第1章逆向工程

第1章逆向工程[內(nèi)容提要]

本章是對(duì)逆向工程的簡(jiǎn)介，包括逆向工程的定義、逆向工程的應(yīng)用和逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)等。[學(xué)習(xí)重點(diǎn)]●了解逆向工程概念及其工藝流程●掌握CAD模型重構(gòu)的工藝流程1.1逆向工程的定義

“逆向工程”(ReverseEngineering，RE)，也稱反求工程、反向工程、三坐標(biāo)點(diǎn)測(cè)繪、三坐標(biāo)點(diǎn)造型、抄數(shù)等。它是將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)和產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱，是將已有產(chǎn)品或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)換為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造的過(guò)程。它源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢驗(yàn)，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路。1.2逆向工程的應(yīng)用

作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種手段，在20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開(kāi)始引起各國(guó)工業(yè)界的高度重視。從此以后，由于市場(chǎng)發(fā)展的需求，有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究就一直備受關(guān)注，而且逆向工程技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。逆向工程有以下一些應(yīng)用背景。(1)盡管計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能日益增強(qiáng)，但目前還無(wú)法滿足一些復(fù)雜曲面零件的設(shè)計(jì)需要，還存在許多使用粘土或泡沫模型代替CAD設(shè)計(jì)的情況，最終需要運(yùn)用逆向工程將這些實(shí)物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。(2)外形設(shè)計(jì)師傾向使用產(chǎn)品的比例模型，以便于產(chǎn)品外形的美學(xué)評(píng)價(jià)，最終可通過(guò)運(yùn)用逆向工程技術(shù)將這些比例模型用數(shù)學(xué)模型表達(dá)，通過(guò)比例運(yùn)算得到美觀的真實(shí)尺寸的CAD模型。(3)由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對(duì)零件的功能和性能分析，還不能完全由CAE來(lái)完成，往往需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)最終確定零件的形狀。例如，在模具制造中經(jīng)常需要通過(guò)反復(fù)試沖和修改模具型面方可得到最終的、符合要求的模具。若將最終符合要求的模具測(cè)量并反求出其CAD模型，在再次制造該模具時(shí)就可運(yùn)用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。(4)以已有產(chǎn)品為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)今的一條設(shè)計(jì)理念。目前，我國(guó)在設(shè)計(jì)制造方面與發(fā)達(dá)國(guó)家還有一定的差距，利用逆向工程技術(shù)可以充分吸收國(guó)外先進(jìn)的設(shè)計(jì)制造成果，使我國(guó)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)立于更高的起點(diǎn)，同時(shí)加快某些產(chǎn)品的國(guó)產(chǎn)化速度。(5)藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制。

兗州市鎏金銀棺的保護(hù)工作

(6)人體中的骨頭、關(guān)節(jié)等的復(fù)制，假肢制造，以及特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計(jì)依據(jù)，此時(shí)，需首先建立人體的幾何模型。(7)在RPM應(yīng)用中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過(guò)逆向工程，可以方便地對(duì)快速原型制造的原型產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確的測(cè)量，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)的不足，進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次迭代可使產(chǎn)品完善。

(8)借助于層析X射線攝像法(CT技術(shù))，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形態(tài)，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、度量和定位物體的內(nèi)部缺陷，從而成為工業(yè)產(chǎn)品無(wú)損探傷的重要手段。除了以上提到的應(yīng)用背景，在其他的應(yīng)用背景上逆向工程技術(shù)也存在著巨大的潛能。1.3逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)1．三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)據(jù)處理

三坐標(biāo)測(cè)量的技術(shù)要求可以用下面20個(gè)字來(lái)概括：數(shù)據(jù)整齊、方向合理、分層分色、疏密有致、對(duì)稱測(cè)半。在質(zhì)量上要求信息充分，精度達(dá)標(biāo)，適應(yīng)造型需要；在效率上要求滿足造型需求，減少冗余數(shù)據(jù)。三坐標(biāo)測(cè)量在功能擴(kuò)充上還有超大超長(zhǎng)柔性工件測(cè)量及數(shù)據(jù)處理。

