毕业论文-浅谈逆向工程cad技术

1、浅谈逆向工程cad技术机械0807 赵尔康m201270589摘要： 逆向工程(reverse engineering)是指用一定的测量手段对实物或模 型进行测量，根据测量数据通过三维儿何建模方法重构实物的cad模型，从而实 现产品设计或制造的过程。逆向工程的实施需要逆向工程cad软件的支撑，如 gcomagic, imagcwarc等。逆向工程可应用于多个领域，如在齿科修复、汽车模 具、叶轮测差等。关键词：逆向工程，cad软件，建模重构，逆向工程应用一.逆向工程的概念逆向工程(reverse engineering, re)是对产品设计过程的一种描述。在 工程技术人员的一般概念屮，产品设计过

2、程是一个从无到冇的过程：及设计人员 首先在大脑中构思产品的外形、性能、大致的技术参数等，然后通过图纸或cad 技术的帮助建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入到制造流程中去， 完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称为“正向设计” 过程(与“逆向工程”产品设计相对应)。逆向工程产品设计可以认为是一个“从冇到无”的过程。简单地说，逆向工 程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据(包括设计图 纸或数字模型)的过程。从这个意义上说，逆向工程这一概念在工业设计中使用 已经很久了。早期的船舶工业屮常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例。逆向工程经由量测设备量测工

3、件成品,进而产生坐标点资料，再建立工程3d 图档资料与原型(prototype)的一种工程程序。3d cad/cam软件的兴起，让产业 在设计、技术、制造速度上，提升了很多，跳脱以往21)工作图的思维模式，及 制造上的盲点，但是在产品设计开发上仍有许多是正向设计所无法达成的。例如 特殊造型，自由曲面造型等，以某些产品来说如汽车外观曲面、车灯free form 反射曲面或是造型设计师以手工制作的特殊造型，碍于cad软件的限制，皆无 法符合造型设计师的设计理念。或是原型设计完成后，需要完整复制外型成计算 机资料。这时便需要以量测设备将外型资料量测成为数位点资料，进行逆向工程 建构。当然逆向工程并非

4、万能的，由于现今量测设备与逆向工程专用软件的发展限 制，也使得逆向工程在其运用上仍有一定的限制。要克服这些困难则须与传统的 开发流程做一整合，截长补短俾能使产品获得良好的质量同时也能节省时间与成 木，这才是我们所追求的。逆向工程所面临的限制，主耍是在于量测上与软件功 能上之限制。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发 展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字 化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表而的空间数据，需 要利用逆向工程cad技术获得产品的cad数学模型，进而利用cam系统完成产品 的制造。因此，逆向工程技术可以认

5、为是与将产品样件转化为cad模型的相关数 字化技术和几何模型重建技术的总称。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的 协同过程。逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据釆集、处理到常规 cad/cam系统，最终与产品数据管理系统（pdm系统）融合的过程。因此，逆向 工程是一个多领域、多学科的系统工程，逆向工程的实施需要人员和技术的高度 协同和融合。二.逆向工程cad软件逆向工程的实施需要逆向工程cad软件的支撑。逆向工程cad软件的主要作 用是接收来自测量设备的产詁数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲 线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有cad/cam 系统屮，在这些

6、系统屮完成最终的产品造型。由于无法完全满足用户对产品造型 的需求，因此逆向工程cad软件很难与现有主流cad/cam系统，如catia、ug、 pro/e等抗衡。很多逆向工程软件成为这些cad/cam系统的第三方软件。如ug采用 imageware作为ug系列产品中完成逆向工程造型的软件，pro/e采用icem surf 作为逆向工程模块的支撑软件。此外述冇一些独立的逆向工程软件，如geomagic 等，这些软件一般具冇多元化的功能。如geomagic除了处理几何曲而造型以外, 还可以处理以ct、mri数据畏代表的断层界面数据造型，从而使软件在医疗成像 领域具有相当竞争力。另外一类逆向工程软件

7、作为一个整体系列软件产品中的一 部分，无论从数据模型还是几何引擎均与系列产品屮的其他组件保持一致，这样 做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入cad设计或加工模块中，实现 了数据的无缝集成，这类软件的代表是delcom公司的delcopy软件。* gcomagic美国raindrop公司的逆向工程cad软件，具冇丰富的数据处理手段，可以 根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域包括了从工业设 计到医疗仿真等诸多方面，用户包描通用汽车、bmw等大制造商。* imageware作为ug nx中提供的逆向工程造型软件，inmgcwam貝有强大的测量数据处 理、曲面造型、误差检测

