0 引言
随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者高质量的要求下，功能上的需求己不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。为适应现代先进制造的发展，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成型系统(Rapid Prototyping，RP)，计算机辅助制造系统(Computer Aided Manufacture，CAM)，产品数据管理(Product Dada Management，PDM)等先进系统对其进行处理和管理，并进一步进行修改和再设计。这时候就需要一个一体化的解决方案：样品→数据→样品。逆向工程专门为制造业提供了一个全新高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。现如今，利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已经成为CAD/CAM领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。
1 逆向工程的工作流程
逆向工程(Reverse Engineering，RE)也称反求工程、反向工程等，它是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转换成工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有的产品进行解剖、深化、再创造的过程。它起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。
逆向工程的一般流程首先是通过测量扫描以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，把实物样件转换为CAD模型，然后利用计算机辅助制造、快速模型制造、快速模具和PDM系统等先进技术对其进行处理的一个系统过程，见图1。
图1 逆向工程工作流程
2 数据采集
在表面数字化技术中，根据测试方法的不同，可以将数据采集方法分为接触式测量和非接触式测量两大类。接触式测量一般是利用各种探头进行数据测量。非接触式测量主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。
2.1 三坐标测量
这里主要介绍接触式测量中的三坐标测量机。作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并将比较结果用数值表示出来。为了分析工件加工数据，或为逆向工程提供工件原始信息，经常需要用三坐标测量机对被测工件表面进行数据点扫描。三坐标测量机的扫描操作是应用DMIS程序在被测物体表面的特定区域内进行数据点采集，该区域可以是一条线、一个面片、零件的一个截面、零件的曲线或距边缘一定距离的周线等。将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。其工作的基本原理就是通过探测传感器（探头）与测量空间轴线运动的配合，对被测几何元素进行离散的空间点位置的获取，然后通过一定的数学计算，完成对所测得点（点群）的分析拟合，最终还原出被测的几何元素，并在此基础上计算其与理论值（名义值）之间的偏差，从而完成对被测零件的检验工作。图2是用三坐标测量仪对一安全帽进行扫描得到的点云数据。
图2 安全帽的点云数据
2.2 曲面重构
在逆向工程中，由测量点云重构实物的三维CAD模型是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速成型、数据处理后的点云制造、虚拟制造、仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD模型的支持。曲面重构是利用产品表面的散乱点数据，通过插值或者拟合构建一个近似模型来逼近产品原型。根据拓扑形式的不同，目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分为以三角Bezier曲面为基础的曲面构建方法和以NURBS（非均匀有理B样条）曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。在数据分割的基础上，首先辨明不同的点云数据类型，然后根据不同类型的点云模型，选择不同的曲面构建方法。
3 Imageware对点云数据的处理
Imageware是目前运用最为广泛的逆向工程软件，具有强大的点处理功能，具有强大的测量数据处理、曲面造型和误差检测的功能。可以处理几万至几百万的点云数据。正被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。
