（机械电子工程专业论文）复杂曲面激光测量与重构相关技术研究.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 产品数字开发技术是现代产品开发技术中的核心技术之一逆向工程是实现 产品数字开发的重要方法，成为当今研究的一个热点方向它被广泛用于翻制模 具、复制零件、快速原型制造等方面 论文总结了现阶段国内外逆向工程的研究和应用成果，对点云获取的不同方 法进行分析和比较；论述了利用激光扫描仪l s h 一8 0 0 进行曲面测量的原理、方法 和关键问题；对复杂曲面进行了激光扫描测量。 论文详细研究了点云数据的处理问题，针对实物样件进行数字化时，不能在 同一坐标系下将产品的几何数据一次测出的闯题，即点云数据的坐标定位问题， 采用基本像素进行定位的方法，将多次扫描得到的点云资料整合在同一坐标系下， 解决了点数据输入软件时点坐标不统一的现象用这种方法进行定位可以得到很 高的整合精度 采用角度判别法，对点云数据中的误差点进行删除，并利用s u r f a c e r 软件的 强大功能，对点云数据的精简、点云数据的特征识别、数据分割等关键问题进行 了分析研究，为后续曲面重构的准确性莫定了基础 对逆向工程中曲面重构的基本理论进行了探索；研究了如何应用计算机辅助 设计技术，进行三维曲面的拟合、延伸、剪切、求交等混和运算问题，探索出复 杂自由曲面重构的方法和规律；研究了进行逆向工程项目时，在点云数据的精度 和客户要求已知的情况下，曲面构建过程中，对曲线和曲面的拟合误差的分配方 法。 由于构建倒角曲面时，在三个倒角的交界处经常会出现三边所形成的破洞， 虽然s u r f a c e r 提供了直接构建三边曲面的功能，但由软件直接创建的三边曲面补 片容易出现尖点，而且和周围的曲面缝补起来后形状不易调整针对此问题，本 文提出了在s u r f a c e r 环境中用“辅助法”构建三边曲面补片的新方法，该方法有 效弥补了s u r f a c e r 的不足，具有很好的使用价值。 最后作者运用s u r f a c e r 软件对螺旋锥齿轮模型的构建进行了研究，并进行了螺 旋锥齿轮的三维c a d 造型利用该模型能够方便进行运动仿真分析，齿轮修形和 第l 页 山东大学硕士学位论文 in 优化设计等工作，进两为齿轮的数控加工和模具加工提供数据 在我国设计制造领域进行逆向工程技术的应用研究，将对提高我国产品造型 的设计水平。降低产品设计成本，加快产品更新换代的速度，增强产品在国际市 场上的竞争力有着极强的促进作用本论文的研究工作丰富了产品造型设计的理 论和方法，将促进逆向工程在产品设计中的应用和推广 关键词逆向工程；复杂曲面；激光测量；数据处理；曲面重构 第1 i 页 山东大学硕士学位论文 a b s t r a c t d i g i t a ld e v e l o p m e n ti so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yf o r p r o d u c t d e v e l o p m e n tn o w a d a y s r e v e r s ee n g i n e e r i n gi sa ni m p o r t a n tm e t h o dt oc a r r y o u tp r o d u c td i g i t a ld e v e l o p m e n t i ti sw i d e l yu s e di nr e p r o d u c i n gm o d u l e a n d r e p l i c a t i n ga c c e s s o r ya n dr a p i dp r o t o t y p em a n u f a c t u r i n ga n de t c r e s e a r c h i n ga n da p p l i c a t i o na c h i e v e m e n ta b o u tr e v e r s ee n g i n e e r i n gi n c o u n t r ya n da b r o a da r es u m m a r i z e d ，a n ds e v e r a la p p r o a c h e st oo b t a i np o i n t c l o u d sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ep r i n c i p l ea n d t h em e t h o d ，a sw e l l a st h ek e yp r o b l e mi ns u r f a c em e a s u r e m e n tu s i n gl a s e rs c a nm a c h i n el s h 一8 0 0 a r ed i s c u s s e di nd e t a i l a u t h o rr e s e a r c h e st h em a n a g e m e n tp r o b l e mo fp o i n tc l o u d si nd e t a i l i n r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，w h e nw em e a s u r ea ne x i s t i n g o b j e c t s o m e t i m e sw e c a n n tm e a s u r et h e r h o l eo b j e c ti no n ec o o r d i n a t es y s t e m , s ow em u s tm e a s u r e t h eo b j e c tb ys e v e r a lt i m e s t h e nt h ep o i n tc l o u d ss h o u l db es e t t l e di nt h e s s _ l n ec o o r d i n a t e s y s t e m ，n a m e l y c o o r d i n a t eo r i e n t a t i o nm a t t e r i nt h e p a p e r ，a u t h o rp u t sf o r w a