Introducción
La ingeniería inversa, también conocida como ingeniería inversa o ingeniería inversa, es un proyecto de ingeniería para construir productos o piezas basadas en prototipos existentes de productos o piezas Diseñar modelos, y analizar, comprender y mejorar productos existentes en base a esto, son rediseños de diseños existentes.
En términos generales, la ingeniería inversa se puede dividir en las siguientes tres categorías:
(1) Ingeniería inversa de objetos: bajo las condiciones de los productos existentes, mediante mapeo, división, etc. Reinvención ; incluyendo inversión funcional, inversión de rendimiento, esquema, estructura, inversión de materiales, etc. El objeto de la ingeniería física inversa puede ser la máquina completa o sus partes.
(2) Inversa: muestras de productos, documentos técnicos, documentos de diseño, instrucciones de funcionamiento, dibujos, especificaciones y estándares relevantes, especificaciones de gobernanza, manuales de control de calidad, etc., se denominan tecnología. Hay tres tipos de reversa: tanto objetos físicos como conjuntos completos de tecnologías; solo objetos físicos pero no tecnología, sino solo conjuntos completos o tecnologías parciales;
(3) Inversión de imagen: El diseñador no tiene ni el producto físico ni la tecnología, sólo fotografías, anuncios o impresiones tras visitar el producto. Los diseñadores deben utilizar estos materiales de imagen para concebir y diseñar productos. Esta inversión se llama inversión de imagen.
En la actualidad, la investigación sobre ingeniería inversa en el país y en el extranjero se centra principalmente en la inversión de formas geométricas, es decir, la reconstrucción del CAD del producto, lo que se denomina "ingeniería inversa física". y la ingeniería avanzada se muestran en la Figura L a continuación:
2 Tecnología de medición de datos de ingeniería inversa
La medición de datos consiste en obtener los datos de coordenadas geométricas de puntos discretos en la superficie del producto a través de equipos de medición específicos. y métodos de medición, y digitalizar 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 coordinadas de todos los puntos de medición en el producto bajo prueba. A partir de los valores de las coordenadas espaciales de estos puntos, se ajustan elementos de medición como círculos, esferas, cilindros, conos y superficies curvas mediante procesamiento de datos por computadora, y datos geométricos como la tolerancia de forma y posición se obtienen mediante cálculos matemáticos. Obtener de manera eficiente y precisa información digital sobre los productos es la base y la 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 datos activados utilizando principios de disparo basados en la fuerza Adquisición y escaneo continuo de datos adquisición, método de campo magnético y método ultrasónico. La recopilación de datos de contacto suele utilizar una máquina de medición de coordenadas. Al medir, puede seleccionar la sonda y su dirección de acuerdo con las características del objeto y los requisitos de medición, determinar el número y la distribución de los puntos de medición, luego determinar la ruta de medición y, a veces, verificar si hay colisiones. Los métodos de adquisición de datos activados utilizan sondas de activación, también conocidas como sondas de conmutación. Cuando la sonda de la sonda entra en contacto con la superficie del producto, la deformación de la sonda activa el interruptor de muestreo. El sistema de adquisición de datos registra el valor de coordenadas actual de la sonda. Al mover la sonda punto por punto, se obtienen los datos de coordenadas del perfil de la superficie del producto. se puede obtener. 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 cerámicas piezoeléctricas. Las ventajas de utilizar una sonda de disparo son: es adecuada para medir la superficie de piezas de trabajo con forma de caja espacial y productos conocidos; la sonda de disparo es muy versátil y adecuada para medición dimensional y aplicaciones en línea; El tamaño pequeño facilita su aplicación en espacios estrechos, ya 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, es imposible medir algunos detalles de las piezas que se están probando y algunas piezas frágiles y deformables. Además, la sonda de medición de contacto está en contacto con la superficie de la pieza, la velocidad de medición es lenta, la sonda necesita ser compensada 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, incluido el método de triangulación láser, el método de alcance láser, el método de luz estructurada y el método de análisis de imágenes.
