第1章逆向工程课件

第1章逆向工程第1章逆向工程[内容提要]

本章是对逆向工程的简介，包括逆向工程的定义、逆向工程的应用和逆向工程中的关键技术等。[学习重点]●了解逆向工程概念及其工艺流程●掌握CAD模型重构的工艺流程[内容提要]1.1逆向工程的定义1.1逆向工程的定义

“逆向工程”(ReverseEngineering，RE)，也称反求工程、反向工程、三坐标点测绘、三坐标点造型、抄数等。它是将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转换为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。它源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。“逆向工程”(ReverseEngineeri第1章逆向工程课件第1章逆向工程课件1.2逆向工程的应用1.2逆向工程的应用

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的高度重视。从此以后，由于市场发展的需求，有关逆向工程技术的研究就一直备受关注，而且逆向工程技术在制造业领域中的应用也越来越广泛。逆向工程有以下一些应用背景。作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆(1)尽管计算机辅助设计(CAD)技术发展迅速，各种商业软件的功能日益增强，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在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。(1)尽管计算机辅助设计(CAD)技术发展迅速，各种(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。(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAE来完成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状。例如，在模具制造中经常需要通过反复试冲和修改模具型面方可得到最终的、符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性(4)以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的一条设计理念。目前，我国在设计制造方面与发达国家还有一定的差距，利用逆向工程技术可以充分吸收国外先进的设计制造成果，使我国的产品设计立于更高的起点，同时加快某些产品的国产化速度。(4)以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的一条设(5)艺术品、考古文物的复制。

兖州市鎏金银棺的保护工作

(5)艺术品、考古文物的复制。兖州市鎏金银棺的保护工(6)人体中的骨头、关节等的复制，假肢制造，以及特种服装、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。(6)人体中的骨头、关节等的复制，假肢制造，以及特种服装、头(7)在RPM应用中，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型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过多次迭代可使产品完善。

(8)借助于层析X射线摄像法(CT技术)，逆向工程不仅可以产生物体的外部形态，而且可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。除了以上提到的应用背景，在其他的应用背景上逆向工程技术也存在着巨大的潜能。(7)在RPM应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆1.3逆向工程中的关键技术1.3逆向工程中的关键技术1．三坐标测量数据处理

三坐标测量的技术要求可以用下面20个字来概括：数据整齐、方向合理、分层分色、疏密有致、对称测半。在质量上要求信息充分，精度达标，适应造型需要；在效率上要求满足造型需求，减少冗余数据。三坐标测量在功能扩充上还有超大超长柔性工件测量及数据处理。1．三坐标测量数据处理三坐标测量的技术要求可以用下面

一般来说，三维表面数据的采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类。

接触式有触发式和连续扫描式数据采集，还有基于磁场、超声波的数据采集等。接触式的三坐标测量设备有三坐标测量划线机、三坐标测量机、机械手和机械臂等一般来说，三维表面数据的采集方法可分为接触式数据

非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等。非接触式测量的三坐标测量设备有投影机、数码成像机、激光扫描机等非接触式主要有激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、2．复杂曲面的造型曲面构造是CAD逆向造型中的重要环节。在曲面构造中常常碰到一些十分复杂的曲面，对这些复杂曲面进行造型就成为逆向工程中的一项关键技术。在构造曲面时还要注意把握产品的特征，这也是至关重要的，只有做到了这一点，才能保证构造出来的曲面符合要求，即曲面构造光顺，特征表达清晰、准确、流畅。2．复杂曲面的造型3．产品缺陷处理在逆向造型时，碰到的产品经常存在这样或那样的缺陷，比如变形或要进行误差修正。碰到变形的产品时，在逆向造型时要尽量使其恢复到原来的样子。误差修正属于测量缺陷的处理，由于测量的数据存在着明显的误差，在逆向造型时，工程师们要根据自己逆向造型的经验对其进行误差修正。3．产品缺陷处理4．特殊的技巧在逆向造型时还有其他一些比较常用的特殊技巧，如展开、抛物面计算、特殊编程等。5．高品质或A级曲面高品质或者A级曲面在汽车、航空航天以及家用电器的设计中经常用到。这类曲面要求相当高的光顺性。

A级曲面设计者所追求的经典数值是，位置连续性误差不大于0.001mm，相切连续性误差不大于0.05°，曲率连续性根据情况而定。但是，A级曲面设计的视觉效果要求与触觉效果一致。4．特殊的技巧1.4CAD模型重建1.4CAD模型重建CAD模型重建，即逆向造型，是根据坐标测量机得到的数据点实物对象的模型。根据实物外形的数字化信息，可以将测量得到的数据点分成两类：有序点和无序点(散乱点)。由不同的数据类型，形成了不同的模型重建技术。CAD模型重建，即逆向造型，是根据坐标测量机得到的数

目前较成熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常用的曲面模型有Bezier、B-Spline(B样条)、NURBS(非均匀有理B样条)和三角Beizer曲面。目前较成熟的方法是通过重构外形曲面来实现实物重建。常