r dp r i m i t i v ee l e m e n tm e t h o dw h i c hc a nm a k ep o i n t c l o u d si nd i f f e r e n tc o o r d i n a t es y s t e mi nt h es a m ec o o r d i n a t es y s t e m i fw e u s et h i sm e t h o do nt h ep o i n tc l o u d s ，i t sp r e s i c i o nw i l l b ev e r yh i g h i n t h i sp a p e r ，a u t h o ru s e sa n g l ed i s t i n g u i s hm e t h o dd e l e t i n ge r r o r p o i n t s a l s ot h es a m p l i n ga n dt h ef e a t u r ee x t r a c t i o na n ds e g m e n t a t i o no f p o i n tc l o u d sa r ea n a l y z e da n dr e a s e a c h e dt om a k es u r f a c er e c o n s t r u c t i o n m o r ee x a c t l y i nt h i sp a p e r ，t h ee s s e n t i a lt h e o r yo fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n ds u r f a c e r e c o n s t r u c t i o na r er e s e a r c h e da n de x p l o r e d f u r t h e rm o r e ，a u t h o rr e s e a r c h e d h o wt od e a lw i t h3 ds u r f a c ew i t hc a dt e c h n o l o g ya n ds u m m a r i z e dr u l ea n d m e t h o d a l s o , a u t h o rp u tf o r w a r da ne r r o rd i s t r i b u t em e t h o dd u r i n gs u r f a c e r e c o n s t r u c t i o nw h e nw ec a r r i e do u tar e v e r s ee n g i n e e r i n gp r o j e c t w h e nw e c o n s t r u c taf i l l e ts u r f a c e ，a t h r e e t r i a n g l eh o l e w i l l 第1 l l 页 山东大学硕士学位论文 o c c u r a l t h o u g hw eu s es u r f a c e rc a nd e a lw i t ht h et h r e e t r i a n g l eh o l e d i r e c t l y 8t i n ep o i n tw i l lo c c u ri nt h et h r e e t r i a n g l ep a t c hw h i c hi s o b t a i n e db ys u r f a c e rd i r e c t l y m o r e o v e ri tc a n n tp a t c hw i t hn e i g b b o d r s u r f a c es u c c e s s f u l l y a i m e da tt h i sq u e s t i o n ，a u t h o rp u tf o r w a r dam e t h o d c a l l e da s s i s t a n tm e t h o dt oc o n s t r u c tt h r e e - t r i a n g l ep a t c h t h i sm e t h o d c o m p e n s a t et h es h o r t c o m i n go fs u r f a c e r ，s oi th a sg o o da p p l i c a t i o nv a l u e i nt h el a s tp a r to ft h isp a p e r ，a u t h o rr e s e a r c h e dt h ec o n s t r u c tp r o c e s s o fs p i r a lb e v e lg e a ri nr e v e r s ee n g i n e e r i n gs u r f a c e re n v i r o n m e n t u s i n gt h i s c a dm o d e l ，w ea r ea b l et oc a t t yo u tm o v e m e n ts i m u l a t i o na n a l y s i s ，w ea r e a b l et om o d if yt o o t hp a t t e r n ，t oo p t i m i z et h ed e s i g no ft h eg e a r ，a n dt o p r o v i d eb a s i cg e a rd a t at oc n ca n dd i ec u t t i n g i ft h et h e o r ya n da p p l i c a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gi nt h ei n d u s t r y d e s i g nf i e l d sa r er e s e a r c h e di nd e t a i l t h el e v e lo fi n d u s t r yd e s i g nw o u l d b ei m p r o v e d t h ec o s to ft h ep r o d u c td e s i g nw o u l dh er e d u c e d 。