1 引言
逆向工程(RE:reverse engineering)與快速原型(RP:rapid prototyping)集成技術是產品創新設計和快速開發的重要手段。快速原型是由產品的三維CAD模型數據直接驅動，組裝（堆積）材料單元而完成任意復雜具有使用功能的零。在快速制造過程中，通常需要通過逆向工程技術獲得產品的參數化CAD模型，或直接將產品測量數據轉化為STL模型，用于制造。這兩種方法各有優點，同時也各有其局限性，因此如何快速獲得符合要求的產品CAD數據對RE/RP的集成具有重要的意義。TRIZ是發明問題解決原理的俄文縮寫，具有普遍性、實用性和可操作性強的特點。針對快速制造過程中對于CAD模型構造存在的問題，利用TRIZ工具，對其中存在的矛盾和沖突進行分析研究，獲得了可行的解決方案。
2 TRIZ理論技術矛盾解決方法
2.1 TRIZ理論
TRIZ理論是前蘇聯的海軍專利員Altshuller及其領導的一批研究人員，自1946年開始，對世界各國250萬件專利文獻加以整理、歸納、提煉和重組，提出了一整套實用的發明問題解決方法體系。其目的是研究人類進行發明創造、解決技術難題過程中所遵循的科學原理和法則。TRIZ主要內容包括：技術系統進化法則、40個發明創造原理、39項技術特性、矛盾矩陣、物質一場分析、76個發明問題標準解決方法、發明問題解決算法(ARIZ)以及工程效應知識庫等。利用該理論可使創新成為具有預見性的過程，可提高創新的成功率縮短解決問題的周期。
2.2 通用工程參數和矛盾矩陣
TRIZ解決發明問題的基本思路是：先將實際工作中遇到的具體問題轉化為標準問題，然后利用所選定的TRIZ工具或工具組合尋找到標準問題的通用解決方案，最后將該方案應用到實際問題中，即獲得具體的解決方案。如圖1所示。
圖1 TRIZ解決技術矛盾的模式
Altshuller通過對大量專利文獻的研究和分析，總結出工程領域內常用的39個通用工程參數，專門用于描述技術系統所發生問題的參數屬性，以實現具體問題的一般化表達。這樣做可以把實際應用中的矛盾問題，轉化為標準的技術矛盾，即用39個通用工程參數表示的技術矛盾。
為了提高解決技術矛盾的效率，Altshuller創建了矛盾矩陣表，如表l所示。將工程參數的矛盾與40項原理建立了對應關系，整理成一個(40×40)的矩陣。
表1 矛盾矩陣表（局部）
TRIZ作為一般化方法，為了應用的普遍性，其問題解決方法的規則就應當盡量一般化；但問題解決規則的一般化，得到的解也具有一般化的特點。TRIZ解僅僅是為設計者提供了解決問題的可能方向，最后還是要設計人員通過類比思維及自身的領域知識和設計經驗確定領域解。
3 TRIZ在RE/RP集成中的應用
3.1 問題分析
在當前設計開發中，RE與RP集成的開發流程主要有三種。其結合方式和數據類型在此過程中的變化，如圖2所示。
(1)REIRP傳統集成模式：如圖2中標號①所示，首先對產品表面測量數據進行特征識別，提取出模型的點、線、面等特征，擬合邊界曲線，構建出產品的CAD模型，然后將CAD模型轉換為快速成型設備可接受的STL模型，再對STL模型進行切層處理，生成數控代碼，進行快速原型制造。在這個集成模式中，需要重構出產品的參數化CAD模型，這雖然方便于產品設計的修改以及對特征信息的保留，但這個過程非常復雜，往往需要耗費大量的時間。
(2)將點云數據直接轉化為STL模型：如圖2中標號②所示，將點云轉化而來的STL模型，直接用于快速原型制造。這種方法，可以節省大量的時間，但測量的數據點必須足夠多，以避免產品外形失真。而這樣的數據通常是通過光學掃描系統獲得，但光學掃描系統在模型邊界處所獲得的數據質量很低，會造成模型邊界處的失真。此外對于模型有配合要求的特征部分（如圓柱、孔等）需要更高的精度，而所測得的數據與理論特征會有一定的偏差，則很難滿足要求。
(3)將點云數據直接用于快速原型制造：這是近幾年出現的一種新方法，即對點云數據直接進行分層處理，提取出產品模型的截面輪廓信息，指導快速原型制造。這個方法，存在著與第二個集成方式相似的缺點，而且點云數據很難進行設計更改。
圖2 RE/RP集成開發流程
這三種RE/RP集成模式，各有其優點和缺點，方式(1)可以獲得較高的精度但耗時較多，方式(2)和(3)雖然耗時較少但精度較低。這三種集成方式都存在用于制造模型的精度與重構對間的矛盾問題。
