逆向工程技术原理及其关键技术
第24卷第4期昆明理工大学学报Vol.24No.4 1999年8月JOU RNAL OF KU N M ING U NI VERSIT Y OF SCI EN CE AN D T ECHNOL OGY Aug.1999
逆向工程技术原理及其关键技术X
张宇,范宇,初学丰
(昆明理工大学机械系CIM S应用研究中心,云南昆明650093)
摘要:阐述了逆向工程技术的应用背景、组成和原理.并论述了在产品开发中应用
逆向工程技术的各关键环节(即对象数字化、对象模型构造、对象分析和对象加工)
的原理和方法.提出了基于CAD/CAM技术和DM IS标准的逆向工程实现框架.
关键词:自由曲面;逆向工程;CAD/CAM;NURBS;DM IS
中图分类号:TP122文章编号:1001-4896(1999)04-042-05
0前言
工业产品的形状大致上可分为两类或由这两类组成:一类是仅由初等解析曲面,例如平面、圆柱面、圆锥面和球面等组成,大多数机械零件属于这一类.可以用画法几何与机械制图完全清楚表达和传递所包含的全部形状信息(只需确定长度、高度和半径等参数),在计算机三维表示中,可以通过特征参数实体间的布尔运算来表示.另一类,是不能由初等解析曲面组成,而以复杂方式自由地变化的曲线曲面,即自由型曲线曲面(Free Form Feature),这一类形状单纯用画法几何与机械制图是不能完整而准确地表达.对于这类自由曲线曲面,传统上采用模线样板法(可获得光顺性好的曲线曲面)来表示.模线员与绘图员用均匀的带弹性的细木条或金属条通过一系列点绘制得到的曲线即模线(曲线上的局部应力最小),在曲面上没有模线控制的部分取成光滑过度.这种采用模拟量传递的设计制造方法所表示与传递的形状不仅因人而异,而且即使是同一设计人员针对同一组数据点,得到的曲线也可能不完全一样.所以,设计与制造人员即使耗费大量的时间也无法得到精确而统一的模型,不便于产品的分析、归纳和进一步优化开发借鉴.另外,该方法导致了该类产品的加工只能依赖于得到的模型,而模型的制作需加工人员多次修配和反复实验,因而制造周期长,加工成本高,而且制造精度低,互换协调性差.目前,国际国内多改用非均匀有理B样条曲线曲面NU RBS(Non-Uniform Rational B-Spline)来表征自由曲线和曲面.同时,为充分利用已有产品的优良几何特性和机械结构,在设计和加工这类产品时,多采用逆向工程技术.
1逆向工程技术
逆向工程技术(Reverse Eng ineering)指基于一个可以获得的实物模型来构造出它的设计概念,进而通过调整相关参数来达到对实物模型的逼近和修改.主要包括四个步骤:
1)对象数字化(object dig itization):指利用相关的测量设备,根据产品模型测量得到空间拓扑离散点数据.并将测量结果以文件或数据库的方式存储起来,以备将来检索调用.[1]
X收稿日期:1998-12-31
基金项目:云南省电子信息计划/九#五0重点/云内CIM S应用示范工程0项目基金资助
2)对象的模型重构(object modeling):指根据空间拓扑离散点数据反求出产品的三维CAD 模型.并在产品对象分析和插值检测后,对模型进行逼近调整和优化.
3)对象分析(object analysis):指将模型和设计表征用于产品的面分析、有限元分析和工艺分析.并将分析结果以文件或数据库的方式存储起来,以备其他模块检索调用.
4)对象加工(object manufacturing ):指根据分析结果生成NC 加工代码,并在具体的NC 设备上将对象加工出来.
逆向工程技术流程图如图1所示
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图1 逆向工程技术(R E)的流程图
逆向工程技术广泛用于飞机、汽车、工业模具和民用模具等制造领域.特别是一些具有复杂型面的零件的设计和加工,如:轮船和潜水艇的推进螺旋桨、汽车的外壳和柴油机的进排气道等.对于一些只有产品原形或实物模型,而没有产品图的情况下进行设计和制造,也有着特别重要的价值.
