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反求工程与快速成型
程俊廷 张树林 韩明 黄树槐
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摘要　随着RP行业的迅速发展，反求工程在快速成型制造领域中的作用日趋重要。它作为一种新的产品设计思想和方法越来越广泛地应用于快速成型制造领域，并取得了很多成果。本文全面地论述了反求工程的产生、发展、目前的研究应用状况及它在快速成型制造领域中的重要作用，同时对其设备的测量原理作了简要的介绍。
关键词　反求工程　快速成型制造　三维测量
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“LaserDesign”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)。

（图片）

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：

（图片）

式中：u、v、a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。
参考文献
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