先進制造技術第4章產(chǎn)品逆向工程西南交大

一.逆向工程概述1.正向工程

一般工業(yè)產(chǎn)品開發(fā)是從確定預期功能與規(guī)格目標開始，構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，然后進行每個零部件的設計、制造以及檢驗，再經(jīng)過裝配、性能測試等程序完成整個開發(fā)過程，每個零部件都有設計圖紙，按確定的工藝文件加工。這種開發(fā)模式稱為預定模式（prescriptivemodel），此類開發(fā)工作稱為正向工程（forwardengineering）或正向設計，產(chǎn)品正向開發(fā)的流程如圖所示。一.逆向工程概述先進制造技術當前第1頁\共有47頁\編于星期六\21點2.逆向工程逆向工程（ReverseEngineering簡稱RE），又稱反求工程或逆向設計，是將已有產(chǎn)品模型（實物模型）轉(zhuǎn)化為工程設計模型和概念模型，并在此基礎上進行工程分析和再創(chuàng)新設計的一種方法和應用技術，可有效提高產(chǎn)品的技術水平，縮短設計周期，增強產(chǎn)品競爭力，是消化、吸收先進技術，進而創(chuàng)新和開發(fā)各種新產(chǎn)品的重要手段。逆向工程作為吸收先進技術的一種手段，使產(chǎn)品研制周期縮短百分之四十以上。掌握逆向工程技術，對我國國民經(jīng)濟的發(fā)展、科學技術水平的提高和企業(yè)快速響應市場能力的提升，具有重要的工程意義。一.逆向工程概述先進制造技術當前第2頁\共有47頁\編于星期六\21點

逆向工程通常是對某一實物樣件或模型（稱為零件原型，如汽車的外形、鞋楦模等）進行仿制。一.逆向工程概述先進制造技術當前第3頁\共有47頁\編于星期六\21點

目前，針對已有樣件（尤其是包含有復雜不規(guī)則自由曲面的樣件），可利用三維數(shù)字化測量儀器準確、快速地測量出產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，在逆向軟件中構(gòu)建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統(tǒng)進一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼（加工路徑）送至數(shù)控機床（CNC）制作所需模具，或者由快速成型機（RP）將樣品模型制作出來。一.逆向工程概述先進制造技術當前第4頁\共有47頁\編于星期六\21點逆向工程主要包括以下四個步驟：(1)

零件原型的數(shù)字化(2)

零件原型的特征識別與提取(3)

零件原型CAD模型的重建(4)CAD模型的檢驗與修正一.逆向工程概述先進制造技術當前第5頁\共有47頁\編于星期六\21點逆向工程大致應用在以下幾種情況：(1)

許多使用粘土或泡沫模型代替CAD設計的情況，最終需要運用逆向工程將這些實物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。(2)

外形設計師傾向使用產(chǎn)品的比例模型，以便于產(chǎn)品外形的美學評價，最終可通過運用逆向工程技術將這些比例模型用數(shù)學模型表達，通過比例運算得到美觀的真實尺寸的CAD模型。(3)

需要通過實驗來最終確定零件的形狀，(4)

藝術品、考古文物的復制。一.逆向工程概述先進制造技術當前第6頁\共有47頁\編于星期六\21點一.逆向工程概述(5)

人體中的骨頭和關節(jié)等的復制、假肢制造。(6)

特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設計依據(jù)，此時，需首先建立人體的幾何模型(7)

在快速原型制造（RPM）中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過逆向工程，可以方便地對快速原型制造的原形產(chǎn)品進行快速、準確的測量，找出產(chǎn)品設計的不足，進行重新設計，經(jīng)過反復多次迭代可使產(chǎn)品完善。。先進制造技術當前第7頁\共有47頁\編于星期六\21點反求工程的關鍵技術有:數(shù)據(jù)測量技術、數(shù)據(jù)預處理技術、模型重構(gòu)及產(chǎn)品制造技術。(1)數(shù)據(jù)測量技術反求工程中數(shù)據(jù)測量方法主要分為兩種:一種是傳統(tǒng)的接觸式測量法，如三坐標測量機法；另一種是非接觸測量法，如投影光柵法、激光三角形法、工業(yè)CT法、核磁共振法(MRI)、自動斷層掃描法等。只有獲取了高質(zhì)量的三維坐標數(shù)據(jù)，才能生成準確的幾何模型。所以，測量方法的選取是反求工程中一個非常重要的問題。(2)數(shù)據(jù)預處理技術對得到的測量數(shù)據(jù)在CAD模型重構(gòu)之前應進行數(shù)據(jù)預處理，主要是為了排除噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)、精簡和歸并冗余數(shù)據(jù)，通常包括:①噪聲點過濾②數(shù)據(jù)點分區(qū)③數(shù)據(jù)點精簡④數(shù)據(jù)點平滑。一.逆向工程概述先進制造技術當前第8頁\共有47頁\編于星期六\21點(3)模型重構(gòu)及產(chǎn)品制造技術通過重構(gòu)產(chǎn)品零件的CAD模型，在探詢和了解原設計技術的基礎上，實現(xiàn)對原型的修改和再設計，以達到設計創(chuàng)新、產(chǎn)品更新之目的，同時也可以完成產(chǎn)品或模具的制造。一.逆向工程概述先進制造技術當前第9頁\共有47頁\編于星期六\21點1.逆向工程系統(tǒng)組成(1)測量測頭分接觸式和非接觸式(2)測量機有三坐標測量機、多軸關節(jié)式機械臂及激光追蹤站等。(3)數(shù)據(jù)處理軟件(4)模型重建軟件

