一、引言
在信息化的现代社会中,制造行业的竞争日趋激烈。产品更新速度不断加快,生产方式日趋小批量、多品种。反求工程技术在此背景下应运而生并得到迅猛发展。国内以华中科技大学、天津大学、西安交通大学、清华大学为代表,所研制的反求设备已经达到产品化水平,并在国内占据了相当的市场份额。
二、反求工程的基本概念
针对一现有的样品,利用3Ｄ数字化测量仪器准确、快速地将其轮廓坐标量得,并进行三维CAD曲面重构,编辑修改后,传至一般的CAD/CAM系统,再由CAM产生刀具的NC加工路径送至CNC加工设备制作所需的模具,或者送到快速成型机(RP)将样品制作出来。这一过程称为反求工程(ReverseEngineering)。
传统的设计过程是根据产品的功能和用途首先进行概念设计,然后通过CAD输出产品的设计图纸,经审查无误后,编制NC代码并输入CNC加工设备进行产品加工或者通过快速成型机制作样品。而反求工程是从一已经存在的零件或产品模型入手,首先对其进行数字化测量,得到它的轮廓坐标值,然后通过三维CAD曲面重构得到其三维CAD模型并输出图纸,经审查合格后由CNC加工设备或快速成型机进行加工。如图1所示。
三、反求工程在快速成型制造中的意义
要在充满激烈竞争的现代制造业中生存与发展,产品的开发速度和制造技术的柔性起着决定性的作用。快速成型制造(RPM-RapidPrototyping&Manufacturing)技术的产生大大地加快了产品的开发速度,显著地提高了产品设计的柔性。快速成型的加工过程,实质上就是在Ｚ轴方向的层面叠加过程。快速成型加工从三维实体模型入手,经过适当的处理(三角形化、切片、光滑、网格划分等),最终得到每一层面的加工数据。因此获得产品的三维实体模型是RPM技术中的关键问题之一。对于大多数产品来说,可以用通用的CAD软件(如UG、Pro/E、I-Deas、SolidWorks等)设计出它的三维模型。但用CAD软件绘制一个复杂的零件模型,是相当费时费力的工作。而且有时工程界提供的往往是实物,需要由实物制造模具或在它的基础上作设计上的改进。反求工程技术提供了由实物直接获得三维CAD模型的途径。用反求工程技术比利用CAD软件绘制要快得多,一般较复杂的中小零件,几个小时甚至几十分钟即可完成,而用CAD软件绘制往往需要数天才能完成,同时也大大降低了对工作人员技术水平的要求。
四、反求工程技术的研究应用状况
在反求工程中,传统的测量方法是采用接触式测量。这种方法虽然测量精度较高,但也有一些固有的缺陷。测量速度慢,易于划伤被测零件表面,对某些测头不能触及的表面无法测量等。随着光电技术与计算机技术的发展与成熟,现在通常采用非接触式的激光测量法。激光测量法避免了接触测量中对测头半径补偿等问题带来的不便,可以实现对各类表面进行高速三维测量。激光测量方式有很多种,包括点扫描、线扫描与光栅扫描等。在快速成型制造中,基于光学三角原理的激光线扫描法是目前应用最广的测量方法(原理见本文第五部分)。
目前,国外的许多反求产品已进入我国市场。如英国3D-Scanner公司REPLICA激光快速扫描测量仪、美国“Laser Design”Surveyor1200立体激光扫描系统、德国GOM公司的ATOS测量仪等。这些测量设备功能较完善,但价格相当昂贵。我国华中科技大学、天津大学、西安交通大学、清华大学等众多高校近年来也加强了对反求工程测量设备的研发,现已实现产品化,并广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行业中。由于国产设备价格远远低于国外,且功能不断增强,因此有较大的发展潜力与竞争力。
五、激光线扫描过程及其三角测量原理
激光线扫描法的基本过程为:线激光发生器发出线激光对被扫描实体进行扫描,CCD摄像头采集被测实体表面漫反射图像后将其送入计算机,反求设备图像处理软件对输入的图像进行二值化、细化等处理,然后利用三角测量原理计算Ｚ坐标值并结合X、Y坐标值(X、Y坐标由运动系统提供),生成以一定数据格式存放的密集的数据云,三维CAD重构软件利用此数据云对三维实体图形进行重构。最终生成的图形以STL格式进行存储,以便快速成型机对被测实体进行加工。
三角测量法硬件由线激光发生器、CCD摄像头、图像采集卡、相应的连接线与电源以及微型计算机组成。如果采用两个参数完全相同的CCD摄像头对称放置,可以减少测量盲区,提高测量精度。三角测量法利用基准面、像点、物距、像距等之间的关系计算物体的Z坐标值(如图2所示)。
图中,i-入射光,L-透镜,N-成像屏,ｕ-透镜L的物距,ｖ-透镜L的像距,O-L光轴与入射光线i的交点,A-物面上的光点,A’,O’分别是A、O的像点,h-物面上光点相对于基准面的M高度,a-入射光线与光轴的夹角,M’-目标平面,M-参考平面。
根据透镜成像原理,以入射光与透镜光轴交点所在平面M为基准面,则光点A相对于基准面M的高度h的计算公式为:
式中:ｕ、ｖ、α是系统参数,都是固定值,这样可以由ｈ’计算出ｈ的值。
六、结论
笔者认为,反求工程测量速度快,精度较高(±0.005～±0.01ｍｍ),可以满足快速成型制造的要求。但从目前反求工程的发展水平来看,仍存在很多问题,如反求工程在各环节上的某些算法精度还不高,对有较高精度要求的三维实体测量,还不能满足要求;三维实体测量得到的数据量很大,数据处理与三维重构需要较长时间等。因此需要继续加强对反求工程的改进工作,使其得到不断的完善与发展。
