数字化设计-逆向技术

1、数字化设计数字化设计逆向技术逆向技术北京航空航天大学机械学院北京航空航天大学机械学院 逆向技术2011年年4月月 席平席平逆向工程（逆向工程（Reverse Engineering, RE）,也称反求工也称反求工程、反向工程等。程、反向工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路。向设计上游反馈信息的回路。2020世纪世纪9090年代以来，逆向工程技术被放到大幅度缩短年代以来，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。逆向工程所需硬软件：

2、逆向工程所需硬软件： 测量设备测量设备 逆向设计软件逆向设计软件逆向技术逆向工程背景逆向工程背景 逆向工程软件：逆向工程软件：Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、ICEM Surf、Copy CAD 等等CAD/CAM系统类似模块，系统类似模块，UGUnigrahics、 ProEPro/SCAM、 Cimatron90PointCloud等等逆向技术逆向工程背景逆向工程背景 接触式三坐标测量仪接触式三坐标测量仪非触式三坐标测量仪非触式三坐标测量仪工业工业CT测量机测量机逆向技术数字化测量CAD模型重构二维图样、技术文档仿制改制产品CAD/C

3、AE系统CAM系统快速成型RP产品样件模具P DM系统实物样件新产品逆向工程流程图逆向工程流程图 逆向技术数字化测量数字化测量测量数据预处理测量数据预处理三维重构三维重构坐标配准坐标配准误差分析误差分析逆向工程关键技术逆向工程关键技术产品产品实物实物数字数字测量测量数据数据处理处理三维三维重构重构坐标坐标配准配准误差误差分析分析CAD模型模型设计设计数据数据逆向技术数字化测量是逆向工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模数字化测量是逆向工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。数字

4、化测量数字化测量接触式测量接触式测量逆向技术数字化测量数字化测量 测量设备测量设备 非接触式测量非接触式测量逆向技术数字化测量数字化测量 测量设备测量设备 基于平板探测器基于平板探测器X射线成像系统射线成像系统 医学医学CT测量测量逆向技术数字化测量数字化测量测量方法比较测量方法比较优点优点 接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟，故接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。有较高的准确性和可靠性。 接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、颜色及接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。曲

5、率关系不大。 缺点缺点 为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，不同形状的产品可能会要求为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，不同形状的产品可能会要求不同的夹具，因此导致测量费用较高。不同的夹具，因此导致测量费用较高。 球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度，需要经常校正球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度，需要经常校正探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。 测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。 对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，

6、欲求得物体对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，欲求得物体真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差。真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差。接触式测量接触式测量逆向技术数字化测量数字化测量测量方法比较测量方法比较优点优点 不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 缺点缺点 测量精度较差，因接触式探

7、头大多使用光敏位置探测器来检测光点测量精度较差，因接触式探头大多使用光敏位置探测器来检测光点位置，目前其精度仍不够，约为位置，目前其精度仍不够，约为2020以上。以上。 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件 表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难。处理以及不连续形状的处理较困难。 非接触式测量非接触式测量逆向技术测量路径是测头的运动轨迹

8、，在逆向工程的测量流程中是极其重要测量路径是测头的运动轨迹，在逆向工程的测量流程中是极其重要的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型逆向工程时间的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型逆向工程时间的长短和重构质量。的长短和重构质量。 特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。设计测量路径的基本原则：设计测量路径的基本原则：1）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测头不与工件发）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测

9、头不与工件发生干涉；生干涉；2）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快的速度到达下一测量点；的速度到达下一测量点；3）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。测量路径规划测量路径规划 逆向技术测量实例测量实例 涡轮叶片模具涡轮叶片模具叶片模具型面数据叶片模具型面数据 叶片模具边界数据叶片模具边界数据 共采集数据点共采集数据点24500个个 。逆向技术测量实例测量实例 不同叶片的不同叶片的3D-CT3D-CT层析断层层析断层 自主研发的高解析度自主研发的高解析

10、度3D-CT实验系统实验系统不同叶片的不同叶片的3D-CT层析断层层析断层 逆向技术测量实例测量实例 基于双目视觉的三维数据获取基于双目视觉的三维数据获取自主研发的实验扫描系统自主研发的实验扫描系统蒙皮模具（蒙皮模具（ 长长5m）共采集数据点共采集数据点341212341212个个 成型面点云图成型面点云图逆向技术数字化测量数字化测量测量数据预处理测量数据预处理三维重构三维重构坐标配准坐标配准误差分析误差分析逆向工程关键技术逆向工程关键技术产品产品实物实物数字数字测量测量数据数据处理处理三维三维重构重构坐标坐标配准配准误差误差分析分析CAD模型模型设计设计数据数据逆向技术产品外形数据是通过坐标

