第12章+逆向工程概述與案例應(yīng)用

第12章逆向工程概述與案例應(yīng)用目錄逆向工程的定義逆向工程的應(yīng)用逆向工程的工作流程逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新逆向工程的限制逆向工程的數(shù)據(jù)采集掃描數(shù)據(jù)處理流程CATALOGUE01逆向工程的定義CHAPTER逆向工程是將實物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)、幾何模型重建技術(shù)、產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱。一、逆向工程的概念逆向工程的起源逆向工程始于利用簡單量測工具對工件進行測量，并繪制成工程三視圖。測量技術(shù)的局限性盡管有簡單的量測工具，但仍然無法測量所有的曲面部分。二、早期逆向工程方法與工具CMM三次元的量測系統(tǒng)克服了準確量測的問題，但無法測得所有外形特征。CMM三次元的量測系統(tǒng)非接觸式量測設(shè)備具有不耗費人力、快速、資料完全、不需做補正和可直接量測軟材質(zhì)件等優(yōu)點。非接觸式量測設(shè)備三、非接觸式量測設(shè)備：克服CMM局限性的新興科技選擇四、CAD/CAM軟體在逆向工程中的應(yīng)用CAD/CAM軟體進步隨著CAD/CAM軟體的進步，從早期的2DCAD到現(xiàn)在的3DCAD軟體，擺脫了以往2D工程圖的工作模式及制造上的盲點。無法達成的正向設(shè)計逆向工程CAD建模在產(chǎn)品設(shè)計上仍有許多正向設(shè)計是無法達成的，如特殊的外觀造型、自由曲面的造型，或是手工制作的產(chǎn)品原型等。無法達成的正向設(shè)計需要使用量測設(shè)備將外形資料量測為數(shù)位點數(shù)據(jù)，進行逆向工程CAD建模。02逆向工程的應(yīng)用CHAPTER一、在對產(chǎn)品外形的美學有特別要求的領(lǐng)域二、當設(shè)計需要通過實驗測試才能定型的工件模型時在航空航天、汽車等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學的要求，首先要求在實體模型、縮小模型經(jīng)過風洞試驗等各種性能測試的基礎(chǔ)上建立符合要求的產(chǎn)品模型。三、沒有CAD模型或圖樣時

在沒有設(shè)計圖樣或者設(shè)計圖樣不完整，以及沒有CAD模型的情況下，通過對零件原型進行測量，形成零件的設(shè)計圖樣或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速成型加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個相同的零件。四、在模具行業(yè)、文物與藝術(shù)品的保護方面在模具制造過程，由于需要反復(fù)修改原始設(shè)計的模具型面，以得到符合要求的模具，可采用逆向工程。同時逆向工程也廣泛用于破損文物、藝術(shù)品的修復(fù)等。五、在新產(chǎn)品開發(fā)或正向設(shè)計難于完成逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計上同樣具有相當高的應(yīng)用價值。可以直接在已有國內(nèi)外先進產(chǎn)品基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)性能分析、設(shè)計模型重構(gòu)、再設(shè)計優(yōu)化和制造，吸收并改進國內(nèi)外先進的產(chǎn)品和技術(shù)，極大地縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，迅速占領(lǐng)市場。03逆向工程的工作流程CHAPTER使用CAD/CAM軟件或?qū)I(yè)逆向軟件，根據(jù)測量得到的資料數(shù)據(jù)建立工程CAD資料。建立工程CAD資料快速成型或數(shù)控加工通過快速成型機制作原型，或由數(shù)控機床進行加工制造。逆向工程測量通過測量設(shè)備對成品進行測量，獲取資料數(shù)據(jù)，如點云數(shù)據(jù)。