2013最新逆向工程大作业

1、逆向工程课程大作业题目：逆向工程关键技术的研究现状姓 名：丁烨学 号： 1100801020授课教师： 王懋露得分哈尔滨工业大学航空宇航制造系2013年11月1日目录1-引言-1、实物原型的数字化技术1.1 触发式数据采集方法 11.2 连续式扫描数据采集方法 11.3 工业计算机断层扫描成像法 21.4 激光三角测距法 2、数据点云的预处理技术 22.1 半径补偿 22.2 数据插补 22.3 点云数据精简 22.4 不同坐标点云的归一化 2三、三维重构的基本方法 23.1 多项式插值法 33.2 三边Bezier曲面法33.3 BP神经网络法3NURBS法3四、逆向工程的误差分析3五、结语

2、4参考文献逆向工程关键技术的研究现状丁烨 1008301 班 1100801020摘要 ：作为一种新产品开发和消化、 吸收先进技术的手段， 逆向工程的研究正受 到各国工业和学术界的高度重视 , 并且受到越来越广泛的应用。在分析逆向工程 定义和借鉴国内外一些论文的基础上对逆向工程的工作流程做深刻的解剖 , 并 对逆向工程中的实物原型数字化、 三维重构、 光顺、误差分析和品质分析等关键 技术进行深入、 详细的阐述。 旨在加深对逆向工程的理解， 并且在以后的学习生 活中将逆向工程技术合理应用。关键词 ：逆向工程，三坐标测量机，三维重构，光顺，品质分析Abstrac:t As a means to d

3、evelop and digest new products, reverse engineering is being attached much importance by industry and academic world of many countries and is being widely used nowadays. On the basis of analyzing the definition of reverse engineering and learning from treatises both at home and abroad, the working f

4、low of RE is anatomized in detail. And the RE technologies such as digitisation of object 、 3D reconstruction、fairing、analysis of error and quality are expatiated thoroughly and carefully . The thesis is aimed at deepening my understanding of RE and allowing me to apply it into future life.Keyword：R

5、everse Engineering, Coordinate Measuring Machine, 3D reconstruction, Fairing, Qualityanalysis引言：逆向工程技术，也称反求工程、反向工程等，它的思想最初是来自从油泥 模型到产品实物的设计过程， 随后发展形成一项以先进产品、 设备的实物、样件、 软件或图像作为研究对象， 应用现代设计方法学、 生产工程学、 材料学和有关专 业知识进行系统分析和研究， 探索其关键技术， 进而开发出同类的更为先进的产 品的技术。目前 , 大多数有关逆向工程技术的研究和应用都集中在几何形状 , 即 重构产品CAD莫型和最终产品制

6、造方面，称为实物逆向工程。基于此，可以把 逆向工程定义为：逆向工程是和将实物转变为CAD莫型相关的数字化技术、几何 莫型重建技术以及产品制造技术的总称。 逆向工程技术的发展与技术引进有着紧 密的联系 , 是技术引进的重要手段。技术引进 的应用和开发一般分 为三个 阶 段： 仿制阶段、消化阶段和创新阶段 , 与此相对应 , 也可把逆向工程分为两个层 次，逆向工程I主要指产品的仿制，逆向工程u多指对产品的消化、吸收和创新 等 多个环节。一、 实物原型的数字化技术 实物样件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法 , 获取零件表面离散点 的 几何坐标数据的过程。 随着传感技术、控制技术、制造技术等相关

7、技术的发展 , 出 现了各种各样的数字化技术 , 下面将举例介绍 ：1.1 触发式数据采集方法当测量头的探针接触到样件的表面时 , 探针尖因受力产生微小的变形 ,触发采样 头中的开关 , 使数据采集系统记录下探针 （测球中心点 ）的坐标。不断移动测量头 , 就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。1.2 连续式扫描数据采集方法该方法采用莫拟量开关测量头 , 利用悬挂在三维弹簧系统中的探针的位置 偏移 所产生的电感或电容的变化 , 通过模数转换进行数据的采集。 当测量头的探针沿 样件表面移动时 , 就发出对应坐标位置偏移量的电流或电压信号。 由于数据采集 过程是连续进行的 , 因此测量速度比触发式测量

