畢業(yè)論文-淺談逆向工程cad技術

1、淺談逆向工程cad技術機械0807 趙爾康m201270589摘要： 逆向工程(reverse engineering)是指用一定的測量手段對實物或模 型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維兒何建模方法重構實物的cad模型，從而實 現(xiàn)產(chǎn)品設計或制造的過程。逆向工程的實施需要逆向工程cad軟件的支撐，如 gcomagic, imagcwarc等。逆向工程可應用于多個領域，如在齒科修復、汽車模 具、葉輪測差等。關鍵詞：逆向工程，cad軟件，建模重構，逆向工程應用一.逆向工程的概念逆向工程(reverse engineering, re)是對產(chǎn)品設計過程的一種描述。在 工程技術人員的一般概念屮，產(chǎn)品設計過

2、程是一個從無到冇的過程：及設計人員 首先在大腦中構思產(chǎn)品的外形、性能、大致的技術參數(shù)等，然后通過圖紙或cad 技術的幫助建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉入到制造流程中去， 完成產(chǎn)品的整個設計制造周期。這樣的產(chǎn)品設計過程我們可以稱為“正向設計” 過程(與“逆向工程”產(chǎn)品設計相對應)。逆向工程產(chǎn)品設計可以認為是一個“從冇到無”的過程。簡單地說，逆向工 程產(chǎn)品設計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設計數(shù)據(jù)(包括設計圖 紙或數(shù)字模型)的過程。從這個意義上說，逆向工程這一概念在工業(yè)設計中使用 已經(jīng)很久了。早期的船舶工業(yè)屮常用的船體放樣設計就是逆向工程的很好實例。逆向工程經(jīng)由量測設備量測工

3、件成品,進而產(chǎn)生坐標點資料，再建立工程3d 圖檔資料與原型(prototype)的一種工程程序。3d cad/cam軟件的興起，讓產(chǎn)業(yè) 在設計、技術、制造速度上，提升了很多，跳脫以往21)工作圖的思維模式，及 制造上的盲點，但是在產(chǎn)品設計開發(fā)上仍有許多是正向設計所無法達成的。例如 特殊造型，自由曲面造型等，以某些產(chǎn)品來說如汽車外觀曲面、車燈free form 反射曲面或是造型設計師以手工制作的特殊造型，礙于cad軟件的限制，皆無 法符合造型設計師的設計理念?；蚴窃驮O計完成后，需要完整復制外型成計算 機資料。這時便需要以量測設備將外型資料量測成為數(shù)位點資料，進行逆向工程 建構。當然逆向工程并非

4、萬能的，由于現(xiàn)今量測設備與逆向工程專用軟件的發(fā)展限 制，也使得逆向工程在其運用上仍有一定的限制。要克服這些困難則須與傳統(tǒng)的 開發(fā)流程做一整合，截長補短俾能使產(chǎn)品獲得良好的質量同時也能節(jié)省時間與成 木，這才是我們所追求的。逆向工程所面臨的限制，主耍是在于量測上與軟件功 能上之限制。隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數(shù)字化測量技術的迅猛發(fā) 展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數(shù)字 化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取的物體表而的空間數(shù)據(jù)，需 要利用逆向工程cad技術獲得產(chǎn)品的cad數(shù)學模型，進而利用cam系統(tǒng)完成產(chǎn)品 的制造。因此，逆向工程技術可以認

5、為是與將產(chǎn)品樣件轉化為cad模型的相關數(shù) 字化技術和幾何模型重建技術的總稱。逆向工程的實施過程是多領域、多學科的 協(xié)同過程。逆向工程的整個實施過程包括了從測量數(shù)據(jù)釆集、處理到常規(guī) cad/cam系統(tǒng)，最終與產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)（pdm系統(tǒng)）融合的過程。因此，逆向 工程是一個多領域、多學科的系統(tǒng)工程，逆向工程的實施需要人員和技術的高度 協(xié)同和融合。二.逆向工程cad軟件逆向工程的實施需要逆向工程cad軟件的支撐。逆向工程cad軟件的主要作 用是接收來自測量設備的產(chǎn)詁數(shù)據(jù)，通過一系列的編輯操作，得到品質優(yōu)良的曲 線或曲面模型，并通過標準數(shù)據(jù)格式將這些曲線曲面數(shù)據(jù)輸送到現(xiàn)有cad/cam 系統(tǒng)屮，在這些