一般來(lái)說(shuō)，三維表面數(shù)據(jù)的采集方法可分為接觸式數(shù)據(jù)采集和非接觸式數(shù)據(jù)采集兩大類。

接觸式有觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集，還有基于磁場(chǎng)、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。接觸式的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備有三坐標(biāo)測(cè)量劃線機(jī)、三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)、機(jī)械手和機(jī)械臂等

非接觸式主要有激光三角測(cè)量法、激光測(cè)距法、光干涉法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法等。非接觸式測(cè)量的三坐標(biāo)測(cè)量設(shè)備有投影機(jī)、數(shù)碼成像機(jī)、激光掃描機(jī)等2．復(fù)雜曲面的造型曲面構(gòu)造是CAD逆向造型中的重要環(huán)節(jié)。在曲面構(gòu)造中常常碰到一些十分復(fù)雜的曲面，對(duì)這些復(fù)雜曲面進(jìn)行造型就成為逆向工程中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在構(gòu)造曲面時(shí)還要注意把握產(chǎn)品的特征，這也是至關(guān)重要的，只有做到了這一點(diǎn)，才能保證構(gòu)造出來(lái)的曲面符合要求，即曲面構(gòu)造光順，特征表達(dá)清晰、準(zhǔn)確、流暢。3．產(chǎn)品缺陷處理在逆向造型時(shí)，碰到的產(chǎn)品經(jīng)常存在這樣或那樣的缺陷，比如變形或要進(jìn)行誤差修正。碰到變形的產(chǎn)品時(shí)，在逆向造型時(shí)要盡量使其恢復(fù)到原來(lái)的樣子。誤差修正屬于測(cè)量缺陷的處理，由于測(cè)量的數(shù)據(jù)存在著明顯的誤差，在逆向造型時(shí)，工程師們要根據(jù)自己逆向造型的經(jīng)驗(yàn)對(duì)其進(jìn)行誤差修正。4．特殊的技巧在逆向造型時(shí)還有其他一些比較常用的特殊技巧，如展開(kāi)、拋物面計(jì)算、特殊編程等。5．高品質(zhì)或A級(jí)曲面高品質(zhì)或者A級(jí)曲面在汽車(chē)、航空航天以及家用電器的設(shè)計(jì)中經(jīng)常用到。這類曲面要求相當(dāng)高的光順性。

A級(jí)曲面設(shè)計(jì)者所追求的經(jīng)典數(shù)值是，位置連續(xù)性誤差不大于0.001mm，相切連續(xù)性誤差不大于0.05°，曲率連續(xù)性根據(jù)情況而定。但是，A級(jí)曲面設(shè)計(jì)的視覺(jué)效果要求與觸覺(jué)效果一致。1.4CAD模型重建CAD模型重建，即逆向造型，是根據(jù)坐標(biāo)測(cè)量機(jī)得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)實(shí)物對(duì)象的模型。根據(jù)實(shí)物外形的數(shù)字化信息，可以將測(cè)量得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)分成兩類：有序點(diǎn)和無(wú)序點(diǎn)(散亂點(diǎn))。由不同的數(shù)據(jù)類型，形成了不同的模型重建技術(shù)。

目前較成熟的方法是通過(guò)重構(gòu)外形曲面來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)物重建。常用的曲面模型有Bezier、B-Spline(B樣條)、NURBS(非均勻有理B樣條)和三角Beizer曲面。

逆向工程的CAD模型重構(gòu)過(guò)程主要包括：點(diǎn)處理過(guò)程曲線處理過(guò)程面處理過(guò)程點(diǎn)處理過(guò)程：對(duì)已經(jīng)存在的物理模型進(jìn)行分析決定什么是下游工程的需要用各種測(cè)量技術(shù)從模型中得到點(diǎn)的數(shù)據(jù)讀入點(diǎn)云的數(shù)據(jù)(如有需要對(duì)齊點(diǎn)云數(shù)據(jù))清除不需要的點(diǎn)規(guī)劃創(chuàng)建面所需的點(diǎn)并顯示這些點(diǎn)曲線處理過(guò)程：規(guī)劃要?jiǎng)?chuàng)建曲線的類型由已經(jīng)存在的點(diǎn)創(chuàng)建曲線檢查和修改曲線面處理過(guò)程：規(guī)劃要?jiǎng)?chuàng)建的曲面的類型由已經(jīng)存在的曲線或者點(diǎn)云創(chuàng)建曲面檢查和修改曲面

