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1、逆向工程技術(shù),第一節(jié) 概述,1.1 逆向工程的發(fā)展背景,1.隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在消費(fèi)者高質(zhì)量的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場(chǎng)的唯一條件。產(chǎn)品不僅要具有先進(jìn)的功能，還要有流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費(fèi)者的注意。流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀要求必然會(huì)使得產(chǎn)品外觀由復(fù)雜的自由曲面組成。然而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式（即正向工程）很難用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述這些自由曲面。,2.隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為了快速的響應(yīng)市場(chǎng)，產(chǎn)品的周期越來(lái)越短，企業(yè)界對(duì)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)力度也得到不斷地加強(qiáng) 。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)模式受到挑戰(zhàn)。,為此，為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為C

2、AD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)（RP）、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)、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)一步的修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。此時(shí)，就需要一個(gè)一體化的解決手段：樣品 數(shù)據(jù) 樣品。 逆向工程就專(zhuān)門(mén)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。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種手段，在20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開(kāi)始引起各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。,1.2 逆向工程的定義,逆向工程（Reverse engineering，簡(jiǎn)稱(chēng)RE）,也稱(chēng)反求工程、反向工程等。逆向工程起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)，是80年代發(fā)展起來(lái)的反向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想，是消化和吸收先

3、進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合，它以已有的產(chǎn)品或技術(shù)為研究對(duì)象，將已存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已存在的產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是在已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的再設(shè)計(jì)。逆向工程是集測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)2 ，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路 。,傳統(tǒng)的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程是一種預(yù)定模式，即從市場(chǎng)需求出發(fā)，分析產(chǎn)品的功能描述、規(guī)格及預(yù)定指標(biāo)。然后再進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)，制定工藝流程、設(shè)計(jì)工裝夾具，依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)藍(lán)圖完成加工制造。這種設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為正向設(shè)計(jì)或順向設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的逆向工程則與之相反，它是從產(chǎn)品的實(shí)物樣件

4、出發(fā)，通過(guò)各種測(cè)繪技術(shù)和幾何造型技術(shù)將其轉(zhuǎn)化成CAD 模型和圖樣，再制造產(chǎn)品。它改變了CAD系統(tǒng)從圖紙到實(shí)物的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，為產(chǎn)品的快速開(kāi)發(fā)及原形化設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑。,1.與正向工程的區(qū)別,1.3 逆向工程的工作流程,逆向工程由離散數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)、快速制造三大部分組成（其體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示）。包含三維數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲線(xiàn)曲面重構(gòu)三大關(guān)鍵技術(shù)。 逆向工程的一般過(guò)程分為樣件三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、原形CAD模型重建 、模型評(píng)價(jià)與修正和快速制造五個(gè)階段。,數(shù)據(jù)處理,點(diǎn)數(shù)據(jù),幾何模型,NC編程 CAN加工,STL 分層 RP 制造,實(shí)物樣件,三維測(cè)量,圖1.1 逆向工程體

5、系結(jié)構(gòu)圖,1、點(diǎn)云數(shù)據(jù)預(yù)處理 非接觸式測(cè)量方法測(cè)得的數(shù)據(jù)非常龐大，并常常帶有許多雜點(diǎn)、噪聲點(diǎn)，影響后續(xù)的曲面、曲線(xiàn)創(chuàng)建過(guò)程。因此，需在曲面重構(gòu)前，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行一些必要的處理，以獲得滿(mǎn)意的數(shù)據(jù)，為曲面重構(gòu)過(guò)程做好準(zhǔn)備，即點(diǎn)云預(yù)處理。點(diǎn)云預(yù)處理主要包括多視點(diǎn)云的對(duì)齊、點(diǎn)云過(guò)濾、數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)和點(diǎn)云分塊。,2、三維模型重構(gòu) 三維CAD模型的重構(gòu)是逆向工程的另一個(gè)核心和主要目的，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)。因此，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)。 在逆向工程中，三維CAD模型的重構(gòu)是利用產(chǎn)品表面的算亂點(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)品模型。根

