1 引言
逆向工程(RE:reverse engineering)与快速原型(RP:rapid prototyping)集成技术是产品创新设计和快速开发的重要手段。快速原型是由产品的三维CAD模型数据直接驱动，组装（堆积）材料单元而完成任意复杂具有使用功能的零。在快速制造过程中，通常需要通过逆向工程技术获得产品的参数化CAD模型，或直接将产品测量数据转化为STL模型，用于制造。这两种方法各有优点，同时也各有其局限性，因此如何快速获得符合要求的产品CAD数据对RE/RP的集成具有重要的意义。TRIZ是发明问题解决原理的俄文缩写，具有普遍性、实用性和可操作性强的特点。针对快速制造过程中对于CAD模型构造存在的问题，利用TRIZ工具，对其中存在的矛盾和冲突进行分析研究，获得了可行的解决方案。
2 TRIZ理论技术矛盾解决方法
2.1 TRIZ理论
TRIZ理论是前苏联的海军专利员Altshuller及其领导的一批研究人员，自1946年开始，对世界各国250万件专利文献加以整理、归纳、提炼和重组，提出了一整套实用的发明问题解决方法体系。其目的是研究人类进行发明创造、解决技术难题过程中所遵循的科学原理和法则。TRIZ主要内容包括：技术系统进化法则、40个发明创造原理、39项技术特性、矛盾矩阵、物质一场分析、76个发明问题标准解决方法、发明问题解决算法(ARIZ)以及工程效应知识库等。利用该理论可使创新成为具有预见性的过程，可提高创新的成功率缩短解决问题的周期。
2.2 通用工程参数和矛盾矩阵
TRIZ解决发明问题的基本思路是：先将实际工作中遇到的具体问题转化为标准问题，然后利用所选定的TRIZ工具或工具组合寻找到标准问题的通用解决方案，最后将该方案应用到实际问题中，即获得具体的解决方案。如图1所示。
图1 TRIZ解决技术矛盾的模式
Altshuller通过对大量专利文献的研究和分析，总结出工程领域内常用的39个通用工程参数，专门用于描述技术系统所发生问题的参数属性，以实现具体问题的一般化表达。这样做可以把实际应用中的矛盾问题，转化为标准的技术矛盾，即用39个通用工程参数表示的技术矛盾。
为了提高解决技术矛盾的效率，Altshuller创建了矛盾矩阵表，如表l所示。将工程参数的矛盾与40项原理建立了对应关系，整理成一个(40×40)的矩阵。
表1 矛盾矩阵表（局部）
TRIZ作为一般化方法，为了应用的普遍性，其问题解决方法的规则就应当尽量一般化；但问题解决规则的一般化，得到的解也具有一般化的特点。TRIZ解仅仅是为设计者提供了解决问题的可能方向，最后还是要设计人员通过类比思维及自身的领域知识和设计经验确定领域解。
3 TRIZ在RE/RP集成中的应用
3.1 问题分析
在当前设计开发中，RE与RP集成的开发流程主要有三种。其结合方式和数据类型在此过程中的变化，如图2所示。
(1)REIRP传统集成模式：如图2中标号①所示，首先对产品表面测量数据进行特征识别，提取出模型的点、线、面等特征，拟合边界曲线，构建出产品的CAD模型，然后将CAD模型转换为快速成型设备可接受的STL模型，再对STL模型进行切层处理，生成数控代码，进行快速原型制造。在这个集成模式中，需要重构出产品的参数化CAD模型，这虽然方便于产品设计的修改以及对特征信息的保留，但这个过程非常复杂，往往需要耗费大量的时间。
(2)将点云数据直接转化为STL模型：如图2中标号②所示，将点云转化而来的STL模型，直接用于快速原型制造。这种方法，可以节省大量的时间，但测量的数据点必须足够多，以避免产品外形失真。而这样的数据通常是通过光学扫描系统获得，但光学扫描系统在模型边界处所获得的数据质量很低，会造成模型边界处的失真。此外对于模型有配合要求的特征部分（如圆柱、孔等）需要更高的精度，而所测得的数据与理论特征会有一定的偏差，则很难满足要求。
(3)将点云数据直接用于快速原型制造：这是近几年出现的一种新方法，即对点云数据直接进行分层处理，提取出产品模型的截面轮廓信息，指导快速原型制造。这个方法，存在着与第二个集成方式相似的缺点，而且点云数据很难进行设计更改。
图2 RE/RP集成开发流程
这三种RE/RP集成模式，各有其优点和缺点，方式(1)可以获得较高的精度但耗时较多，方式(2)和(3)虽然耗时较少但精度较低。这三种集成方式都存在用于制造模型的精度与重构对间的矛盾问题。