逆向工程的CAD模型重构过程主要包括：点处理过程曲线处理过程面处理过程逆向工程的CAD模型重构过程主要包括：点处理过程：对已经存在的物理模型进行分析决定什么是下游工程的需要用各种测量技术从模型中得到点的数据读入点云的数据(如有需要对齐点云数据)清除不需要的点规划创建面所需的点并显示这些点点处理过程：第1章逆向工程课件曲线处理过程：规划要创建曲线的类型由已经存在的点创建曲线检查和修改曲线曲线处理过程：第1章逆向工程课件面处理过程：规划要创建的曲面的类型由已经存在的曲线或者点云创建曲面检查和修改曲面面处理过程：第1章逆向工程课件

这一部分工作主要使用逆向工程软件实现，目前进行CAD模型重建对CAD支撑系统有两种选择方案：一是基于正向的商品化CAD／CAE／CAM系统软件，如美国EDS公司的I-deas、UG、CATIA，美国PTC公司的Pro／Engineer，法国Matra公司的Strim，日本HZS公司的GRADE／CUBE--NC等：二是选择专用的逆向造型软件，如lmageware、ICEMSURF、Paraform、Geomagic等。这一部分工作主要使用逆向工程软件实现，目前进行CAD

采用“正向”技术路线的基本步骤是“点--线--面”特点是测量密度较小，速度较慢；其测量方式为接触式测量，适用对象是柔性多配合产品。若采用“正向”技术路线，推荐使用的逆向工程软件即为UG或CATIA等正向的软件。采用“逆向”技术路线的基本步骤是“点--面”特点是测量密度大，速度快：其测量方式多为非接触扫描测量，适用对象是刚性非配合产品。若采用“逆向”技术路线，则推荐使用的逆向工程软件为Imageware或ICEMSURF等逆向造型软件。采用“正向”技术路线的基本步骤是“点--线--面”特典型逆向工程软件介绍（见讲义）典型逆向工程软件介绍（见讲义）点云数据获取方法点云数据获取方法逆向工程采用的测量方法主要有2种：测量方法的综述1)接触式测量法，如三坐标测量机（CMM)、机械手；2)非接触式测量法，如投影光栅法、激光三角形法、立体视觉法、声波法、业CT扫描法、核磁共振法、自动断层扫描法等逆向工程采用的测量方法主要有2种：测量方法的综述1)接触式测各种三维测量方法的特点各种三维测量方法的特点部分测量方法简介

1．投影光栅法投影光栅法的基本原理是将光栅投影到被测物体表面上，受到被测样件表面高度的调制，光栅影线发生变形。通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的高度信息。部分测量方法简介1．投影光栅法该方法的主要优点是实际测量范围大、速度快、成本低、易于实现。缺点是精度低，且只能测量表面起伏不大的较平坦物体，对表面变化剧烈的物体，在陡峭处会发生相位突变，使测量精度降低。该方法的主要优点是实际测量范围大、速度快、成本低、易于实现。2.超声波法超声波法的原理是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔就可以计算出各面到零点的距离。这种方法结构简单，但测速较慢，测量精度不稳定，目前主要用于物体的无损检测和壁厚测量。2.超声波法3.工业CT扫描法工业CT技术（IndustrialComputedTomography)适合于测量具有复杂的内部几何形状的物体，利用它可直接获取物体的截面数据，正好与快速成型方法匹配。它是根据CT图像来重构三维模型，然后转化为可以为激光快速成型设备所采用的STL或CLI文件格式。工业CT是目前最先进的非接触测量方法，它可在不破坏零件的情况下，准确地对物体的内部形状、壁厚，尤其是内部结构进行测量，这是其他测量方式所难以做到的，而且对零件的材料没有限制。但是，CT测量方法也存在着测量系统的空间分辨率低、获取数据时间长、重建图像计算量大、设备造价高的缺点。3.工业CT扫描法工业CT技术（Industrial4.逐层切削照相测量逐层切削照相测量是一种新兴的断层测量技术。它以极小的厚度去逐层切削实物（最小可达士0.01mm)，并对每一断面进行照相，获取截面图像数据，其测量精度达士0.02mm，是目前断层测量精度最髙的方法，且成本较低，与工业CT相比，价格便宜70%〜80%，但它的致命缺点是破坏了零件。4.逐层切削照相测量5.核磁共振（MRI)法磁共振成像技术（MRI)也称为核磁共振。该技术的理论基础是核物理学的磁共振理论，是20世纪70年代末以后发展起来的一种新式医疗诊断影像技术。其基本原理是用磁场来标定人体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动恢复到静态场的平衡时，把吸收的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号，信号输人计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。它能深人物体内部且不破坏物体，对生物没有损害，在医疗上具有广泛应用。但其不足之处在于造价极为昂贵，空间分辨率不及CT，且目前对非生物材料（比如金属材料）不适用。5.核磁共振（MRI)法三坐标测量机三坐标测量机是一种通用的三维长度测量仪器，是由三个相互垂直的测量轴和各自的长度测量系统组成的机械主体，结合测头系统、控制系统、数据采集与计算机系统等构成坐标测量系统的主要系统元件，测量时把被测件置于测量机的测量空间中，通过机器运动系统带动传感器即测头实现对测量空间内任意位置的被测点的瞄准，当瞄准实现时测头即发出读数信号，通过测量系统就可得到被测点的几何坐标值，根据这些点的空间坐标值，经过数学运算求出待测的几何尺寸和相互位置关系。三坐标测量机三坐标测量机是一种通用的三维长度测量仪器第1章逆向工程课件第1章逆向工程课件第1章逆向工程课件激光三角测量技术激光三角形法是一种比较传统的测量方法，近年来，它在诸多领域都有着广泛的应用。与其他非接触式测量方法相比，具有大的偏置距离和大的测量范围，对待测表面要求较低，不仅适合小件物体的轮廓测量也非常适合大型物体的形貌体积测量，而且测量系统的结构非常的简单，维护也非常方便，是一种高速、高效、高精度的并具有广阔应用前景的非接触式测量方法。激光三角测量技术激光三角形法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种非接触式测量方法。激光三角形法的基本原理是利用具有规则几何形状的激光束或模拟探针沿样品表面连续扫描，被测表面形成的漫反射光点（光带）在光路中安置的图像传感器上成像，按照三角形原理，测出被测点的空间坐标激光三角形法是目前最成熟，也是应用最广泛的一种非接触第1章逆向工程课件第1章逆向工程课件第1章逆向工程课件激光三角形法测量速度快、精度高。激光扫描被测物体既可以是硬质工件也可以是柔软样件。其缺点是对被测表面粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，存在“阴影效应”，限制了探头的适用范围；不能测量激光照射不到的位置，对突变的台阶和深孔结构易于发生数据丢失；扫描得到的数据量较大，需经过专门的逆向工程数据处理软件建立曲面模型，且曲面边缘和结合部分的数据需人工修整。激光三角形法测量速度快、精度高。激光扫描被测物体既可双目立体视觉测量技术1.光学三角法光学三角法是以传统几何学中的三角测量为基础，用光学三角测距原理构成多种多样的视觉传感器，主要分为点结构光法、线结构光法和编码面结构光法。双目立体视觉测量技术1.光学三角法