這一部分工作主要使用逆向工程軟件實(shí)現(xiàn)，目前進(jìn)行CAD模型重建對(duì)CAD支撐系統(tǒng)有兩種選擇方案：一是基于正向的商品化CAD／CAE／CAM系統(tǒng)軟件，如美國(guó)EDS公司的I-deas、UG、CATIA，美國(guó)PTC公司的Pro／Engineer，法國(guó)Matra公司的Strim，日本HZS公司的GRADE／CUBE--NC等：二是選擇專用的逆向造型軟件，如lmageware、ICEMSURF、Paraform、Geomagic等。

采用“正向”技術(shù)路線的基本步驟是“點(diǎn)--線--面”特點(diǎn)是測(cè)量密度較小，速度較慢；其測(cè)量方式為接觸式測(cè)量，適用對(duì)象是柔性多配合產(chǎn)品。若采用“正向”技術(shù)路線，推薦使用的逆向工程軟件即為UG或CATIA等正向的軟件。采用“逆向”技術(shù)路線的基本步驟是“點(diǎn)--面”特點(diǎn)是測(cè)量密度大，速度快：其測(cè)量方式多為非接觸掃描測(cè)量，適用對(duì)象是剛性非配合產(chǎn)品。若采用“逆向”技術(shù)路線，則推薦使用的逆向工程軟件為Imageware或ICEMSURF等逆向造型軟件。典型逆向工程軟件介紹（見(jiàn)講義）點(diǎn)云數(shù)據(jù)獲取方法逆向工程采用的測(cè)量方法主要有2種：測(cè)量方法的綜述1)接觸式測(cè)量法，如三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM)、機(jī)械手；2)非接觸式測(cè)量法，如投影光柵法、激光三角形法、立體視覺(jué)法、聲波法、業(yè)CT掃描法、核磁共振法、自動(dòng)斷層掃描法等各種三維測(cè)量方法的特點(diǎn)部分測(cè)量方法簡(jiǎn)介