8、功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点 云数据构造的a曲面(class a)具有良好的詁质和曲面连续性。imageware的模 型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差 以及平而度、真圆度等几何公差。* copycaddelcopy是英国del cam公司系列cad产品中的一个，主要处理测量数据的 曲面造型。delcom的产品涵盖了从设计大制造、检测全过程。包括power shape. powermill> power inspect > artcam> copycad > ps-team 等诸多软件产品。作 为一个系列产品的一部

9、分，copycad与系列屮的英他软件可以很好地集成，为用 户的使用提供方便。* rapidformrapidform是由韩国inus公司开发的逆向工程cad软件。主要用于处理测 量、扫描数据的曲而建模以及基于ct数据的医疗图像建模，述可以完成艺术品 的测量建模以及高级图形生成。rapidform提供一整套模型分割、曲面生成、曲 面检测的工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到 新的模型重构过程屮。以上介绍的是目前较常见的逆向工程cad软件，在国内能够见到的商胡化的 逆向工程软件都是国外的。国内在逆向工程软件方而虽然也冇研究，但是主要集 中在几所高校。其中以清华大学、浙江大

10、学、南京航空航天大学在这方面的研究 比较深入，这些研究成果也有一些以软件产品形式出现，但是出于这些研究性软 件在系统稳定性、可操作性等方面的原因，还没有完全具备与国外商业化软件竞 争的条件。由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程cad软件quickform是国 内逆向工程cad软件中较好的一个。该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好, 具有良好的可操作性。曲于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验，因此系统中 的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这也是国外软件所无法具备的。 quickform的另一个优势是价格优势。由于国外逆向工程软件价格昂贵，因而 quickform的价格在同类软件屮

11、具冇极强的竞争力。同时，使用国产软件也是对 国内制造业和软件行业的巨大推动。三.逆向工程在cad/cam体系中的作用从上述我们可以看到，逆向工程技术不是一个孤立的技术，它和测量技术于 现有cad/cam系统有着千丝万缕的联系。但是在实际应用过程屮，由于大多数工 程技术人员对逆向工程技术不够了解，将逆向工程技术与现有cad/cam技术等同 起来，用现冇cad/cam系统的技术水平要求逆向工程技术，往往造成人们对逆向 工程技术的不信任和一些谋解。从理论角度上分析，逆向工程技术应该是能够按照产品的测量数据重建出可 以与现有cad/cam系统完全兼容的cad模型。这也是逆向工程技术的最终实现口 标。但

12、是我们应该看到，目前人们所掌握的技术，包描工程上的和纯理论上的（如 曲而建模理论），都述无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点 云”数据建模，更是远没有达到可以直接在cad系统中应用的程度。因此我们认为，目前逆向工程cad技术与现冇cad/cam系统的关系只能是一 种相辅相成的关系。现有cad/cam系统经过几i 年的发展，无论从理论还是实际 应用上都已经十分成熟，在这种状况下，现有cad/cam系统不会也不能为了满足 逆向工程建模的特殊要求从系统底层结构上进行变更。另一方而，逆向工程cad 技术屮用到的大量建模方法完全可以借鉴现冇cad/cam系统，不需要另外搭建一 个新平台。

13、基于这种分析，我们认为逆向工程cad技术在整个制造体系链中是处于一个 从属、辅助建模的地位，逆向工程cad技术可以利用现有cad/cam系统，帮助其 实现自身无法完成的工作。有了这种认识，我们就可以明口为什么逆向工程cad 技术（包括相应的软件）始终不是市场上的主流，而大多数cad/cam系统又均包 含了 111己的逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况。下面我们列举逆向工程在三个方面的应用3. 1逆向工程在口腔修复体中的应用如图1所示是一垒口义齿石膏模型的三维层析测量及数据处理过程。三维 层析测量工作流程包括填充、切层、扫描、提取轮廓、重构等操作。提取测量吋使用的是三维层析测量机。三维层析测