点结构光法激光器投射一个光点到待测物体表面，被测点的空间坐标可由投射光束的空间位置和被测点成像位置所决定的视线空间位置计算得到。由于每次只有一点被测量，为了形成完整的三维面形，必须有附加的二维扫描。它的优点是信号处理比较简单，缺点是需对光束作二维方向的扫描。点结构光法激光器投射一个光点到待测物体表面，被测点的线结构光法系统由线光源和面阵CCD摄像机组成。线光源产生一个光平面，投射到被测物体表面而形成一条光带。根据上述同样的原理，被光源照明的物体上各点的三维位置可通过图像中在像平面上的坐标以及光束平面的空间位置等参数得到。由于一次只能得到一条光带上的三维数据，因此为获得完整的三维面形，需要进行一维扫描。与点结构光法相比，其硬件结构比较简单，数据处理所需的时间也较少。线结构光法系统由线光源和面阵CCD摄像机组成。线光源码面结构光法系统是由一投影仪、一面阵CCD组成。结构光照明系统投射一个二维图形（该图形可以是多种形式）到待测物体表面，如将一幅网格状图案的光束投射到物体表面，三维面形同样可通过三角法计算得到。它的特点是不需扫描，适合动态测量。总之，三角法精度很高，但摄像机可能接收不到部分照明区，造成部分数据的丢失。码面结构光法系统是由一投影仪、一面阵CCD组成。结2.成像雷达法成像雷达法的测量原理基于飞行时间法（time-of-light)。飞行时间法利用波源发射光波测量信号，通过计算待测物体反射回来的时间差得到至一物体的距离，根据发射波和接收波的相位变化，可得到待测物的轮廓深度，也可以利用相位分割的方式提升返回信号的解析度，目前也有配合外差干涉技术的激光多普勒位移器，精度相当高。这一方法的特点是在大范围内仍可保持较高的精度，但测量速度慢，且造价高。2.成像雷达法3.Moire条纹法Moire条纹法是光源发出的光线通过—光栅投射到待测景物表面，其反射光回到光栅处与新的发射光产生干涉，从而在接收器上获得Moire条纹。Moire条纹本身可看成是一种距离的增量编码，通过对Moire条纹的分析和检测可以获得物体表面的深度图。其系统的精度主要取决于光学光栅的精度和图像特征的提取精度。3.Moire条纹法4.聚焦法聚焦法的工作原理是通过将激光器和接收器固定在一个精密三维工作台上，激光器发出光束在被测物体表面形成细小光斑，然后利用位置探测器求取光斑大小及位置，再通过闭环控制系统调节三维工作台移动至最佳位置，最后从工作台