6、系統(tǒng)屮完成最終的產(chǎn)品造型。由于無法完全滿足用戶對產(chǎn)品造型 的需求，因此逆向工程cad軟件很難與現(xiàn)有主流cad/cam系統(tǒng)，如catia、ug、 pro/e等抗衡。很多逆向工程軟件成為這些cad/cam系統(tǒng)的第三方軟件。如ug采用 imageware作為ug系列產(chǎn)品中完成逆向工程造型的軟件，pro/e采用icem surf 作為逆向工程模塊的支撐軟件。此外述冇一些獨立的逆向工程軟件，如geomagic 等，這些軟件一般具冇多元化的功能。如geomagic除了處理幾何曲而造型以外, 還可以處理以ct、mri數(shù)據(jù)畏代表的斷層界面數(shù)據(jù)造型，從而使軟件在醫(yī)療成像 領域具有相當競爭力。另外一類逆向工程軟件

7、作為一個整體系列軟件產(chǎn)品中的一 部分，無論從數(shù)據(jù)模型還是幾何引擎均與系列產(chǎn)品屮的其他組件保持一致，這樣 做的好處是逆向工程軟件產(chǎn)生的模型可以直接進入cad設計或加工模塊中，實現(xiàn) 了數(shù)據(jù)的無縫集成，這類軟件的代表是delcom公司的delcopy軟件。* gcomagic美國raindrop公司的逆向工程cad軟件，具冇豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以 根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構造出多張連續(xù)的曲面模型。軟件的應用領域包括了從工業(yè)設 計到醫(yī)療仿真等諸多方面，用戶包描通用汽車、bmw等大制造商。* imageware作為ug nx中提供的逆向工程造型軟件，inmgcwam貝有強大的測量數(shù)據(jù)處 理、曲面造型、誤差檢測

8、功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點 云數(shù)據(jù)構造的a曲面(class a)具有良好的詁質和曲面連續(xù)性。imageware的模 型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差 以及平而度、真圓度等幾何公差。* copycaddelcopy是英國del cam公司系列cad產(chǎn)品中的一個，主要處理測量數(shù)據(jù)的 曲面造型。delcom的產(chǎn)品涵蓋了從設計大制造、檢測全過程。包括power shape. powermill> power inspect > artcam> copycad > ps-team 等諸多軟件產(chǎn)品。作 為一個系列產(chǎn)品的一部

9、分，copycad與系列屮的英他軟件可以很好地集成，為用 戶的使用提供方便。* rapidformrapidform是由韓國inus公司開發(fā)的逆向工程cad軟件。主要用于處理測 量、掃描數(shù)據(jù)的曲而建模以及基于ct數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，述可以完成藝術品 的測量建模以及高級圖形生成。rapidform提供一整套模型分割、曲面生成、曲 面檢測的工具，用戶可以方便的利用以前構造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應用到 新的模型重構過程屮。以上介紹的是目前較常見的逆向工程cad軟件，在國內能夠見到的商胡化的 逆向工程軟件都是國外的。國內在逆向工程軟件方而雖然也冇研究，但是主要集 中在幾所高校。其中以清華大學、浙江大

10、學、南京航空航天大學在這方面的研究 比較深入，這些研究成果也有一些以軟件產(chǎn)品形式出現(xiàn)，但是出于這些研究性軟 件在系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等方面的原因，還沒有完全具備與國外商業(yè)化軟件競 爭的條件。由國內逆向工程領域專業(yè)人士參與開發(fā)的逆向工程cad軟件quickform是國 內逆向工程cad軟件中較好的一個。該系統(tǒng)采用先進的幾何引擎，運行穩(wěn)定性好, 具有良好的可操作性。曲于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實施經(jīng)驗，因此系統(tǒng)中 的功能設置、操作方式符合國內用戶的習慣，這也是國外軟件所無法具備的。 quickform的另一個優(yōu)勢是價格優(yōu)勢。由于國外逆向工程軟件價格昂貴，因而 quickform的價格在同類軟件屮