8、快许多倍 , 而且采样精度较高。 此外 , 由于接触力较小 , 允 许用小直径的探针去扫描具有细微部 分或由较软 材质制作的模型。1.3 工业计算机断层扫描成像法 工业计算机断层扫描成像法是 指对实物样件经过扫描 , 获得一系列截面图像切 片和数据 , 这些切片和数据提供 了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息，可 以据此重构样件的三维几何模型。 其最大优点在于它能测量样件内部断面的信息 因而适用于任意的复杂形状 , 但测量精度较低。1.4 激光三角测距法激光三角测距法是利用光源和光敏 设备之间的位置和角度关系来推断表面点的 具体位置。三角测距法可高速地采集数据 , 其精度由光敏设备的分辨率和表

9、面与 扫描仪间的距离共同决定。二、 数据点云的预处理技术 以上获得的数据一般不能直接用于曲面重构 , 因为对于接触式测量 , 由于测头半 径的影响 , 必须对数据点云进行半径补偿，在测量过程中 , 不可避免带进噪声、 误差等 , 必须去除这些点，对于海量点数据 , 对其进行精简也是必要的。2.1 半径补偿对于接触式测量 , 由于设计的局限性 , 得到的坐标数据不是接触点本身 , 而是测 头球心数据 ,必须对其进行半径补偿。 补偿量为探头的半径 ,补偿方向为表面接触 点的法矢量。由于表面接触点法矢量未知 , 半径补偿一般会比较繁琐。2.2 数据插补 由于实物拓扑结构以及测量设备的限制 , 在实物

10、数字化的过程中 , 有时会存在 一些设备无法测到的区域 , 另外由于实物样件中经常存在经剪裁或布尔运算生 成的外形特征 , 如表面凹边、孔及槽等 , 使曲面出现缺口 , 这样获得的数据就会 出现缺失的现象 , 使逆向建模变得困难。 解决方法是通过数据插补来补齐缺失的 数据 , 最大限度地重获实物剪裁前的信息。2.3 点云数据精简 为提高高密度数据点云在曲面重构时的效率和质量 , 需要按一定要求精简测量 点的数量。不同类型的点云可以采用不同的精简方式 , 散乱数据点云可以通过随 机采样的方法来精简 ; 对于扫描线点云和多边形点云 , 可采用等间距精简、 倍率 精简、 等量精简和弦偏差等方法 ;

11、网格化点云可采用等分布密度法和最小包围 区域法等进行数据精简。2.4 不同坐标点云的归一化 在实物样件数字化过程中 , 由于产品尺寸超出测量机的行程、 测量头受被测实 物几何形状的干涉 , 需要在不同的定位状态下测量其各个部分 , 从而导致点云 的坐标系不统一。 为了实现坐标系的统一 , 解决方法是将数据点云看作一个刚体 把两个数据点云的对齐视为空间刚体的移动 , 即空间刚体的坐标变换 , 使问题归 结为求解相应的变换矩阵。三维重构的基本方法复杂曲面的 CAD 重构是逆向工程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说 , 其实 体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来 , 因此曲面重构是复杂产品 逆向

12、工程的关键。3.1 多项式插值法 多项式函数表达 形式简单 , 并且无穷次可微 , 因而足够光滑。但当需要满足的 插值条件太多时 , 将导致多项式插值曲线的阶数太高 , 而随着阶数升高 , 曲线 出现过多摆动的可能性越大 , 这将造成在计算上的不稳定 , 局部修改能力差 , 因此对较复杂的空间曲线曲面 , 较少用此方法。3.2 三边 Bezier 曲面法 该方法是严格定义在三角形域上的。 三边曲面片可适应不规则与散乱数据点的几 何造型。它具有构造灵活、 适应性好等特点 , 在散乱数据点曲面拟合中能有效应 用。3.3 BP神经网络法该方法是利用BP算法的训练和学习建立一个神经网络模型来解决曲面反

13、求问题。BP算法是神经网络学习中一种被广泛采用的学习算法 ，具有简单、有效和易于实 现等优点, 并且算法的收敛速度较快。但由于算法本身的特点 ,对算法参数的选 择有很大的盲目性和难度 , 可能会导致拟合结果达不到最优。3.4 NURBS法NURBS方法是建立在普通的Bezier方法和Bspline方法基础上的,它较好地实现 了解析几何与自由曲线或曲面的统一 , 成为当今 CAD /C A M 软件中曲面数学表 示的主流。NURBS不但具有局部可控性、变差减少性等优良性质，还有如下一些 优点: 为标准曲线或曲面的解析形状和自由曲线或曲面的精确表示与设计提供 了一个公共的数学形式 , 无论是解析形

