1 引言

　　逆向工程技術(shù)是指用一定的測量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實(shí)物的CAD模型的過程。采用逆向工程技術(shù)，不僅能夠得到實(shí)物的精確數(shù)字模型，而且還可以進(jìn)一步修改并生成新的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品工程圖，從而快速實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的消化吸收和創(chuàng)新。逆向工程技術(shù)的應(yīng)用，不但縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率，它已經(jīng)成為企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)的重要途徑之一。逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等諸多方面，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程，下面介紹應(yīng)用NX/WAVE進(jìn)行空調(diào)分體機(jī)的形狀反求，也稱逆向設(shè)計(jì)。

　　原先用于注塑生產(chǎn)的空調(diào)分體機(jī)的模具是從國外進(jìn)口的，在經(jīng)過長期的注塑生產(chǎn)后，模具已經(jīng)磨損，生產(chǎn)的塑件難以滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。如果重新進(jìn)口整套模具，則費(fèi)用昂貴，等待時(shí)間長，企業(yè)難以承受。基于當(dāng)前市場激烈競爭的多種因素考慮，決定對(duì)該空調(diào)分體機(jī)進(jìn)行反求設(shè)計(jì)，建立各零件的3D數(shù)字模型，并以此進(jìn)行模具的重新制造。

　　與單零件的反求設(shè)計(jì)相比較，空調(diào)分體機(jī)整機(jī)的逆向設(shè)計(jì)不僅要考慮各零件的形狀精度，而且還要考慮各零件間的裝配關(guān)系，數(shù)據(jù)測量、處理與設(shè)計(jì)過程要復(fù)雜得多。

　　2 空調(diào)分體機(jī)的數(shù)據(jù)測量

　　實(shí)物的數(shù)字化是逆向設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的第一步，是曲面重建和模型構(gòu)建的基礎(chǔ)。因此，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)空調(diào)分體機(jī)的表面數(shù)據(jù)采集，是其逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。

　　(1)測量設(shè)備

　　空調(diào)分體機(jī)的各零件為殼體注塑件，各零件表面曲面的面積不大，并且曲面形狀復(fù)雜度不高，多筋條和窗口結(jié)構(gòu)是構(gòu)成各零件的主要特征，見圖1所示。結(jié)合空調(diào)分體機(jī)的形狀特點(diǎn)，采用三坐標(biāo)測量儀(CMM)進(jìn)行測量，獲取的測量數(shù)據(jù)精度高，并且可根據(jù)零件形狀的特征靈活地確定數(shù)據(jù)采集的位置和數(shù)量，完全可滿足空調(diào)分體機(jī)的逆向設(shè)計(jì)要求。

　　圖1 空調(diào)分體機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

　　(2)測量對(duì)象

　　由于空調(diào)分體機(jī)各零件的模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，局部型腔空間范圍小，限制了測量探針的移動(dòng)，需要測量型腔和型芯才能獲取表達(dá)零件的完整數(shù)據(jù)，這難于確保兩次測量數(shù)據(jù)的基準(zhǔn)一致而引起誤差，并且使得后期數(shù)據(jù)處理工作量大且難度高。相反，直接測量空調(diào)分體機(jī)而獲取數(shù)據(jù)，由于測量探針的移動(dòng)、定位無限制，一次測量就可獲取各零件所需的完整數(shù)據(jù)，并且所有零件的測量數(shù)據(jù)都基于同一基準(zhǔn)，真實(shí)地反映了各零件的裝配關(guān)系。

