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1、二、逆向工程组成定义定义逆向工程（ReverseEngineering）也称反求工程、反向工程等，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法，重构实物的CAD模型，从而实现产品设计与制造的过程。第1页/共45页逆向工程框图 第2页/共45页与传统的与传统的“产品概念设计产品概念设计产品产品模型模型产品产品(物理模型物理模型)”的的正向工程相反正向工程相反。逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的情。逆向工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样品表面数据或轮廓外形，加况下，利用三维扫描测量仪，准确快速地测量样
2、品表面数据或轮廓外形，加以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过以点数据处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通过CAM系统进行数系统进行数控编程，直至利用控编程，直至利用CNC加工机床或快速成型机来制造产品。加工机床或快速成型机来制造产品。特特 点点第3页/共45页2、逆向工程结构组成（1）逆向工程技术的硬件条件三维数据信息的提取是逆向工程技术设计中的重要内容，为产品三维信息的获取提供了硬件条件。德国GOM公司逆向（逆向）技术的软硬件技术与设备-AtosII流动式光学扫描仪、Tritop三维照相测量系统。英国LK公司的精密三坐标测量设备(非接触式)。体现了检测设备的高速化、廉价化和
3、功能复合化的特点。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，但设备成本较高。第4页/共45页（2）逆向工程技术实施的软件条件目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、CopyCAD。一些CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它商品化软件(如Delcam、Cimatro
4、n和Strim)的功能模块也逐渐丰富起来。为逆向工程的实施提供了软件条件。第5页/共45页第6页/共45页我国清华大学、华中科技大学、天津大学、西安交通大学等众多高校近年来也加强了对反求工程测量设备的研发,现已实现产品化,并广泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工等行业中。由于国产设备价格远远低于国外,且功能不断增强,因此有较大的发展潜力与竞争力。第7页/共45页（）（）零件原形的数字化 通常采用三坐标测量机(CMM)(CMM)或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。激光测量可以采用CCD相机和3D激光扫描相结合，CCD相机用来确定实物的空间位置，指导测量路径的编程。激光扫描的
5、速度已经达到15000点/秒，测得的数据量很大，可以充分表示零件表面信息，非常适合对于复杂自由曲面的测量。利用高分辨率CCD相机拍照片的方法，应用Tritop软件，通过定义相机型号、定义比例尺、定义计算参数、自动读取相片、进行完全计算，计算出非数码点、定义坐标系等过程，通过数码照片得到单张的点云数据。3.逆向工程阶段划分第8页/共45页测量方法分类第9页/共45页 测量数据的定位（registration)需要将多次测量的数据转换到同一个坐标系中，形成同一坐标系下的一个完整的测量数据及图像。可将单张点云数据输入Atos软件，将测得的单张点云数据拼接成整张点云数据。第10页/共45页（）数据点的
6、处理几何特征提取 按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。第11页/共45页（）曲面重构 将分割后的三维数据在CADCAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CADCAD模型。（）模型的检验与修正 采用根据获得的CADCAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CADCAD模型是否满足精度或其他试验性能指标，对不满足要求者,重复以上过程，直至达到零件的设计要求。（5 5）后续处理 CNC RPMCNC RPM第12页/共45页曲面重构可以说是逆向工程的核心，是以所量测的CMMCMM或扫瞄点数据为
