Estado de la investigación y tendencias de desarrollo de la tecnología de ingeniería inversa
Introducción
La ingeniería inversa, también llamada ingeniería inversa o ingeniería inversa, se basa en productos existentes o prototipos de piezas. construir modelos de diseño de ingeniería de productos o piezas, y con base en esto, analizar, comprender y mejorar los productos existentes, lo cual es un rediseño de diseños existentes.
En términos generales, la ingeniería inversa se puede dividir en las siguientes tres categorías:
(1) Ingeniería inversa física: se basa en el producto físico existente, mediante topografía, mapeo y análisis. , por lo tanto Recreación; incluida la reversión funcional, la reversión del desempeño, el esquema, la estructura, el material y otros aspectos de la reversión. Los objetos de la ingeniería física inversa pueden ser máquinas, piezas y componentes completos.
(2) Ingeniería inversa de software: las muestras de productos, los documentos técnicos, los libros de diseño, las instrucciones de uso, los dibujos, las especificaciones y estándares relevantes, las especificaciones de gobierno y los manuales de control de calidad se denominan software técnico. Hay tres tipos de ingeniería inversa de software: objetos físicos y un conjunto completo de software técnico; solo objetos físicos, pero no software técnico, ningún objeto físico, sino solo un conjunto completo o parte del software técnico.
(3) Ingeniería inversa de imágenes: el diseñador no tiene el producto físico ni el software técnico, solo imágenes del producto, introducciones publicitarias o impresiones después de la visita, etc. El diseñador necesita utilizar estos datos de imagen. Para concebir y diseñar productos, este tipo de reverso se denomina reverso de imagen.
En la actualidad, la investigación sobre ingeniería inversa en el país y en el extranjero se centra principalmente en la reversión de formas geométricas, es decir, la reconstrucción CAD del producto físico, lo que se denomina "ingeniería física inversa". La ingeniería inversa y la ingeniería directa se muestran en la Figura l a continuación:
2 Tecnología de medición de datos de ingeniería inversa
La medición de datos consiste en obtener la geometría de puntos discretos en la superficie del producto a través de equipos de medición específicos. y los métodos de medición. Los datos de coordenadas digitalizan la forma geométrica del producto. El principio de medición es: al colocar el producto bajo prueba en el espacio de medición de la máquina de medición de coordenadas tridimensional, se pueden obtener las posiciones de las coordenadas de cada punto de medición en el producto bajo prueba de acuerdo con los valores de las coordenadas espaciales de. estos puntos, mediante el procesamiento de datos por computadora, se forma el accesorio para formar los elementos de medición, como círculos, esferas, cilindros, conos, superficies curvas, etc., pueden obtener su forma, tolerancia de posición y otros datos de cantidades geométricas a través de cálculos matemáticos. Obtener información digital de los productos de manera eficiente y precisa es la base y clave de la ingeniería inversa.