(5)CAE軟件

(6)數(shù)控加工設備

(7)快速原型機(8)產(chǎn)品批量生產(chǎn)設備二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第10頁\共有47頁\編于星期六\21點二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理2.測量方式

逆向工程多用三維立體測量，具體有：接觸式測量與非接觸式測量。

(1)接觸式測量

接觸式測量的優(yōu)點有：

接觸式測量不受樣件表面的反射特性、顏色及曲率影響，配合測量軟件，可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式測量的機械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當成熟，有較高的準確性和可靠性。

先進制造技術當前第11頁\共有47頁\編于星期六\21點接觸式測量的缺點有：①確定測量基準點而使用特殊的夾具，測量費用較高。

②測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。

③檢測某些輪廓時，可能會有先天的限制。

④以逐點進出方式進行測量，測量速度慢。

⑤測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生局部變形影響測量值的實際讀數(shù)。⑥不當?shù)牟僮魅菀讚p害樣件,也會使測頭磨耗、損壞。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第12頁\共有47頁\編于星期六\21點

采用接觸式測頭測量時，由于測頭半徑的影響，得到的坐標數(shù)據(jù)并不是測頭所觸及的表面點的坐標，而是測頭球心的坐標，如要求得物體真實外形則需要對測頭半徑進行補償二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第13頁\共有47頁\編于星期六\21點(2)非接觸式測量

非接觸光學測量有如下優(yōu)點：

①沒有測量力

②測量速度和采樣頻率較高。

③不必進行測頭半徑的補償。

④不少光學測頭具有大的量程。

⑤

同時探測的信息豐富。

二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第14頁\共有47頁\編于星期六\21點但非接觸式測量也還存在一些缺點：①

測量精度較差。②

使用CCD作探測器時，成像鏡頭的焦距會影響測量精度。③

非接觸式測頭是接收工件表面的反射光或散射光，測量結(jié)果易受環(huán)境光線及工件表面的反射特性的影響，噪聲較高，噪聲信號的處理比較麻煩。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第15頁\共有47頁\編于星期六\21點激光掃描儀三坐標測量機測量方式非接觸式接觸式測量精度10～100μm1μm傳感器光電接收器件開關器件測量速度1000～12000點／秒人工控制（較慢）前置作業(yè)通常表面需噴漆，無基準點設定坐標系統(tǒng)，校正基準面工件材質(zhì)無限定硬質(zhì)材質(zhì)測量死角光學陰影處及光學焦距變化處工件內(nèi)部不易測量誤差隨曲面變化大部分失真優(yōu)點測量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易；不必做測頭半徑補償；可測量柔軟、易碎、不可接觸、薄件、皮毛、變形細小等工件；無接觸力，不會傷害精密表面。①精度較高；②可直接測量工件的特定幾何特征。缺點測量精度較差，無法判別特定幾何特征；陡峭面不易測量，激光無法照射到的地方亦無法測量；工件表面與測頭表面不垂直，則測得的誤差變大；工件表面的明暗程度會影響測量的精度。需逐點測量，速度慢；測量前需做半徑補償；接觸力大小會影響測量值；接觸力會造成工件及測頭表面磨耗，影響光滑度；傾斜面測量時，不易補償半徑，精度低；測量工件內(nèi)部時，形狀尺寸會影響測量值。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第16頁\共有47頁\編于星期六\21點3.測量設備(1)坐標測量機