14、状还是自由形状均有统一的数学表示 , 便于工程数据库的存取和应用 ; 由于引入了权因子及操纵控制顶点 , 为各种形 状设提供了充分的灵活性 , 并保证了强的凸包性 ; 具有明显的几何解释以及几 何不变性 , 有丰富的几何配套算法 , 适用于设计分析各环节 ; 具有映射与透视变 换下的不变性。然而,NURBS法会遇到非有理方法中未出现的一些问题,从而导 致计算过程的复杂化 , 如权因子选择不当会导致参数化效果很差 , 甚至破坏随 后的曲面结构。另外 , NURBS 的曲线和曲面的几何连续性问题还有待进一步深 化解决 , 特别是曲面求交问题。四、逆向工程的误差分析现阶段逆向工程所构造的CAD莫型,

15、多为几何形状重构,谈不上满足一定要求的 精度设计和精度制造 , 这极大地限制了逆向工程的应用范围。为说明这一点首先 引入逆向工程所独有的三个参数的概念 : 重构参数、 实物原型参数和原始设计 参数。逆向工程 b设计阶段的结果是重构的 CAD三维模型,这种CAD模型自 然具有各种参数 （ 主要是几何形状参数 ）, 这些参数是逆向工程依据测量点数据 经拟合运算得到的 , 体现在重构的 CAD 模型上, 故称其为重构参数。逆向工程 的处理对象是零件或原型 , 它本身具有固定的形状和参数 , 这种体现在零件或 原型上的参数称为实物原型参数。 零件或原型在被制造时 , 要依据图样上所标注 的参数, 这种

16、体现在制造零件或原型的设计图样上的参数称为原始设计参数 , 这是制造原型的原始参数。 重构参数是逆向工程得到 的参数,是可知的; 而逆向 工程并不直接测量实物原型参数 , 故实物原型参数是未知的 ; 原始设计参数自 然也是未知的。目前的逆向工程均 用已知的重构后的模型参数作为制造产品的 原始参数 , 亦即用重构参数去制造产品。 先来比较一下重构参数与原始设计参数 之间的误差，设该误差为重构误差C构;在重构过程中，不可避免地会产生误差 记其为计算误差"十；在对零件或原型测量时,产生测量误差C测；零件或原型本 身也带有误差，一种是制造原型时会产 生制造误差C制;另一种是原型在使用 中的磨

17、损和破损误差C损。重构误差由这四种误差所组成，一般取各项误的均方 根作为重构误差。单从仿制原型这一方面出发 , 反求工程制造的产品 , 是被置于原型的工作环 境下 , 代替原型工作原型是用原始设计参数制造的 , 产品是用重构参数制造 的。由以上分析可知，这两个参数之间存在重构误差 C构。因此，用重构参数作为 原始参数去制造产品并将其置于原型的环境下工作 , 在某些情况下会达不到要 求, 这就是说, 由于重构误差 的存在, 产品会出现废品。 为了提高精度 , 目前的反 求工程技术采取了许多措施 , 如提高测量精度 , 提高拟合计算精度 , 但这些措施只 是使重构参数尽可能接近原型参数 , 仍无法得到原始设计参数。五、结语实际上任何产品问世， 不管是创新、改进还是仿制， 都蕴含着对已有科学技术 的集成，应用和借鉴。逆向工程通过重构产品零件的 CAD莫型，为产品的再设计 及创新设计提供了数字原型尽管国内外已有大量成功的经验 , 但目前还很少有 这方面的系统的专著 , 大多散见于各个行业的案例或设计资料中 , 可以说,现在 的逆向工程技术还未达到成熟。 逆向工程有其独特的共性技术和内容 , 它还是一 门新兴的交叉学科分支 , 正如高新技术的层出不穷 , 逆向工程技术亦会不断发 展。参考文献 ：【1】 金涛, 童水光, 等. 逆向工程技术【 M】. 北京:机械工业出版社