7、输入数据来重新建构曲面模型。得到产品的数据后，选取适当的算法（或用逆向工程软件）进行点数据的处理，如:格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、点线面与实体误差的比对后，再重新建构曲面模型，产生CADCAD数据。4、曲面重构第13页/共45页曲面重构框图第14页/共45页（1 1）扫瞄数据庞大 数据点的处理，分块等（2 2）复合曲面特征数据提取 一般而言，CADCAD模型是由许多不同的几何形状所组合而成，而每一种几何形状皆有其特性（二次曲面特征自由曲面特征提取）。（3 3）曲面的光顺效果难以保证 精度和光顺性有时是一对矛盾。曲面重构时面临的困难:第15页/共45页三、逆向工程的应用1、逆向工程包括形状反
8、求、工艺反求和材料反求等几个方面（推测原设计者的设计意图），在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：(1)(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或仿形设计（在原有产品基础上的创新）。(2)(2)现成零件测量及复制，再现原产品的设计意图及重构三维数字化模型。(3)(3)损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制。第16页/共45页(4)(4)产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以及对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。（5 5）艺术品、考古文物（稀世珍品）的复制。（6 6）人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造（医学）。（7 7）特种服装、头盔的制造等（航空服装）。定制第1
9、7页/共45页逆向工程开发流程第18页/共45页2 逆向工程系统接口1NC1NC代码输出 将扫描点经过数字化点处理后（或者CADCAD重构），直接输出NCNC程序；2CAE2CAE网格信息输出 将扫描信息直接转化为网格信息，输入到CAECAE系统，进行数据分析；3STL3STL输出 将扫描信息进行表面三角化，生成STLSTL文件，实现快速原型制造RPMRPM，从而实现设计、制造、检测集成闭环系统；4CAD4CAD输出 将产品模型信息输出到CADCAD系统，实现产品再设计。第19页/共45页逆向工程技术并不是孤立的，它和测量技术、CAD/CAMCAD/CAM技术有着千丝万缕的联系。最终目标：从理
10、论角度分析，逆向工程技术能按照产品的测量数据建立与现有CAD/CAMCAD/CAM系统完全兼容的数字模型；但目前人们所掌握的技术，包括工程上的和理论上的（如曲面建模理论），尚无法满足这种要求。特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模，更是远没有达到直接在CADCAD系统中应用的程度（希望增加智能，测量后能够通过软件系统。3、逆向工程在CAD/CAM体系中的应用第20页/共45页应用举例逆向工程技术的应用图测量点云及其定位（1）读入点云数据。）读入点云数据。Surfacer 可以接收可以接收几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以接收其它格式，例如：接收其它
11、格式，例如：STL、VDA 等。等。将点群资料计算成三角形网格，可判断点将点群资料计算成三角形网格，可判断点群特征形状，利用网格的着色功能可观察群特征形状，利用网格的着色功能可观察点群的外观。点群的外观。（2）对点云数据进行判断，去除噪音点）对点云数据进行判断，去除噪音点(即测量误差点即测量误差点)。在进行曲面拟合之前，要对数据点云进行在进行曲面拟合之前，要对数据点云进行判断并去除噪声点，以保证结果的准确性判断并去除噪声点，以保证结果的准确性和精确性。和精确性。Surfacer 有很多工具来对点有很多工具来对点云进行判断并去掉噪音点，以保证结果的云进行判断并去掉噪音点，以保证结果的准确性。通过
12、可视化点云观察和判断，规准确性。通过可视化点云观察和判断，规划如何创建曲面。划如何创建曲面。第21页/共45页（3）定位（registration）由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点云，一般测量设备得到的点群资料，并不在绘图坐标系上。因此，需要将点群资料，移动、定位到方便绘图的坐标位置上，即定位操作。Surfacer可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的特征信息将点云准确对齐。针对如图2（a）所示点云形状，其底面为一个平面，有以下几个步骤完成定位：（1）从底面点云中构造新点云，再用所构造点云生成一个平面；（