11、具冇極強的競爭力。同時，使用國產(chǎn)軟件也是對 國內制造業(yè)和軟件行業(yè)的巨大推動。三.逆向工程在cad/cam體系中的作用從上述我們可以看到，逆向工程技術不是一個孤立的技術，它和測量技術于 現(xiàn)有cad/cam系統(tǒng)有著千絲萬縷的聯(lián)系。但是在實際應用過程屮，由于大多數(shù)工 程技術人員對逆向工程技術不夠了解，將逆向工程技術與現(xiàn)有cad/cam技術等同 起來，用現(xiàn)冇cad/cam系統(tǒng)的技術水平要求逆向工程技術，往往造成人們對逆向 工程技術的不信任和一些謀解。從理論角度上分析，逆向工程技術應該是能夠按照產(chǎn)品的測量數(shù)據(jù)重建出可 以與現(xiàn)有cad/cam系統(tǒng)完全兼容的cad模型。這也是逆向工程技術的最終實現(xiàn)口 標。但

12、是我們應該看到，目前人們所掌握的技術，包描工程上的和純理論上的（如 曲而建模理論），都述無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規(guī)?！包c 云”數(shù)據(jù)建模，更是遠沒有達到可以直接在cad系統(tǒng)中應用的程度。因此我們認為，目前逆向工程cad技術與現(xiàn)冇cad/cam系統(tǒng)的關系只能是一 種相輔相成的關系?，F(xiàn)有cad/cam系統(tǒng)經(jīng)過幾i 年的發(fā)展，無論從理論還是實際 應用上都已經(jīng)十分成熟，在這種狀況下，現(xiàn)有cad/cam系統(tǒng)不會也不能為了滿足 逆向工程建模的特殊要求從系統(tǒng)底層結構上進行變更。另一方而，逆向工程cad 技術屮用到的大量建模方法完全可以借鑒現(xiàn)冇cad/cam系統(tǒng)，不需要另外搭建一 個新平臺。

13、基于這種分析，我們認為逆向工程cad技術在整個制造體系鏈中是處于一個 從屬、輔助建模的地位，逆向工程cad技術可以利用現(xiàn)有cad/cam系統(tǒng)，幫助其 實現(xiàn)自身無法完成的工作。有了這種認識，我們就可以明口為什么逆向工程cad 技術（包括相應的軟件）始終不是市場上的主流，而大多數(shù)cad/cam系統(tǒng)又均包 含了 111己的逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種情況。下面我們列舉逆向工程在三個方面的應用3. 1逆向工程在口腔修復體中的應用如圖1所示是一壘口義齒石膏模型的三維層析測量及數(shù)據(jù)處理過程。三維 層析測量工作流程包括填充、切層、掃描、提取輪廓、重構等操作。提取測量吋使用的是三維層析測量機。三維層析測

14、量機是一種逐層去除材料的測 量設備，數(shù)控銃床按給定的厚度銃去被測件的一層端面，光學掃描儀逐層采集斷 層圖象，通過濾波去除噪聲，釆用小波多尺度逼近的思想對零件的特征和細節(jié)進 行邊緣提取，使得邊緣精度優(yōu)于1個象素。提取斷層輪廓包括多輪廓的跟蹤與分 離、多輪廓空間拓撲處理，全部輪廓數(shù)據(jù)口j以以點或線的方式構成物體的表面模 型?？梢灾苯由捎糜诳焖傧恍椭圃斓膕ti三角網(wǎng)倍文件，也可以iges、dxf 等格式數(shù)據(jù)文件將點或線框輸入到己有cad / cam系統(tǒng)中進行再設計或數(shù)控加 工。“銃削斷層+掃描”方式的特點是接觸式、破壞被測件，造價相對低廉，銃床 的精度可提高到0 olnrni以上，精度主要取決于掃

15、描儀的分辨率，層析方法的最 大特榮是可以測量任意復雜的內、外腔形狀。對丁無牙列的牙床模型可米用激光線掃描測量儀。激光線掃描基于光學三 角原理，采用激光光刀對物體表面進行掃描，用ccd采集物體表面漫反射信號送 入計算機，得到光刀曲線，利用基準面、像點、相距等之間的關系計算物體表面 的深度信息（z坐標值），結合測頭x、y方向的位移，最終得到物體表面的三維 坐標信息。光學測量方法具有測量速度快的特點，測量精度符合鑲才的要求。激 光線掃描測量儀可以方便、快速的測得數(shù)據(jù)。如圖2就是一對上、下牙床模型的測量數(shù)據(jù)點和表面重構結杲。上打啟吧酌紐址刈門4909個心；h） i一常蝕創(chuàng)故杓給毗下才版的済曲致盡力.1