应用TRIZ理论的技术冲突解决方法分析上述问题。首先定义问题，将问题转化为TRIZ理论中的一般化问题，即将问题描述转换成39项工程参数中的2项通用工程参数。在这个问题中要改善的是模型重建时间，即25号工程参数：时间损失。提高效率带来了重建模型精度的下降，即恶化参数为24号工程参数：信息损失。查找矛盾矩阵：25-24，可得推荐发明原理为：24为借助中介物、26为复制原理、28为机械系统替代、32颜色改变原理，在这四条发明原理中，原理28和原理32对对本问题的解决有很大的启发性。对于发明原理28、32暂未找到可用于指导该问题解决的方法。
3.2 解决方案
根据发明原理：借助中介物、复制原理，经过分析，形成RE/RP集成新方案，如图3所示。将模型分为曲面部分和特征部分。
对于曲面部分，采用重构方法得到参数化CAD曲面，过程复杂、耗费时间长等缺点。根据复制原理“用简单的、低廉的复制品代替复杂、昂贵、易碎的或不易操作的物体”，联想到是否可以使用一个简单容易获得的模型来代替不易获得的参数化CAD模型。首先联想到是否可以利用点云封装获得的STL模型代替参数化CAD模型，从而省去重构曲面的复杂操作，节省大量的时间。对于曲面部分，最重要的是光顺要求，因此只要点云数据足够多，采用这种方法是能够满足要求的。对于特征部分如果采用点云转化而来的STL模型，由于测量数据的误差，并不能反映模型特征，也不利于特征尺寸的圆整和修改。因此借鉴中介物原理“使用中介物传递某一物体或某一种中间过程”，将逆向软件中最佳拟合出的特征作为中介物，以IGS格式导出，用于特征尺寸圆整和特征部分建模，最后与曲面部分STL格式的模型拼合在一起构建出最终模型。
图3 RE/RP集成新方案
综合这两个思路，可获得方案：模型的曲面部分采用点云封装获得的STL模型代替，而规则的特征部分，采用最佳拟合的面、球、孔等特征作为中介物，以IGS格式导出并进行尺寸圆整和修剪，最后将STL格式的曲面和IGS格式的特征拼合在一起，即得到最终模型。
采用这个方案需要软件能够同时打开STL和IGS文件，并能够对STL模型进行设计修改，经了解某公司推出的3-matic软件拥有这种功能，因此该方案在操作上是可行的。
3.3 实例验证
为验证这个方案的可行性，我们选用一个实物模型进行CAD模型重构。用关节臂激光扫描仪进行扫描，所获得的点云数据，如图4所示。该模型中同时存在曲面部分和平面、球等规则特征，我们分别用不同的文件格式进行处理。
图4 原始模型扫描点云
将点云数据在Geomagic Studio软件中封装，得到整体的STL模型；再针对特征部分创建IGES模型，如图5所示。将封装好的模型和所创建的特征分别以STL和ICS格式进行保存。
图5 封装后的模型
(1)分割出曲面部分：将多边形模型和特征模型同时导入到3-matic软件中。将特征模型中的平面1略微上移用于分割STL模型，如图6所示，删除掉其中的非曲面的部分，并去掉周围特征，使得STL模型中只剩下中间曲面部分。
图6 截取曲面部分
(2)拟合特征部分：对IGES文件中的特征部分进行尺寸圆整和修剪，可得到表示模型特征部分，如图7所示。
图7 模型特征部分
(3)重构过渡部分：构造截面提取出曲面与特征平面间过渡部分的两条截线，并在3-matic中，通过扫掠获得过渡片体，如图8所示。
图8 构造过渡区域
(4)合并：将模型曲面部分、特征部分和过渡区域部分合并，并对合并后的模型进行修复，如图9所示。将该模型与STL模型保存后，可直接用于后续的快速制造。
图9 最终模型
为了检验最终STL模型的精度，应用检测软件Geomagic Qualify，检测最终模型与原始点云之间的偏差，如图10所示。根据检测结果可知，偏差主要集中在(+0.020～-0.020)mm之间的区域。最终获得的STL模型具有较高的精度，也同时保留了模型的特征，并避免了对曲面部分的CAD重建，节省了操作时间。
图10 检测结果
4 结论
为解决逆向工程与快速原型集成过程中模型重建质量与所耗费时间之间的矛盾，提出利用TRIZ理论进行分析，通过构造通用工程参数，再利用冲突矩阵得出了发明原理。经过分析，筛选出了复制和中介物原理，结合问题实际得到了解决方案。通过实验结果表明，TRIZ理论能够对工程领域所碰到的问题起到较好的指导作用。
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本文标题：基于TRIZ理论的RE/RP集成方法研究
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