t h ep e r i o d o ft h ed e v e l o p m e n tw o u l db es h o r t e n ，t h ec o m p e t i t i o no ft h ep r o d u c ti n i n t e r n a t i o n a lm a r k e tw o u l db ei m p r o v e d t h es t u d yo ft h i sp a p e re n r c h e d t h et h e o r ya n dm e t h o di nt h es c u l p ta n dd e s i g no fi n d u s t r i a lp r o d u c t ，a n d w o u l dp r o m o t et h ea p p l i c a t i o na n dp o p u l a r i z a t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n g i ni 谢u s t r yd e s i g nf i e l d k e y w o r d sr e v e r s ee n g i n e e r i n g ；c o m p l e xs u r f a c e ；l a s e rm e a s u r i n g ；d a t a p r o c e s s i n g ； s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 第1 v 页 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：盛渣 e t 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：懿诠导师签名： 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的学术背景及实际意义 在科学技术高度发展的今天，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会 进步的重要手段各国都在充分利用别国的科技成果并加以消化吸收与创新，发 展自己的新技术。事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，极大促进武器装备 和民族经济高度发展的有利战略措施到目前为止，我国已引进了不少国外先进 技术和设备，但是要取得最佳技术成果和经济效益，还要善于对引进的技术、设 备进行深入的研究、吸收、消化和创新，从而在此基础上开发出具有自主知识产 权的先进产品，并逐渐形成自主技术体系，这对于迅速缩小我国和发达国家的技 术差距、并快速形成自主知识产权的创新产品，具有十分重要的意义。 产品数字开发技术是现代产品开发技术中的核心技术之。逆向工程是近年 来发展起来的一种产品数字开发方法，是现在研究的一个热点方向它的出现极 大的缩短了产品的开发周期，提高了产品精度：它不仅能根据产品的物理原型对 其进行数字化建模，以实现对该产品的快速设计。而且可应用于形状需要反复试 验，修改，实测才能定型的产品充分利用c a x ( c a d 、c a m ，c a e ) 及p d m 等先进 技术，逆向工程技术可以快速、有效的解决其产品的最终设计问题逆向工程的 作用主要在于改善产品开发的技术水平、提高生产力、增强经济竞争力当今， 世界各国在其经济技术发展领域中，大量应用逆向工程消化吸收先进技术经验， 并提出一定的创新思想。据统计。各国百分之七十以上的技术来源于国外先进技 术，同时。逆向工程作为一种快速掌握技术的手段，可使产品研制周期缩短百分 之四十以上。极大提高了生产率因此研究逆向工程技术是快速消化、吸收先进 技术进而创新和开发各种新产品的重要手段，是制造业面向2 l 世纪全球市场激烈 竞争的形势下，缩短产品开发周期、降低成本、提高竞争能力的必由之路，对我 国国民经济的发展和科学技术水平的提高。具有重要作用 目前，逆向工程的思想、理论与方法广泛应用于航空航天，汽车、轮胎，工 第1 页 山东大学硕士学位论文 _ _ _ _ _ - _ - _ _ - _ _ _ _ o ! ! ! ! ! l ! ! ! _ i _ _ 一i i b i i i b 一 艺品，玩具等行业，产生了重大经济效益和很好的社会效益。 近年来，在三维c a d 软件的带动下，c a d c 心技术在工业设计和加工领域中越 来越受到应有的重视产品外形的造型在工业产品尤其是民用工业产品的设计中 占据了相当重要的地位，产品外形中除使用原来常用的如平面球面、柱面等基 本几何形状外，三维自由曲面的应用也越来越多。这样就造成了采用顺向工艺流 程不能很方便地解决设计问题 由于不少产品外形复杂，如汽车( 飞机) 覆盖件、人造假肢、陶瓷产品、塑 料制品、玻璃器皿、艺术雕刻品和各种复杂零件等，其曲面设计表达或数学模型 的建立都十分困难，现有的c a d 系统尚难进行严格的几何描述因此，随着计算 机技术的飞速发展，逆向工程技术的应用必将越来越广泛 在逆向工程中。模型的测量与重建是实现产品逆向工程的关键，传统的三坐 标测量机多采用接触式测量，其缺点是测量速度慢、易划伤被测表面、存在接触 压力和半径补偿等缺点。随着传感技术、计算机技术、c a d c a m c a i 技术及材料科 学的迅速发展，基于激光光源的非接触式测量成为可能。从测量学角度看，非接 触式测量可真正实现“零接触力测量”，这样可有效避免了在高精度测量中测量力 带来的系统误差和随机误差，且可方便实现对软质和超薄型物体表面形状的测量； 另外还具有测量速度快、效率高等特点 本课题正是在上述背景下提出的主要利用我校新进的三维激光扫描仪 l s h - 8 0 0 及它所带的s u r f a c e r 软件，结合工程实际中的典型复杂曲面，进行激光 三维测量、点云数据处理、曲面重构方面的应用研究 本课题的完成必将促进先进设备在生产中的有效利用、促进逆向工程技术的 发展及应用产生积极影响 1 2 国内外文献综述 目前国内外关于逆向工程技术的研究相当活跃，市场上流行的商用c a w c a 】i l 系统也正在相继推出各自的逆向工程模块，如u n i g r a p h i e s ，p r o e n g i n e e r 等“， 由于开发商的侧重点不同，这些软件系统的功能也差别较大，如u g i i 以加工见长， i d e a s 的有限元分析嘲，p r o e n g i n e e r 的特征造型啪，形成了各具特色的 c a d c a e c a m 系统。