逆向工程的數據采集及建模技術

1、在計算機技術飛速發(fā)展的今天，三維的幾何造型技術已被制造業(yè)廣泛應用于產品及工模具的 設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。我們的技術資料可能是各種數據類型的三維模型，但是，由于各種原因，我們所面對的可能并非CAD的模型，而是實實在在的實物樣件，有時，甚至可能連一張可以參考的圖紙也不存在，這就為我們在后續(xù)的工作中采用先進的設計手段和先進的制造技術帶來了很大的障礙，我們必須通過各種測量手段及三維幾何建模方法，將原有實物（產品原型或油泥模型）轉化為計算機上的三維數字模型，在CAID與CAD領域，這就是所謂的逆向工程（Reverse Engineering）。逆向工程可以簡單的定義為“理解原

2、始的設計意圖和機制”，包括形狀、材料、工藝等各個 方面，目前有關逆向工程的研究和應用大多數針對實物模型的幾何形狀反求，在這個意義下，逆向工程是根據已有實物模型的坐標測量數據，重新建立實物的數字化模型，而后進行分析、加工等處理。一：逆向工程的應用 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 swLneol45C1. 由于某些原因，在只有產品或產品的工裝，沒有圖紙和CAD模型的情況下，卻需要對產品進行有限元分析、加工、模具制造或者需要對產品進行修改等等，這時就需要利用逆向工程手段將實物轉化為 CAD模型。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 l9p3wLsD87 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載

3、 iyUh6wzY0k2. 逆向工程的另一類重要應用是對外形美學要求較高的零部件設計，例如在汽車的外形設計階段是很難用現有的 CAD軟件完成的。通常都需要制作外形的油泥模型，再用逆向工程的方法生成CAD模型。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 LnQYGCN5fq CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 vS6xYn7fki3. 將逆向工程和快速原型制造（RPM）相結合，組成產品設計、制造、檢測、修改的閉環(huán)系統，實現快速的測、設計、制造、再測量修改的反復迭代，高效率完成產品的初始設計。CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 ktUC0R2R53 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 c9c

4、Gstw1CH4. 逆向工程的另一個重要應用就是計算機輔助檢測。企業(yè)在進行質量控制時，對于外形復雜的產品檢測往往非常困難，這時使用逆向工程的方法對產品進行測量，并把測量到的大量數據點與理論數模進行比較，從而分析產品的制造誤差。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載© FHtL6ktVyK CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 6IUGBqVqlv5. 逆向工程在醫(yī)學、地理信息和影視業(yè)等領域都有很廣泛的應用。比如：影視特技制作者需要將演員、道具等的立體模型輸入計算機，才能用動畫軟件對其進行三維動畫特技處理。二、逆向工程中的數據采集技術坐標數據采集是逆向工程中的第一個環(huán)節(jié)，是數據處理、模

5、型重建的基礎?，F有的數據采集方法大概可以分為下面幾類： 簡單工具的手工測量 機械三坐標測量機測量的有序點數據 激光、數字成像的三坐標測量數據，既大批量、無序的點云數據1. 三坐標劃線測量機 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 ONvxPOdPZG CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 Gm4aEQ756j CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 PoZYDgEbzM三坐標劃線測量機是由地軌，立柱和水平臂及計算機等組成的綜合測量系統，它可對金屬、木質、粘土、塑料等模具，汽車覆蓋件及汽車整體外形的相關位置進行三維尺寸測量，并具有劃線功能。1A2. 側面開放式三坐標劃線測量機側面開放式結構及其加強設

6、計的剛性，由于其具有高度的滑動響應性能通過微調手輪， 三個軸可以快速和精確地定位?？梢赃x擇的附件十分豐富，比如用于劃線，對心鉆孔或者輕銃削的附件。3. 2.三坐標測量機 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 AWUsCFKNGC CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 bHEA9ZJI6d CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 PqFow7LqNp測量高精度的零件； CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 t1 nDAlQixl測量和檢驗復雜形狀的機械零件； CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 3fTja2zdCh自由曲面檢驗；4. For pers onal use only in stu

7、dy and research; not for commercial use5.5. 重量輕并且剛度高的移動部件，高性能運動系統的研究，數控系統高速運算。測量機的移動部件（如：橋，Y軸和Z軸）都是用輕合金制造的。測量機的工作臺是黑色花崗石 材料，下面有減震墊。自動溫度補償功能增強了測量機的整體機械性能。大尺寸零件的測量，需要大型高精度的測量機。通常大型的測量機都采用龍門式結構。 特別 適合于汽車工業(yè)，模具制造，造型，特別是在航空和各種機械制造中的零件設計。 與大型 的數控機床不同的是， 這種測量機的外形尺寸雖然較大， 重量卻相對較輕?？梢砸暂^高的速度進行測量。 CAD/CAM之家 版權所有，

