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反求工程CAD建模理论、方法和系统一、反求工程概述■先进制造技术是二十一世纪工程技术发展的核心和关键技术，反求工程（ReverseEngineering）作为产品制造和设计的重要手段之一，近年来随着激光数字化测量技术的发展，反求工程的研究内容和目标也在悄然发生着变化。■与传统意义的仿形制造不同，反求工程主要是将原始物理模型转化为工程设计概念或设计模型。一方面为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用先进的CAD/CAE/CAM技术对已有的物件进行再创新工程服务。■广义的反求工程包括:工艺反求、材料反求等，而产品的几何形状反求是反求工程的主要研究内容，这也是我们普遍所指的反求工程。■反求工程在机械、医学、工艺美术等领域得到了广泛的应用，特别在汽车、飞机等的外形设计中显示出了强大的实力。■反求工程是一门复杂的系统工程，它并不是对实物样件的简单拷贝，而是要通过样件，“反求”出可以重用和进行再创新设计所需的工程信息。反求工程研究的最终目标：寻找到一个自动或半自动的求解策略，通过这一策略能够建立与原型实物相对应的完整、一致表达的CAD模型，最理想的是全局参数化实体或表面模型。■反求工程建模主要包括：数据获取、数据预处理、数据分块及曲面拟合、CAD模型生成等四个阶段，其流程如下图所示。数据获取数据预处理曲面拟合与编辑CAD模型1.数据获取技术数据获取技术是反求工程建模的第一步，它是用一定的设备对实物进行测量来获取实物的表面数据（有时也包括内部数据）。测量的方法有很多，如图所示。数据获取方法非接触方法接触方法光学声学磁学三角形法距离法结构光法图象分析法机械手坐标测量机干涉测量法二、反求工程核心技术2.数据预处理技术■噪声去除：数据噪声主要由振动、镜面反射或零件粗糙的表面等因素引起，是测量中很难避免的。噪声不仅会增加曲率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且会破坏曲面模型的光顺性，这是一个不容忽视的问题。●线扫描－－改进的能量法对曲线光顺。●图象数据－－平滑滤波方法,包括空间域方法（低通空间滤波、中值滤波、取多幅图象平均值）和频率域方法（低通滤波）。●点云数据－－基于三角网格的光顺：拉普拉斯变换、平均曲率流以及它们的混合；转化为扫描线进行光顺处理。■数据匀化：样件本身复杂的拓扑结构和固定样件所用的夹具都会引起测量数据的局部缺失，这可能会给特征提取和曲面重构带来很大困难。在进行特征提取前，应通过一定的方法恢复丢失的测量信息，这就是数据匀化或数据补全技术。比较均匀分布或符合零件表面曲率变化而呈现疏密分布的测量数据，对于后续的特征提取和曲面重构具有重要的意义。数据补全过程和实例■数据压缩：随着激光测量技术的广泛应用，测量结果往往是大规模的，因此可能存在大量的冗余数据，在曲面造型前需要按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩。不同类型的数据其压缩方法也不同。均匀压缩（8298个点）扫描点（68531个点）均匀压缩处理（0.31mm压缩至1.13mm）3.特征提取与数据分块技术■特征提取主要针对平面、柱面、球面、锥面等二次曲面的识别与点云数据分块，其主要方法可大致分为三种：基于边的方法（Edge-BasedMethod）、基于面的方法(Surface-BasedMethod)和混合法（HybridMethod）。■数据分块是指将点云数据划分成互不重叠、特征单一的连通区域。由区域分割的定义不难看出，数据分块与特征提取具有其内在的联系，两者密不可分，属“蛋与鸡”的问题。通过数据分块进行曲面重建是反求工程建模的基本方法。●基于面的方法－－主要应用二次曲面法矢、曲率(平均曲率和高斯曲率)具有一定规律的特性进行区域分割。基于面的方法又可细分为基于二次曲面曲率特殊性的方法和拟合误差控制的方法。