但除了p r o e n g i n e e r 和s t r i m 具有专门的反求模块外，其 第2 页 山东大学硕士学位论文 他系统都是“正向”的c a d 系统，并不能适应于现在制造业的需要同时，由于 理论和方法上的限制，各种软件都没有达到理想的使用性能。大多数系统都是针 对具体的应用而开发，数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象，通用性差“ 基于目前的情况，我们可以设计专用的逆向设计模块，来完成从数据获取( 测量) 到曲面重构部分的逆向设计，再借助子商甩c a d 软件强大的建模能力来完成c a d 模型的重建、改进，通过r p 技术或c a x 技术实现产品的快速开发与制造嘲 1 2 1 国外反求工程技术的应用研究 逆向工程技术是2 0 世纪8 0 年代分剐由美国3 m 公司、日本名古屋工业研究所 以及美国u 即公司提出并研制开发成功的m 进入2 0 世纪9 0 年代以来，反求工程 技术被放大到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上瑚 1 9 9 8 年，全球反求工程技术系统加工中心达到3 3 1 个嘲，拥有快速成型机6 6 套，同时有2 7 个快速成型设备制造公司，1 2 个大的材料供应商，1 5 个专业软件 公司，再加上从事该项目的5 1 个教育和研究机构以及2 2 7 个提供赞助的基金会以 及大量的激光设备应用者和真空铸造机制造者，形成了一个强大的集成体在经 过了初期5 0 的高速增长后，世界快速制造业正步入稳定增长期。年增长率保持 在1 7 左右“”。 迄今，在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出现了许多个与反求工 程相关的软件，主要有：美国i m a g e w a r e 公司产品s u r f a c e r l o 5 、英国o b l c a 公 司产品c o p y c r d 、英国 4 1 ) t v 公司的s t r i ma n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n ，英国 r e n i s h a w 公司的t r a c e m l ，在一些流行的c a d c 聃集成系统中也开始集成了类似 模块，如u n i g r a h i c s 中的p o i n t c l o u d 功舱、p r o e n g i n e e r i n g 中的p r o s c 啪功 能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等“。日本开发了从胀i 、 c t 重构三维实体的软件，英、法等国能将扫描数据在数控设备上复制，美国开发 了c t 可视化可转成i g e $ 的软件” 在越来越剧烈的市场竞争中，这项技术已被先进工业国家有远见的企业所采 用，以使其在市场竞争中立于不败之地，已经在家电、汽车，玩具、轻工，建筑， 医疗、航空、航天，兵器等行业得到推广，并取得重大的经济效益。但非常完善 的针对工业设计的反求工程系统目前还没有，在各个环节都存在定问题此外 第3 页 山东大学硕士学位论文 由于测量方式、数据处理方式的多样性，使反求工程系统与其他系统如c a d 、c a m 等的接口缺乏统一的标准，不能高效率地交换信息，这是目前反求工程研究亟待 解决的问题1 1 2 2 国内反求工程技术的应用研究 与国外相比，国内研究起步晚，经费投入少，限制了高水平研究的开展，创 新性的研究不多，在世界学术领域，还没有形成较大的影响力。已知的较早从事 逆向工程研究的单位多为高等院校，较有代表性的有西安交通大学c i m s 中心的面 向c 胁的逆向工程测量方法和基于线结构光视觉传感器的光学坐标测量机的研究、 上海交通大学国家工程模具中心的集成系统和自动建模技术“8 、浙江大学生产工 程研究所的三角面片建模“町、南京航空航天大学c a d c a m 工程研究中心的基于海 量散乱点三角网格面重建和自动建模方法“”、华中科技大学的曲面测量与重建和 西北工业大学的数据点处理、建模等“町。 在应用研究上，除一些实验室的小型软件外，自主开发的商用逆向软件仅有 浙江大学生产工程研究所的反求工程c a d 软件r e - s o 盯“”和西北工业大学的实物 铡量造型系统n p 卜- s r 赆伽，由于缺乏自主的c a d c a m 软件的支撑，以及逆向工程 的上游测试设备和下游应用( c a d c a e c 枷基本为国外产品，使得国产软件产品 在设备接口、数据转换和应用上一直滞后于相关产品，开发的软件显得势单力薄， 与国外软件相比处于竞争上的劣势。 9 0 年代后期，反求工程技术在我国迅速发展和推广，但至今还没有具有真正 的集开发和产业于一体的经济实体因此，如何将反求工程系统地应用于工业产 品创新设计，如何根据工业设计的需要来开发合适的反求工程系统，还处于摸索 阶段。 1 3 逆向工程概述 1 3 1 逆向工程的定义 “逆向工程”( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程、反向工程等。逆 第4 页 山东大学硬士学位论文 向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游向设计上游反馈信息的回路乜。1 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，我们称之为正向 工程( 或顺向工程) ，而产品的逆向工程是根据零件( 或原型) 生成图样，荐制造 产品。它是一种以先进产品设备的实物，样件，软件( 包括图样、程序、技术文 件等) 或影像( 图像、照片等) 作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程 学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开 发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析 方法和应用技术的结合广义的逆向工程包括形状( 几何) 逆向、工艺逆向和材 料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统工程。 