13、2）选取显示菜单，视线对齐所构平面；（3）旋转90度方向后，利用interactive切片生成两个切片点云；（4）用切片点云生成二个圆，通过两个圆心构造一条直线；至此，定位的二个条件：一个底平面和一条直线已经生成，与点云一起构成群组，如图2所示。（5）在构图坐标系中，生成一个平面和一条直线，对群组用Stepwise Registration完成定位，如图2（c）所示。（6）定位完成后，调用Reset Home Xform执行新的坐标位置设定，Reset Xform将物体的设定坐标转换成与原点坐标一致，这两个选项配套使用。第22页/共45页3.2 曲线创建过程 自由曲面点云数据经分段或切片之后，
14、应根据需要判断和决定生成哪种类型的曲线。在反求工程中，最终目标是希望生成准确度高而且光顺性好的曲线、曲面，而准确度和光顺性永远是矛盾的。（1）判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺的(反映点云代表的曲线主要形状)，或介于两者之间，根据构造实体类型选择生成曲线的类型。（2）创建曲线。由切片点云根据需要创建曲线，同时可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。对点云信息运用Cross Section生成平行切片点云，而后构造相应圆弧曲线,如图3所示。第23页/共45页图3 曲线生成第24页/共45页（3）诊断和修改曲线。可以通
15、过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。Surfacer 提供很多工具来调整和修改曲线。第25页/共45页3.3 曲面创建过程 在点的处理、曲线的处理和曲面处理的整个过程中，可以用Surfacer软件提供的各种诊断方法来保证精度。用前边生成的圆弧曲线作为截面线，用Loft命令生成曲面，注意所有生成曲面的线，有相同的方向和起始点，否则生成的曲面可能扭曲。第26页/共45页对顶面提取点云，生成一个平面并延伸一定距离；对生成的Loft曲面延伸一定距离使得与上下两个面相交；求出Loft曲面与上下两个平面的交线并修剪，从而得到
16、构造的曲面实体形状，如图4所示 第27页/共45页3.4 诊断和修改曲面误差比对比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其它曲面的连续性，并且可以进行修改，例如可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。由图4可以看出，构造曲面与点云的最大误差0.2039可以满足应用要求，这样的重构精度可以接受。第28页/共45页（）用MasterCAM等软件进一步处理模型可以通过接口文件导入到其他系统（UGUG、IdeasIdeas、SolidWorkSolidWork等）中进行进一步的处理（编辑、修改、光照仿真等操作）。第29页/共45页逆向工程在汽车车身设计中的应用车身外覆盖件的逆向
17、工作流程第30页/共45页在车身外覆盖件逆向工程应用中有三项关键技术 (1)(1)快速、准确的从1 1：1 1 汽车车身油泥模型上采集三维点云数据。(2)(2)快速、高质量的创建曲面数学模型。(3)(3)对曲面数学模型做正确的分析与评估。关键技术第31页/共45页车身外覆盖件数据车身外覆盖件数据测量中，主体采用光栅测量中，主体采用光栅投影式测量方法，其后投影式测量方法，其后采用接触式三坐标测量采用接触式三坐标测量对车身上的曲面特征线对车身上的曲面特征线进行测量，最终获得完进行测量，最终获得完整的车身外覆盖件的点整的车身外覆盖件的点云数据。如图云数据。如图1 1 所示所示 图1 点云数据（）三维
18、点云数据的采集 第32页/共45页（）车身覆盖件的分块（）车身覆盖件的分块车身覆盖件的表面是由若干个自由曲面片所组成的。这些曲面片大小、形状都存在着差异。如何将车身覆盖件表面分成合理的自由曲面分块，是构造车身覆盖件曲面数学模型的关键准备技术。如图2 2所示图2 自由曲面分块 第33页/共45页在车身外覆盖件曲面模型的建立过程中，通常的构造方法有三种：a.a.网格曲面：又称点到面。即直接由点云数据生成曲面片，软件直接通过从点云数据中提取的纵横交错的点云网格，使用U U、V V 两个方向参数线逼近点云数据的方法拟合曲面，该种方法多用于风挡玻璃的曲面模型的构造中。（）曲面的建立和光顺第34页/共45