一、逆向工程的工作流程04逆向工程與產(chǎn)品創(chuàng)新CHAPTER產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計是一種將設(shè)計者的能力與人類已有的科學技術(shù)相結(jié)合，進行創(chuàng)新構(gòu)思，設(shè)計出科學性、創(chuàng)造性、新穎性及實用性產(chǎn)品的實踐活動。一、創(chuàng)新設(shè)計創(chuàng)新設(shè)計特征創(chuàng)新設(shè)計的基本特征是新穎性和先進性，適用于從結(jié)構(gòu)修改到原理更新等不同層次的設(shè)計工作，既可以用于產(chǎn)品設(shè)計，也可以用于零部件設(shè)計。原創(chuàng)型創(chuàng)新原創(chuàng)型創(chuàng)新是指從無到有，創(chuàng)造發(fā)明一種全新的技術(shù)和產(chǎn)品，如愛迪生發(fā)明的白熾燈、萊特兄弟發(fā)明了飛機。1.組合創(chuàng)新法組合創(chuàng)新是依據(jù)一定目的、按照一定方式，將兩種以上的技術(shù)思想或物質(zhì)產(chǎn)品進行適當?shù)慕M合，從而進行新的技術(shù)創(chuàng)造，形成一種新的結(jié)果。目前，大多數(shù)創(chuàng)新的成果都是通過采用這種方法取得的。2.類比創(chuàng)新法類比創(chuàng)新法是根據(jù)兩個或兩類對象之間在某些方面的相同或相似而推出它們在其他方面也可能相同的一種思維形式和邏輯方法。如秋千采用類比的方法進行結(jié)構(gòu)修改、設(shè)計出新產(chǎn)品。逆向工程助發(fā)展在經(jīng)濟全球化背景下，逆向工程成為國家和企業(yè)發(fā)展的重要手段，通過利用別國的科技成果進行消化吸收與創(chuàng)新，快速提升本國科技和經(jīng)濟水平。01.二、逆向工程與創(chuàng)新設(shè)計逆向工程破保密由于技術(shù)保密，逆向工程是獲得產(chǎn)品圖樣、技術(shù)文件等資料的重要途徑，通過購買轉(zhuǎn)讓除外。產(chǎn)品實物作為商品，是最容易獲得的研究對象。02.逆向工程改設(shè)計在只有產(chǎn)品原型或?qū)嵨锬Ｐ偷臈l件下，可以基于產(chǎn)品實物逆向工程對產(chǎn)品零件進行生產(chǎn)制造，通過重構(gòu)CAD模型，實現(xiàn)對原型的修改和再設(shè)計。03.逆向工程得技術(shù)各國70%以上的技術(shù)都是來自于外國，通過逆向工程掌握這些技術(shù)。產(chǎn)品問世蘊含著對已有科學、技術(shù)的繼承、應(yīng)用和借鑒。逆向工程再設(shè)計逆向工程是制造業(yè)實現(xiàn)快速產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的重要途徑，通過消化吸收先進技術(shù)，建立和掌握自己的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計技術(shù)，進行產(chǎn)品的創(chuàng)新設(shè)計。逆向工程重要性目前我國企業(yè)對于技術(shù)引進基礎(chǔ)上的逆向工程重視還不夠，沒有考慮技術(shù)引進與逆向工程的結(jié)合對技術(shù)水平的提升，需要從戰(zhàn)略高度考慮技術(shù)引進問題。逆向工程創(chuàng)新法面向創(chuàng)新設(shè)計的逆向工程是一個認識原型-再現(xiàn)原型-超越原型的過程，也是一種綜合運用多種先進技術(shù)，以實現(xiàn)創(chuàng)新、提高產(chǎn)品設(shè)計品質(zhì)為最終目的的設(shè)計新方法。二、逆向工程與創(chuàng)新設(shè)計05逆向工程的限制CHAPTER逆向工程限制因素逆向工程受到多種限制，包括技術(shù)、法律、倫理和實用性的考量。技術(shù)限制逆向工程可能面臨技術(shù)上的挑戰(zhàn)，如缺乏足夠的文檔或工具鏈的支持。法律限制逆向工程在法律上可能受到限制，如涉及版權(quán)、專利或商業(yè)機密等問題。倫理限制逆向工程可能受到倫理道德的質(zhì)疑，如涉及侵犯他人隱私或損害他人利益的行為。實用性限制逆向工程可能面臨實用性的問題，如生成的代碼或模型可能難以理解和維護。一、逆向工程的限制因素0102030405點云數(shù)據(jù)讀取與運算軟件需能夠讀取和運算大量的點云數(shù)據(jù)，這是進行曲面建模的基礎(chǔ)。