先進制造技術(shù)——反求工程

1、 第三章第三章 反求工程反求工程 也稱逆向工程、反向工程, 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)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程 是一個從樣品生成產(chǎn)品數(shù)字化信息模型,并在此基礎(chǔ)上進行產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)及生產(chǎn)的全過程。 反求工程反求工程(Reverse Engineering,RE)(Reverse Engineering,RE) 在機械制造領(lǐng)域應(yīng)用多年的仿制技術(shù)，是反求工程的發(fā)展基礎(chǔ)。 反求工程不是傳統(tǒng)意義上的“仿制”，而是基于原型的再設(shè)計。 從應(yīng)用目標(biāo)來看，實物仿制的著眼點在于制造出與實物相同的產(chǎn)品；而反求工程的著眼點則在于對原始設(shè)計的還原與再設(shè)計，而后制造出和原有

2、實物“形似”而且“神似”的產(chǎn)品； 反求工程更強調(diào)集百家之長，在原有技術(shù)基礎(chǔ)上進行創(chuàng)新和開拓延伸，形成更高層次的新技術(shù)或新產(chǎn)品。 反求工程的應(yīng)用實例反求工程的應(yīng)用實例當(dāng)要設(shè)計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用反求工程的方法。如航天航空領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學(xué)等要求，首先要求在初始設(shè)計模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過各種性能測試（如風(fēng)洞實驗等）建立符合要求的產(chǎn)品模型，這類零件一般具有復(fù)雜的自由曲面外型，最終的實驗?zāi)Ｐ蛯⒊蔀樵O(shè)計這類零件及反求其模具的依據(jù)。圖圖1 飛機模型設(shè)計飛機模型設(shè)計在美學(xué)設(shè)計特別重要的領(lǐng)域，例如汽車外型設(shè)計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設(shè)計的美學(xué)效果，而不采用在計算機

3、屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法，此時需用反求工程的設(shè)計方法。修復(fù)破損的藝術(shù)品或缺乏供應(yīng)的損壞零件等，此時不需要對整個零件原型進行復(fù)制，而是借助反求工程技術(shù)抽取零件原形的設(shè)計思想，指導(dǎo)新的設(shè)計。這是由實物逆向推理出設(shè)計思想的一種漸近過程。 圖圖2 汽車外型汽車外型前期設(shè)計草圖前期設(shè)計草圖圖圖3 外型油泥模型外型油泥模型圖圖4 藝術(shù)品修復(fù)藝術(shù)品修復(fù)反求工程（逆向工程）具有與傳統(tǒng)（正向設(shè)計）設(shè)計制造過程截然不同的設(shè)計流程。在反求工程中，按照現(xiàn)有的零件原形進行設(shè)計生產(chǎn)，零件所具有幾何特征與技術(shù)要求都包含在原形中；在傳統(tǒng)的設(shè)計制造中，按照零件最終所要承擔(dān)的功能以及各方面的影響因素，進行從無到有的設(shè)計。

4、 a a 正向設(shè)計流程圖；正向設(shè)計流程圖； b b 逆向設(shè)計流程圖逆向設(shè)計流程圖u第一步: 零件原形的數(shù)字化通常采用三坐標(biāo)測量機(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標(biāo)值。u第二步: 從測量數(shù)據(jù)中提取零件原形的幾何特征按測量數(shù)據(jù)的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設(shè)計與加工特征。u第三步: 零件原形CAD模型的重建將分割后的三維數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。u第四步: 重建CAD模型的檢驗與修正采用根據(jù)獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否

5、滿足精度或其他試驗性能指標(biāo)的要，對不滿足要求者重復(fù)以上過程，直至達(dá)到零件的逆向工程設(shè)計要求。 接觸式測量方法大致有：坐標(biāo)測量機和層析法。坐標(biāo)測量機坐標(biāo)測量機：是一種大型精密的三坐標(biāo)標(biāo)測量儀器，可以對具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標(biāo)測量機一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，可以連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，掃描速度可達(dá)8米/秒，數(shù)字化速度最高可達(dá)500點/秒，精度約為0.03mm。坐標(biāo)測量機主要優(yōu)點是測量精度高，適應(yīng)性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行逆向工程測量。 層析法層析法：層析法是近年來發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術(shù)，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光

6、掃描相結(jié)合的方法獲取零件原形不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點在于任意形狀，任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。 非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，大致有：光學(xué)測量、超聲波測量、電磁測量等方式。基于光學(xué)三角型原理的逆向工程掃描法：這種測量方法根據(jù)光學(xué)三角型測量原理，以光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關(guān)系計算物體的深度信息 基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法：這種測量方法將光柵條紋

7、投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息?；诠I(yè)CT斷層掃描圖像逆向工程法：這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重建斷層截面圖像；根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息；該方法可以對被測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進行無損測量；該方法造價高，測量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時間長，設(shè)備體積大；美國LLNL實驗室研制的高分辨率ICT系統(tǒng)測量精度為0.01mm。立體視覺測量方法：立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝象機拍攝

8、的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點的三維坐標(biāo)值；立體視覺測量方法可以對處于兩個（多個）攝象機共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點進行測量，而無須伺服機構(gòu)等掃描裝置；立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖象中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問題。 坐標(biāo)測量機坐標(biāo)測量機 CT 斷層圖像掃描儀斷層圖像掃描儀反求工程中常用的測量方法包括：反求工程中常用的測量方法包括：接觸式測量方法和非接觸式測量方法。接觸式測量方法和非接觸式測量方法。 汽車逆向工程實例汽車逆向工程實例汽車汽車逆向工程系統(tǒng)主要逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成由三部分組成: :1.1.產(chǎn)品實物幾何外形的產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化

9、數(shù)字化；2.2.CADCAD模型重建模型重建；3 3。產(chǎn)品或模具制造。產(chǎn)品或模具制造。其中，其中，逆向工程中的關(guān)逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。處理和模型的重建。汽車逆向工程流程圖汽車逆向工程流程圖三維掃描儀對物體多方位多角度進行拍攝三維掃描儀對物體多方位多角度進行拍攝 利用被測物體表面的特征點或者標(biāo)記點自動拼接利用被測物體表面的特征點或者標(biāo)記點自動拼接后獲得的完整點云數(shù)據(jù)后獲得的完整點云數(shù)據(jù) 經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)進行除噪、取樣后獲得高質(zhì)經(jīng)過對原始數(shù)據(jù)進行除噪、取樣后獲得高質(zhì)量的點云數(shù)據(jù)量的點云數(shù)據(jù)從點云數(shù)據(jù)中提取特征線、邊界線從點云數(shù)據(jù)中提取特征線、邊界線 逆向軟件中建成模型逆向軟件中建成模型 在逆向件中數(shù)模對比分析，檢驗產(chǎn)品在逆向件中數(shù)模對比分析，檢驗產(chǎn)品 某汽車模具廠現(xiàn)場掃描的實例某汽車模具廠現(xiàn)場掃描的實例逆向工程在其它領(lǐng)域的應(yīng)用逆向工程在其它領(lǐng)域的應(yīng)用 ：p 三維彩色數(shù)字?jǐn)z影、三維