19、页自由曲面的拼接，就是将已经光顺好的自由曲面用过渡曲面连接起来。在车身外覆盖件应用逆向工程的过程中，曲面的拼接与裁剪是一个很重要的环节。曲面的拼接处多是高光轮廓线和明暗对比效果明显的部位，曲面的拼接质量将直接影响到车身整体的视觉效果。在车身外覆盖件逆向工程设计中，有几个重要的过渡曲面对整车的造型效果影响很大，需要从不同的视觉角度进行正常光和高光检查，对曲面进行适当的光顺调整，以确保达到造型设计师的效果要求。（）自由曲面的拼接与裁剪第35页/共45页曲面质量的分析与评估主要包括几何精度分析与评估和光顺效果分析与评估。在车身外覆盖件逆向工程设计中，曲面质量的分析与评估主要分以下几种：a.a.在初步
20、构造曲面和光顺曲面过程中对单一曲面的检查：对单一曲面的分析与评估中，利用软件中检查工具模块，首先对生成的单个曲面进行简单的上光着色检查，以确认构造的曲面光顺，无扭曲、凸凹等现象。在保证曲面光顺的基础上，对曲面进行与点云数据的几何分析评估。（）曲面质量的分析与评估第36页/共45页b.b.构造过程中对多个曲面进行检查：通过软件中的检查功能，对多个相连曲面进行光顺检查。不当的连接会使曲面的修改产生困难。两个曲面的连接处不能出现T T 型连接和错位连接。c.c.在曲面精修完成后，对曲面的光顺性做最终检查：该项检查是在所有外覆盖件曲面模型建立完毕后进行的。通过构建的曲面模型，通过数控加工制出钢制车身外
21、覆盖件模型表面，组成一个完整的车身外覆盖件主模型。第37页/共45页d.d.在光照用不同光源性质的检测灯，从不同的角度对车身外覆盖件主模型进行光谱检查，最终由造型设计师来确认整个车身外覆盖件曲面模型是否符合设计要求，如在光照下有不完善或为完全突出所设计的造型效果的地方，则对曲面进行进一步的修改，直至达到造型的效果要求（光谱检查基本要求：光谱形状的疏密变化应均匀，在曲面的连接处不应有错位）。第38页/共45页显像管显像管玻壳模玻壳模具逆向具逆向设计设计第39页/共45页采用逆向工程技术，不仅能够得到采用逆向工程技术，不仅能够得到实物的精实物的精确数字模型和复制品确数字模型和复制品，而且还可以进一
22、步，而且还可以进一步修改修改并生成新的数学模型和产品工程图并生成新的数学模型和产品工程图，从而使产，从而使产品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。不但品的消化吸收和二次开发工作准确快捷。不但缩短了产品开发周期，而且提高了产品创新的缩短了产品开发周期，而且提高了产品创新的成功率。同时，逆向工程又作为对已有产品进成功率。同时，逆向工程又作为对已有产品进行数据测量拟合、分析、改进设计和实现新产行数据测量拟合、分析、改进设计和实现新产品开发的一种重要手段，品开发的一种重要手段，有效地加快了新产品有效地加快了新产品响应市场的速度。响应市场的速度。第40页/共45页四、逆向工程发展的瓶颈对实物外形的测量仍存
23、在误差和遗漏。复杂曲面特征识别的难度较大。曲面光顺是一项最难操纵的技术，并且没有一个整体曲面光顺的方法。软件的数据处理技术和造型技术仍不完善。软件间的接口和转换文件无法完全兼容。第41页/共45页五、逆向工程技术的未来发展离散数据的几何造型涉及和需要解决的问题很多，如：造型方法地选择、拓扑结构地捕获、网格生成算法和网格优化、曲面控制点地参数优化、曲面的拼接等无不是逆向工程的热点。1 1、为了加速逆向工程的发展，应用图像处理和神经网络实现参数优化和曲面重构的技术正在研究之中。2 2、神经网络技术的优点在于通过动态学习取样点，能够产生直观的结果。神经网络算法实际上是学习原来数据而收敛于扫描物体的几
24、何形状，也可以应用于数据分段和拓扑关系的提取。第42页/共45页（1 1）数据测量，发展面向逆向工程的专用测量系统，高速、高精度地实现实物外形的数字化，并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径，能进行路径规划和自动测量；（2 2）数据预处理，研究适应不同的测量方法和用途的离散采集点数据预处理技术；（3 3）拟合曲面应能控制曲面的光顺性和进行光滑拼接；实现有效的特征识别和考虑约束的模型重建，能够进行复杂组合曲面的识别和重建方法；（4 4）发展基于集成的逆向工程技术，包括测量技术、基于特征和集成的模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等。3 3、逆向工程将从以下几个方面取得进展：、逆向工程将从以下几个方面取得进展：第43页/共45页第44页/共45页感谢您的观看！第45页/共45页