下面我们用Imageware对上述的安全帽的点云数据进行拟合。
3.1 点云数据的预处理
(1)Imageware可以把实体在三坐标测量仪中扫描出的大量的点云读入，查看点云的信息，观察点云数据的大致的形状。
(2)对点云进行对齐与定位，由于扫描物体时，有些物体要从不同的角度扫描几次才能完成，多次扫描所对应的局部坐标系是不一致的，需要把不同扫描坐标系的点合并起来，将每次扫描的局部坐标系统一到同一坐标系，并消除几次扫描过程中的重叠部分，让对象能够完全的校准和定位，得到实物表面较为完整的点云。
(3)去除噪声点，噪声点是由于测量时数据误差引入的点，主要存在于模型尖锐的边上和边界附近。噪声点影响着模型重建的准确性，须对噪声点予以去除。
3.2 点云分块
为了使逆向设计进行的更加精确和简单。我们通常要对复杂的点云数据进行分块。对点云数据进行合理的分块，不仅可以节省逆向设计所使用的时间，而且可以减小点云与拟合曲面之间的误差。根据安全帽的点云特征，通过曲率分析，我们可以根据曲率的不同，将安全帽的点云数据分成2个点云块，即帽身、帽檐2个部分（如图3）。帽身和帽檐之间空缺的点云，在拟合曲面时，我们将通过倒圆角功能来生成。
图3 点云数据的分块
3.3 拟合曲面
Imageware软件主要采用点-面和点-线-面两种方法，对二次曲面、过渡曲面和自由曲面进行拟合。
(1)点-面拟合方法
当所采集的点云数据状况为均匀的曲面或者当点云数据趋近成平面、圆柱、圆球、圆锥等几何形状时，可以使用“Construct-Surface from Cloud-Uniform surface”指令直接生成一个均匀的曲面。帽檐部分的点云就是用这种方式直接拟合成曲面的（如图4）。
图4 帽檐点云及拟合成的曲面
(2)点-线-面拟合方法
这种方法在完成曲面重构时经常用到的一种方法。并不是所有的点云数据都是均匀平滑分布的，有些时候点云数据的曲率变化较大，直接拟合成曲面会出现较大偏差，不能得到我们期望的曲面。在这种情况下我们可以先根据点云特征将点云数据的轮廓线拟合出来，然后再通过轮廓线拟合成曲面。本例中，根据帽身点云的特征，我们将安全帽点云的轮廓线提取出来（如图5），然后根据轮廓线在进行帽身曲面的拟合与帽檐曲面的修剪。图6是拟合完成后尚未修剪的曲面。
图5 安全帽的轮廓线
图6 拟合完成的曲面
3.4 修剪曲面
曲面拟合完毕后，要将多余的表面边界剪切掉，或者要对两个表面进行倒角。安全帽的帽檐部分的曲面，可以根据帽檐的轮廓曲线进行修剪，然后将帽身部分的曲面进行延伸，再与帽檐部分曲面进行倒角。最终拟合完成的安全帽如图7所示。修剪曲面是一个及其繁琐的工作，Imageware的裁剪和面倒角功能不是太理想，我们可以先用Imageware构面，然后使用其他软件来进行修剪和面倒圆的操作。通过一系列的处理最终所得到的安全帽如图7所示。
图7 拟合完成的安全帽
3.5 误差检测
曲面拟合完成后，我们要对曲面与点云之间的误差进行检测，在Imageware中，误差的检测是通过“Measure-Surface to-Cloud difference”指令来完成的（如图8）。如果曲面与点云之间的拟合误差较大，我们就要对曲面进行重新拟合或者微调，使误差达到所要求的精度。
图8 误差检测
3.6 光顺度和曲率连续性检查
曲面修剪完成后，后期还应该进行必要的表面光顺性的检测。在Imageware中曲面的光顺性可以通过曲率梳检测以及等高线检测的方法来完成。
(1)曲率梳检测法
检查曲面的曲率梳可以判定曲面的曲率连续性，曲率梳相邻之间曲率针的方向以及长短反映了曲面的曲率方向与曲率值。一般说来，在同一个曲率梳上的曲率针朝着同一个方向，并且曲率针的长短起伏不大，这样的曲面光顺性较好。Imageware中，使用“Evaluate-Curvature-Surfae Needle”指令可以检验x、y、z三个方向上的曲率梳（如图9）。帽身曲面部分的曲率针长短基本一致，所以，帽身曲面的光顺性良好。
图9 曲率梳检测
(2)反射等高线检测法
在曲面上出现等高线后，旋转视图查看各个角度等高线的情况，一般不出现等高线相交的情况，就说明曲面的光顺性达到要求。使用指令“Evaluate-Surface Flow-Reflection Lines”可以通过等高线的方法来检测曲面的光顺性（如图10）。
图10 登高线检测
4 结束语
逆向工程技术在产品设计中的应用已经日益引起人们的重视。应用前景非常广阔。它采用三坐标测量仪对实物进行扫描得到点云，再利用Imageware软件进行点云的处理与曲线、曲面的构造，误差的检测与分析，然后利用NX、CAD等造型软件进行曲面的细节处理和结构设计最终得出完整的实体模型。
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本文标题：逆向工程技术在曲面重构及检测中的应用
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