16、34656ix k.sbh尸亍烈的麥:結里 、r號*;-j:?在國內沒有腔內測量設備的情況下，米用三維層析測量機和激光線掃描測量 儀測量石膏牙模的數(shù)據(jù)英精度達到鑲牙的要求，利用表而重構軟件和三維cad 軟件構造出牙齒實體模型，可用丁計夬速原型制造和快速鑲牙。一旦研制出快速微 型的口腔內測量設備，立即可以投入實用用層析和激光掃描相結臺把逆向工程 技術應用于口腔修復體系統(tǒng)是一 種行之有效的方法。3. 2逆向工程在汽車覆蓋件模具設計中的應用研究3. 2. 1數(shù)據(jù)采集海量點云是由tr1t0p數(shù)碼相機測量系統(tǒng)（如圖3所示）獲得的。數(shù)據(jù)采集具 體作法是將高分辨率cci）攝象機安裝在cmm的橫梁滑座上，使其

17、可以在多個視 角下拍攝被測物體的圖像，構成一典型的雙（多）目立體視覺測量系統(tǒng)。檢測信號經(jīng)過傳輸線送到插在計算機槽上的圖像處理卡上，圖像卡把模擬信 號轉換成數(shù)字信號，并儲存于圖像卡上的存儲單元，同吋圖像卡將輸出模擬信號 到監(jiān)視器上。將攝影機采集的圖像像素經(jīng)過圖像處理后，便可以將得到的圖像像 素轉換成樣品所需部分的三維輪廓圖像，整個數(shù)字圖像處理簡圖如圖4所示。上述數(shù)據(jù)采集的原理是利用照相技術來測取覆蓋件特征標志點的三處標位 置。綜合測量精度在0. 1mm/ 1000mm以內，基于結構光的atos非接觸式坐標 機可實現(xiàn)對工件的高分辨率高速掃描，每幅掃描照片可獲得工件表而400, 000 個點的三維坐

18、標，掃描精度每幅掃描照片精度達0. 03ram,整體拼合掃描精度 為0. 1mm/m,并以點云的形式以多種格式輸岀，供后續(xù)cad / cam /cae使用。3.2.2曲面重構曲面重構是逆向工程中的關鍵環(huán)節(jié)，因此對于海量點云的曲面重構要注意以 下幾個方面： 曲面型面數(shù)據(jù)散亂且曲面對彖邊界和形狀極其復雜，因而一般不便直接 運用常規(guī)的曲而構造方法。 曲面對象往往不是由簡單的一張曲面構成，而是由多張曲面經(jīng)過延伸， 過渡，裁減等混合而成，因而要分塊構造。 由于數(shù)字化技術的限制，在逆向工程屮存在“多視數(shù)據(jù)”問題。為了保 證數(shù)字化的完整性，各視角z間需冇一定的重迭，這就存在“多視拚合” 的問題。如將基于幾何

19、特征的曲面重構技術應用于反求工程中點云的擬合和分割中， 可以克服傳統(tǒng)曲面擬合屮的不足，提高曲面重構的質量和效率。使用點集和參數(shù)曲面片的方式表達零件的兒何形狀時，是根據(jù)點云的拓撲結 構通過預先確定的某種準則來判斷相鄰區(qū)域點的幾何屈性，而沒冇采用幾何特征 去匹配點云，使擬合曲面謀差加大。理論上講，任何cad模型都可以看成是一些 簡單的特征、自出曲線曲面以及用戶自定義特征所組成。因此可以將待求的cad 模型分解成一系列的簡單特征，這些特征由1組相互關聯(lián)或獨立變量來相互制 約，各部分的形狀和大小根據(jù)需要來確定，形成能口動生長的兒何特征。因此在 逆向工程屮建立的樣件cad模型，應盡可能從零件承擔的功能方