●基于边的方法－－主要针对图象数据的几何特征提取与区域分割。分割特征包括：尖边（CreaseEdge）、跳跃边（JumpEdge）、光顺边（SmoothEdge,VirtualEdge）三种边界上的点及曲面上的点，根据边界数据点曲率的特殊性（极值点，不连续点）识别Creaseedge与Jumpedge上的点，然后利用边界数据点将图像数据分割成互不连通的独立区域。正象所有的基于边的区域分割方法一样，这种方法不能识别SmoothEdge，而且识别的边界通常不封闭，因此该方法很难获得良好结果。●误差控制和几何约束求解－－多数产品零件外形含有大量二次曲面，并且它们之间一般满足一定的位置约束关系，而在以往的特征曲面拟合算法中只以单一曲面的拟合误差最小作为优化条件。实际上复杂的反求工程建模提出了要求满足一定几何约束关系的特征曲面整体优化计算与特征分离问题，4.曲面重构技术■曲面重构是反求工程的最重要的一步，也是反求工程CAD建模的主要目的之一。重构曲面的品质和精度直接影响最终产品的CAD模型的优劣。■反求工程中的曲面造型不同于传统的曲面设计造型，它有着自身的特点：数据海量、不规则散乱分布、大量噪声和冗余数据、多次测量结果的拼合、特征提取、数据分块等。■按曲面模型的表达形式分类，反求工程中的曲面重构方法大致分为以三角Bezier曲面为基础的非拓扑矩形曲面构造方案，以四边域B样条曲面、NURBS曲面为基础的曲面造型方案，以及直接函数逼近和神经网络理论等综合方法。●三角曲面造型：（1）Bernstein-Bezier插值和全局G1协调；（2）Hope分片细分；（3）其他局域插值●四边域曲面造型：（1）B样条曲面插值和逼近;（2）NURBS曲面插值和逼近;（3）扫略、拉伸、旋转面生成。●曲面编辑和分析：（1）求交、裁剪、过渡和延伸;（2）曲面光顺、曲面局部变形;（3）曲面曲率、法矢分析、误差计算以及最佳匹配分析等。三角形网格三角Bezier曲面“点云”和复杂边界约束局部B样条逼近插值5.反求工程CAD造型软件随着反求工程技术的不断发展和应用，商业化的反求工程软件也不断涌现并日渐成熟。目前较为成熟的反求工程软件有：ICEM/Surf、CopyCAD、PARAFORM、Surfacer以及RE-SOFT等。目前，用这些反求工程软件在解决实际问题时存在以下问题：●不具有参数化的功能，要进行模型的修改和创新设计很困难。PARAFORM在制造领域内的反求建模中使用非常广泛，是比较有特色的反求工程软件，其主要特点是能够实现特征修改和曲面变形功能。其网格编辑与全局变形是通过功能强大的网格编辑能力，基于曲线、曲面或刷子的延伸或雕刻来实现的。因此PARAFORM具有一定的参数化和变形设计功能，但是它是基于网格而不是基于特征来实现变形设计的。其他的反求工程软件都还没有引入参数化的概念，不具有参数化反求建模的功能。●反求建模自动化程度低，人工交互多，建模效率低。用目前的反求软件建模时，在基于点云的特征提取、数据分块、曲面重建等操作和计算时都需要大量的交互操作，建模人员的经验和熟练程度对模型的质量和建模效率都有很大的影响。韩国某公务车车门内饰板（熟练人员5－7天，非熟练人员20－30天）国产某摩托车饰板（熟练人员3－5天，非熟练人员15－20天）●核心技术和功能有待进一步开发和完善。主要包括：■有效去除噪声■数据补全及可控制压缩■点云快速三角化■内外边界特征提取■关键工艺特征提取和描述■特征尖锐边提取■二次曲面约束提取■旋转曲面特征提取■拉伸曲面特征提取■基于特征提取的数据分离■自由曲面分块策略■自由曲面约束逼近■曲线约束逼近■曲面小波光顺■复杂多边域混合约束逼近■任意局部曲面再设计■曲面交互裁剪算法■曲面光顺性分析■曲面重构误差分析■最佳曲面匹配分析■基于点云的细分曲面造型■曲面延伸、求交、裁剪和过渡■曲面全局控制分割及STL输出■数据、模型输入/输出可靠性基于折线多边形区域的分离基于平面样条曲线的分离基于平面的分离6.