8、拒絕轉載.數控加工機床 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 UJJrgm7d4z CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 pT2JiHJvH0某些數控系統如（FIDIA）的數控加工機床本身是帶有仿型功能的，很多國內廠家的逆向工程 實踐都是從機床的仿型開始的。 CAD/CAM之.關節(jié)式測量機便攜式測量單元，自由移動；6個旋轉軸，具有最大的自由度；豐富的配件。6. 點狀激光式 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 flcS3j6HBD CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 yZ632NBQN0 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 TOjNfap22D用極細的激光光束在物體上形成照射點，用三角

9、測量法得到物體在此點的空間坐標。CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 MPUQvXiCVN CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 2MkCmlalSv物體固定于旋轉工作臺上，繞Z軸360度自由旋轉（隨物體截面輪廓形狀而變動，以盡量保證激光與物體截面輪廓的垂直狀態(tài)）。激光頭沿水平方向逐層取數，每次取得物體一層的三維數據（相當于每次得到物體的一個Z軸橫截面形狀），然后逐層上升，直至取得物體的全部數據。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 3TeRS2zPNO CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 iKZhaSsv1M掃描操作簡便，自動化程度高，數據質量較好，有較好的結構性。可以通過一次掃描得到較

10、為完整的數據（當然物體應在掃描范圍內）。另外,由于其屬于點掃描，掃描速度受到一定限制，一般一個鼠標大小的零件，需掃描2小時左右。不過，好在其掃描過程是全自動的，并不需要人工干預。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 UOq5BnGMj9 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 HUC4utt1Vg掃描絕對精度為：0.05mm;掃描點的密度現已能達到：層與層之間0.1mm ;每層中點距0.2mm。8.線狀激光式激光光束為線狀投出，線狀光束在物體上隨物體形狀產生變形，由數碼像機得到截面形eAMEUsnipf狀直至整體數據。O8J£Ct3DScanner公司主要產品Reversa掃描頭。

11、可裝配在如 CNC、機器人手臂等裝置上。Kreon3d ； CAD/CAM 之家版權所有，拒絕轉載 3NZcHpvRe2與Reversa在掃描原理、功能方面類似。Geometrix 公司 3Scan ;物體放置在計算機控制的旋轉臺上，由數碼相機取得多側面數據。價格適中。拼合，來得到待測物體的完整數據。通過預先放置的標志點，將多次掃描后的數據進行9. 6光柵投影式 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 QMtJp07ar4將多條光柵投影到物體表面，形成一塊待測區(qū)域；用數碼攝像機獲取物體形狀（光 柵變形）信息。此類代表為GOM公司。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載ZvuwQ n2ZNG圖

12、中工程師操作的即為 GOM公司產品ATOS。中間紅色部分為一投影裝置，將 光柵影像投射到待測物體上；兩側白色部分為兩個數碼攝像頭，綜合分析以得到精確數據。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 5gxo6iMwx6每次投射得到一個面的數據;.數碼影像合成Avatar_Me公司掃描屋。其主要應用于“人體掃描”。人走進掃描屋后，從前后左右四面取像得到三維信息，同時可識別人體關節(jié)，便于后續(xù)動畫制作。逆向工程中的專業(yè)軟件1. Imageware CAD/CAM 之家 版權所有，拒絕轉載 X1tTsP078o CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 pzmMIIGIIZ計、Imageware是逆向工程、

13、計算機輔助曲面檢測、曲面造型及快速樣件軟件。它用來設創(chuàng)造和檢查自由形式曲面產品 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 lg5SrOeJyz CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 iAQAIKUqpXSurfacer逆向工程工具和 class 1曲面生成工具。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 dZxjVnZp nBVerdict對測量數據和 CAD數據進行對比評估。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載iOrsFQLuZzBuild it提供實時測量能力， 驗證產品的制造性。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載©pQxXqZh5C6RPM生成快速成型數據。 CAD/CAM之家

14、版權所有，拒絕轉載 oeYex5AZrKView功能與Verdict相似，主要用于提供三維報告.Geomagic Studio CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 CJBIgWfTGM 由美國Raindrop Geomagic出品的逆向工程和三維檢測軟件 點云數據創(chuàng)建出完美的多邊形模型和網格，并可自動轉換為 Qualify， Shape， Wrap， Decimate， Capture 等五個模塊QuqS7UMyNSStudio可輕易地從掃描所得的NURBS曲面。該軟件主要包括主要功能包括： CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 uOUWMuaXk8

15、1、自動將點云數據轉換為多邊形(Polygons) CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載iwV3yVe6rf2、 快速減少多邊形數目 (Decimate ) CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載© skWOaMiQhl3、把多邊形轉換為 NURBS區(qū)面 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 VxzSAaEPNM4、 曲面分析(公差分析等) CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 DH85i8JZbs5、輸出與 CAD/CAM/CAE 匹配的文件格式 (IGS， STL， DXF 等) 3.DelCAM 公司的 CopyCAD(1) 數字化點的輸入與處理，包括數據輸入與數字化點數據的

