反求工程技术

1、反求工程技术反求工程技术 （逆向工程（逆向工程re） reverse engineering 2009.3 概念概念 l反求（逆向）工程：反求（逆向）工程：是指由实际的零件反求出是指由实际的零件反求出 其设计的概念和模型的过程。其设计的概念和模型的过程。 l和传统的区别和传统的区别 产品的概念或（产品的概念或（cadcad）模型）模型 实际零件实际零件 实际零件实际零件 产品的（产品的（cadcad）模型或概念）模型或概念 优点：优点：快速、准确的获取复杂物体的设计数据，快速、准确的获取复杂物体的设计数据， 提高技术水平，缩短生产周期，降低生产成本，提高技术水平，缩短生产周期，降低生产成本，

2、提高生产率，增强经济竞争力。据统计，逆向工提高生产率，增强经济竞争力。据统计，逆向工 程作为一种掌握技术的手段，可使产品研制周期程作为一种掌握技术的手段，可使产品研制周期 缩短缩短40%40%以上，极大地提高了生产率。以上，极大地提高了生产率。 传统 反求 详细比较详细比较 1 1、提取三维数据；、提取三维数据；2 2、重构、重构cadcad模型；模型；3 3、 由三维软件的由三维软件的camcam功能形成数控指令控制功能形成数控指令控制 数控机床加工零件。数控机床加工零件。 具体工作具体工作 l探索原产品设计概念：是前提，探索原产品设计概念：是前提，如微型汽车的消费如微型汽车的消费群体群体是

3、普通百姓是普通百姓, , 其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下, ,尽可能降低尽可能降低成本成本, ,所以所以 结构上通常是较简化的；结构上通常是较简化的； l探索原产品原理方案的设计：一个功能目标的实现可以有多个方案。探索原产品原理方案的设计：一个功能目标的实现可以有多个方案。 如：如：设计一个夹紧装置时设计一个夹紧装置时, ,把功能目标定在机械手段上把功能目标定在机械手段上, ,则可能设计出则可能设计出 斜楔夹紧斜楔夹紧, ,螺旋夹紧螺旋夹紧, ,偏心夹紧偏心夹紧, ,定心夹紧定心夹紧, ,联动夹紧等原理方案联动夹紧等原理方案; ;如把如把 功能

4、目标确定扩大功能目标确定扩大, ,则可设计出液动则可设计出液动, ,气动气动, ,电磁夹紧等原理方案；电磁夹紧等原理方案； l产品的结构设计；产品的结构设计； l分解产品实物，确定产品的零部件形体尺寸；分解产品实物，确定产品的零部件形体尺寸； l确定零件的精度确定零件的精度( (即公差设计即公差设计) )； l确定零件的材料确定零件的材料 （可采用重量测量（可采用重量测量, ,力学性能测定力学性能测定, ,化学分析化学分析, ,光谱分光谱分 析析, ,金相分析等试验方法金相分析等试验方法 ）；）； l产品的工作性能，造型等。产品的工作性能，造型等。 反求工程的功能反求工程的功能 l目标：目标：

5、实现一种智能化的三维扫描识别重建系实现一种智能化的三维扫描识别重建系 统，不仅要获得物体的基本数据统，不仅要获得物体的基本数据, ,而且要对数而且要对数 据进行必要的处理据进行必要的处理, ,建立相应的计算机模型等建立相应的计算机模型等 。 l功能：功能：样件的仿制、样件的修改、模具制造、样件的仿制、样件的修改、模具制造、 旧产品的改进、新产品的设计、单件产品快速旧产品的改进、新产品的设计、单件产品快速 定制。定制。 l以现代设计理论以现代设计理论, ,方法方法, ,技术为基础技术为基础, , 对已有的对已有的 产品产品进行解剖进行解剖, ,分析分析, ,重构和再创造重构和再创造, ,避开艰苦