反求工程CAD造型软件RE-SOFT基于折线多边形区域的分离点云数据分离二次曲面、过渡曲面特征提取过渡区域分离过渡曲面计算球面特征提取柱面特征提取平面特征提取等半径过渡特征特征提取及数据分离变半径过渡特征提取及数据分离过渡区域特征提取（去噪声前）过渡区域特征提取（去噪声后）概率统计分析概率统计分析含噪声的原始提取特征信息去除噪声后的原始提取特征信息大规模扫描测量“点云”平面特征提取球面特征提取基于“点云”和特征的3D造型散乱点读入与组织散乱点分块三角化读入*.tri（SCANCURVE输出）三角网格编辑三角网格文件输入/输出三角曲面生成散乱点处理、网格编辑三角曲面生成三角网格生成网格内部点删除边界点删除内部点修改内部边交换边交换编辑前边交换编辑后曲面缝合前曲面缝合后三角曲面间隙缝补与补凸缝补两三角曲面之间间隙，形成一张光顺曲面三角曲面边界凹孔补凸边界补凸后曲面搭接处理前曲面搭接处理后曲面搭接与重叠测量处理交互处理重叠测量区域，自动保存用户挑选的正确数据局部平滑再采样针对三角曲面局部特征,通过构造逼近曲面等手段，进行局部再采样，达到修正曲面品质的目的局部平滑处理前局部平滑处理后“点云”逼近重构NURBS曲面设计扫掠曲面截面线拉伸曲面拉伸曲线默认方向直纹面旋转曲面母线蒙皮截面线导向线NURBS曲面求交、裁剪和过渡裁剪曲面与一组平面求交曲面/平面求交、裁剪曲面/曲面求交曲线光顺前曲线光顺后曲线构造与编辑曲线构造–投影曲线–插值曲线–曲面交线–平移曲线–镜象曲线曲线编辑–曲线光顺–曲线打断–曲线拼接–曲线反向–修改插值点–端点延伸边界提取及混合切片计算•垂直于脊线切片•任意平面切片(a)扫描测量点云(b)内、外边界信息基于“点云”的边界特征提取两平面之间切片基于三角片的NURBS重构四边Nurbs曲面重构–边界定义»选择四条封闭曲线–边界检查»U线方向一致»V线方向一致»U0、V0起点相同–曲面生成»调整U、V插值次数边界检查曲面生成局部孔斯曲面混合在NURBS曲面边界围成的矩形区域中，采用孔斯混合方式构造一张与周围曲面光滑连接的NURBS曲面孔斯混合前孔斯混合后局部光滑插值在NURBS曲面边界围成的矩形区域中，采用局部插值方式构造一张与周围曲面几何光滑连接的NURBS曲面插值点数调整光滑插值后光滑插值前复杂裁剪、局部修改设计复杂NURBS重构复杂NURBS曲面裁剪基于复杂裁减的局部插值复杂裁减计算曲面光顺前曲面光顺后裁剪曲面拼接曲面NURBS曲面边界协调多张B样条曲面光顺后，边界处的G1连续性可能被破坏。利用B样条曲面协调功能，重构新的B样条曲面进行曲面间搭接，可以使模型达到G1连续曲面光顺前曲面光顺后NURBS曲面光顺利用刚度调整或小波理论可以对构造的插值B样条曲面进行光顺处理，从而改善曲面的品质NURBS曲面重构误差分析重构误差等值线曲线与NURBS曲面的距离测量点与NURBS曲面的距离曲面连续性分析重构曲面曲率分析■汽车反求设计应用举例（汽车行业）■摩托车反求设计举例（浙江吉利）■其他工业应用实例（医学、玩具等）7.反求工程CAD建模软件RE-SOFT应用举例三、参数化建模技术■传统的CAD系统要求设计人员精确指定几何模型的几何结构，系统一旦获得几何形体的尺寸参数，就很难再作修改。然而，在产品的实际开发循环过程中，为了满足设计在功能、工艺和质量等方面的需求，往往需要对原始设计图纸进行修改。在这种工业背景下，概念化设计的思想被提了出来。■参数化设计是一种集概念化设计、公差分析、同类零件有效设计、库中标准零部件和特征表达、动力学仿真和装配设计于一体的方法学。■在基于参数化设计技术的CAD系统中，设计人员通过变量尺寸参数的修改得到具有相同拓扑约束而具有不同几何外形的几何模型，从而达到对原始模型修改的目的。■Roller根据参数化建模实现方法，把参数化设计和尺寸约束表达的工作做了分类，主要分为三类不同的实现方法：基于构造过程的方法、数字方法和基于人工智能的方法。●基于构造过程的方法使用设计流程的构造序（constructivesequence）达到对几何模型修改的目的，系统记录用户定义几何形体所执行的交互式操作。此方法不