16、變換與處理。(2) 三角形劃分，可以根據用戶定義的允差三角化數字化模型。(3) 特征曲線的生成，以交互手動或自動的方式從三角形模型中提取特征線，或直接從外部 輸入特征線。(4) 利用特征線構成的網格構造曲面片，然后通過指定曲面片之間的連續(xù)性要求，來實現曲面片之間的光滑拼接。(5) 曲面模型精度、品質分析。？4. PTC 公司的 ICEM Surf、Pro/DESIGNER (CDRS)、Pro/SCANTOOLS CAD/CAM 之家版 權所有，拒絕轉載 alRX8F9iNi CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 NzF27Eel6F CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 25E85SVzvq

17、ICEM Surf是一個A級自由曲面的構造工具，它的最主要特點是直接構造曲面(無須先構造曲線)和曲面質量的動態(tài)評價(曲面調整中的曲面診斷結果動態(tài)更新)，汽車、摩托車外覆蓋件，內飾件等自由曲面用它來構造是游刃有余。但最好有比較完整的測量數據，當然ICEM Surf也可以用于構造曲面的設計。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載P8ULWQKq9OICEM Surf還能把點云數據自動轉換成三角形面片模型，可以用它來求任意截面線、邊界線和特征線，也可以用它來做快速成型或NC加工編程。但這個面并不是一個傳統意義上的曲面模型。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 sJ48naWIJ7 CAD/CAM

18、之家 版權所有，拒絕轉載 M46z9lmqtMPro/DESIGNER (CDRS)是一個工業(yè)設計的造型模塊，主要用于概念設計，其特點是可以非 常方便的調整各條型線，從而得到設計師想要得到的結果。用于逆向時，可以用在測量數據比較少，僅有主要型線和邊界線的情況，這實際上是一個部分的逆向，操作者逆向的主要是產品的造型思想。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 Kn31FBSCI5 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 RIS0kK1M44Pro/SCANTOOLS是一個完全集成于 Pro/ENGINEER實體建模中的逆向曲面構建包，新版中 的功能有很大的提高?？梢越邮苡行螯c(測量線)，也可以

19、接受點云數據，可以用來構建非A級的自由曲面，一般的工業(yè)產品如電器產品、一般的塑料件、汽車內飾件等均能應用該 模塊得到圓滿的解決。逆向工程中的模型類型 自由曲面，汽車、摩托車的外覆蓋件，其它沖壓件，玩具等 初等解析曲面 平面、圓柱面、圓錐面等組成的零件 模型的類型直接關系到我們建模時所選用的模塊或軟件， 對于自由曲面件必須采用具有方便 調整曲線和曲面的模塊， 而對于初等解析曲面件， 我們沒必要因為有測量數據而用自由曲面 去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面。A級曲面，如汽車、摩托車的外覆蓋件A級曲面，就要求選用軟件必須具備方 而且檢測結果必須是動態(tài)的，即曲面調整B級曲面，如汽車的內飾件，大部分的塑

20、料件 其他要求更低的曲面模型要求的品質也關系到對軟件的選用，比如對于 便和直接的曲面調整手段， 強大的曲面檢測功能, 的同時檢測結果動態(tài)更新。逆向工程中的模型重建 點過程 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 Tcpfr0h3RG CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 m2SSWuOHKT讀入點陣數據。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 a1mz7lh8P4 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 loztC7iU將分離的點陣對齊在一起（如果需要）。有時候由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點陣。這時就

21、需要將點陣準確對齊。 CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載© ulFE6tKg6a CAD/CAM之家版權所有，拒絕轉載 AORdgsulda對點陣進行判斷，去除噪音點（即測量誤差點）。由于測量工具及測量方式的限制，有時會出現一些噪音點，對點陣進行判斷，去掉噪音點，以保證結果的準確性。 CAD/CAM之家版 權所有，拒絕轉載 zqWN8JrRvj CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 ZKLnrp2yxA通過可視化點陣觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。一個零件，是由很多單獨的曲面構成，對于每一個曲面，可根據特性判斷用用什么方式來構成，例如，如果曲面可以直接由點的網格生成，就可以考慮直接

22、采用這一片點陣；如果曲面需要采用多段曲線蒙皮，就可以考慮截取點的分段。提前作出規(guī)劃可以避免以后走彎路。 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載HS01Udz6yy根據需要創(chuàng)建點的網格或點的分段。曲線創(chuàng)造過程判斷和決定生成哪種類型的曲線。曲線可以是精確通過點陣的、也可以是很光順的（捕捉點陣代表的曲線主要形狀）、或介于兩者之間。創(chuàng)建曲線。根據需要創(chuàng)建曲線，可以改變控制點的數目來調整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合 度好，控制點減少則曲線較為光順。診斷和修改曲線。 可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性， 可以檢查曲線與點陣的吻合性， 還可以改變曲線與其他曲線的連續(xù)性（連接、相切、曲率連續(xù)）。 Surfacer 提供很多工具來調整和修改曲線。曲面創(chuàng)建過程 CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載 xYh8eR1KDI CAD/CAM之家 版權所有，拒絕轉載