先进制造技术——反求工程

1、 第三章第三章 反求工程反求工程 也称逆向工程、反向工程, 是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程 是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计开发及生产的全过程。 反求工程反求工程(Reverse Engineering,RE)(Reverse Engineering,RE) 在机械制造领域应用多年的仿制技术，是反求工程的发展基础。 反求工程不是传统意义上的“仿制”，而是基于原型的再设计。 从应用目标来看，实物仿制的着眼点在于制造出与实物相同的产品；而反求工程的着眼点则在于对原始设计的还原与再设计，而后制造出和原有

2、实物“形似”而且“神似”的产品； 反求工程更强调集百家之长，在原有技术基础上进行创新和开拓延伸，形成更高层次的新技术或新产品。 反求工程的应用实例反求工程的应用实例当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。图图1 飞机模型设计飞机模型设计在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机

3、屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。 图图2 汽车外型汽车外型前期设计草图前期设计草图图图3 外型油泥模型外型油泥模型图图4 艺术品修复艺术品修复反求工程（逆向工程）具有与传统（正向设计）设计制造过程截然不同的设计流程。在反求工程中，按照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中；在传统的设计制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素，进行从无到有的设计。

4、 a a 正向设计流程图；正向设计流程图； b b 逆向设计流程图逆向设计流程图u第一步: 零件原形的数字化通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。u第二步: 从测量数据中提取零件原形的几何特征按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。u第三步: 零件原形CAD模型的重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。u第四步: 重建CAD模型的检验与修正采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否

5、满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。 接触式测量方法大致有：坐标测量机和层析法。坐标测量机坐标测量机：是一种大型精密的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，可以连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。 层析法层析法：层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光

6、扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。 非接触式测量根据测量原理的不同，大致有：光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。基于光学三角型原理的逆向工程扫描法：这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息 基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法：这种测量方法将光栅条纹

7、投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。基于工业CT断层扫描图像逆向工程法：这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像；根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息；该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量；该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大；美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。立体视觉测量方法：立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄

8、的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值；立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置；立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。 坐标测量机坐标测量机 CT 断层图像扫描仪断层图像扫描仪反求工程中常用的测量方法包括：反求工程中常用的测量方法包括：接触式测量方法和非接触式测量方法。接触式测量方法和非接触式测量方法。 汽车逆向工程实例汽车逆向工程实例汽车汽车逆向工程系统主要逆向工程系统主要由三部分组成由三部分组成: :1.1.产品实物几何外形的产品实物几何外形的数字化

9、数字化；2.2.CADCAD模型重建模型重建；3 3。产品或模具制造。产品或模具制造。其中，其中，逆向工程中的关逆向工程中的关键技术是据采集、数据键技术是据采集、数据处理和模型的重建。处理和模型的重建。汽车逆向工程流程图汽车逆向工程流程图三维扫描仪对物体多方位多角度进行拍摄三维扫描仪对物体多方位多角度进行拍摄 利用被测物体表面的特征点或者标记点自动拼接利用被测物体表面的特征点或者标记点自动拼接后获得的完整点云数据后获得的完整点云数据 经过对原始数据进行除噪、取样后获得高质经过对原始数据进行除噪、取样后获得高质量的点云数据量的点云数据从点云数据中提取特征线、边界线从点云数据中提取特征线、边界线 逆向软件中建成模型逆向软件中建成模型 在逆向件中数模对比分析，检验产品在逆向件中数模对比分析，检验产品 某汽车模具厂现场扫描的实例某汽车模具厂现场扫描的实例逆向工程在其它领域的应用逆向工程在其它领域的应用 ：p 三维彩色数字摄影、三维