坐標測量機（CoordinateMeasuringMachine，簡稱CMM）是一種精密的三坐標測量儀器，三坐標測量機可分為主機、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分。三坐標測量機的組成二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第17頁\共有47頁\編于星期六\21點三坐標測量機的主機結(jié)構(gòu)二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第18頁\共有47頁\編于星期六\21點二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第19頁\共有47頁\編于星期六\21點二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第20頁\共有47頁\編于星期六\21點

CMM是典型的接觸式測量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標值。使用CMM時必須設定較多參數(shù)。一般來說，掃描方向與模型陡峭面成正交為佳。由于工件表面形狀不一，故常常要將工件分成不同的區(qū)域，使用不同的參數(shù)掃描。若測量復雜形狀的工件，則比較耗時。CMM主要優(yōu)點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行測量。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第21頁\共有47頁\編于星期六\21點(2)多軸關節(jié)式機械臂機械臂（Robot）也屬于接觸式測量儀。這種測量機幾乎不受方向限制，可在工作空間做任意方向的測量。精度不高為其主要缺點，一般常用于大型鈑金件模具的逆向工程測量。(3)激光掃描測量儀激光掃描測量儀用于非接觸式測量。四自由度激光掃描測量儀工作臺具有線性位移及旋轉(zhuǎn)的功能，可帶動CCD測頭做逐線掃描，并配合工件的旋轉(zhuǎn)完成多角度掃描的功能，基本上只要決定點的密度、掃描范圍即可，若遇到不感光或是全反射的表面，則必須噴漆或另外處理。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第22頁\共有47頁\編于星期六\21點(4)激光跟蹤測量系統(tǒng)

激光跟蹤測量系統(tǒng)屬球坐標式測量儀器此類設備較適合做大型物體輪廓的測量，如飛機或汽車外型等。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第23頁\共有47頁\編于星期六\21點(a)硬式測頭(b)觸發(fā)式測頭(c)模擬式測頭4.接觸式測頭及工作原理

硬式測頭（HardProbe或MechanicalProbe）、觸發(fā)式測頭（TouchTriggerProbe）及模擬式測頭（AnalogProbe）等三種。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第24頁\共有47頁\編于星期六\21點(1)硬式測頭

硬式測頭即機械測頭，硬測頭多用于精度要求不太高的小型測量機中，成本較低、操作簡單。(2)觸發(fā)式測頭觸發(fā)式測頭采用電子開關機構(gòu)，觸發(fā)信號由電子開關控制，其重復性、準確性均較高，可達1μm以內(nèi)，不受人為因素影響.二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第25頁\共有47頁\編于星期六\21點(3)模擬式測頭模擬式測頭接觸工件時會有側(cè)向位移，光柵尺被感應，產(chǎn)生電壓變化，此模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入處理器記錄下來，這種測量方式稱為模擬式測量。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第26頁\共有47頁\編于星期六\21點二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第27頁\共有47頁\編于星期六\21點5.非接觸式測頭及其工作原理

非接觸式測頭一般用于不規(guī)則曲面的測量。非接觸式測主要以光學測頭為主，隨著光電子技術的發(fā)展，光學測頭已經(jīng)是探測技術的一個重要發(fā)展方向。光學測頭一般是基于三角法測量原理。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第28頁\共有47頁\編于星期六\21點（a）點測量（b）線測量（c）面測量二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第29頁\共有47頁\編于星期六\21點(a)直射式結(jié)構(gòu)(b)斜射式結(jié)構(gòu)1－激光器；2－匯聚透鏡；3－被測表面；4－接收透鏡；5－光電探測器(1)三角法位移測量原理

單點式激光三角法測量有直射式和斜射式兩種結(jié)構(gòu)。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第30頁\共有47頁\編于星期六\21點(2)立體視覺測量技術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（或多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。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確性等問題。二.逆向工程系統(tǒng)及工作原理先進制造技術當前第31頁\共有47頁\編于星期六\21點產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)是通過坐標測量儀來獲取的，一方面，無論是接觸式的數(shù)控測量機還是非接觸式的激光掃描機，不可避免地會引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面。同時由于實物幾何和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時，會存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型帶來影響。所以需要對測量數(shù)據(jù)進行平滑處理、不同方位測量的多視數(shù)據(jù)進行對齊定位、不同特征區(qū)域的數(shù)據(jù)進行分割。三.測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術當前第32頁\共有47頁\編于星期六\21點1.數(shù)據(jù)平滑

