先进制造技术第4章产品逆向工程西南交大

一.逆向工程概述1.正向工程

一般工业产品开发是从确定预期功能与规格目标开始，构思产品结构，然后进行每个零部件的设计、制造以及检验，再经过装配、性能测试等程序完成整个开发过程，每个零部件都有设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预定模式（prescriptivemodel），此类开发工作称为正向工程（forwardengineering）或正向设计，产品正向开发的流程如图所示。一.逆向工程概述先进制造技术当前第1页\共有47页\编于星期六\21点2.逆向工程逆向工程（ReverseEngineering简称RE），又称反求工程或逆向设计，是将已有产品模型（实物模型）转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术，可有效提高产品的技术水平，缩短设计周期，增强产品竞争力，是消化、吸收先进技术，进而创新和开发各种新产品的重要手段。逆向工程作为吸收先进技术的一种手段，使产品研制周期缩短百分之四十以上。掌握逆向工程技术，对我国国民经济的发展、科学技术水平的提高和企业快速响应市场能力的提升，具有重要的工程意义。一.逆向工程概述先进制造技术当前第2页\共有47页\编于星期六\21点

逆向工程通常是对某一实物样件或模型（称为零件原型，如汽车的外形、鞋楦模等）进行仿制。一.逆向工程概述先进制造技术当前第3页\共有47页\编于星期六\21点

目前，针对已有样件（尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件），可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向软件中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统进一步编辑、修改，由CAM生成刀具NC代码（加工路径）送至数控机床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型机（RP）将样品模型制作出来。一.逆向工程概述先进制造技术当前第4页\共有47页\编于星期六\21点逆向工程主要包括以下四个步骤：(1)

零件原型的数字化(2)

零件原型的特征识别与提取(3)

零件原型CAD模型的重建(4)CAD模型的检验与修正一.逆向工程概述先进制造技术当前第5页\共有47页\编于星期六\21点逆向工程大致应用在以下几种情况：(1)

许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。(2)

外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。(3)

需要通过实验来最终确定零件的形状，(4)

艺术品、考古文物的复制。一.逆向工程概述先进制造技术当前第6页\共有47页\编于星期六\21点一.逆向工程概述(5)

人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。(6)

特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型(7)

在快速原型制造（RPM）中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原形产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。。先进制造技术当前第7页\共有47页\编于星期六\21点反求工程的关键技术有:数据测量技术、数据预处理技术、模型重构及产品制造技术。(1)数据测量技术反求工程中数据测量方法主要分为两种:一种是传统的接触式测量法，如三坐标测量机法；另一种是非接触测量法，如投影光栅法、激光三角形法、工业CT法、核磁共振法(MRI)、自动断层扫描法等。只有获取了高质量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。所以，测量方法的选取是反求工程中一个非常重要的问题。(2)数据预处理技术对得到的测量数据在CAD模型重构之前应进行数据预处理，主要是为了排除噪声数据和异常数据、精简和归并冗余数据，通常包括:①噪声点过滤②数据点分区③数据点精简④数据点平滑。一.逆向工程概述先进制造技术当前第8页\共有47页\编于星期六\21点(3)模型重构及产品制造技术通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的，同时也可以完成产品或模具的制造。一.逆向工程概述先进制造技术当前第9页\共有47页\编于星期六\21点1.逆向工程系统组成(1)测量测头分接触式和非接触式(2)测量机有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等。(3)数据处理软件(4)模型重建软件

(5)CAE软件

(6)数控加工设备

(7)快速原型机(8)产品批量生产设备二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第10页\共有47页\编于星期六\21点二.逆向工程系统及工作原理2.测量方式

逆向工程多用三维立体测量，具体有：接触式测量与非接触式测量。

(1)接触式测量

接触式测量的优点有：

接触式测量不受样件表面的反射特性、颜色及曲率影响，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、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的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。

先进制造技术当前第11页\共有47页\编于星期六\21点接触式测量的缺点有：①确定测量基准点而使用特殊的夹具，测量费用较高。

②测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。

③检测某些轮廓时，可能会有先天的限制。

④以逐点进出方式进行测量，测量速度慢。

⑤测头尖端部分与被测件之间发生局部变形影响测量值的实际读数。⑥不当的操作容易损害样件,也会使测头磨耗、损坏。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第12页\共有47页\编于星期六\21点

采用接触式测头测量时，由于测头半径的影响，得到的坐标数据并不是测头所触及的表面点的坐标，而是测头球心的坐标，如要求得物体真实外形则需要对测头半径进行补偿二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第13页\共有47页\编于星期六\21点(2)非接触式测量

