计思想,是将已有产品模型或实物转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造,是对已有设计的再设计,是集测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的综合应用技术[2]。其主要流程是利用精密的测量系统将实物模型或手工模型的三维轮廓尺寸快速测量出来,并对这些大量的离散数据或称点云数据(point cloud)进行处理,由点云来拟合曲面,从而得到原物体的CAD数字化模型,再通过快速成型、模具设计加工或NC编程加工得到复制的产品。产品数字化CAD模型的重建是逆向设计的关键,目前,常用的重建方法是利用逆向设计软件,对测量所得的离散的点云数据进行拼接[3]和其它去噪、精简[4, 5]等预处理后,以基于边或基于多边形面的方法进行数据分块[6, 7],再通过分块数据完成线或面的拟合,得到若干小曲面片,将这些曲面片通过拼接得到物体的各个面,从而重建出产品的数字化CAD模型。这种采用逆向工程技术所重建的产品CAD模型只是对已有产品形状的复制,而没有包含能为下游CAE、CAM等后续分析及加工所用的有关特征及工程约束等高层次的产品信息,因而不能对CAD模型进行更进一步的编辑修改和再设计。目前,基于特征的CAD /CAM系统从产品的设计到分析及制造的整个流程中,由于从数字化CAD模型的概念设计及详细设计开始都是基于特征和约束的设计,因而整个设计过程包含了设计者的设计意图,在设计、分析及制造的整个流程中,随时可对设计进行编辑修改,因此在设计中基于特征的CAD /CAM系统占据了主导地位。产品逆向设计的理想结果是不仅反求出产品的几何形状,而且从正向设计的思想出发反求出设计者的设计意图,亦即反求出反映了设计者设计意图的各特征及约束关系。

　　通过将逆向设计与正向设计相结合,下面将综合利用现有逆向设计软件及三维CAD特征建模软件各自在处理数据及建模方面的优势,实现反求设计中特征和约束的重建及参数化设计,使最终反求的产品符合正向设计理念,为设计者提供一快速实用的基于特征和约束的反求设计思想和方法。该方法的基本设计流程及设计思想如图1所示。

　　1　数据测量及预处理

　　逆向设计的第一步首先是通过特定的测量系统获取零件表面离散点的三维几何坐标数据,这里所采用的测量系统是目前国内外用于精密测量的、由德国GOM公司生产的ATOS测量系统。由于受实物几何形状、表面粗糙度、测量盲区、缺口或产品边界及测量手段等的影响,无论使用何种测量设备进行测量,都不可避免地会产生数据误差或数据缺失,而且ATOS系统由于是激光扫描,测量所得的数据量庞大,有时甚至是海量数据,因此首先要对数据进行去噪、精简等预处理。