La recopilación de datos sin contacto es rápida y precisa, eliminando los errores de medición causados por la medición de la fricción y la presión de contacto, y evitando problemas de puntos falsos causados por la interferencia entre la sonda de contacto y la curvatura de la superficie medida. La densa nube de puntos resultante 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 lo medido. superficie 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 tasa de muestreo de las sondas sin contacto es relativamente alta, oscilando entre 50 veces/segundo y 23.000 veces/segundo.
Es adecuado para medir superficies curvas desconocidas con formas superficiales complejas y requisitos de baja precisión, 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.). ). En la actualidad, su error de medida es mayor que el de la sonda de contacto en la mayoría de los casos, manteniéndose por encima de 65438±00 micras. Este método se utiliza principalmente para medir piezas que se deforman fácilmente, piezas con bajos requisitos de precisión y piezas que requieren datos masivos, independientemente de los costos de medición y el software y hardware relacionados.
En resumen, cuando se pueda aplicar la medición por contacto, no utilice la medición sin contacto cuando solo mida elementos de tamaño y posición, la medición por contacto debe usarse tanto como sea posible considerando el costo de la medición y cumpliendo con los requisitos. requisitos, intente utilizar la medición de contacto; cuando existen requisitos para el contorno del producto y la precisión dimensional, se utiliza la medición de escaneo sin contacto es el tipo de escaneo cuando se miden productos que se deforman fácilmente y requieren baja precisión y piezas que requieren una; gran cantidad de datos de medición, se utiliza la medición sin contacto como método 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; Los diferentes sistemas de medición son inconsistentes 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, ensamblaje de nubes de múltiples vistas, filtrado de nubes de puntos, reducción de datos y segmentación de nubes de puntos.
Cada sistema CAD/CAM tiene su propio formato de datos. Las estructuras y formatos de datos de los productos CAD/CAM actualmente populares varían, lo que no solo afecta la transmisión de datos y la conexión del programa entre diseño y fabricación, sino que también afecta directamente la comunicación de datos entre CMM y los sistemas CAD/CAM. El método comúnmente utilizado actualmente es utilizar varios estándares importantes de intercambio de datos (IGES, STEP, DXF de AutoCAD, etc.) para lograr la comunicación de datos.
En el proceso de ingeniería inversa real, 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 a la vez. tiempo. La digitalización de productos no se puede completar en el mismo sistema de coordenadas, pero los datos en estos diferentes sistemas de coordenadas deben colocarse en el mismo sistema de coordenadas al reconstruir el modelo. Este proceso de procesamiento de datos es el posicionamiento y alineación de datos de múltiples vistas (ensamblaje de nube de múltiples vistas). La alineación de datos de múltiples vistas se divide principalmente en dos tipos: alineación directa de datos de medición a través de dispositivos de medición especiales y posterior calibración de procesamiento de datos. La alineación con datos de posprocesamiento se puede dividir en alineación directa de datos y alineación basada en gráficos. En la investigación de la alineación directa de datos, existen muchos algoritmos, como el algoritmo ICP; el método de descomposición de valores singulares basado en tres puntos de referencia, etc.
El propósito del suavizado de datos es eliminar el ruido en los datos de medición, obteniendo así datos precisos y buenos efectos de extracción de características. Actualmente, se utilizan comúnmente algoritmos de filtrado estándar gaussiano, uniforme o mediano. Entre ellos, el filtrado gaussiano puede mantener bien 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 elegirse de manera flexible en función de la calidad de los datos y el enfoque de modelado.