Los métodos de recopilación de datos existentes se dividen principalmente en dos categorías:
(1) Métodos de recopilación de datos de contacto Los métodos de recopilación de datos de contacto incluyen métodos de activación que utilizan principios de disparo basados en la fuerza Adquisición de datos y escaneo continuo adquisición de datos, método de campo magnético, método ultrasónico. La recopilación de datos de contacto generalmente utiliza una máquina de medición de coordenadas tridimensionales. Durante la medición, la sonda y su dirección se pueden seleccionar de acuerdo con las características del objeto físico y los requisitos de medición, se determina el número de puntos de medición y su distribución, y luego. Se determina la ruta de medición. A veces también se realiza una inspección de colisión. El método de adquisición de datos del disparador utiliza una sonda de disparo, que también se llama sonda de interruptor. Cuando la sonda de la sonda entra en contacto con la superficie del producto, el interruptor de muestreo se activa debido a la deformación de la sonda y al estado actual de la misma. La sonda se registra a través del sistema de adquisición de datos y el valor de las coordenadas, mueva la sonda punto por punto para obtener los datos de las coordenadas del perfil de la superficie del producto. Las sondas de activación por contacto de uso común incluyen principalmente: sondas de activación mecánicas, sondas de activación con galgas extensométricas y sondas de activación de cerámica piezoeléctrica. Las ventajas de utilizar una sonda de disparo son: es adecuada para medir piezas de trabajo de cajas espaciales y superficies de productos conocidas. La sonda de disparo tiene una gran versatilidad y es adecuada para medición dimensional y aplicaciones en línea; es pequeña y fácil de instalar en un espacio pequeño; Dado que la máquina de medición se encuentra en una línea recta uniforme y a baja velocidad al medir puntos de datos, el rendimiento dinámico de la máquina de medición tiene poco impacto en la precisión de la medición. Sin embargo, debido a las limitaciones de la sonda, algunos detalles de las piezas que se miden no se pueden medir y algunas piezas frágiles y que se deforman fácilmente no se pueden medir. Además, la sonda de medición de contacto está en contacto con la superficie de la pieza, por lo que la velocidad de medición es lenta. La sonda debe compensarse después de la medición. La cantidad de datos es pequeña y no puede reflejar verdaderamente la forma de la entidad.
(2) Método de recopilación de datos sin contacto El método de recopilación de datos sin contacto utiliza principalmente principios ópticos para recopilar datos, que incluyen principalmente: método de triángulo láser, método de alcance láser, método de luz estructurada y método de análisis de imágenes en espera.
La recopilación de datos sin contacto es rápida y altamente precisa, eliminando los errores de medición causados por la medición de la fricción y la presión de contacto, y evitando el problema de los artefactos causados por la interferencia de curvatura entre la sonda de contacto y la superficie medida. La nube de puntos densa obtenida tiene una gran cantidad de información y alta precisión. El punto de luz generado por la sonda también puede hacerse muy pequeño. Puede detectar piezas que son difíciles de medir con sondas mecánicas generales y reflejar la forma real de la superficie medida. al máximo. El método de recopilación de datos sin contacto utiliza una sonda sin contacto, que es adecuada para medir objetos blandos porque no hay fuerza. La sonda sin contacto tiene una velocidad de muestreo más alta, entre 50 veces/segundo y 23.000 veces/segundo; es adecuado para la medición de contornos de superficies de superficies curvas desconocidas que son complejas y no requieren una precisión particularmente alta, como moldes de madera y moldes de arcilla para automóviles y electrodomésticos. Sin embargo, las sondas sin contacto se ven muy afectadas por las características de la superficie del objeto (color, luminosidad, rugosidad, forma, etc.). Actualmente, en la mayoría de los casos, sus errores de medición son mayores que los de las sondas de contacto, manteniéndose por encima de las 10 micras. . Este método se utiliza principalmente para medir piezas fácilmente deformables, piezas con bajos requisitos de precisión, piezas que requieren datos masivos y sin considerar el costo de medición y el software y hardware relacionados.
En resumen, no utilice la medición sin contacto cuando se pueda utilizar la medición con contacto; intente utilizar la medición con contacto cuando solo mida los factores de tamaño y posición, considere el costo de la medición y cumpla con los requisitos. En determinadas circunstancias, intente; utilizar medición por contacto, si el contorno y la precisión dimensional del producto son altos, utilice medición de escaneo sin contacto para medir el punto de cálculo para productos que son fáciles de deformar y tienen requisitos de precisión bajos; Los métodos de medición por contacto se utilizan al medir piezas que requieren una gran cantidad de datos de medición.
