科技论文逆向工程及其在CAD软件中的实现.docx

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科技论文写作

综合大作业

逆向工程及其在CAD软件中的实现

摘要:

目前,随着我国机械设计制造水平的提高,逆向工程技术在众多领域的应用日益广泛。

本文阐述了逆向工程的基本概念,分析了坐标点采集,数据处理等关键技术,同时,论述了CAD软件在逆向工程设计中的应用,并讨论了CAD三维模型的建立和后处理等实现过程。

关键词:

逆向工程;数据采集;CAD软件

ReverseEngineeringAndIt'sImplementationInTheCADSoftware

Abstract:

Atpresent,withthedevelopmentofmechanicdesignandmanufacturingtechnologyinourcountry,reverseengineeringtechnologyhasbeingusedwidelyinmanyfields.Thispaperintroducesthedefinitionofreverseengineering,andanalyzesthekeytechnologyofreverseengineering,includingdigitization,dataacquisitionetc.Inaddition,theapplicationofCADsoftwareinreverseengineeringdesignispresented,andtherealizationofCAD3Dmodelbuildingandpostprocessisdiscussed.

Briefintroduction:

Reverseengineering,somepeoplealsocalledreverseengineering,Englishisreverseengineering.ReverseEngineering（ReverseEngineering）isonthebasisoftheexistingthingsandresults,throughtheanalysistoderivetheconcreterealizationmethod.Asyouseeotherstowriteaexeprogramtomakeabeautifulanimationeffects,youpassthedisassembler,decompileanddynamictracingmethod,analysisofitsanimationfortherealizationoftheprocess,thiskindofbehavioristhatreverseengineering;notonlyisthecompiler,butalsopushoutdesign,anddocumentation,softwarereverseengineeringthepurposeistomakethesoftwareismaintained.

Keywords:

reverseengineering;dataacquisition;CADsoftware

ReverseEngineering（alsoknownasreverseengineering,ReverseEngineering-RE）isadescriptionoftheproductdesignprocess.Inearly2007,China'srelevantlawsforreverseengineeringrenown,acknowledgedthereversetechniqueusedtostudythelegitimacy.

Intheengineeringandtechnicalpersonnelofthegeneralconcept,productdesignisaprocessfromdesigntoproductdesignprocess,namelythebrainideaofproductappearance,performanceandthetechnicalparameters,andtheninthedetaileddesignstagetocompleteallkindsofdatamodel,themodelwilleventuallybetransferredtothedevelopmentprocess,finishedproductsthroughoutthedesignanddevelopmentcycle.Theproductdesignprocesswecall"top-downdesignprocess".Reverseengineeringinproductdesigncanbeconsideredaproducttodesignprocess.Simplyput,reverseengineeringproductdesignisonthebasisofexistingproducts,reverseproductdesigndata（includingalltypesofdesignorprocessdatamodel）.Sayfromthismeaning,thereverseengineeringintheindustrialdesignhasbeeninuseforalongtime.Forexample,earlyshipbuildingindustrycommonlyusedinshiphullloftingdesignisaverygoodexampleofreverseengineering.

Alongwiththecomputertechnologyiswidelyusedinvariousfields,especiallyinsoftwaredevelopmenttechnologyswiftandviolentdevelopment,basedonasoftwarecompilation,toreadthesourcecodetoinferitsdatastructure,systemstructureandprogramdesignofsoftwarereverseengineeringtechnologyinformationbecomesthemainobjectofinterest.Softwarereverseengineeringtechnologyisusedtoresearchandstudytheadvancedtechnology,especiallywhenthehanddoesnothavetheproperdocumentation,andyoureallyneedtoachieveasoftwarefunctiontime.Itispreciselybecauseofthis,manysoftwareinordertoforestalltechnology,thesoftwarebeforeinstalling,requiretheusertoagreenottoreversestudy.

Reverseengineeringistheprocessoftheimplementationofmultidisciplinary,interdisciplinaryandcollaborativeprocess.

Softwarereverseengineeringmethod

Softwarereverseengineeringcanbeusedtoachieveavarietyofmethods,thethreemaintypesofsoftwarereverseengineering:

Throughtheobservationofinformationexchangeareanalyzed.Mainlypopularintheprotocoltodoreverseengineering,itusesabusanalyzerandpacketsniffers,forexample,toaccessabusconnectionoracomputernetworkconnectionsandrevealsonthecommunicationdatacanusethismethod.Throughtheanalysisofbusornetworkactivity,andmakeanindependent

1前言

逆向工程技术是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术,它是数字化与快速响应制造大趋势下的一项重要技术,是CAD领域中一个相对独立的范畴。