6、避开艰苦 的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。 国内外在该方向的研究现状及分析国内外在该方向的研究现状及分析 l国外国外：美国华盛顿大学、南澳大利亚大学、：美国华盛顿大学、南澳大利亚大学、 新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学。新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学。 l国内国内：浙江大学、西北工业大学、南京航：浙江大学、西北工业大学、南京航 空航天大学、西安交通大学、清华大学、空航天大学、西安交通大学、清华大学、 上海交通大学、华中科技大学和哈尔滨工上海交通大学、华中科技大学和哈尔滨工 业大学等先后开展了反求工程业大学等先后开展了反求工程cadcad问题

7、的研问题的研 究。究。 软件软件：美国：美国edseds公司的公司的imageware surfacerimageware surfacer; ;美国美国raindropraindrop公司的公司的 geomagicgeomagic studio studio; ;英国英国delcamdelcam公司的公司的copycadcopycad; ;韩国韩国inusinus公司的公司的 rapidformrapidform。法国达索（。法国达索（dassaultdassault）公司的）公司的catiacatia系统。系统。ug/pro eug/pro e 等大型等大型cadcad软件提供的反求工程子

8、系统。软件提供的反求工程子系统。 应用应用 l在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有cadcad模型的情况下模型的情况下，在，在 对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或cadcad模型，并以模型，并以 此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。 l当当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工时，通常采用反求工 程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，程的方法。比如航

9、天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求， 首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等） 建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型， 最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。 l在在美学设计特别重要的领域美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的 木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩木制或泥塑模型来

10、评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩 小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。 l修复破损的艺术品或缺乏修复破损的艺术品或缺乏供应供应的损坏零件的损坏零件等，此时不需要对整个零件等，此时不需要对整个零件 原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指 导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。 l机械工程及制造领域（航空、航天和汽车制造等）；机械工程及制造领域（航空、航天和汽车

11、制造等）； l医疗模具、医疗器械和仿真人体器官；医疗模具、医疗器械和仿真人体器官； l用于影视设计和游戏开发；用于影视设计和游戏开发； l纺织和客户消费领域；纺织和客户消费领域； l家具和玩具造型领域。家具和玩具造型领域。 反求工程实现步骤反求工程实现步骤 l数据采集数据采集：零件原形表面点的三维坐标零件原形表面点的三维坐标 值值 ，获取点云，获取点云 l数据预处理数据预处理：从无序点云获得有序点云，从无序点云获得有序点云， 并把这些点按区域进行分割。并把这些点按区域进行分割。 lcad模型重建模型重建 将分割后的三维数据在将分割后的三维数据在cadcad系统中分别做表面系统中分别做表面 模型

12、的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获 取零件原形表面的取零件原形表面的cadcad模型。可采用曲面重构模型。可采用曲面重构 数据采集 非接触激光扫描非接触激光扫描 u-透镜l焦距; v-透镜l像距； a-光线与光轴夹角 cmmcmm（三坐标测量机）（三坐标测量机） lcmm(threecmm(three coordinate measuring machine) coordinate measuring machine)三三 坐标测量机采用的是接触式测量，利用测头与被坐标测量机采用的是接触式测量，利用测头与被 测物体直接接触，获取数据信息测物体直接接触，

13、获取数据信息。 cmmcmm实体测量的应用实体测量的应用 l被测实体被测实体cadcad模型已知：模型已知： 为了检验和保证产品的精度要求为了检验和保证产品的精度要求 l被测实体被测实体cadcad模型未知：模型未知： 主要应用与反求工程，为了实现模型重构、修主要应用与反求工程，为了实现模型重构、修 改和再设计。改和再设计。 cmmcmm组成组成 l机械主体部分：机械主体部分： (1)(1)工作台及导轨工作台及导轨(x(x轴运动轴运动) ) (2)y (2)y轴横梁及导轨轴横梁及导轨( (空心带加强筋空心带加强筋) ) (3)z (3)z轴主轴轴主轴 l具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相