非接触光学测量有如下优点：

①没有测量力

②测量速度和采样频率较高。

③不必进行测头半径的补偿。

④不少光学测头具有大的量程。

⑤

同时探测的信息丰富。

二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第14页\共有47页\编于星期六\21点但非接触式测量也还存在一些缺点：①

测量精度较差。②

使用CCD作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度。③

非接触式测头是接收工件表面的反射光或散射光，测量结果易受环境光线及工件表面的反射特性的影响，噪声较高，噪声信号的处理比较麻烦。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第15页\共有47页\编于星期六\21点激光扫描仪三坐标测量机测量方式非接触式接触式测量精度10～100μm1μm传感器光电接收器件开关器件测量速度1000～12000点／秒人工控制（较慢）前置作业通常表面需喷漆，无基准点设定坐标系统，校正基准面工件材质无限定硬质材质测量死角光学阴影处及光学焦距变化处工件内部不易测量误差随曲面变化大部分失真优点测量速度快，曲面数据获取容易；不必做测头半径补偿；可测量柔软、易碎、不可接触、薄件、皮毛、变形细小等工件；无接触力，不会伤害精密表面。①精度较高；②可直接测量工件的特定几何特征。缺点测量精度较差，无法判别特定几何特征；陡峭面不易测量，激光无法照射到的地方亦无法测量；工件表面与测头表面不垂直，则测得的误差变大；工件表面的明暗程度会影响测量的精度。需逐点测量，速度慢；测量前需做半径补偿；接触力大小会影响测量值；接触力会造成工件及测头表面磨耗，影响光滑度；倾斜面测量时，不易补偿半径，精度低；测量工件内部时，形状尺寸会影响测量值。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第16页\共有47页\编于星期六\21点3.测量设备(1)坐标测量机

坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine，简称CMM）是一种精密的三坐标测量仪器，三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分。三坐标测量机的组成二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第17页\共有47页\编于星期六\21点三坐标测量机的主机结构二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第18页\共有47页\编于星期六\21点二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第19页\共有47页\编于星期六\21点二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第20页\共有47页\编于星期六\21点

CMM是典型的接触式测量系统，一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。使用CMM时必须设定较多参数。一般来说，扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件表面形状不一，故常常要将工件分成不同的区域，使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件，则比较耗时。CMM主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第21页\共有47页\编于星期六\21点(2)多轴关节式机械臂机械臂（Robot）也属于接触式测量仪。这种测量机几乎不受方向限制，可在工作空间做任意方向的测量。精度不高为其主要缺点，一般常用于大型钣金件模具的逆向工程测量。(3)激光扫描测量仪激光扫描测量仪用于非接触式测量。四自由度激光扫描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能，可带动CCD测头做逐线扫描，并配合工件的旋转完成多角度扫描的功能，基本上只要决定点的密度、扫描范围即可，若遇到不感光或是全反射的表面，则必须喷漆或另外处理。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第22页\共有47页\编于星期六\21点(4)激光跟踪测量系统

激光跟踪测量系统属球坐标式测量仪器此类设备较适合做大型物体轮廓的测量，如飞机或汽车外型等。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第23页\共有47页\编于星期六\21点(a)硬式测头(b)触发式测头(c)模拟式测头4.接触式测头及工作原理

硬式测头（HardProbe或MechanicalProbe）、触发式测头（TouchTriggerProbe）及模拟式测头（AnalogProbe）等三种。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第24页\共有47页\编于星期六\21点(1)硬式测头

硬式测头即机械测头，硬测头多用于精度要求不太高的小型测量机中，成本较低、操作简单。(2)触发式测头触发式测头采用电子开关机构，触发信号由电子开关控制，其重复性、准确性均较高，可达1μm以内，不受人为因素影响.二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第25页\共有47页\编于星期六\21点(3)模拟式测头模拟式测头接触工件时会有侧向位移，光栅尺被感应，产生电压变化，此模拟电压信号转换成数字信号送入处理器记录下来，这种测量方式称为模拟式测量。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第26页\共有47页\编于星期六\21点二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第27页\共有47页\编于星期六\21点5.非接触式测头及其工作原理

非接触式测头一般用于不规则曲面的测量。非接触式测主要以光学测头为主，随着光电子技术的发展，光学测头已经是探测技术的一个重要发展方向。光学测头一般是基于三角法测量原理。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第28页\共有47页\编于星期六\21点（a）点测量（b）线测量（c）面测量二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第29页\共有47页\编于星期六\21点(a)直射式结构(b)斜射式结构1－激光器；2－汇聚透镜；3－被测表面；4－接收透镜；5－光电探测器(1)三角法位移测量原理