　　(3)測量規(guī)劃

　　測量規(guī)劃的目的是精確而又高效地采集必要的特征數(shù)據(jù)。將空調(diào)分體機(jī)的各零件按實(shí)際裝配關(guān)系裝配在一起，在容易變形的位置使用硬物進(jìn)行緊固，以防止變形影響精度。測量前，針對(duì)各零件的外形與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，預(yù)先推測可能采用的建模方法、需要哪些數(shù)據(jù)，有目的地獲取零件外形和結(jié)構(gòu)的特征數(shù)據(jù)，使測量數(shù)據(jù)少、齊、準(zhǔn)。測量時(shí)，依據(jù)“從上到下、由外到內(nèi)”的順序，逐一測量空調(diào)分體機(jī)的整體外形、面罩、底座等零件，當(dāng)完成了一個(gè)零件的測量后，就拆卸該零件，再依次測量下一個(gè)零件，直至獲取所有零件的完整數(shù)據(jù)為止。

　　3 空調(diào)分體機(jī)的模型重構(gòu)

　　空調(diào)分體機(jī)包含多個(gè)零件，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，反求設(shè)計(jì)工作量大、時(shí)間緊，采取多人并行地進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵幾何數(shù)據(jù)共享和部件間關(guān)聯(lián)建模，減少重復(fù)的逆向設(shè)計(jì)工作，這是空調(diào)分體機(jī)模型重構(gòu)的核心。

　　(1)設(shè)計(jì)機(jī)制

　　并行地進(jìn)行空調(diào)分體機(jī)逆向設(shè)計(jì)，需要建立合理的設(shè)計(jì)機(jī)制，協(xié)調(diào)團(tuán)隊(duì)的設(shè)計(jì)行為和幾何數(shù)據(jù)傳遞。設(shè)計(jì)機(jī)制的主要內(nèi)容包括：設(shè)計(jì)任務(wù)的具體分工和權(quán)限分配;產(chǎn)品結(jié)構(gòu)裝配樹的建立、產(chǎn)品關(guān)鍵骨絡(luò)框架幾何體的創(chuàng)建及傳遞路線;各零件間的幾何數(shù)據(jù)關(guān)系;當(dāng)遇到設(shè)計(jì)問題時(shí)的處理原則，以及協(xié)調(diào)處理;逆向設(shè)計(jì)結(jié)果的驗(yàn)證與更改。

　　(2)數(shù)據(jù)處理

　　采集數(shù)據(jù)的精確度和完整度將很大程度地決定重構(gòu)模型的質(zhì)量。由于空調(diào)分體機(jī)存在孔、槽等形狀特征，使得探頭無法接觸測量而形成數(shù)據(jù)缺漏。此外，由于零件的尖銳邊緣或其它因素，測量數(shù)據(jù)中會(huì)出現(xiàn)壞點(diǎn)。這些壞點(diǎn)和數(shù)據(jù)缺漏嚴(yán)重影響了后續(xù)模型重構(gòu)的質(zhì)量，因此，在空調(diào)分體機(jī)模型重構(gòu)之前，需對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行必要的處理，主要包括剔除異常數(shù)據(jù)、補(bǔ)齊遺失點(diǎn)、數(shù)據(jù)對(duì)稱等工作，為后續(xù)由點(diǎn)數(shù)據(jù)擬合或逼近為外形特征曲線做準(zhǔn)備。

　　對(duì)于測量數(shù)據(jù)中存在的壞點(diǎn)現(xiàn)象，使用直觀檢查法和曲線檢查法進(jìn)行排除。對(duì)于測量數(shù)據(jù)中存在的缺漏現(xiàn)象，則采用曲線插值法和造型設(shè)計(jì)法進(jìn)行數(shù)據(jù)修補(bǔ)。無論是曲線插值法還是造型設(shè)計(jì)法，得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)都需要在生成曲面后，根據(jù)曲面的光順和邊界情況反復(fù)調(diào)整，以達(dá)到最佳效果。

