逆向工程技术

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 。
（1）由逆向工程中重构得到的模型和实物样件的误 差到底有多大。
（2）所建立的模型是否可以接受。 （3）根据模型制造的零件是否与数学模型相吻合。
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。
1.与正向工程的区别
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。
逆向工程技术
第一节 概述
1.1 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、 统一的数学语言来描述这些自由曲面。
汽车、航空、航天、消费家电、模具和计算机零 部件领域。Imageware作为UG中专门为逆向工程 设计的模块，具有强大的测量数据处理、曲面造 型和误差检测的功能；可以处理几万至几百万的 点云数据；根据这些数据构造的A级曲面具有良 好的品质和连续性；其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 间的误差以及平面度、圆度等几何公差。
4、Raipdform
Raipdform是由韩国INUS Technology公 司推出专业逆向系列软件ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ Raipdform基于3D扫 描数据点云来构建NURBS曲线、曲面和多边形网 格，最终获得无缺陷、高质量的多边形或自由曲 面模型。 Raipdform提供各种工具用于精确的形 状控制和转换，尤其对于工程用，使最终模型具 有高精度的曲面。
CopyCAD能完全控制表面边界的选择，自 动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面， 还能保证相邻表面之间相切的连续性。
3、Geomagic Studio
Geomagic Studio是美国Raindrop Geomagic软件公司推出的逆向工程软件。该软件 是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最 强大的软件，从点云处理到三维曲面重建的时间 通常只有同类产品的三分之一。
3、重构模型质量评价 在逆向工程中，从产品的实物模型，重构得
到了产品的CAD模型，根据这个CAD模型，一方 面可以对原产品进行仿制或者重复制造，另一方 面可以对原始产品进行工程分析、优化结构、实 现改进、创新设计。两个方面都存在这样一个问 题，即重构的CAD模型能否表现产品实物，两者 之间的误差有多大。因此，应予以考虑的模型精 度评价主要解决以下问题：
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。
体素
三维测量
数据处理
实物样件
NC编程 CAN加工
建构曲 线曲面
三维 重构
几何模型
STL 分层 RP 制造
图1.1 逆向工程体系结构图
1、点云数据预处理
非接触式测量方法测得的数据非常庞
大，并常常带有许多杂点、噪声点，影响 后续的曲面、曲线创建过程。因此，需在 曲面重构前，对点云进行一些必要的处理， 以获得满意的数据，为曲面重构过程做好 准备，即点云预处理。点云预处理主要包 括多视点云的对齐、点云过滤、数据精简 和点云分块。
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： ① 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。 ② 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。 ③ 被测物体固定在三坐标测量机上，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： ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。
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 2.1 三维统测量方法的概述
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、光干涉法、结构光学法、图像分析法、 CT法等 。
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。
点数据
2、三维模型重构
三维CAD模型的重构是逆向工程的另一个核 心和主要目的，是后续产品加工制造、快速成形、 工程分析和产品再设计的基础。因此，CAD模型 的重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环。
在逆向工程中，三维CAD模型的重构是利用 产品表面的算乱点数据，通过插值或者拟合，构 建一个近似模型来逼近产品模型。根据曲面拓扑 形式的不同，目前逆向工程研究中，自由曲面建 模手段分为两大类：第一种是以三角Bezier曲面 为基础的曲面构造方法；第二种是以NURBS（非 均匀有理B样条）曲线、曲面为基础的矩形域参数 曲面拟合方法。
该软件由以下模块构成：基础模块，点处理 模块、曲线、曲面模块、检验模块和评估模块。 它处理处理数据的流程遵循“点—曲线—曲面” 原则，流程简单清晰，软件易于使用。
2、CopyCAD
CopyCAD是DELCAM公司的产品，是 一个功能强大逆向工程系统，利用 CopyCAD用户可以快速编辑数字化数据， 并能做出高质量的、复杂的表面。
第三节 专用逆向工程软 件
一个完整的CAD模型重构系统应该包含 以下3个部分：CAD软件、专用的逆向软件 和丰富经验的人员。
目前常用的专用逆向软件有如下四种： Imageware、CopyCAD、Geomagic Studio和Rapidform
1、Imageware 该软件是著名的逆向工程软件，广泛应用于
2.非接触式测量
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： ① 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。 ② 测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。 ③ 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： ① 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。 ② 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。 ③ 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。 ④ 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。 ⑤ 工件表面的粗糙度会影响测量精度。