數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和好的特征提取效果。三.測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術當前第33頁\共有47頁\編于星期六\21點2.多視數(shù)據(jù)對齊定位在逆向工程實際過程中，對實物樣件進行數(shù)字化時，往往不能在同一坐標系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測出。得到的數(shù)據(jù)為多次測量數(shù)據(jù)。對激光掃描測量，需要從不同的角度對樣件的各個面，以及樣件局部進行放大掃描，以獲取樣件的多視點云。通常為處理方便，將兩種情況的數(shù)據(jù)都稱為多視數(shù)據(jù)或點云，由于在幾何模型構(gòu)建時必須將這些不同坐標系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個坐標系中，這個數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對齊(Registration)，或數(shù)據(jù)拼合、重定位等。三.測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術當前第34頁\共有47頁\編于星期六\21點3.數(shù)據(jù)分割數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組，

數(shù)據(jù)分割方法分為基于測量的分割和自動分割兩種方法。

測量的分割:適合于曲面特征比較明顯的實物外形和接觸式測量，操作者的水平和經(jīng)驗對結(jié)果將產(chǎn)生直接影響。

自動分割:基于邊,基于面。三.測量數(shù)據(jù)預處理技術先進制造技術當前第35頁\共有47頁\編于星期六\21點在逆向工程中，實物的三維CAD模型重建是整個過程最關鍵、最復雜的一個環(huán)節(jié)，因為后續(xù)的產(chǎn)品加工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設計等應用都需要CAD數(shù)學模型的支持，這些應用都不同程度地要求重建的CAD模型能準確的還原實物樣件，所以點數(shù)據(jù)的處理、曲面的構(gòu)建方式以及完整的修編和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建相當重要的部分。四.模型重建技術先進制造技術當前第36頁\共有47頁\編于星期六\21點1.曲線擬合造型(1)曲線擬合（插值與逼近）

逼近:樣條曲線四.模型重建技術先進制造技術當前第37頁\共有47頁\編于星期六\21點(2)曲線修編對曲線進行修形操作，修補由于測量數(shù)據(jù)的不完整帶來的擬合曲線缺陷;具有完整、連續(xù)、光滑的特點，以保證生成曲面的光順性。(3)基于曲線的曲面重建

在曲線造型完成后，可以通過不同曲面造型方法，進行曲面模型的重建工作，主要的曲面造型方式有：邊界曲線、N邊曲面、平行曲面、掃掠、混合、旋轉(zhuǎn)、拉伸（Extend）和直紋面等。四.模型重建技術先進制造技術當前第38頁\共有47頁\編于星期六\21點四.模型重建技術先進制造技術當前第39頁\共有47頁\編于星期六\21點2.曲面擬合造型直接對測量數(shù)據(jù)點進行曲面片擬合，獲得曲面片后，經(jīng)過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型，曲面直接擬合造型既可以處理有序點，也能處理點云數(shù)據(jù)。四.模型重建技術先進制造技術當前第40頁\共有47頁\編于星期六\21點3.曲面編輯

曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，四.模型重建技術先進制造技術當前第41頁\共有47頁\編于星期六\21點4.模型精度的評價(1)模型精度評價指標

整體指標;局部指標。(2)模型精度評價方法

高斯曲率(GuassianCurvature)、截面曲率(SectionCurvature)、切矢(Slope)、雙向曲率（Porcupine)、法向矢量(Normals)。四.模型重建技術先進制造技術當前第42頁\共有47頁\編于星期六\21點曲面的連續(xù)性大致分為位置連續(xù)、切線連續(xù)與曲率連續(xù)。位置連續(xù)（0階連續(xù)）切線連續(xù)（1階連續(xù)）曲率連續(xù)（2階連續(xù)）四.模型重建技術先進制造技術當前第43頁\共有47頁\編于星期六\21點5.逆向工程軟件

專業(yè)的逆向工程軟件:英國DelCAM公司產(chǎn)品CopyCAD、美國Imageware公司的Surfacer、美國Raindrop公司的Geomagic、英國MDTV公司的STRIM。

CAD/CAM集成系統(tǒng)中也開始集成了類似功能模塊，如Pro/Engineer中的Pro/Scantools和ICEMSurf模塊、UG中的PointCloud功能、Cimatron中的ReverseEngineering功能模塊等，這些系統(tǒng)可以接受有序點，也可以接受點云數(shù)據(jù)，極大地方便了設計人員，但與專業(yè)的逆向工程軟件相比，它們的功能相當有限。四.模型重建技術先進制造技術當前第44頁\共有47頁\編于星期六\21點1.快速原型技術的基本過程(1)構(gòu)造產(chǎn)品的三維CAD