測量設(shè)備精度影響測量設(shè)備的精度會影響所測得的點云數(shù)據(jù)，而點云數(shù)據(jù)的精度和數(shù)量又直接影響到后續(xù)的曲面建模。點云資料品質(zhì)影響點云資料的品質(zhì)直接影響曲面的品質(zhì)，點云的誤差值與曲面品質(zhì)的取舍需要依靠工程人員的判斷與操作技巧。特征線與分割曲面由點云資料直接獲得適用的特征線或是分割曲面、規(guī)劃曲面建模流程需要工程人員依據(jù)經(jīng)驗判斷，無法以參數(shù)或數(shù)值來量化。曲面建模耗時曲面建模完成后，需要進行誤差比對，如果誤差值不在規(guī)定范圍，則需要微調(diào)，所需的時間較多。二、點云資料的品質(zhì)影響曲面的品質(zhì)010203040506逆向工程的數(shù)據(jù)采集CHAPTER傳統(tǒng)的三坐標測量機是接觸式測量的典型三維數(shù)據(jù)采集儀器，主要用于實物三維數(shù)據(jù)采集。接觸式測量儀器在逆向工程應(yīng)用的初期，CMM是實物三維數(shù)據(jù)采集的主要手段，按結(jié)構(gòu)主要分為龍門式、橋式、關(guān)節(jié)臂式測量機等。逆向工程應(yīng)用一、接觸式數(shù)據(jù)采集接觸式測量設(shè)備經(jīng)過長時間的發(fā)展，其機械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，訊號讀取較非接觸式簡單穩(wěn)定，干擾較少，可校正到某一坐標系，不需綜軟件再定位一次，因此精確度高。穩(wěn)定的技術(shù)二、接觸式測量設(shè)備的優(yōu)缺點配合床臺及接觸式測頭，對于簡單幾何形狀的測量速度比較快、準確，例如面、圓孔、圓柱、圓錐等。被測物件外形及顏色影響不大，非接觸式測量設(shè)備不可測量光學儀器死角區(qū)域?？焖俚臏y量接觸式測量設(shè)備可通過手臂式的測量設(shè)備取得測量數(shù)據(jù)，同時不必考慮被測物件外觀是否會反光，以及測頭是否會受到溫度、濕度等環(huán)境因素的影響。測量不受限制歐盟研究性能檢定歐盟對非接觸式測頭的性能檢定方法進行研究，以期制訂出相應(yīng)的標準和規(guī)程，規(guī)范非接觸式測量技術(shù)。非接觸式數(shù)據(jù)采集利用光、聲、磁等原理進行數(shù)據(jù)采集，光學方法細分有三角形法、測距法、干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法等。非接觸式測量優(yōu)點非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快精度高，排除了測量誤差，避免偽劣點問題，獲得密集點云信息，光斑小，探測難以測量部位。三、非接觸式數(shù)據(jù)采集3D手持掃描儀定位3D手持掃描儀使用圓點標記實現(xiàn)視覺定位，通過提取圓點邊界來擬合圓心的坐標，達到精確定位的效果。光學非接觸式測量問題光學非接觸式測量方法存在問題，主要問題是輪廓邊緣的定義，光照條件和工作件表面狀況影響測量結(jié)果。數(shù)據(jù)處理重要性數(shù)據(jù)量大造成不便，需要測量規(guī)劃和數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化測量過程，提取有用信息，忽略無關(guān)細節(jié)，簡化數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。非接觸掃描儀分類非接觸式掃描儀分為拍照式3D掃描儀（白光）和手持式3D掃描儀（激光），利用照相或激光進行非接觸掃描。三、非接觸式數(shù)據(jù)采集四、非接觸式測量設(shè)備的優(yōu)缺點非接觸式測量設(shè)備的缺點測量精度較差非接觸式測量設(shè)備大部分由三角測距的方式計算點云資料坐標，誤差較接觸式大。非接觸式測量設(shè)備的優(yōu)點節(jié)約人力成本非接觸式測量設(shè)備不需要耗費太多人力，不需要逐點方式測量，測量速度快。07掃描數(shù)據(jù)處理流程CHAPTER壞點又稱噪點，主要是由于測量設(shè)備的標定參數(shù)發(fā)生改變和測量環(huán)境突然變化造成的。壞點成因壞點對曲線、曲面的光順性影響較大，因此測量數(shù)據(jù)預(yù)處理首先就是要去除數(shù)據(jù)點集中的壞點。壞點對光順性的影響常用的處理方法有直觀檢查法、曲線檢查法及弦高差法，如圖12-9所示。