1．投影光柵法投影光柵法的基本原理是將光柵投影到被測(cè)物體表面上，受到被測(cè)樣件表面高度的調(diào)制，光柵影線發(fā)生變形。通過(guò)解調(diào)變形光柵影線，就可以得到被測(cè)表面的高度信息。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是實(shí)際測(cè)量范圍大、速度快、成本低、易于實(shí)現(xiàn)。缺點(diǎn)是精度低，且只能測(cè)量表面起伏不大的較平坦物體，對(duì)表面變化劇烈的物體，在陡峭處會(huì)發(fā)生相位突變，使測(cè)量精度降低。2.超聲波法超聲波法的原理是當(dāng)超聲波脈沖到達(dá)被測(cè)物體時(shí)，在被測(cè)物體的兩種介質(zhì)邊界表面會(huì)發(fā)生回波反射，通過(guò)測(cè)量回波與零點(diǎn)脈沖的時(shí)間間隔就可以計(jì)算出各面到零點(diǎn)的距離。這種方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但測(cè)速較慢，測(cè)量精度不穩(wěn)定，目前主要用于物體的無(wú)損檢測(cè)和壁厚測(cè)量。3.工業(yè)CT掃描法工業(yè)CT技術(shù)（IndustrialComputedTomography)適合于測(cè)量具有復(fù)雜的內(nèi)部幾何形狀的物體，利用它可直接獲取物體的截面數(shù)據(jù)，正好與快速成型方法匹配。它是根據(jù)CT圖像來(lái)重構(gòu)三維模型，然后轉(zhuǎn)化為可以為激光快速成型設(shè)備所采用的STL或CLI文件格式。工業(yè)CT是目前最先進(jìn)的非接觸測(cè)量方法，它可在不破壞零件的情況下，準(zhǔn)確地對(duì)物體的內(nèi)部形狀、壁厚，尤其是內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)量，這是其他測(cè)量方式所難以做到的，而且對(duì)零件的材料沒(méi)有限制。但是，CT測(cè)量方法也存在著測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低、獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)、重建圖像計(jì)算量大、設(shè)備造價(jià)高的缺點(diǎn)。4.逐層切削照相測(cè)量逐層切削照相測(cè)量是一種新興的斷層測(cè)量技術(shù)。它以極小的厚度去逐層切削實(shí)物（最小可達(dá)士0.01mm)，并對(duì)每一斷面進(jìn)行照相，獲取截面圖像數(shù)據(jù)，其測(cè)量精度達(dá)士0.02mm，是目前斷層測(cè)量精度最髙的方法，且成本較低，與工業(yè)CT相比，價(jià)格便宜70%?80%，但它的致命缺點(diǎn)是破壞了零件。5.核磁共振（MRI)法磁共振成像技術(shù)（MRI)也稱為核磁共振。該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是核物理學(xué)的磁共振理論，是20世紀(jì)70年代末以后發(fā)展起來(lái)的一種新式醫(yī)療診斷影像技術(shù)。其基本原理是用磁場(chǎng)來(lái)標(biāo)定人體某層面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當(dāng)被激發(fā)的核在動(dòng)態(tài)過(guò)程中自動(dòng)恢復(fù)到靜態(tài)場(chǎng)的平衡時(shí)，把吸收的能量發(fā)射出來(lái)，然后利用線圈來(lái)檢測(cè)這種信號(hào)，信號(hào)輸人計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。它能深人物體內(nèi)部且不破壞物體，對(duì)生物沒(méi)有損害，在醫(yī)療上具有廣泛應(yīng)用。但其不足之處在于造價(jià)極為昂貴，空間分辨率不及CT，且目前對(duì)非生物材料（比如金屬材料）不適用。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種通用的三維長(zhǎng)度測(cè)量?jī)x器，是由三個(gè)相互垂直的測(cè)量軸和各自的長(zhǎng)度測(cè)量系統(tǒng)組成的機(jī)械主體，結(jié)合測(cè)頭系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等構(gòu)成坐標(biāo)測(cè)量系統(tǒng)的主要系統(tǒng)元件，測(cè)量時(shí)把被測(cè)件置于測(cè)量機(jī)的測(cè)量空間中，通過(guò)機(jī)器運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)帶動(dòng)傳感器即測(cè)頭實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)量空間內(nèi)任意位置的被測(cè)點(diǎn)的瞄準(zhǔn)，當(dāng)瞄準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)時(shí)測(cè)頭即發(fā)出讀數(shù)信號(hào)，通過(guò)測(cè)量系統(tǒng)就可得到被測(cè)點(diǎn)的幾何坐標(biāo)值，根據(jù)這些點(diǎn)的空間坐標(biāo)值，經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算求出待測(cè)的幾何尺寸和相互位置關(guān)系。激光三角測(cè)量技術(shù)激光三角形法是一種比較傳統(tǒng)的測(cè)量方法，近年來(lái)，它在諸多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。與其他非接觸式測(cè)量方法相比，具有大的偏置距離和大的測(cè)量范圍，對(duì)待測(cè)表面要求較低，不僅適合小件物體的輪廓測(cè)量也非常適合大型物體的形貌體積測(cè)量，而且測(cè)量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常的簡(jiǎn)單，維護(hù)也非常方便，是一種高速、高效、高精度的并具有廣闊應(yīng)用前景的非接觸式測(cè)量方法。激光三角形法是目前最成熟，也是應(yīng)用最廣泛的一種非接觸式測(cè)量方法。激光三角形法的基本原理是利用具有規(guī)則幾何形狀的激光束或模擬探針沿樣品表面連續(xù)掃描，被測(cè)表面形成的漫反射光點(diǎn)（光帶）在光路中安置的圖像傳感器上成像，按照三角形原理，測(cè)出被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)激光三角形法測(cè)量速度快、精度高。激光掃描被測(cè)物體既可以是硬質(zhì)工件也可以是柔軟樣件。其缺點(diǎn)是對(duì)被測(cè)表面粗糙度、漫反射率和傾角過(guò)于敏感，存在“陰影效應(yīng)”，限制了探頭的適用范圍；不能測(cè)量激光照射不到的位置，對(duì)突變的臺(tái)階和深孔結(jié)構(gòu)易于發(fā)生數(shù)據(jù)丟失；掃描得到的數(shù)據(jù)量較大，需經(jīng)過(guò)專門(mén)的逆向工程數(shù)據(jù)處理軟件建立曲面模型，且曲面邊緣和結(jié)合部分的數(shù)據(jù)需人工修整。雙目立體視覺(jué)測(cè)量技術(shù)1.光學(xué)三角法光學(xué)三角法是以傳統(tǒng)幾何學(xué)中的三角測(cè)量為基礎(chǔ)，用光學(xué)三角測(cè)距原理構(gòu)成多種多樣的視覺(jué)傳感器，主要分為點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法、線結(jié)構(gòu)光法和編碼面結(jié)構(gòu)光法。