11、测量机来获取的，一方面，无论是接触产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面，无论是接触式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对数据进行精简。数据进行精简。主要包括以下内容：

12、主要包括以下内容： 坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割测量数据预处理测量数据预处理逆向技术坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数据失真。据失真。坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先就是要去除数据点集中的坏点。就是要去除数据点集中的坏点。常用方法如下：常用方法如下： 直观检

13、查法直观检查法 曲线检查法曲线检查法 弦高差法弦高差法测量数据预处理测量数据预处理 坏点去除坏点去除逆向技术当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据的空间邻域关系和精简数据。的空间邻域关系和精简数据。在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。到

14、该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。测量数据预处理测量数据预处理 点云精简点云精简3p 保留每个子立方体中距中心点保留每个子立方体中距中心点最近的点。最近的点。逆向技术测量数据（测量数据（24500个） 处理后的数据（处理后的数据（ 4607个）个）测量数据预处理测量数据预处理数据精简实例数据精简实例 精简原则：精简原则：精简距离为精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合，精简后的点云在空间分布均匀，适合数据的后续处理。数据的后续处理。 逆向技术由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会存在

15、一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表存在一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的逆向建模。空白现象，影响曲面的逆向建模。目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有 实物填充法实物填充法 造型设计法造型设计法 曲线、曲面插值补充法曲线、曲面插值补充法测量数据预处理测量数据预处理 数据插补数据插补逆向技术由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果由于在数据测量过程中受到各种人为和

16、随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响平滑的效果。平滑的效果。通常采用的滤波算法：通常采用的滤波算法： 标准高斯标准高斯(Gaussian)法法 平均平均(Averaging)法法 中值中值(Median) 法，法，测量数据预处理测量数据预处理 数据平滑数据平滑逆向技术数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类数据分割是根据组成实物

17、外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成祖，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后型的数据成祖，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。续的曲面模型重建提供方便。常用方法：常用方法： 基于测量的分割基于测量的分割 自动分割自动分割测量数据预处理测量数据预处理 数据分割数据分割测量数据点测量数据点 数据点分割数据点分割 拟合拟合29个二次曲面个二次曲面线框图线框图 渲染图渲染图逆向技术测量数据预处理测量数据预处理 数据分割实例数据分割实例仪表盘原始点云数据仪表盘原始点云数据 分割后的点云分割后的点云根据形状分析，将点云分割为三部分：左端面

18、，中间面，右端面。根据形状分析，将点云分割为三部分：左端面，中间面，右端面。逆求软件提供逆求软件提供多种分割点云的方法多种分割点云的方法逆向技术数字化测量数字化测量测量数据预处理测量数据预处理三维重构三维重构坐标配准坐标配准误差分析误差分析逆向工程关键技术逆向工程关键技术产品产品实物实物数字数字测量测量数据数据处理处理三维三维重构重构坐标坐标配准配准误差误差分析分析CAD模型模型设计设计数据数据逆向技术在逆向工程中，实物的三维在逆向工程中，实物的三维CADCAD模型重构是整个过程最关键、最模型重构是整个过程最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造复杂的一环，因为后续

19、的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CADCAD数学模型的支持。数学模型的支持。这些应用都不同程度地要求重构的这些应用都不同程度地要求重构的CADCAD模型能准确还原实物样件。整模型能准确还原实物样件。整个环节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬个环节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬件和操作者两个因素的影响。件和操作者两个因素的影响。三维重构三维重构点云图点云图 三维模型三维模型逆向技术目前成熟的模型重构方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲目前成熟的模型重构方法根据数据类型

20、、数据来源、造型方式和曲面表示可分为：面表示可分为：按数据类型：按数据类型：分为有序点和散乱点的重构；分为有序点和散乱点的重构；按测量机的类型：按测量机的类型：分为基于分为基于CMMCMM、激光点云、激光点云、CTCT数据和光学测量数据数据和光学测量数据的重构；的重构；按造型方式：按造型方式：可分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合；可分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合；按曲面表示方法：按曲面表示方法：分为边界表示、四边分为边界表示、四边B B样条表示、三角面片和三角样条表示、三角面片和三角网格表示的模型重构等。网格表示的模型重构等。 在模型重构之前，应详细了解模型的前期信息和后续

21、应用要求，以在模型重构之前，应详细了解模型的前期信息和后续应用要求，以选择正确有效的造型方法、支撑软件选择正确有效的造型方法、支撑软件 、模型精度和模型质量。前期信、模型精度和模型质量。前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加工、制作模具、快速原型等。工、制作模具、快速原型等。三维重构三维重构常用方法常用方法逆向技术数字化测量数字化测量测量数据预处理测量数据预处理三维重构三维重构坐标配准坐标配准误差分析误差分析逆向工程关键技术逆向工程关键技术产品产品实物实物数字数字测量测量数据数据处理处理三维三维重构重构