20、而進行分析，捉 取其幾何特征及特征z間的拓撲關系，建立基于特征的幾何模型。圖5是采用atos三維掃描儀獲得的汽車覆蓋件三維原始點云數(shù)據(jù)。根據(jù)三 維海量點云重建曲面，先進行噪聲處理（去除一些不合理的點），然后對點云進行 分析，根據(jù)不同區(qū)域的特征進行數(shù)據(jù)分割，對局部點云數(shù)據(jù)進行擬合和重建。由于此樣件較為復雜，因此要對樣件進行分塊劃分，盡量保持模型的簡單。 取樣局部點云如圖6,經(jīng)分析此局部區(qū)域點云曲平面、自由曲面（loft面、sweep 面、blend面）和過渡圓角等幾何特征曲面所構成。分別對各特征曲面進行擬合，在擬合各了特征曲面時，要注意各了特征曲 面的擬合要求，如用loft面作面吋要取1 / 4

21、公差擬合曲線、確認曲線控制點在 40個之內等要求。根據(jù)不同的特征曲面進行擬合可得到相應的各特征子曲面， 如圖7所示，然后把擬合得到的各特征子曲面進行拼接。(a)擬合的平面cb>擬合的loh曲面<c) 擬合的sweep曲面 <d> 敬合的blend曲面最后得到的曲面要光順(曲面光順從直觀上理解為曲面光滑、圓順，理侖上 則指具有二階幾何連續(xù)，不存在奇點和多余拐點)，用surfacer軟件屮的tube light reflectance選項或curvature analysis功能查看，多面片的模型應該 完全看不到接縫。同時要與原始點云相比較，其誤差耍控制在0. lnun以內

22、，若 不滿足，則重新擬合曲面，直到滿足耍求為止。經(jīng)過反復的檢測比較，得到局部 點云擬合完成的a等級，曲面集如圖8。3. 2. 3覆蓋件模具設計模貝設計是以pro / e為設計平臺.首先將在surface中生成的參考零件導 入pro/e屮，英次求岀樣件分模而，最終完成覆蓋件的上、下模設計。其主要 設計過程為：(1) 求分模面由于此模型的分模面較復雜，不能由光照投影一步得到，可分兩步得到： 首先在part上copy出所有的外表面;feature / create / surface / new / copy / surf&band選擇種子曲和邊界曲而。 其次將所得的曲面延長到模胚周圍的4個

23、周面。extend / along directup to plane(2) 分模、求出凹凸模體積塊 mold volume / split / two volum es / parting surf / up一volume。 mold volume / split / two volumes / parting surf / down一 一 volumco拔出凸凹模如圖9所示。3. 3逆向工程技術在水泵葉輪測量中的應用3. 3.1水泵葉輪掃描的前期準備工作為了方便葉輪掃描和掃描的準確，需對葉輪作必要的前期準備，如貼參考 點、物體表而噴涂顯像劑和儀器和軟件校準等。3. 3. 2水泵葉輪掃描過程

24、葉輪整個外形都需要掃描，因此葉輪無法一次性掃描完成。根據(jù)葉輪的形 狀(如圖10所示)，把零件分成上、下兩部分，分別進行掃描，然后在atos軟件屮通過公共參考點把分別掃描的兩個文件合并為一個整體。葉輪外形大致尺寸為©370x85,在對atos掃描系統(tǒng)進行校準后，對水泵 葉輪上下部分多個角度不同方位進行掃描，掃描軟件依據(jù)參考點，把毎幅掃描照 片自動進行拼合，最終完成整個葉輪外形的掃描。圖二為掃描完成后，經(jīng)過點云 對齊、三角化、光順和稀化，得到葉輪外形點云文件，并輸出*上兒文件，以便 tmageware軟件對點云進彳亍后序處理，如圖11。3. 3. 3用imageware和ug nx對點云進行處理及三維重構imageware軟件調入掃描所得點云文件，并依據(jù)點云的特征，作出一些輔助 的基準，以便把葉輪點云進行方位對齊，為提取截面線做準備。葉輪的點云數(shù)據(jù) 屮含冇許多雜點，因此需把雜點過濾掉。并對點云數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，刪除不必要的 數(shù)據(jù)點。適當降低點云的密度，加快計算機處理的速度。特征線的提取是整個曲面重構的關鍵。根據(jù)葉輪外形特點，劃分出二次曲 面的區(qū)域，女口：平面、圓柱面、球面等，并對葉輪點云進行分割，并且把這些二 次曲面擬合構造平面、圓柱面和球面