3 Tecnología de procesamiento de datos de ingeniería inversa
El procesamiento de datos es un vínculo técnico importante en la ingeniería inversa, que determina si el proceso posterior de reconstrucción del modelo CAD se puede llevar a cabo de manera conveniente y correcta. Según el número de puntos de medición, los datos de medición se pueden dividir en puntos de datos generales y puntos de datos masivos; según la regularidad de los datos de medición, los datos de medición se pueden dividir en puntos de datos dispersos y puntos de datos regulares obtenidos por diferentes; sistemas de medición El formato es inconsistente y casi todos los métodos y sistemas de medición inevitablemente contienen errores. Por lo tanto, los datos de medición deben procesarse antes de usarlos para la reconstrucción CAD. El trabajo de procesamiento de datos incluye principalmente: conversión de formato de datos, unión de nubes de puntos de múltiples vistas, filtrado de nubes de puntos, reducción de datos y segmentación de nubes de puntos, etc.
Cada sistema CAD/CAM tiene su propio formato de datos. Las estructuras de datos del producto y los formatos del software CAD/CAM actualmente popular son diferentes, lo que no solo afecta la transmisión de datos y los procedimientos entre el diseño y la conexión de fabricación, sino también. Afecta directamente la comunicación de datos entre CMM y el sistema CAD/CAM. El método popular actual es utilizar varios estándares importantes de intercambio de datos (IGES, STEP, DXF de AutoCAD, etc.) para lograr la comunicación de datos.
En el proceso real de ingeniería inversa, dado que la medición de coordenadas tiene su propio rango de medición, no importa qué método de medición utilicemos, es difícil medir completamente los datos geométricos del producto en el mismo sistema de coordenadas en una vez. La digitalización de productos no se puede completar en el mismo sistema de coordenadas y, durante la reconstrucción del modelo, los datos en estas diferentes coordenadas deben unificarse en un sistema de coordenadas. Este proceso de procesamiento de datos es el posicionamiento y alineación de datos de múltiples vistas (nube de puntos de múltiples vistas). costura). La alineación de datos de múltiples vistas se puede dividir principalmente en dos tipos: alineación directa de datos de medición a través de un dispositivo de software de medición dedicado y alineación de procesamiento posterior de datos; La alineación que utiliza datos de posprocesamiento se puede dividir en: alineación directa de datos y alineación basada en gráficos. En la investigación sobre alineación directa de datos, han surgido una variedad de algoritmos, como el método de cuaterniones; el método de alineación basado en tres puntos de referencia, etc.
El propósito del suavizado de datos es eliminar el ruido de los datos de medición para obtener datos precisos y buenos resultados de extracción de características. Actualmente, se utilizan comúnmente algoritmos de filtrado estándar gaussiano, uniforme o mediano. Entre ellos, el filtrado gaussiano puede mantener mejor la forma de los datos originales y el filtrado mediano tiene un mejor efecto para eliminar las rebabas de datos. Por lo tanto, el algoritmo de filtrado debe seleccionarse de manera flexible en función de la calidad de los datos y el método de modelado al seleccionarlo.
En el proceso de utilizar datos de nubes de puntos para el procesamiento de modelos, debido a la existencia de puntos de datos masivos, el almacenamiento y procesamiento de estos datos de nubes de puntos se ha convertido en un cuello de botella inquebrantable. De hecho, no todos los puntos de datos contribuyen a la reconstrucción del modelo, por lo que se puede reducir la cantidad de datos y optimizar los datos de la nube de puntos garantizando al mismo tiempo una cierta precisión. ·Los métodos utilizados actualmente incluyen: el método de usar cuadrículas uniformes para reducir datos; el método de reducir triángulos de deformación múltiple para reducir puntos de datos; el método de usar bandas de error para reducir puntos de datos poliédricos;
La segmentación de datos se basa en los tipos de subsuperficies que componen la superficie de forma física, agrupando datos pertenecientes a un mismo tipo de superficie y dividiéndolos en diferentes dominios de datos para facilitar la posterior reconstrucción del modelo. Los métodos de segmentación de datos se pueden dividir en dos métodos: segmentación basada en mediciones y segmentación automática. Los métodos de segmentación actuales incluyen: método de segmentación de datos basado en aproximación de superficie cuadrática paramétrica; método de segmentación automática de puntos de datos dispersos, método de segmentación basado en tecnología CT.