单点式激光三角法测量有直射式和斜射式两种结构。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第30页\共有47页\编于星期六\21点(2)立体视觉测量技术立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（或多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。二.逆向工程系统及工作原理先进制造技术当前第31页\共有47页\编于星期六\21点产品外形数据是通过坐标测量仪来获取的，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。同时由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺口，给后续的造型带来影响。所以需要对测量数据进行平滑处理、不同方位测量的多视数据进行对齐定位、不同特征区域的数据进行分割。三.测量数据预处理技术先进制造技术当前第32页\共有47页\编于星期六\21点1.数据平滑

数据平滑的目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。三.测量数据预处理技术先进制造技术当前第33页\共有47页\编于星期六\21点2.多视数据对齐定位在逆向工程实际过程中，对实物样件进行数字化时，往往不能在同一坐标系下将产品的几何数据一次测出。得到的数据为多次测量数据。对激光扫描测量，需要从不同的角度对样件的各个面，以及样件局部进行放大扫描，以获取样件的多视点云。通常为处理方便，将两种情况的数据都称为多视数据或点云，由于在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中，这个数据处理过程称为多视数据的对齐(Registration)，或数据拼合、重定位等。三.测量数据预处理技术先进制造技术当前第34页\共有47页\编于星期六\21点3.数据分割数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，

数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法。

测量的分割:适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量，操作者的水平和经验对结果将产生直接影响。

自动分割:基于边,基于面。三.测量数据预处理技术先进制造技术当前第35页\共有47页\编于星期六\21点在逆向工程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一个环节，因为后续的产品加工制造、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CAD数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确的还原实物样件，所以点数据的处理、曲面的构建方式以及完整的修编和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建相当重要的部分。四.模型重建技术先进制造技术当前第36页\共有47页\编于星期六\21点1.曲线拟合造型(1)曲线拟合（插值与逼近）

逼近:样条曲线四.模型重建技术先进制造技术当前第37页\共有47页\编于星期六\21点(2)曲线修编对曲线进行修形操作，修补由于测量数据的不完整带来的拟合曲线缺陷;具有完整、连续、光滑的特点，以保证生成曲面的光顺性。(3)基于曲线的曲面重建

在曲线造型完成后，可以通过不同曲面造型方法，进行曲面模型的重建工作，主要的曲面造型方式有：边界曲线、N边曲面、平行曲面、扫掠、混合、旋转、拉伸（Extend）和直纹面等。四.模型重建技术先进制造技术当前第38页\共有47页\编于星期六\21点四.模型重建技术先进制造技术当前第39页\共有47页\编于星期六\21点2.曲面拟合造型直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片后，经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型，曲面直接拟合造型既可以处理有序点，也能处理点云数据。四.模型重建技术先进制造技术当前第40页\共有47页\编于星期六\21点3.曲面编辑

曲面延伸、曲面修剪、曲面参数重新定义等，四.模型重建技术先进制造技术当前第41页\共有47页\编于星期六\21点4.模型精度的评价(1)模型精度评价指标

整体指标;局部指标。(2)模型精度评价方法

高斯曲率(GuassianCurvature)、截面曲率(SectionCurvature)、切矢(Slope)、双向曲率（Porcupine)、法向矢量(Normals)。四.模型重建技术先进制造技术当前第42页\共有47页\编于星期六\21点曲面的连续性大致分为位置连续、切线连续与曲率连续。位置连续（0阶连续）切线连续（1阶连续）曲率连续（2阶连续）四.模型重建技术先进制造技术当前第43页\共有47页\编于星期六\21点5.逆向工程软件

专业的逆向工程软件:英国DelCAM公司产品CopyCAD、美国Imageware公司的Surfacer、美国Raindrop公司的Geomagic、英国MDTV公司的STRIM。

CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似功能模块，如Pro/Engineer中的Pro/Scantools和ICEMSurf模块、UG中的PointCloud功能、Cimatron中的ReverseEngineering功能模块等，这些系统可以接受有序点，也可以接受点云数据，极大地方便了设计人员，但与专业的逆向工程软件相比，它们的功能相当有限。四.模型重建技术先进制造技术当前第44页\共有47页\编于星期六\21点1.快速原型技术的基本过程(1)构造产品的三维CAD