14、互垂直的导轨上具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上 移动，此探测器以接触方式传递讯号，三个轴的位移测量系统移动，此探测器以接触方式传递讯号，三个轴的位移测量系统 给出点的坐标（给出点的坐标（x x，y y，z z）及各项功能测量。三坐标测量仪的）及各项功能测量。三坐标测量仪的 测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。 x z y 配备软件配备软件 l软件组成软件组成 lkcemslkcems软件包：进行尺寸、形位公差测量软件包：进行尺寸、形位公差测量 3d scanning3d scanning：能实现高

15、速度驱动、高精度：能实现高速度驱动、高精度 扫描，能达到扫描，能达到1010点点/ /秒的扫描速率秒的扫描速率 cmmcmm触头误差补偿触头误差补偿 三坐标测量机在进行测量时，是用测针的宝石球接触被测零件的测量部位，此时三坐标测量机在进行测量时，是用测针的宝石球接触被测零件的测量部位，此时 测头测头( (传感器传感器) )发出触测信号，该信号进入计数系统后，将此刻的光栅计数器锁存发出触测信号，该信号进入计数系统后，将此刻的光栅计数器锁存 并送往计算机，工作中的测量软件就收到一个由并送往计算机，工作中的测量软件就收到一个由x x、y y、z z坐标表示的点。这个坐坐标表示的点。这个坐 标点我们可

16、以理解为是测针宝石球中心的坐标，它与我们真正需要的测针宝石球标点我们可以理解为是测针宝石球中心的坐标，它与我们真正需要的测针宝石球 与工件接触点坐标是不同的。为了准确计算出我们所要的接触点坐标，必须通过与工件接触点坐标是不同的。为了准确计算出我们所要的接触点坐标，必须通过 测头校正得到测针宝石球的半测头校正得到测针宝石球的半/ /直径。直径。 测量路径的规划测量路径的规划 l对被侧实体进行测量前，根据实体的不同形状划分不同的对被侧实体进行测量前，根据实体的不同形状划分不同的 测量区域和测量路径，对于准确还原被测实体形状、模型测量区域和测量路径，对于准确还原被测实体形状、模型 重构、光顺性等影响

17、较大。重构、光顺性等影响较大。 优点优点 l获取点云的精度较高，精度最高可达获取点云的精度较高，精度最高可达0.10.1微米，微米， 一般也达到几微米一般也达到几微米 l能够收集深孔等阻挡光线的零件表面点数据能够收集深孔等阻挡光线的零件表面点数据 l采集数据稀疏可以直接在采集数据稀疏可以直接在cadcad软件中应用软件中应用 l适用比较广泛，能够扫描的实物包括：各种工适用比较广泛，能够扫描的实物包括：各种工 业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的 物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼。物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼。 缺点缺点 l测量时间较长，而且需要探针补偿测量时

18、间较长，而且需要探针补偿 l不能测量内部几何体不能测量内部几何体 l不能测量软质和脆性材质的零件不能测量软质和脆性材质的零件 l需要预先的路径规划，耗时而不能缺少需要预先的路径规划，耗时而不能缺少 l有限的探针采点限制了对零件细节的分辨有限的探针采点限制了对零件细节的分辨 测量机检测一个点的完整过程测量机检测一个点的完整过程 l(1)(1)选择测量工具的类型、规格、确定工件的安装选择测量工具的类型、规格、确定工件的安装 状态：状态：测量头作为一种测量工具测量头作为一种测量工具( (相当于加工时的相当于加工时的 刀具刀具) )，装于机床的垂直运动部件中，在接触式测，装于机床的垂直运动部件中，在接