壞點處理方法一、去除壞點點云精簡需求為提高高密度數(shù)據(jù)點云在曲面重構(gòu)時的效率和質(zhì)量，需要按一定要求精簡測量點的數(shù)量。精簡方式精簡方法二、數(shù)據(jù)精簡不同類型的點云可以采用不同的精簡方式，散亂數(shù)據(jù)點云可以通過隨機采樣的方法來精簡。掃描線點云和多邊形點云可采用等間距精簡、倍率精簡、等量精簡和弦偏差等方法進行精簡。二、數(shù)據(jù)精簡01網(wǎng)格化點云可采用等分布密度法和最小包圍區(qū)域法等進行數(shù)據(jù)精簡，確保數(shù)據(jù)的均勻性和完整性。通過以某一點定義采樣立方體，求立方體內(nèi)其余點到該點的距離，再根據(jù)平均距離和用戶指定保留點的百分比進行精簡。在數(shù)據(jù)采集時，采集到的點云數(shù)據(jù)有24500個，為了方便模型重建與點數(shù)據(jù)運行，可通過距離精簡方法，精簡后的點云在空間分布均勻，適合數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。0203網(wǎng)格化點云精簡均勻精簡方法葉輪片模具精簡三、數(shù)據(jù)插補數(shù)字化限制由于實物拓撲結(jié)構(gòu)和測量機的限制，數(shù)字化過程中可能會存在一些探頭無法測到的區(qū)域。零件特征實物零件中可能存在表面凹邊、孔及槽等特征，導(dǎo)致曲面出現(xiàn)缺口。數(shù)據(jù)空白造型時可能會出現(xiàn)數(shù)據(jù)空白現(xiàn)象，影響曲面的逆向建模。插補方法應(yīng)用于逆向工程的數(shù)據(jù)插補方法或技術(shù)主要有實物填充法、造型設(shè)計法和曲線、曲面插值補充法。四、數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)平滑濾波01在數(shù)據(jù)測量過程中，由于受到各種人為和隨機因素的影響，測量結(jié)果會包含噪聲。為了降低或消除噪聲對后續(xù)建模質(zhì)量的影響，需要對數(shù)據(jù)進行平滑濾波。高斯濾波器02高斯濾波器在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。平均濾波器03平均濾波器采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計值，這種濾波器消除數(shù)據(jù)毛刺的效果很好。濾波算法選擇04在實際使用時，可以根據(jù)點云質(zhì)量和后續(xù)建模要求靈活選擇濾波算法。數(shù)據(jù)分割的目的數(shù)據(jù)分割是將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)成組，以便后續(xù)的曲面模型重建。數(shù)據(jù)分割的方法目前數(shù)據(jù)分割方法主要有基于邊的方法、基于面的方法、基于群簇的方法?；谶叺姆椒ɑ谶叺姆椒ㄊ歉鶕?jù)數(shù)據(jù)點的局部幾何特性檢測邊界點，連接邊界點，將數(shù)據(jù)集分割為獨立點集?；诿娴姆椒ɑ诿娴姆椒ǜ鶕?jù)指定的曲而方程擬合數(shù)據(jù)點集，迭代過程可以分為自底向上、自頂向下兩種。群簇方法群簇方法是通過群簇技術(shù)把局部幾何特征參數(shù)相似的數(shù)據(jù)點聚集為一類，但聚類方法需要預(yù)先指定分類的個數(shù)。五、數(shù)據(jù)分割0102030405逆向工程中的坐標測量挑戰(zhàn)在逆向工程中，由于坐標測量范圍的限制，一次性能測出的產(chǎn)品幾何數(shù)據(jù)是有限的。數(shù)字化與模型重建的矛盾產(chǎn)品的數(shù)字化不能在同一坐標系下完成，但在模型重建時又必須將不同坐標下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下。多視數(shù)據(jù)定位對齊的意義多視數(shù)據(jù)定位對齊或數(shù)據(jù)拼合是將不同坐標系下的數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一坐標系下的必要步驟。六、多視點云的對齊Faugeras和He2Bert在1986年應(yīng)用四元組算法來求解物體移動時物體對齊問題。四元組算法的應(yīng)用SArun等人在1988年通過SVD分解來求兩個對應(yīng)點集的變換問題。S