6、據(jù)曲面拓?fù)湫问降牟煌?，目前逆向工程研究中，自由曲面建模手段分為兩大?lèi)：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(xiàn)、曲面為基礎(chǔ)的矩形域參數(shù)曲面擬合方法。,3、重構(gòu)模型質(zhì)量評(píng)價(jià) 在逆向工程中，從產(chǎn)品的實(shí)物模型，重構(gòu)得到了產(chǎn)品的CAD模型，根據(jù)這個(gè)CAD模型，一方面可以對(duì)原產(chǎn)品進(jìn)行仿制或者重復(fù)制造，另一方面可以對(duì)原始產(chǎn)品進(jìn)行工程分析、優(yōu)化結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)。兩個(gè)方面都存在這樣一個(gè)問(wèn)題，即重構(gòu)的CAD模型能否表現(xiàn)產(chǎn)品實(shí)物，兩者之間的誤差有多大。因此，應(yīng)予以考慮的模型精度評(píng)價(jià)主要解決以下問(wèn)題： （1）由逆向工程中重構(gòu)得到的模型和實(shí)物樣件的誤差到

7、底有多大。 （2）所建立的模型是否可以接受。 （3）根據(jù)模型制造的零件是否與數(shù)學(xué)模型相吻合。,1.3 逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域,1.在產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，為方便評(píng)價(jià)其美學(xué)效果，設(shè)計(jì)師廣泛利用油泥、黏土或木頭等材料進(jìn)行快速且大量的模型制作，將所要表達(dá)的意圖以實(shí)體的方式呈現(xiàn)出來(lái)，而不是采用計(jì)算機(jī)屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法。此時(shí)如何根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型，快速建立三維CAD模型，就必須引入逆向工程技術(shù)。 2.當(dāng)設(shè)計(jì)需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空、汽車(chē)制造領(lǐng)域，為了滿(mǎn)足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，首先要在實(shí)體模型、縮小模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試

8、。建立符合產(chǎn)品模型。此類(lèi)產(chǎn)品通常由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毥柚嫦蚬こ?，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。,3.在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有CAD模型的情況下，在對(duì)零件模型進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速原型加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個(gè)相同的零件。,4.很多物品很難用基本幾何來(lái)表現(xiàn)與定義，例如流線(xiàn)型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕及不規(guī)則線(xiàn)條等。,5.逆向工程在新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上同樣具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。,6.廣發(fā)應(yīng)用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等 7.特種服裝、頭盔的制造以使用者的身體為原始依據(jù)。

9、 8.應(yīng)用于RPM技術(shù)。,第二節(jié) 逆向工程的測(cè)量系統(tǒng),2.1 三維測(cè)量方法的概述,實(shí)物樣件的三維數(shù)字化是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取樣件表面立三點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。只有獲取樣件的表面三維信息，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的采集、評(píng)價(jià)、改進(jìn)、制造。因此，如何高效、高精度的獲取樣件表面的三維數(shù)據(jù)，一直是逆向工程研究的內(nèi)容之一。目前，已出現(xiàn)了多種測(cè)量方法 。根據(jù)測(cè)量時(shí)測(cè)頭和被測(cè)表面之間的位置關(guān)系，樣件的三維數(shù)據(jù)采集方法可分為接觸式和非接觸式兩大類(lèi)，接觸式有基于力變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集和基于磁場(chǎng)、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。非接觸式有激光三角測(cè)量法、立體視覺(jué)法、激光測(cè)距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法

10、、CT法等 。,1.接觸式測(cè)量法,接觸式數(shù)據(jù)采集方法是用機(jī)械探頭接觸表面，機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的傳感器確定相對(duì)坐標(biāo)位置。用于接觸式數(shù)據(jù)采集的機(jī)器人裝置有很多種。最常見(jiàn)的接觸式數(shù)據(jù)采集方法是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM），通常是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使其接觸探頭沿被測(cè)表面經(jīng)過(guò)編程的路徑逐點(diǎn)捕捉表面數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)，可根據(jù)實(shí)物的特征選擇測(cè)量位置及方向，測(cè)得特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。 接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)： 接觸式探頭發(fā)展已有幾十年，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。 接觸式測(cè)量的探頭直接接觸工件表面，與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。 被測(cè)物體固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，并配合測(cè)量軟件，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的

