曲面自动重建在模具设计开发中的应用

HEATS

模具工业历来都是应用新技术、新工艺、新材料的先锋。近十年来，模具行业一直是CAD/CAM软件的最主要用户之一。欧美一些模具企业大量运用CAD/CAM/CAE技术和产品，相比之下，中国模具厂家正进入起步阶段。 0 v+ m- L+ J' u0 z; B2 O, R8 V

# ^% p* z m0 D! m: F# |

以常规的设计程序和工艺，设计者都是按照二维图纸或是根据设计规范和几何图形的要求，将数据、参数键入计算机，通过CAD/CAM软件程序，先产生三维模型，再以此为依据，编制数控加工程序，来驱动数控机床或其它数控设备，经过不同的工序，生产出最终产品
2 G/ k# E# j9 M+ L3 H

但如果以实物模型/样件为依据，而没有图纸和参数，特别针对一些复杂的曲面产品，要用传统的测量方法，取得数据，再经过计算机CAD软件来正确建立完整的三维模型，就谈何容易了。CAD/CAM软件在这些逆向工程中的应用，我们称之为CAD/CAM软件的逆向工程技术(SurfaceReconstruction--曲面自动重建）.

1. "逆向工程技术"需求----产品开发中的难题

随着CAD/CAM技术的广泛应用，相比之下，在如何准确、有效地从实物样件上采集复杂三维表面数据，进而能快速地转变成高质量的计算机软件中的三维数学模型－－这一应用上仍然存在很大的障碍。

+ T# R1 d1 s! W2 _$ | v9 A

尤其在汽车，摩托车身及其他产品模具的设计和制造过程中，经常会碰到这个难题：产品仿制或面对以手工制作或经手工进行局部修改(光顺处理）后的模型或实物样件（即使是用CAD/CAM系统设计和加工生产的模型），如果仍用传统的测量技术－－采集特征线上离散的坐标点，然后输入计算机，用一般造型软件，将点连成线，连线成面片，连接面片再反复光顺后建立CAD模型的处理步骤，就有以下多方面的技术和工艺上的限制。

& k9 h: W/ Z- J* R. P+ i

测量速度慢，周期长而且精确度难以保证，特别是针对很复杂的曲面，离散点不能准确地定义它的形状，工程师简单重复劳动工作量巨大。

3 P% Y w3 X) v

对测绘人员的要求高，他必须掌握设计的要求和一般CAD/CAM软件对有效处理坐标点数量的限制。

% f; v+ B1 n" q2 H; t5 a1 O- O

不能充分发挥CAD/CAM技术和计算机高速速度的优势。

* f# F' O" U8 P. c- A2 O6 U: ?

不能发挥最新扫描技术/工具，如激光扫描器等的优势（因有上述第2点中提及的限制）。

# t4 K4 A! t. u& r V3 o: p

最终建立的CAD模型与实际数值偏差大－－质量难以控制。

7 R U# V6 c; m

2. "逆向工程技术"发展史--SurfaceReconstruction(曲面自动重建）软件诞生

; ~4 i) K; i. j

为解决上述难题，在1992年，法国MDTV公司和日本某大汽车集团开始合作进行研究开发，至1994年中正式推出“SurfaceReconstruction"（曲面自动重建）专业应用软件，真正填补了CAD/CAM技术在逆向工程领域应用中的空白。

对那些在产品开发过程中以实物模型/样件为依据，来着手设计/改型的用户来讲，MDTV公司的SurfaceReconstruction(曲面自动重建）功能的应用，完全改变了他们的传统工艺，利用先进的扫描工具，用户从原来费时且难以控制的手工测量，变成用全自动的高速扫描方法。在采集坐标点后，也由原来处理离散点的繁复而难以控制之下的曲面模型自动生成的新技术。从而大大加快了开发设计的同期并提高了产品的质量。

% n# e. Z! C' j

SurfaceReconsruction（曲面自动重建）软件提供了以实物模型/样件的表面数字化点（坐标点）为依据，从而快而准地生成CAD数字模型过程中所需的一切灵活性和受控性，它体现在以下一系列特征上;