90年代,逆向工程技术已经成为制造业研究的热点,取得了大量的研究成果。

进入90年代末期,深圳市鑫磊实业有限公司首先在国内业界推出拥有部分自主知识产权的逆向工程专用三维激光线扫描机,从此开启了我国在逆向工程技术领域的里程碑。

所谓逆向工程[1]（ReverseEngineering-RE,也称反求工程）是对产品设计过程的一种描述。

与传统的"产品概念设计-产品CAD模型-产品（物理模型）"的正向工程相反,它是从实际物体上采集大量的三维坐标点,由这些数据点建立该物体的几何模型,并结合快速成形技术（RPM）,从而更快速地制造出产品。

目前已经广泛使用的CAD软件中已有逆向工程的相关模块,其中,UG三维造型软件具有一定的代表性。

UG软件是由美国EDS公司开发,它是集CAD\CAM\CAE一体化的三维参数化软件,是当今世界上最为先进的计算机辅助设计、制造和分析软件,在国内应用相当广泛。

本文就UG软件在逆向工程设计中的应用作以介绍。

2UG软件在逆向工程设计中的应用

逆向工程主要包括,数据采集、数据处理、CAD几何建模、产品模拟及再设计、后处理等。

其工作流程如图1所示[2]。

图1逆向工程工作流程

2.1数据采集

数据采集是指采用某种测量方法或测量设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标。

按测量方法分类,数据获取可分为接触式测量和非接触式测量两种。

接触式测量是指利用接触式测量仪器对实物外表面进行测量,记录样件表面的坐标位置。

非接触式测量是用非接触的光电方法对曲面的三维形状进行快速测量。

目前,三坐标测量仪（CMM）的应用最为常见。

三坐标测量仪通常采用点扫描、线扫描、面扫描三种不同的扫描方式,它具有较高精度,适应性较强的优点,所以用一些非专业的逆向设计软件是很适合的。

本文就应用UG软件处理三坐标测量仪的测量数据进行逆向造型设计步骤进行探讨。

2.2数据处理

在数据处理过程中,一般分为数据预处理和数据分割两个步骤进行。

⑴数据预处理。

由于在曲面数据比较散乱,且曲面边界形状比较复杂的地方常受到噪声的影响和干扰,因此,为了提高图像的质量,我们需要对原始图像进行平滑和去噪处理。

⑵数据分割。

对于含有自由曲面的复杂型面,我们需要将原始数据点集合理分割成不同的区域（一组子集）,各个区域分别拟合出不同的曲面,然后将不同的曲面连接起来构成一个形体。

在数据处理和误差分析理论中,脉冲噪声也称为粗大误差。

因此,本文采用基于方差的滤波方法,即通过去除孤立点的方法来过滤粗大误差。

根据曲线上点和点之间的距离将曲线分为若干段,再计算每一段上的点数。

若点数为1或较少,可判定这段上的测量点为粗大误差,可将这段上的点剔除。

2.3CAD几何建模

在UG中,遵循从点->线->面->体的一般设计原则。

处理过程为:

首先通过三坐标测量仪获取被测物体的三维表面轮廓数据,将数据导入到造型软件UG中;再根据物体的轮廓特征选择合适的曲线造型方式进行曲线造型,并对其中不满意或者需要改进的地方进行修改;然后根据已修改好的曲线进行曲面造型,通过提取特征曲线,加上辅助曲线,利用各种曲面修改命令补全缺少的曲面并对补全曲面作光顺处理;最后进行实体造型,对实体进行修改、拼接处理，完成实体造型的再设计工作，并且生成CNC加工代码，通过数控机床或者快速成型机加工出初期产品。

处理流程如图2所示。

[3]

图2UG中数据处理流程图

2.3.1点云数据与UG的接口实现

将点云数据写成UG可接受的连续点集数据格式的程序核心代码如下[4]:

VoidChardWorkDoc:

:

OnSaveDataUG（）

{//TODO:

Addyourcommandhandlercodehere

inti,j;FILE*datafile;floatvx,vy,vz;

//定义并且打开文件

datafile=fopen（"D:

\\catdata\\DataUg.dat","w"）;

//N为点云数据样条数

for（i=0;i

{for（j=0;j<=Pnum[i]-1;j++）

{vx=tx[i][j];vy=ty[i][j];vz=tz[i][j];

//写入各个型值点的三维坐标

fprintf（datafile,"%f,%f,%f\n",vx,vy,vz）;}

}

fclose（datafile）;//关闭文件

MessageBox（NULL,"数据文件写入成功","进程信息",

MB_OK）;

}

2.3.2曲线造型

由于所测量的数据点为被测物体表面轮廓上的点，在由测量数据点重构生成曲线时，一般选择样条曲线方式，使得生成的样条曲线通过或者接近测量数据点，因此在选择曲线造型方式时一般采用ThrougPoint方式或者Fit方式。