11、基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。 接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)： 球形探頭很容易因?yàn)榻佑|力而造成磨耗，所以，為維持一定精度，需經(jīng)常校正探頭的直徑。 不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害工件某些重要部位的表面精度，也會(huì)使探頭損壞。 接觸式觸發(fā)探頭是以逐點(diǎn)方式進(jìn)行測(cè)量的，所以測(cè)量速度慢。 檢測(cè)一些內(nèi)部元件受到限制，如測(cè)量?jī)?nèi)圓直徑，觸發(fā)探頭的直徑必定要小于被測(cè)內(nèi)圓直徑。,非接觸式數(shù)據(jù)采集方法利用光、聲、磁場(chǎng)等。應(yīng)用光學(xué)原理的方法采集數(shù)據(jù)，細(xì)分有三角形法、結(jié)構(gòu)光法、測(cè)距法、干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法和逐層掃描數(shù)據(jù)法等。 非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測(cè)量摩擦力和接觸壓力造成的測(cè)量誤差，避免了接觸式測(cè)頭與被測(cè)

12、表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)問(wèn)題。獲得的密集點(diǎn)云信息量大，精度高，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀。 非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)： 不必做探頭半徑補(bǔ)償，因?yàn)榧す夤恻c(diǎn)位置就是所采集到點(diǎn)的位置。 測(cè)量速度非常快，不必像接觸觸發(fā)探頭那樣逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。 軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測(cè)量。 非接觸式測(cè)量缺點(diǎn)： 測(cè)量精度較差，因非接觸式探頭大多使用光敏位置探測(cè)來(lái)檢測(cè)光點(diǎn)位置，目前的精度仍不夠，約為20um以上。 因非接觸式探頭大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影響，如顏色、斜率等。 易受環(huán)境光線(xiàn)及雜散光的影響，故噪聲較高，噪聲信號(hào)的處理比較困難。 非接觸式測(cè)量只做工件輪廓坐

13、標(biāo)點(diǎn)的大量取樣，對(duì)邊線(xiàn)處理、凹孔處理以及不連續(xù)形狀的處理較困難。 工件表面的粗糙度會(huì)影響測(cè)量精度。,2.非接觸式測(cè)量,第三節(jié) 專(zhuān)用逆向工程軟件,一個(gè)完整的CAD模型重構(gòu)系統(tǒng)應(yīng)該包含以下3個(gè)部分：CAD軟件、專(zhuān)用的逆向軟件和豐富經(jīng)驗(yàn)的人員。 目前常用的專(zhuān)用逆向軟件有如下四種： Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio和Rapidform,1、Imageware 該軟件是著名的逆向工程軟件，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)、航空、航天、消費(fèi)家電、模具和計(jì)算機(jī)零部件領(lǐng)域。Imageware作為UG中專(zhuān)門(mén)為逆向工程設(shè)計(jì)的模塊，具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型和誤差檢測(cè)的功能；可以處理幾萬(wàn)至幾百

14、萬(wàn)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；根據(jù)這些數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級(jí)曲面具有良好的品質(zhì)和連續(xù)性；其模型檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、圓度等幾何公差。 該軟件由以下模塊構(gòu)成：基礎(chǔ)模塊，點(diǎn)處理模塊、曲線(xiàn)、曲面模塊、檢驗(yàn)?zāi)K和評(píng)估模塊。它處理處理數(shù)據(jù)的流程遵循“點(diǎn)曲線(xiàn)曲面”原則，流程簡(jiǎn)單清晰，軟件易于使用。,2、CopyCAD CopyCAD是DELCAM公司的產(chǎn)品，是一個(gè)功能強(qiáng)大逆向工程系統(tǒng)，利用CopyCAD用戶(hù)可以快速編輯數(shù)字化數(shù)據(jù)，并能做出高質(zhì)量的、復(fù)雜的表面。 CopyCAD能完全控制表面邊界的選擇，自動(dòng)形成符合規(guī)定公差的平滑、多面塊曲面，還能保證相鄰表面之間相切的連續(xù)性。,3、Geomagic Studio Geomagic Studio是美國(guó)Raindrop Geomagic軟件公司推出的逆向工程軟件。該軟件是目前市面上對(duì)點(diǎn)云處理及三維曲面構(gòu)建功能最強(qiáng)大的軟件，從點(diǎn)云處理到三維曲面重建的時(shí)間通常只有同類(lèi)產(chǎn)品的三分之一。 4、Raipdform Raipdform是由韓國(guó)INUS Technology公司推出專(zhuān)業(yè)逆向系列軟件， Raipdform基于3D掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)云來(lái)構(gòu)建NURBS曲線(xiàn)、曲面和多邊形網(wǎng)格，最終獲得無(wú)缺陷、高質(zhì)量的多邊形或自由曲面模型。 Raipdform提供各種工具用于精確的形狀控制和轉(zhuǎn)換，尤其對(duì)于工程用，使最終模型具有高精度的曲面。,