　　(3)模型構(gòu)建

　　應(yīng)用WAVE技術(shù)對(duì)空調(diào)分體機(jī)進(jìn)行“自上而下”的逆向設(shè)計(jì)，首先在產(chǎn)品裝配的頂層，利用測量數(shù)據(jù)建立描述空調(diào)形狀的關(guān)鍵特征曲線，并利用各種建模功能，生成空調(diào)分體機(jī)的骨絡(luò)框架幾何體，包括基準(zhǔn)、草圖、曲面、實(shí)體等，如圖2所示。然后關(guān)聯(lián)復(fù)制與各零件相關(guān)的骨絡(luò)幾何體，并向下傳遞給產(chǎn)品裝配的零件層。最后，在零件層，以這些鏈接的骨絡(luò)幾何體作為各零件逆向設(shè)計(jì)的開始，并加以由測量數(shù)據(jù)建立描述零件結(jié)構(gòu)特征的曲線，進(jìn)行詳細(xì)的結(jié)構(gòu)建模。當(dāng)各零件完成逆向設(shè)計(jì)后，就自動(dòng)裝配在一起構(gòu)成空調(diào)分體機(jī)的整個(gè)產(chǎn)品(見圖1)。

　　圖2 空調(diào)分體機(jī)的骨絡(luò)幾何體

　　曲線是構(gòu)造曲面的基礎(chǔ)，而實(shí)體模型則基于曲面。空調(diào)分體機(jī)的外形和結(jié)構(gòu)沒有復(fù)雜的曲面，因此，利用掃描點(diǎn)數(shù)據(jù)逼近為參數(shù)化曲線如草圖特征曲線，如圖3所示，既可滿足精度要求，又可便于在設(shè)計(jì)中進(jìn)行驗(yàn)證修改。在整機(jī)外形的構(gòu)建時(shí)，先利用NX建模中的曲面造型功能，如掃描面、網(wǎng)格面等，以及通過延伸、過渡等曲面編輯功能，得到空調(diào)分體機(jī)的曲面片體，再用曲面片體對(duì)輪廓毛坯體進(jìn)行修剪和布爾運(yùn)算，就可得到空調(diào)分體機(jī)的實(shí)體模型。在各零件結(jié)構(gòu)的逆向設(shè)計(jì)中，先以鏈接的零件實(shí)體進(jìn)行殼體處理，然后利用NX建模中的拉伸、偏置、修剪和布爾運(yùn)算等功能，構(gòu)建各零件的細(xì)節(jié)結(jié)構(gòu)，針對(duì)零件結(jié)構(gòu)中的相似性特點(diǎn)如筋槽、加強(qiáng)筋等，充分應(yīng)用特征和形狀引用功能，以實(shí)現(xiàn)快捷建模。

　　圖3 由點(diǎn)逼近草圖曲線

　　(4)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

　　數(shù)據(jù)驗(yàn)證是逆向設(shè)計(jì)必不可少的環(huán)節(jié)。對(duì)于空調(diào)分體機(jī)的逆向設(shè)計(jì)，除了需要檢查重構(gòu)模型與實(shí)物原形的形狀精度之外，還需要重點(diǎn)檢查各零件間是否存在干涉、配合零件間的形狀和尺寸是否匹配、零件中的安裝定位尺寸是否滿足與金屬件或線路板之間的配合等。由于應(yīng)用了WAVE技術(shù)采取“自上而下”的設(shè)計(jì)，各零件的數(shù)據(jù)相互關(guān)聯(lián)，因此，當(dāng)發(fā)現(xiàn)存在問題時(shí)，對(duì)父級(jí)幾何體進(jìn)行修改后，系統(tǒng)會(huì)驅(qū)動(dòng)下游各部件模型的自動(dòng)更新。

　　4 結(jié)束語

　　本文以應(yīng)用NX/WAVE技術(shù)完成空調(diào)分體機(jī)的逆向設(shè)計(jì)為例，從實(shí)踐角度說明，隨著逆向工程技術(shù)的深入研究和應(yīng)用，以及高質(zhì)量、高精度的加工設(shè)備的投入使用，利用實(shí)物原型反求得到產(chǎn)品數(shù)字化模型并應(yīng)用于模具制造，既滿足產(chǎn)品要求，又節(jié)約成本，使企業(yè)擺脫了過去高端模具依賴進(jìn)口的局面，大大提高了模具企業(yè)的市場競爭力。