14、量机是一种逐层去除材料的测 量设备，数控铳床按给定的厚度铳去被测件的一层端面，光学扫描仪逐层采集断 层图象，通过滤波去除噪声，釆用小波多尺度逼近的思想对零件的特征和细节进 行边缘提取，使得边缘精度优于1个象素。提取断层轮廓包括多轮廓的跟踪与分 离、多轮廓空间拓扑处理，全部轮廓数据口j以以点或线的方式构成物体的表面模 型。可以直接生成用于快速匣型制造的sti三角网倍文件，也可以iges、dxf 等格式数据文件将点或线框输入到己有cad / cam系统中进行再设计或数控加 工。“铳削断层+扫描”方式的特点是接触式、破坏被测件，造价相对低廉，铳床 的精度可提高到0 olnrni以上，精度主要取决于扫

15、描仪的分辨率，层析方法的最 大特荣是可以测量任意复杂的内、外腔形状。对丁无牙列的牙床模型可米用激光线扫描测量仪。激光线扫描基于光学三 角原理，采用激光光刀对物体表面进行扫描，用ccd采集物体表面漫反射信号送 入计算机，得到光刀曲线，利用基准面、像点、相距等之间的关系计算物体表面 的深度信息（z坐标值），结合测头x、y方向的位移，最终得到物体表面的三维 坐标信息。光学测量方法具有测量速度快的特点，测量精度符合镶才的要求。激 光线扫描测量仪可以方便、快速的测得数据。如图2就是一对上、下牙床模型的测量数据点和表面重构结杲。上打啟吧酌纽址刈门4909个心；h） i一常蚀创故杓給毗下才版的済曲致盡力.1

16、34656ix k.sbh尸亍烈的麦:结里 、r号*;-j:?在国内没有腔内测量设备的情况下，米用三维层析测量机和激光线扫描测量 仪测量石膏牙模的数据英精度达到镶牙的要求，利用表而重构软件和三维cad 软件构造出牙齿实体模型，可用丁计夬速原型制造和快速镶牙。一旦研制出快速微 型的口腔内测量设备，立即可以投入实用用层析和激光扫描相结台把逆向工程 技术应用于口腔修复体系统是一 种行之有效的方法。3. 2逆向工程在汽车覆盖件模具设计中的应用研究3. 2. 1数据采集海量点云是由tr1t0p数码相机测量系统（如图3所示）获得的。数据采集具 体作法是将高分辨率cci）摄象机安装在cmm的横梁滑座上，使其

17、可以在多个视 角下拍摄被测物体的图像，构成一典型的双（多）目立体视觉测量系统。检测信号经过传输线送到插在计算机槽上的图像处理卡上，图像卡把模拟信 号转换成数字信号，并储存于图像卡上的存储单元，同吋图像卡将输出模拟信号 到监视器上。将摄影机采集的图像像素经过图像处理后，便可以将得到的图像像 素转换成样品所需部分的三维轮廓图像，整个数字图像处理简图如图4所示。上述数据采集的原理是利用照相技术来测取覆盖件特征标志点的三处标位 置。综合测量精度在0. 1mm/ 1000mm以内，基于结构光的atos非接触式坐标 机可实现对工件的高分辨率高速扫描，每幅扫描照片可获得工件表而400, 000 个点的三维坐

18、标，扫描精度每幅扫描照片精度达0. 03ram,整体拼合扫描精度 为0. 1mm/m,并以点云的形式以多种格式输岀，供后续cad / cam /cae使用。3.2.2曲面重构曲面重构是逆向工程中的关键环节，因此对于海量点云的曲面重构要注意以 下几个方面： 曲面型面数据散乱且曲面对彖边界和形状极其复杂，因而一般不便直接 运用常规的曲而构造方法。 曲面对象往往不是由简单的一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸， 过渡，裁减等混合而成，因而要分块构造。 由于数字化技术的限制，在逆向工程屮存在“多视数据”问题。为了保 证数字化的完整性，各视角z间需冇一定的重迭，这就存在“多视拚合” 的问题。如将基于几何

19、特征的曲面重构技术应用于反求工程中点云的拟合和分割中， 可以克服传统曲面拟合屮的不足，提高曲面重构的质量和效率。使用点集和参数曲面片的方式表达零件的儿何形状时，是根据点云的拓扑结 构通过预先确定的某种准则来判断相邻区域点的几何屈性，而没冇采用几何特征 去匹配点云，使拟合曲面谋差加大。理论上讲，任何cad模型都可以看成是一些 简单的特征、自出曲线曲面以及用户自定义特征所组成。因此可以将待求的cad 模型分解成一系列的简单特征，这些特征由1组相互关联或独立变量来相互制 约，各部分的形状和大小根据需要来确定，形成能口动生长的儿何特征。因此在 逆向工程屮建立的样件cad模型，应尽可能从零件承担的功能方