可读取极大量的数字化点（坐标点）的文件，可超过几百万个点或以上；
　　提供检测和编辑数字化点文件的工具；
　　以交互方式生成特征（曲）线；
　　自动识别特征，包括锐边、边渡面、斜度等；
　　自动生成曲面；
　　能对重建后的曲面模型作精度验测和质量评估；
　　“曲面自动重建”功能可以和其它CAD/CAM软件如：CATIA、Euclid、STRIM－－等同时使用。

+ r0 J" B$ X; w4 u7 v# ]0 \

3. 先进扫描技术/工具的应用

% m+ I3 d+ d, k7 i* d& J( ~

SurfaceReconstruction（曲面自动重建）软件具有处理极大量数字化点的能力，所以在测量实物模型/样件的时候，就不必象以前那样小心谨慎地选择能描述型面的特征线来进行测量（采集该线上的离散坐标点）。而只需一次性或多次在不同方向上对测量对象的整体或局部进行扫描（为获得完整数据），以采集大量密集的数字化点（cloudpoints).

$ ~/ V! Z' d9 u2 e5 R

显而易见，曲面重建技术的应用是与扫描技术息息相关的。描述模型表面数据的数字化点文件的质量直接反应到重建后的曲面模型的准确性。

在与某日本模具集团合作开发SurfaceRecondtruction(曲面自动重建）软件过程中发现，原来各先进国家，特别在欧洲，一些公司已研究出一系列先进的扫描技术/工具，而这些工具已与SurfaceReconstrution（曲面自动重建）功能相配合，在世界各地，特别在中国已被成功地应用在模具及相关产品的开发工作中。

4. 逆向工程技术的应用

+ @' T! A4 u; i

SurfaceReconstruction(曲面自动重建)软件是经过实践验证的可靠工具.是计算机辅助设计软件在逆向工程中应用的一个典型实例。工程实践证明它是一项既方便又可靠的新技术。

; |, _& O$ B6 {9 s2 q I( U- V1 E

该软件能处理不同类型的数字化点，不管是人工测出的低密度数字化点，还是自动测出的数以百万计的数字化点，一旦这些数字化点在屏幕上显示出，设计人员可直观地交互建立起模型的特征线，这些特征线由设计人员选取一定顺滑精度的数字化点生成。由这些网络曲线作为曲面片的边界，该功能软件自动生成与数字化点非常接近的顺滑曲面。最后，由专门的检测功能模块把所生成的曲面与所采集的数字化点进行比较。

以下为SurfaceReconstruction(曲面自动重建)的操作步骤：

+ e% b& _. L1 {0 u

1.数字化点显示

多角度显示模型能使设计人员及时发现测量工作的精确程度。以数字化点为基础直接生成的模型能显示遗漏区域，以及不准确的数字化点，以便确定是否要重新测量数字化点。

2.数字化点编辑

2 o3 P( y# o6 i8 I( p

所有数字化点须经筛选或自由顺滑处理，以去除杂散点。从而提高数字化点精度。也可手工操作去除或加入数字化点。

. G- R" C5 j6 H! ?

3.建立线框模型(取数字化模型特征线)

6 D5 s- x! B% i4 @" v

以交互方式定义模型的特征线，使设计人员直接由设计的一组数字化点来完成，而没有必要一点一点地选取。

4.曲面的生成

由线框模型生成一组曲面，面与面之间过渡约束（如曲线的相切、连续性等）由设计人员定义。这些曲面片被自动覆盖互数字化型面上，以尽可能与测出的数字化点相吻合。

# ]2 @5 \- b: n g* [3 n

5.校核

CAD模型建好后，必须与实物模型进行比较，校核时该功能软件计算数字化点与生成曲面间的距离，结果以颜色级度偏差的形式显示，颜色的变化以距离的大小而变化。所建CAD模型品质的优劣也可由STRIM曲面功能来校核，如用平行光线、发射光线、图形扫描等功能来检测。

6.集成一体化

曲面自动重建模块可与EUCLID，STRIM等系统的曲面造型功能模块结合起来，随时为设计人员提供模型的设计、修改和曲面重建的强大设计功能。

, p6 x! f6 v3 W4 W1 I6 j/ S7 d