111 产品对象数字化)))曲面的数控测量
产品的对象数字化过程中用于测量实体获得测量数据的设备是坐标测量机CM M(Co -ordinate Measuring Machine).对于CMM ,制造业已根据CM M -I (Computer M easure M a -chine-International)制定了尺寸测量接口规范DM IS (Dimensional Measuring Interface Specification)作为质量检测信息和尺寸测量的标准,它为CAD 系统与坐标测量机CMM 提供了双向数据交换的格式,为不同厂商CAD 系统与CM M 的连接提供了中性的类似于APT (Autom ation programmed T ools)语言的数据接口,其功能为:1)可以在CAD 系统上对三维产品模型编制标准DM IS 格式的检测程序,实现CMM 的自动测量规划;2)可以从CM M 系统获取测量数据,并将其转换成DMIS 格式,以实现在不同的CAD 平台上重建产品模型.
DM IS 的目标是作为计算机系统和测量设备之间检测数据双向通信的标准.实现不同系统和测量设备之间的信息自由传输和有效集成的环境.其简化集成环境如图2,每个CAD 系统都有一对前、后处理器,负责将检测规程或监测结果转换为DM IS 格式以及将DM IS 数据格式转化成系统内部的数据格式.从而,可以在几个不同的CAD 系统中的任一个系统上来编写检测规程;检测规程可以在几个不同的DME (Dimensional Measuring Equipment)上#
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运行;DME 可将数据送回到任一系统分析,也可将数据送到信息系统中心ISC(Information System Center)进行存储管理
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图2 DM IS 标准的应用开发环境
CMM 的扫描方式包括:1、)点扫描.人为的测量一些定位点、边界点.2、)线扫描.曲面上一些边界线、直纹面母线或轮廓线.3、)面扫描.即通过制定符合输入格式的自动检测程序,对NURBS 曲面和其上的部分区域进行扫描采样.扫描轨迹可采用行扫描或环行扫描方式,具体视模型重构的数据采样要求而定.
扫描方式的选择,根据零件的扫描工艺而定.检测点样本的分布和大小的制定原则是:首先要满足精度要求,其次使样本尽可能小,以节省检测时间.目前的最佳方式为:进行基于CAD 的CMM 自动检测过程.即先通过粗略采样反求模型,利用CAD 系统生成的初步模型来分析曲面,对于曲率变化特别大的区域和难加工区域,制定DM IS 格式的NC 检测程序,对这些区域进行补充插值检测.在交互情况下,实现模型的不断求精逼近和优化.
112 对象的模型重构)))基于测量数据的曲面重构
对于自由曲面的描述,目前国际上多采用NU RBS 方法(Non-U niform Rational B-Spline),为统一数学描述方法.其数学表达式为:
P (u,v )=
6m i=06n j =0d i,j R i ,k ;j ,l (u ,v )(1)
d i ,j ,i =0,1,,m ;j =0,1..,n 为呈拓扑矩形阵列的控制顶点网格
R i ,k;j ,l (u,v ),是双变量有理基函数(C 2连续):
R i ,k;j ,l (u,v )=W i,j N i ,k (u )N j ,l (v )
6m i=06n j =0W i ,j N i,k (u)N j ,l (v )
W i,j 是与顶点联系的权重因子,初始状态取W i,j =1;在调整阶段适当选取值,W i ,j 越大,曲面越靠近控制顶点.四角顶点处权重因子为非负;曲面拟合的第一步是确定插值曲面的节点矢量.设uv 两向分别获得m @n 个数据点,则曲面上应有(m +3)x (n +3)个控制#44#昆 明 理 工 大 学 学 报 1999年
顶点.故
U ={u 0,u 1,,u m+6} V ={v 0,v 1,,,v n+6}
N i,k (u)为u 向l 次规范样条基.一般l =3;
N j ,l 为v 向l 次规范样条基.一般l =3;
取重复度为r =4;即
u 0=u 1=u 2=u 3,u m+3=u m+4=u m+5=u m+6;
用积累弦长参数法求(u 0,u m+3)内的节点值,
得切点矢量值,则可根据方程求得控制顶点
P (u i+3)=6i+3
j=1d j N j ,3(u i+3)=P i
对于自由曲面的模型重构,以往多在一些高档工作站上进行,如Applo,Sun,HP,SGI 和IBM 等.配备相应的CAD/CAM 软件,如I-DEAS 和UG 等,来建立CAD/CAM 应用系统.操作系统多为UNIX.随着计算机软硬件技术的飞速发展,近几年来,在微机环境下,也出现了一些基于三维的CAD/CAM 应用软件,如Cimatron 和CATIA 等.其操作系统可为NT4.0,Win95或Win98等.但在硬件上,一般要求配备高档的微机图形加速卡和控制器.来实现三维图形的快速旋转、消影、变换、明暗、纹理和大量计算.