对于被测物体高尔夫，本文采用ThrougPoint方式进行曲线造型，采用多段曲线，曲线次数为3次，构造封闭的曲线，导入UG中的结果如图3所示。

图3导入UG中的结果

2.3.3曲面造型

在UG中，曲面构造主要分为基于点、基于曲线和基于片体三种构造方法。

一般情况下，构面方法的选择要根据样件的具体特征情况而定。

最常用的曲面构造方式有ThroughCurveMesh和ThroughCurve两种方式。

通过ThroughCurve方式构造的曲面可以保证曲面边界曲率的连续性,即ThroughCurve方式可以控制四周边界的曲率,因而其构面效果更好。

而ThroughCurveMesh只能控制两边的曲率,构面时其相对误差较大。

因此，本文通过程序生成几条曲线的数据，在UG中采用ThroughCurveMesh方式构造的曲面如图4所示。

图4构造的曲面

2.3.4实体造型

曲面是实体的一个面约束[5]。

在曲面造型完成后，一般可通过以下几种方法进行实体造型:

⑴封闭的曲面自动生成实体。

UG是运用基于约束的实体造型技术的典型造型软件之一。

它可由封闭曲面自动生成以封闭曲面为表面的实体。

⑵利用曲面为工具生成实体。

可以利用曲面为剪切曲面来生成实体，这样就可以将实体的一个约束面用所生成的曲面来代替。

但要注意的是，作为剪切工具的曲面要比原来的实体表面大，才能够生成所需的曲面。

⑶沿曲面的方向增厚的实体。

用Insert->FormFeature->ThickenSheet…命令可以实现，需要注意的是片体的曲率不能太大，否则增厚时会产生自相交，导致增厚操作无法进行。

本文在前面曲面造型的基础上,作出必要的起闭合作用的平面，然后将这些表面缝合起来生成实体。

2.4产品模拟及再设计

例如最小二乘法、回弹在完成产品设计后,设计人员应该在虚拟的环境中对产品的各项功能进行模拟，以此来判断设计的产品是否满足用户的要求。

在这个过程中，可以根据先前建立的产品评价系统，或通过交互方式，以设计师的经验及客户的要求，来对三维实体模型在虚拟环境中的表现，例如物体尺寸大小、物体表面光顺程度等做出评价。

这个过程称为虚拟模拟。

目前,在基于实物数字化的曲面模型重建中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在测量和造型误差，因此，曲线曲面光顺程度成为产品再设计的一个主要因素。

根据每次调整的型值点的数值不同，曲线曲面光顺的方法主要分为整体修改与局部修改两种。

光顺效果的好坏在于所使用方法的原理准则。

一般情况下，曲线光顺可以采用基样条法、圆率法、磨光法等；而曲面光顺处理则可以通过将曲面的光顺性转换为网格线的光顺性问题处理，或根据曲面特有的一些量对曲面进行光顺处理，法、能量法等[6]。

2.5后处理

UG软件是一种集成的大型机械CAD/CAM软件,其CAM模块可生成符合工业标准的STL格式文件,并允许用户在STL文件中导入3D实体模型或复杂曲面,通常,CAM模块生成的控制加工信息必须经过数控机床的后置处理程序才能生成该机床所识别的NC代码。

因此，必须通过后置处理文件生成NC代码程序，由串行接口输入到相应的数控机床或者快速成型机来加工出初期产品。

这项工作主要由UG/PostBuilder后处理功能模块来完成。

3结论

本文以人脸为例,对CAD软件在逆向工程设计中的应用进行了探讨,通过实践可以得到以下结论:

⑴CAD软件与逆向工程技术的有机结合为现代机械产品设计提供了新思路,并使其具有效率更高软件使用更简捷等优点,是一种方便、快捷、值得推广的产品设计方法。

⑵测量设备是逆向工程的核心硬件,测量结果的好坏直接影响了后续的工作。

由于实物模型比通常的工程零件复杂,这就对测量设备的速度、精度和采集数据的能力都提出了更高的要求。

⑶目前的扫描数据的预处理软件和CAD软件功能相脱节,其处理优化能力不够,导致大量的冗余数据被带入CAD建模阶段,降低了建模的效率。

参考文献：

[1]王正如,梁晋,王立忠.基于逆向工程的汽车覆盖件CAD建模技术研究[J].机械设计与制造,2010,07:

106-108

[2]吴家翀.逆向工程的关键步骤及主要技术[J].SCIENCE&TECHNOLOGYINFORMATION,2010,09:

512-518

[3]晁永生,刘海红,孙文磊.以UG为平台的逆向工程数据处理技术[J].现代制造工程,2010,01:

141-143

[4]王永强,于德敏,许增朴.点云数据与CAD/CAM软件接口方法研究与实现[J].微计算机信息,2005,08:

63-65

[5]张明容,王丽.基于细分曲面的反求工程CAD系统设计[J].现在机械.2011,01:

31-33

[6]L.Iuliano,P.Minetola,etal.EnhancingmouldsmanufacturingBymeansofreverseengineering[J].IntJAdvManufTechnol,2009,43:

551–562