22、坐标坐标配准配准误差误差分析分析CAD模型模型设计设计数据数据逆向技术 坐标配准坐标配准 实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。 测量数据模型与测量数据模型与CADCAD模型间的配准重点：模型间的配准重点： 选择基准选择基准 坐标变换坐标变换选择基准选择基准: : 测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合；测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合； 根据被测物的几何特性自定义。根据被测物的几何特

23、性自定义。逆向技术 坐标配准实例坐标配准实例配准基准：配准基准： 指定的点。指定的点。逆向技术 坐标配准实例坐标配准实例坐标配准坐标配准配准基准：配准基准： 由前缘半径圆心，由前缘半径圆心， 尾缘半径圆心和尾缘半径圆心和 封闭图形的形心组成的三角形。封闭图形的形心组成的三角形。逆向技术 坐标配准实例坐标配准实例配准前配准前 配准后配准后配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。逆向技术 坐标配准实例坐标配准实例配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。（1 1）平面）平面1 1的法向与的法向与Z Z轴同向约束关系；轴同向约束关

24、系；（2 2）圆柱面）圆柱面1 1的轴线与的轴线与Z Z轴重合约束关系；轴重合约束关系；（3 3）平面）平面2 2与与 XYXY平面的重合约束关系；平面的重合约束关系；（4 4）求圆柱面）求圆柱面2 2和自由曲面的交线，该交线与叶片出口端交线的重合约束关系。和自由曲面的交线，该交线与叶片出口端交线的重合约束关系。 配准算法配准算法.doc逆向技术数字化测量数字化测量测量数据预处理测量数据预处理三维重构三维重构坐标配准坐标配准误差分析误差分析逆向工程关键技术逆向工程关键技术产品产品实物实物数字数字测量测量数据数据处理处理三维三维重构重构坐标坐标配准配准误差误差分析分析CAD模型模型设计设计数据数

25、据逆向技术影响误差的主要要素：影响误差的主要要素：（1 1）产品原型误差）产品原型误差 （2 2）数据采集误差）数据采集误差（3 3）曲面重构时产生的误差）曲面重构时产生的误差（4 4）模型配准误差）模型配准误差 误差分析误差分析逆向技术由于逆向工程是根据实物原型来重构模型的，但原产品在制造由于逆向工程是根据实物原型来重构模型的，但原产品在制造时会存在制造误差，使实物几何尺寸和设计参数之间存在偏差，如时会存在制造误差，使实物几何尺寸和设计参数之间存在偏差，如果原型是使用过的还存在磨损误差。果原型是使用过的还存在磨损误差。实际零件实际零件 测量点云测量点云原型误差一般较小，其大小一般在原设计的尺

26、寸公差范围内。原型误差一般较小，其大小一般在原设计的尺寸公差范围内。 误差分析误差分析产品原型误差产品原型误差 逆向技术 测量误差包括测量设备系统误差、测量人员视觉和操作误差测量误差包括测量设备系统误差、测量人员视觉和操作误差、产品变形误差和测头半径补偿误差等。测量误差和设备环境、测、产品变形误差和测头半径补偿误差等。测量误差和设备环境、测量人员的经验等。量人员的经验等。 误差分析误差分析 数据采集误差数据采集误差逆向技术 主要是在逆向工程软件中进行模型重构时，曲线、曲面的拟合主要是在逆向工程软件中进行模型重构时，曲线、曲面的拟合误差，目前的软件常采用最小二乘法误差，目前的软件常采用最小二乘法

27、 逼近来进行样条曲线、曲面拟逼近来进行样条曲线、曲面拟合，因此存在一个允差大小控制问题。合，因此存在一个允差大小控制问题。 误差分析误差分析曲面重构时产生的误差曲面重构时产生的误差蒙皮面板测量蒙皮面板测量 测量点云测量点云 点云处理点云处理逆向技术 误差分析误差分析 模型配准误差模型配准误差 在模型配准过程中，为保证轮廓边界的贴合和共线，配合零件的测量边在模型配准过程中，为保证轮廓边界的贴合和共线，配合零件的测量边界轮廓必须调整为一条配合线，这样对配合零件表面造型时会带来误差，为界轮廓必须调整为一条配合线，这样对配合零件表面造型时会带来误差，为减小误差，轮廓线测量和曲线拟合时要求精确减小误差，轮廓线测量和曲线拟合时要求精确 数据匹配就是实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，其匹配精度数据匹配就是实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，其匹配精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。直接影响后续整体误差结果的可靠性。配准前配准前 配准后配准