20、而进行分析，捉 取其几何特征及特征z间的拓扑关系，建立基于特征的几何模型。图5是采用atos三维扫描仪获得的汽车覆盖件三维原始点云数据。根据三 维海量点云重建曲面，先进行噪声处理（去除一些不合理的点），然后对点云进行 分析，根据不同区域的特征进行数据分割，对局部点云数据进行拟合和重建。由于此样件较为复杂，因此要对样件进行分块划分，尽量保持模型的简单。 取样局部点云如图6,经分析此局部区域点云曲平面、自由曲面（loft面、sweep 面、blend面）和过渡圆角等几何特征曲面所构成。分别对各特征曲面进行拟合，在拟合各了特征曲面时，要注意各了特征曲 面的拟合要求，如用loft面作面吋要取1 / 4

21、公差拟合曲线、确认曲线控制点在 40个之内等要求。根据不同的特征曲面进行拟合可得到相应的各特征子曲面， 如图7所示，然后把拟合得到的各特征子曲面进行拼接。(a)拟合的平面cb>拟合的loh曲面<c) 拟合的sweep曲面 <d> 敬合的blend曲面最后得到的曲面要光顺(曲面光顺从直观上理解为曲面光滑、圆顺，理仑上 则指具有二阶几何连续，不存在奇点和多余拐点)，用surfacer软件屮的tube light reflectance选项或curvature analysis功能查看，多面片的模型应该 完全看不到接缝。同时要与原始点云相比较，其误差耍控制在0. lnun以内

22、，若 不满足，则重新拟合曲面，直到满足耍求为止。经过反复的检测比较，得到局部 点云拟合完成的a等级，曲面集如图8。3. 2. 3覆盖件模具设计模貝设计是以pro / e为设计平台.首先将在surface中生成的参考零件导 入pro/e屮，英次求岀样件分模而，最终完成覆盖件的上、下模设计。其主要 设计过程为：(1) 求分模面由于此模型的分模面较复杂，不能由光照投影一步得到，可分两步得到： 首先在part上copy出所有的外表面;feature / create / surface / new / copy / surf&band选择种子曲和边界曲而。 其次将所得的曲面延长到模胚周围的4个

23、周面。extend / along directup to plane(2) 分模、求出凹凸模体积块 mold volume / split / two volum es / parting surf / up一volume。 mold volume / split / two volumes / parting surf / down一 一 volumco拔出凸凹模如图9所示。3. 3逆向工程技术在水泵叶轮测量中的应用3. 3.1水泵叶轮扫描的前期准备工作为了方便叶轮扫描和扫描的准确，需对叶轮作必要的前期准备，如贴参考 点、物体表而喷涂显像剂和仪器和软件校准等。3. 3. 2水泵叶轮扫描过程

24、叶轮整个外形都需要扫描，因此叶轮无法一次性扫描完成。根据叶轮的形 状(如图10所示)，把零件分成上、下两部分，分别进行扫描，然后在atos软件屮通过公共参考点把分别扫描的两个文件合并为一个整体。叶轮外形大致尺寸为©370x85,在对atos扫描系统进行校准后，对水泵 叶轮上下部分多个角度不同方位进行扫描，扫描软件依据参考点，把毎幅扫描照 片自动进行拼合，最终完成整个叶轮外形的扫描。图二为扫描完成后，经过点云 对齐、三角化、光顺和稀化，得到叶轮外形点云文件，并输出*上儿文件，以便 tmageware软件对点云进彳亍后序处理，如图11。3. 3. 3用imageware和ug nx对点云进行处理及三维重构imageware软件调入扫描所得点云文件，并依据点云的特征，作出一些辅助 的基准，以便把叶轮点云进行方位对齐，为提取截面线做准备。叶轮的点云数据 屮含冇许多杂点，因此需把杂点过滤掉。并对点云数据进行优化，删除不必要的 数据点。适当降低点云的密度，加快计算机处理的速度。特征线的提取是整个曲面重构的关键。根据叶轮外形特点，划分出二次曲 面的区域，女口：平面、圆柱面、球面等，并对叶轮点云进行分割，并且把这些二 次曲面拟合构造平面、圆柱面和球面