En el proceso de uso de datos de nubes de puntos para modelado y procesamiento, 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 insuperable. De hecho, no todos los puntos de datos contribuyen a la reconstrucción del modelo, por lo que, al tiempo que se garantiza cierta precisión, se puede reducir la cantidad de datos y simplificar los datos de la nube de puntos. Los métodos utilizados actualmente incluyen: uso de cuadrículas uniformes para la reducción de datos; reducción de puntos de datos mediante la reducción de múltiples triángulos deformados; uso de bandas de error para reducir puntos de datos poliédricos;
La segmentación de datos consiste en agrupar datos que pertenecen al mismo tipo de superficie en diferentes dominios de datos según los tipos de subsuperficie que componen la superficie física, 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 la aproximación cuadrática de parámetros; método de segmentación automática de puntos de datos dispersos: método de segmentación de datos 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 vínculo más crítico y complejo. Porque sólo obteniendo el modelo CAD del producto se puede realizar el posterior procesamiento y fabricación del producto, creación rápida de prototipos, fabricación por simulación virtual y rediseño del producto. Antes de la reconstrucción del modelo, los diseñadores no solo necesitan comprender información preliminar, como las características geométricas y las características de los datos del producto, sino que también deben comprender temas de aplicaciones posteriores, como análisis estructural, procesamiento de moldes y creación rápida de prototipos. Los métodos de modelado utilizados actualmente incluyen:
(1) Modelado de ajuste de curvas: utilice una función polinómica para aproximar los datos originales y finalmente obtener una superficie suficientemente suave. Las curvas son la base de las superficies. El método común de reconstrucción de modelos en ingeniería inversa es primero ajustar los puntos de datos en curvas spline mediante interpolación o aproximación, y luego completar el modelado de reconstrucción del parche de superficie mediante el modelado. 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, también puede conducir fácilmente a cálculos inestables y capacidades de procesamiento de límites deficientes, por lo que generalmente se usa. para adaptarse a superficies relativamente simples.
(2) Modelado de ajuste directo de parches de superficie Este método realiza directamente el ajuste de parches de superficie en los puntos de datos medidos y obtiene el modelo de superficie final formado por la transición, mezcla y conexión de los parches de superficie. El modelado de ajuste de superficies puede manejar puntos de datos tanto ordenados como dispersos. Los algoritmos incluyen: interpolación de superficie b-spline basada en puntos ordenados; interpolación de superficie b-spline de puntos de medición arbitrarios;
(3) Los modelos de entidades de red cuadriculadas de datos de puntos generalmente conectan puntos de datos en parches triangulares para formar un modelo de entidad poliédrica. En la actualidad, se han formado dos métodos de simplificación: basado en puntos de datos dados, basándose en garantizar la forma geométrica inicial, excluyendo repetidamente nodos y parches para construir nuevos triángulos y finalmente alcanzando el número especificado de nodos utilizando los nodos más pequeños y; parches Encuentra el poliedro más pequeño.
5 Exposiciones
La investigación en ingeniería inversa ha atraído cada vez más atención, en aspectos como el procesamiento de datos, el ajuste de superficies, el reconocimiento de características geométricas, las especialidades comerciales y el desarrollo de máquinas de medición por coordenadas. Todos han logrado un gran éxito. 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 y es difícil garantizar la suavidad de la superficie reconstruida automáticamente. Las siguientes tecnologías clave serán la principal dirección de desarrollo de la ingeniería inversa:
(1) Medición de datos: desarrollar equipos de medición especiales para ingeniería inversa, que puedan realizar la digitalización tridimensional de la geometría del producto a alta velocidad y alta precisión y puede medir y planificar rutas automáticamente;
(2) Procesamiento de datos de alto nivel: desarrollar métodos generales de procesamiento de datos para diferentes tipos de datos de medición y mejorar los algoritmos de procesamiento de datos existentes;
(3) Integración de simulación de superficies: puede controlar la suavidad de las superficies curvas y realizar empalmes suaves;
(4) Tecnología integrada: desarrollar ingeniería inversa que incluya tecnología de medición, tecnología de reconstrucción de modelos, diseño colaborativo basado en red y tecnología de tecnología de fabricación digital.