113 对象分析和对象加工)))曲面的分析与数控加工
对象分析的首要目标是面分析.即求得曲面上曲率变化大的区域,并将这些区域记录存储在指针所指的数据库表中,供制定CMM 自动检测路径、编制NC 加工代码和安排加工工艺时调用.之后可将模型和设计表征用于产品的有限元分析[2]
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对象加工的主要任务是制定加工工艺和生成NC 加工代码.目前,市场上流行的应用软件有UG,I-DEAS,Cimatron 和CAT IA 等.都有内容丰富的CAM 模块,一旦安排好加工工艺,包括选择被加工零件的加工面,定义所选择的加工刀具的参数(包括刀具的类型、直径、刀尖r 和悬伸量等),确定刀具的走刀方式(等高线切削、等余量切削、抬刀和落刀顺序、进给方向、环切或行切等),规定加工余量和加工误差,CAM 模块则能自动的处理粗加工和精加工编程,经后处理可输出含国际标准加工G 代码和M 代码的NC 加工程序.显著地减少了编程工作量,这在复杂模具的数控加工编程中具有突出的技术优势.这与传统的手工编程相比,其效率为1:30.然而,在CMM 中,具体指NCP(数控自动编程)中,有些环节需特别注意.例如,有时因设置不当,被选用刀具在刀路的拐角处、型面的交接处、曲面的凹陷处(曲率半径很小)和狭窄的沟槽间等部位会因刀具切削不到,而残留下来形成未加工区域.为避免这种结果,可在人机交互制定加工工艺时,参考曲面分析结果表,通过调整相应的刀具角度,控制型面交接处的走刀速度等方法来解决;另外,按同一走刀参数进行加工时,零件的陡峭面的加工质量往往很差,表面残留高度远超过允许值.对于这种情况,可在制定加工工艺时,把走刀方式设为行切.另外,还可调整刀具角度使刀具垂直或近似垂直于被加工面,从而降低两丝杠在两个方向的插补误差.根据需要,还可定义两次走刀轨迹间的区域的切削允差峰值.2 结论综上所述,逆向工程技术是基于新的设计思想和方法,在计算机技术、数控测量技术和#45#第4期 张 宇等:逆向工程技术原理及其关键技术
CAD/CAM 技术发展基础上产生的一项新技术,在具有复杂型面的产品设计开发和制造方面,能大大地缩短设计开发周期,保证产品质量.逆向工程技术不仅仅是仿形设计和制造技术,而是在原型产品的基础上进行二次设计和加工,是更高层次的设计技术.这一技术使产品模型得到精确的表达和再现,为产品的进一步分析、优化和制造确立了统一的对象,在产品快速设计开发和复杂型面数控加工方面都具有重大的意义.
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学出版社,1994.4~16.
Principles Engineering and Kay Techniques of the Reverse
ZHANG Yu,FAN Yu,CH U Xue-fong
(CIM S R esearch Center Department of M echanical Eng ineering,Kunming U niversity of
Science and T echnology ,K unming 650093,China)
Abstract:Presents the application backgr ound,constitute,principle and application field of reverse engineering t echnique.In particular ,it ex plains in detail the methods of each step of reverse eng ineering technique in prod -ucts dev elo p,i.e.object digitization,object modeling ,object analysis and object manufactur ing and puts forw ard a realizable pattern o f r everse eng ineering technique w hich is based on CA D/CAM technique and DM IS criter ia.Key words:free-form featur e;reverse engineer ing ;CA D/CA M ;N U RBS;DM I S
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[5] 张根宝.我国制造业实施CIM S 应注意的问题.计算机辅助设计与制造.1997,(8):21~24.
The Discussion of Talent Project in CIMS
CHU Xue-feng
(CIM S R esearch Center Department of M echanical Eng ineering,Kunming U niversity of
Science and T echnology ,K unming 650093,China)
Abstract:T he establishment of CIM S talent g roup is r egarded as a project.It is ex plained for t he r ole of man in CIM S,the requirement o f CIM S for man and ho w to train CI M S talent is explained.Key words:CIM S;talent;project #46#昆 明 理 工 大 学 学 报 1999年