引言 為了適應(yīng)市場(chǎng)的需求，更多的是為了適應(yīng)不斷發(fā)展的先進(jìn)制造技術(shù)，需要將實(shí)CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)( RF)、計(jì)算機(jī)輔助制造(CAM)系統(tǒng)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。由于這樣的需求，便需要一個(gè)解決方案:樣品—數(shù)據(jù)—產(chǎn)品。逆向工程便由此誕生了，逆向工程也稱為反求工程(Reverse Engineering,簡(jiǎn)稱RE)。逆向工程為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程具體流程如圖1所示。
實(shí)體逆向工程的需求主要有兩方面:一方面，作為研究對(duì)象，產(chǎn)品實(shí)物是面向消費(fèi)市場(chǎng)最廣、最多的一類設(shè)計(jì)成果.也是最容易獲得的研究對(duì)象;另一方面，在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和制造過(guò)程中，雖已廣泛使用了計(jì)算機(jī)幾何造型技術(shù)，但是仍有許多產(chǎn)品，由于種種原因，最初并不是由計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)模型描述的，設(shè)計(jì)和制造者面對(duì)的是實(shí)物樣件。
在逆向工程中，三維CAD模型的重建是指利用產(chǎn)品表面的散亂點(diǎn)數(shù)據(jù)，通過(guò)插值或者擬合，構(gòu)建一個(gè)近似模型來(lái)逼近產(chǎn)品原型。三維CAD模型的重構(gòu)是整個(gè)逆向工程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，是后續(xù)產(chǎn)品加工制造、快速成形、工程分析和產(chǎn)品再設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。而伴隨著逆向工程及其CAD重建相關(guān)技術(shù)理論研究的深人進(jìn)行，其成果的商業(yè)應(yīng)用也日益受到重視，涌現(xiàn)出了大量的商業(yè)化逆向工程CAD建模軟件系統(tǒng)。
1 CAD建模技術(shù)及軟件系統(tǒng)
產(chǎn)品的三維CAD建模是指從一個(gè)已有的物理模型或?qū)嵨锪慵a(chǎn)生出相應(yīng)的CAD模型的過(guò)程，包含物體離散測(cè)點(diǎn)的網(wǎng)格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整個(gè)RE過(guò)程中最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一環(huán)，也為后續(xù)的工程分析、創(chuàng)新設(shè)計(jì)和加工制造等應(yīng)用提供數(shù)學(xué)模型支持。其內(nèi)容涉及計(jì)算機(jī)、圖像處理、圖形學(xué)、計(jì)算幾何、測(cè)量和數(shù)控加工等眾多交叉學(xué)科和工程領(lǐng)域，是國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界，尤其是CAD/CAM領(lǐng)域廣泛關(guān)注的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問(wèn)題。
在實(shí)際的產(chǎn)品中，只由一張曲面構(gòu)成的情況不多，產(chǎn)品形面往往由多張曲面混合而成。由于組成曲面類型的不同，因此，CAD模型重建的一般步驟為:先根據(jù)幾何特征對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行分割，然后分別對(duì)各個(gè)曲面片進(jìn)行擬合，再通過(guò)曲面的過(guò)渡、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個(gè)曲面“縫合”成一個(gè)整體，即重建的CAD模型。
根據(jù)曲面拓?fù)湫问降牟煌?，自由曲面建模手段分為兩大?span>:第一種是以三角Bezier曲面為基礎(chǔ)的曲面構(gòu)造方法;第二種是以NURBS(非均勻有理B樣條)曲線、曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合方法。這兩種曲面重構(gòu)方案，各有利弊。
三角域Bezier曲面擬合具有構(gòu)造靈活、邊界適應(yīng)性好等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)復(fù)雜形狀曲面的擬合具有很大的靈活性，因而在散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的曲面擬合中被廣泛應(yīng)用。這種方法最適合表現(xiàn)無(wú)規(guī)則、復(fù)雜型面的物體，特別是人臉這類對(duì)象。但這種方法所構(gòu)造的曲面模型不符合產(chǎn)品描述標(biāo)準(zhǔn)，與通用CAD/CAM系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換困難，因此，利用這種方法生成的曲面必須轉(zhuǎn)換為NURBS曲面。但是，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中，不可避免地會(huì)丟失一些信息.產(chǎn)生一定的誤差;同時(shí)，這種方法還存在對(duì)曲面修改能力不足、可控性差等缺點(diǎn)，這些都限制了它在實(shí)踐中的應(yīng)用。
NURBS方法建立在B樣條方法之上，較好地實(shí)現(xiàn)了解析幾何與自由曲線曲面的統(tǒng)一，成為當(dāng)今CAD/CAM軟件中曲面數(shù)學(xué)表達(dá)的主流。這類曲面可以應(yīng)用四邊參數(shù)曲面片插值、拉伸、旋轉(zhuǎn)、放樣( Lofting )或蒙皮(Skinning )、掃掠( Sweeping )、混合(Blend)和<