應用TRIZ理論的技術沖突解決方法分析上述問題。首先定義問題，將問題轉化為TRIZ理論中的一般化問題，即將問題描述轉換成39項工程參數中的2項通用工程參數。在這個問題中要改善的是模型重建時間，即25號工程參數：時間損失。提高效率帶來了重建模型精度的下降，即惡化參數為24號工程參數：信息損失。查找矛盾矩陣：25-24，可得推薦發明原理為：24為借助中介物、26為復制原理、28為機械系統替代、32顏色改變原理，在這四條發明原理中，原理28和原理32對對本問題的解決有很大的啟發性。對于發明原理28、32暫未找到可用于指導該問題解決的方法。
3.2 解決方案
根據發明原理：借助中介物、復制原理，經過分析，形成RE/RP集成新方案，如圖3所示。將模型分為曲面部分和特征部分。
對于曲面部分，采用重構方法得到參數化CAD曲面，過程復雜、耗費時間長等缺點。根據復制原理“用簡單的、低廉的復制品代替復雜、昂貴、易碎的或不易操作的物體”，聯想到是否可以使用一個簡單容易獲得的模型來代替不易獲得的參數化CAD模型。首先聯想到是否可以利用點云封裝獲得的STL模型代替參數化CAD模型，從而省去重構曲面的復雜操作，節省大量的時間。對于曲面部分，最重要的是光順要求，因此只要點云數據足夠多，采用這種方法是能夠滿足要求的。對于特征部分如果采用點云轉化而來的STL模型，由于測量數據的誤差，并不能反映模型特征，也不利于特征尺寸的圓整和修改。因此借鑒中介物原理“使用中介物傳遞某一物體或某一種中間過程”，將逆向軟件中最佳擬合出的特征作為中介物，以IGS格式導出，用于特征尺寸圓整和特征部分建模，最后與曲面部分STL格式的模型拼合在一起構建出最終模型。
圖3 RE/RP集成新方案
綜合這兩個思路，可獲得方案：模型的曲面部分采用點云封裝獲得的STL模型代替，而規則的特征部分，采用最佳擬合的面、球、孔等特征作為中介物，以IGS格式導出并進行尺寸圓整和修剪，最后將STL格式的曲面和IGS格式的特征拼合在一起，即得到最終模型。
采用這個方案需要軟件能夠同時打開STL和IGS文件，并能夠對STL模型進行設計修改，經了解某公司推出的3-matic軟件擁有這種功能，因此該方案在操作上是可行的。
3.3 實例驗證
為驗證這個方案的可行性，我們選用一個實物模型進行CAD模型重構。用關節臂激光掃描儀進行掃描，所獲得的點云數據，如圖4所示。該模型中同時存在曲面部分和平面、球等規則特征，我們分別用不同的文件格式進行處理。
圖4 原始模型掃描點云
將點云數據在Geomagic Studio軟件中封裝，得到整體的STL模型；再針對特征部分創建IGES模型，如圖5所示。將封裝好的模型和所創建的特征分別以STL和ICS格式進行保存。
圖5 封裝后的模型
(1)分割出曲面部分：將多邊形模型和特征模型同時導入到3-matic軟件中。將特征模型中的平面1略微上移用于分割STL模型，如圖6所示，刪除掉其中的非曲面的部分，并去掉周圍特征，使得STL模型中只剩下中間曲面部分。
圖6 截取曲面部分
(2)擬合特征部分：對IGES文件中的特征部分進行尺寸圓整和修剪，可得到表示模型特征部分，如圖7所示。
圖7 模型特征部分
(3)重構過渡部分：構造截面提取出曲面與特征平面間過渡部分的兩條截線，并在3-matic中，通過掃掠獲得過渡片體，如圖8所示。
圖8 構造過渡區域
(4)合并：將模型曲面部分、特征部分和過渡區域部分合并，并對合并后的模型進行修復，如圖9所示。將該模型與STL模型保存后，可直接用于后續的快速制造。
圖9 最終模型
為了檢驗最終STL模型的精度，應用檢測軟件Geomagic Qualify，檢測最終模型與原始點云之間的偏差，如圖10所示。根據檢測結果可知，偏差主要集中在(+0.020～-0.020)mm之間的區域。最終獲得的STL模型具有較高的精度，也同時保留了模型的特征，并避免了對曲面部分的CAD重建，節省了操作時間。
圖10 檢測結果
4 結論
為解決逆向工程與快速原型集成過程中模型重建質量與所耗費時間之間的矛盾，提出利用TRIZ理論進行分析，通過構造通用工程參數，再利用沖突矩陣得出了發明原理。經過分析，篩選出了復制和中介物原理，結合問題實際得到了解決方案。通過實驗結果表明，TRIZ理論能夠對工程領域所碰到的問題起到較好的指導作用。
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本文標題：基于TRIZ理論的RE/RP集成方法研究
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