點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法激光器投射一個(gè)光點(diǎn)到待測(cè)物體表面，被測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)可由投射光束的空間位置和被測(cè)點(diǎn)成像位置所決定的視線空間位置計(jì)算得到。由于每次只有一點(diǎn)被測(cè)量，為了形成完整的三維面形，必須有附加的二維掃描。它的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)處理比較簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是需對(duì)光束作二維方向的掃描。線結(jié)構(gòu)光法系統(tǒng)由線光源和面陣CCD攝像機(jī)組成。線光源產(chǎn)生一個(gè)光平面，投射到被測(cè)物體表面而形成一條光帶。根據(jù)上述同樣的原理，被光源照明的物體上各點(diǎn)的三維位置可通過(guò)圖像中在像平面上的坐標(biāo)以及光束平面的空間位置等參數(shù)得到。由于一次只能得到一條光帶上的三維數(shù)據(jù)，因此為獲得完整的三維面形，需要進(jìn)行一維掃描。與點(diǎn)結(jié)構(gòu)光法相比，其硬件結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，數(shù)據(jù)處理所需的時(shí)間也較少。碼面結(jié)構(gòu)光法系統(tǒng)是由一投影儀、一面陣CCD組成。結(jié)構(gòu)光照明系統(tǒng)投射一個(gè)二維圖形（該圖形可以是多種形式）到待測(cè)物體表面，如將一幅網(wǎng)格狀圖案的光束投射到物體表面，三維面形同樣可通過(guò)三角法計(jì)算得到。它的特點(diǎn)是不需掃描，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量?？傊?，三角法精度很高，但攝像機(jī)可能接收不到部分照明區(qū)，造成部分?jǐn)?shù)據(jù)的丟失。2.成像雷達(dá)法成像雷達(dá)法的測(cè)量原理基于飛行時(shí)間法（time-of-light)。飛行時(shí)間法利用波源發(fā)射光波測(cè)量信號(hào)，通過(guò)計(jì)算待測(cè)物體反射回來(lái)的時(shí)間差得到至一物體的距離，根據(jù)發(fā)射波和接收波的相位變化，可得到待測(cè)物的輪廓深度，也可以利用相位分割的方式提升返回信號(hào)的解析度，目前也有配合外差干涉技術(shù)的激光多普勒位移器，精度相當(dāng)高。這一方法的特點(diǎn)是在大范圍內(nèi)仍可保持較高的精度，但測(cè)量速度慢，且造價(jià)高。3.Moire條紋法Moire條紋法是光源發(fā)出的光線通過(guò)—光柵投射到待測(cè)景物表面，其反射光回到光柵處與新的發(fā)射光產(chǎn)生干涉，從而在接收器上獲得Moire條紋。Moire條紋本身可看成是一種距離的增量編碼，通過(guò)對(duì)Moire條紋的分析和檢測(cè)