逆向工程技术

1、第一节 概述1.1 逆向工程的发展背景逆向工程的发展背景 1.随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者高质量的要求下，功能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件。产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费者的注意。流畅、造型富有个性的产品外观要求必然会使得产品外观由复杂的自由曲面组成。然而传统的产品开发模式（即正向工程）很难用严密、然而传统的产品开发模式（即正向工程）很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由曲面。统一的数学语言来描述这些自由曲面。 2.随着市场竞争的加剧，为了快速的响应市场，产品的周期越来越短，企业界对新产品开发力度也得到不断地加强 。传统的产品开发

2、模式受到挑战。 为此，为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统（RP）、计算机辅助制造系统(CAM)、产品数据管理（PDM)等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步的修改和再设计优化。此时，就需要一个一体化的解决手段：样品样品 数据数据 样品。样品。 逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视。1.2 逆向工程的定义 逆向工程（Reverse engineering，简称RE）,也称反求工程、反向

3、工程等。逆向工程起源于精密测量和质量检测，是80年代发展起来的反向的产品设计思想，是消化和吸收先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合，它以已有的产品或技术为研究对象，将已存在的产品模型或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已存在的产品进行解剖、深化和再创造，是在已有设计基础上的再设计。逆向工程是集测量技术、计算机软硬件技术、现代产品设计与制造技术的综合应用技术2 ，是设计下游向设计上游反馈信息的回路 。 传统的产品开发流程是一种预定模式，即从市场需求出发，分析产品的功能描述、规格及预定指标。然后再进行概念设计、总体设计和零部件设计，制定工艺流程、设计工装夹具，依据产品的设计蓝图

4、完成加工制造。这种设计方法称为正向设计或顺向设计。产品的逆向工程则与之相反，它是从产品的实物样件出发，通过各种测绘技术和几何造型技术将其转化成CAD 模型和图样，再制造产品。它改变了CAD系统从图纸到实物的传统设计模式，为产品的快速开发及原形化设计提供了一条新的途径。 1.与正向工程的区别与正向工程的区别1.3 逆向工程的工作流程 逆向工程由离散数据获取、数据处理与曲面重构、快速制造三大部分组成（其体系结构如图1.1所示）。包含三维数据测量、数据预处理和曲线曲面重构三大关键技术。 逆向工程的一般过程分为样件三维数据获取、数据处理、原形CAD模型重建 、模型评价与修正和快速制造五个阶段。数据处理

5、建构曲线曲面三维重构点数据体素几何模型NC编程CAN加工STL 分层RP 制造 实物样件三维测量图1.1 逆向工程体系结构图1.3 逆向工程的应用领域 1.在产品外形的美学有特别要求的领域，为方便评价其美学效果，设计师广泛利用油泥、黏土或木头等材料进行快速且大量的模型制作，将所要表达的意图以实体的方式呈现出来，而不是采用计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法。此时如何根据造型师制作出来的模型，快速建立三维CAD模型，就必须引入逆向工程技术。 2.当设计需要通过试验测试才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空、汽车制造领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，首先要在实体模型、缩

6、小模型的基础上经过各种性能测试。建立符合产品模型。此类产品通常由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的实验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。 3.在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件模型进行测量的基础上，形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码或快速原型加工所需的数据，复制一个相同的零件。 4.很多物品很难用基本几何来表现与定义，例如流线型产品、艺术浮雕及不规则线条等。 5.逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。 6.广发应用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的损坏零件等 7.特种服装、头盔的

7、制造以使用者的身体为原始依据。 8.应用于RPM技术。第二节 逆向工程的测量系统2.1 三维测量方法的概述 实物样件的三维数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取样件表面立三点的几何坐标数据。只有获取样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的采集、评价、改进、制造。因此，如何高效、高精度的获取样件表面的三维数据，一直是逆向工程研究的内容之一。目前，已出现了多种测量方法 。根据测量时测头和被测表面之间的位置关系，样件的三维数据采集方法可分为接触式和非接触式两大类，接触式有基于力变形原理的触发式和连续扫描式数据采集和基于磁场、超声波的数据采集等。非接触式有激光三角测量法、立体视觉法、激光测距法、光干涉

8、法、结构光学法、图像分析法、CT法等 。1.接触式测量法 接触式数据采集方法是用机械探头接触表面，机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。用于接触式数据采集的机器人装置有很多种。最常见的接触式数据采集方法是坐标测量机（CMM），通常是三坐标测量机。坐标测量机使其接触探头沿被测表面经过编程的路径逐点捕捉表面数据。测量时，可根据实物的特征选择测量位置及方向，测得特征点数据。接触式测量的优点：接触式测量的优点： 接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。 接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。 被测物体固定在三坐标测量机上，

9、并配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的缺点：接触式测量的缺点： 球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定精度，需经常校正探头的直径。 不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。 接触式触发探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度慢。 检测一些内部元件受到限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆直径。 非接触式数据采集方法利用光、声、磁场等。应用光学原理的方法采集数据，细分有三角形法、结构光法、测距法、干涉法、结构光法、图像分析法和逐层扫描数据法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量

10、摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题。获得的密集点云信息量大，精度高，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式测量的优点： 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是所采集到点的位置。 测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。非接触式测量缺点： 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测来检测光点位置，目前的精度仍不够，约为20um以上。 因非接触式探头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响，如颜色、斜率等。 易受环境光线及杂散光的影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。 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。 工件表面的粗糙度会影响测量精度。2.非接触式测量非接触式测量人有了知