19、触式测 量中，测量机的工作效率与精度和测量头密切相关。量中，测量机的工作效率与精度和测量头密切相关。 l测量头分类：可分为机械式、电气式、光学式三种。测量头分类：可分为机械式、电气式、光学式三种。 其中光学式的测量头应用光学及激光的原理。主要其中光学式的测量头应用光学及激光的原理。主要 用于计量室中的精密坐标测量机，属于非接触测量。用于计量室中的精密坐标测量机，属于非接触测量。 接触式的测量头又可分为硬测头和软测头两类。硬接触式的测量头又可分为硬测头和软测头两类。硬 测头多为机械测头，主要用于手动测量。软测头上测头多为机械测头，主要用于手动测量。软测头上 装有电气式的传感器，测头可作位移、偏转

20、，故可装有电气式的传感器，测头可作位移、偏转，故可 用于自动测量中。用于自动测量中。 l确定工件的安装状态是指把工件安装得易于测量。确定工件的安装状态是指把工件安装得易于测量。 测量机检测一个点的完整过程测量机检测一个点的完整过程 l测头快速移动到定位点测头快速移动到定位点，以一定精度定位。，以一定精度定位。 l测头从定位点慢速向工件的被测点趋近测头从定位点慢速向工件的被测点趋近，当接触，当接触 状态达到要求后发出过零的信号，对测量进行检状态达到要求后发出过零的信号，对测量进行检 测，读数头在测，读数头在x x、 y y、 z z三个轴上分别取出测量数三个轴上分别取出测量数 据。据。 l将该数

21、据送入计算机中进行处理，将该数据送入计算机中进行处理，输出测量结果输出测量结果。 测量方法一般有点位测量法和连续轮廓扫描测量方法一般有点位测量法和连续轮廓扫描 法两类。法两类。 l点位测量法这是从点到点的测量方法，点位测量法这是从点到点的测量方法， 如图如图1 1示。测头从示。测头从 a a点趋近测量点点趋近测量点b b，测完后测头退回到，测完后测头退回到c c点，再按规定的步点，再按规定的步 距到距到d d点，重复下一点点，重复下一点e e的测量等等。点位测量法适用于孔、的测量等等。点位测量法适用于孔、 基准线以及曲面轮廓的测量。对于复杂的曲面一般先基准线以及曲面轮廓的测量。对于复杂的曲面一

22、般先 是是 固定一个截面，在一个轴向固定一个截面，在一个轴向( (如如x x轴轴) )上逐次移动，进行测上逐次移动，进行测 量。然后在量。然后在y y方向移动一个规定距离后对另一截面在方向移动一个规定距离后对另一截面在x x轴向轴向 逐次移动测量。逐次移动测量。 数据预处理 l点的处理点的处理 读入后的点并不适合于直接用来造型，这是因为：一读入后的点并不适合于直接用来造型，这是因为：一 方面，虽然一个截面内的测量点理论上应该在一个平方面，虽然一个截面内的测量点理论上应该在一个平 面内，但由于测量机的误差及其它因素的影响，所得面内，但由于测量机的误差及其它因素的影响，所得 数据点的坐标值可能会有

23、少量偏差；另一方面，所读数据点的坐标值可能会有少量偏差；另一方面，所读 入的点并不是所测零件表面上的点，而是二坐标测量入的点并不是所测零件表面上的点，而是二坐标测量 机测头的坐标。用这样的一些点来直接造型，显然不机测头的坐标。用这样的一些点来直接造型，显然不 能满足要求。生成的曲线可能不光顺，而且不在同一能满足要求。生成的曲线可能不光顺，而且不在同一 个平面内，从而使最终的表面不符合要求，个平面内，从而使最终的表面不符合要求， 或者只或者只 能生成壳体能生成壳体(sheetbody(sheetbody) )而不能生成实体。而不能生成实体。 因此应当因此应当 对读入的点进行处理对读入的点进行处理 数据处理具体方法 l数据平滑数据平滑 去除噪声的影响，可采用滤波的方法去除噪声的影响，可采用滤波的方法 l数据精简数据精简 减少被测点数量以减轻三维重构时的工作量。减少被测点数量以减轻三维重构时的工作量。 散乱点可通过随机