4 Tecnología de reconstrucción de modelo inverso
En toda la ingeniería inversa, la reconstrucción CAD del modelo geométrico tridimensional del producto es el eslabón más crítico y complejo. Sólo obteniendo el modelo CAD del producto podremos realizar el posterior procesamiento y fabricación del producto, fabricación rápida de prototipos, fabricación por simulación virtual y rediseño del producto. Antes de reconstruir el modelo, los diseñadores no solo necesitan comprender información preliminar, como las características geométricas del producto y las características de los datos, sino que también deben comprender cuestiones de aplicación posteriores, como análisis estructural, procesamiento y fabricación de moldes y creación rápida de prototipos. Los métodos de modelado utilizados actualmente incluyen principalmente:
(1) Modelado de ajuste de curvas: utilice una función polinómica para aproximar los datos originales mediante interpolación y finalmente obtener una superficie suficientemente suave. Las curvas son la base de las superficies. El método de reconstrucción de modelos comúnmente utilizado en ingeniería inversa es primero ajustar los puntos de datos en curvas spline mediante interpolación o aproximación, y luego usar software de modelado para completar la reconstrucción del parche de superficie. La ventaja es que el principio es relativamente simple. Siempre que el grado del polinomio sea lo suficientemente alto, se puede obtener una superficie satisfactoria. Sin embargo, es fácil causar inestabilidad en el cálculo. relativamente pobre y generalmente se utiliza para adaptarse a superficies relativamente simples.
(2) Modelado de ajuste directo del parche de superficie Este método realiza directamente el ajuste del parche de superficie en los puntos de datos medidos y obtiene el parche de superficie mediante transición, mezcla y conexión para formar el modelo de superficie final. El modelado de ajuste de superficies puede manejar tanto puntos ordenados como puntos de datos dispersos. Los algoritmos incluyen: interpolación de superficies B-spline basada en puntos ordenados; interpolación de superficies B-spline a cualquier punto de medición.
(3) El modelo sólido en red de cuadrícula de datos de puntos generalmente conecta puntos de datos en parches triangulares para formar un modelo sólido poliédrico. En la actualidad, se han formado dos métodos de simplificación: basado en puntos de datos dados y basado en garantizar la forma geométrica inicial, eliminando repetidamente nodos y parches para construir nuevos triángulos y finalmente alcanzando el número especificado de nodos buscando los nodos más pequeños; y parches Poliedro mínimo.
5 Outlook
La investigación en ingeniería inversa se ha vuelto cada vez más atractiva, en la investigación y el desarrollo de procesamiento de datos, ajuste de parches de superficie, reconocimiento de características geométricas, software profesional comercial y máquinas de medición de coordenadas. Grandes logros han sido hechos. Sin embargo, en aplicaciones prácticas, todo el proceso todavía requiere mucha interacción persona-computadora. La experiencia y la calidad del operador afectan directamente la calidad del producto. La suavidad de la superficie reconstruida automáticamente es difícil de garantizar. será el principal desarrollo de la ingeniería inversa. Aspectos:
(1) Medición de datos: desarrollar equipos de medición especiales para ingeniería inversa, que puedan realizar la digitalización tridimensional de formas geométricas del producto a alta velocidad y alta precisión. y puede medir y planificar rutas automáticamente;
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(2) Procesamiento de datos: desarrollar y estudiar un software de procesamiento de datos general para diferentes tipos de datos de medición y mejorar el algoritmo de procesamiento de datos actual;
(3) Ajuste de superficies: capacidad de controlar la suavidad de las superficies y permitir un empalme suave;
(4) Tecnología de integración: desarrollo de ingeniería inversa que incluye tecnología de medición, tecnología de reconstrucción de modelos, red Diseño colaborativo basado en tecnología de fabricación digital, etc. Tecnología de ingeniería