目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重 建产品实物的c a d 模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”这是因为 一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广，最多的一类设计成果。 也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和研制过程中，虽已经广泛 使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由 计算机辅助设计( c o 婶u t e ra i d e dd e s i g n ，c a d ) 模型描述的，设计和制造者面 对的是实物样件为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件 转化为c a d 模型，以期利用计算机辅助制造( c o m p u t e ra i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 、 快速原型制造和快速摸具( r a p i dp r o t o t y p i n gm a n u f a c t u r e r a p i dt o o l i n g , r p m r t ) ，产品数据管理( p r o d u c tm a n u f a c t u r es y s t e m ，c i m s ) 等先进技术对其 进行处理或管理。同时，随着现代测试技术的发展，快速，精确地获取实物的几 何信息已变成现实目静，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品 的相关技术，已成为c a d c m 4 系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相 对独立的领域。在这一意义下。4 实物逆向工程”( 简称逆向工程) 可定义为：逆 向工程是将实物转变为c a d 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制 造技术的总称。目前所谓的逆向工程是针对一现有工件( 样品或模型，尤其适合 复杂不规则的自由曲面) ，利用3 d 数字化铡量仪器准确、饫透地厕量；轮廓坐标 值，并建构曲面，经编辑，修改后，将图档转至般的c a d c a m 系统，再由c a m 所产生刀具的托搬王路径送至c n c 加工机制作所需模具，或者以快速成型机 ( r a p i dp r o t o t y p i n g ) 将样品模型制作出来，这一流程称为逆向工程，见图卜l 删 所示。 ， 第5 页 山东大学硕士学位论文 1 3 2 逆向工程的应用 逆向工程已成为当今c a d c a m 领域内研究的热点之一它在机械产品测量造 型、计算机视觉、根据切片数据的医学影像重建等领域都有重要应用。在制造业 领域内逆向工程也有广泛的应用背景在下列情形下，需要将实物模型转换为c a d 模型： ( 1 ) 尽管计算机辅助设计技术( c a d ) 发展迅速，各种商业软件的功能也日益 强大，但日前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或 泡沫模型代替c a d 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为c a d 模型。 ( 2 ) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终 可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达。通过比例运算得到美 观的真实尺寸的c a d 模型 ( 3 ) 由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全 由c a e 来完成，往往需要通过试验来确定最终零件的形状，如在模具制造中经常 需要通过试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。若将最终符合要求 的模具测量并反求出其c a d 模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加 工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具生产成本。 ( 4 ) 目前在国内，由于c a d c a m 技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况： 在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用c a o c m 技 术来加工模具，必须首先将实物零件转换为c a d 模型，继而在c a d 模型基础上设 计模具 ( 5 ) 艺术品，考古文物的复制 第6 页 山东大学硕士学位论文 ( 6 ) 人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造 ( 7 ) 特种服装，头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先 建立人体的几何模型 ( 8 ) 在r p f 的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆囱工程，可以方便地 对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行 重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善 1 3 3 逆向工程技术存在的问题 经过近2 0 年的研究，基于计算机辅助技术的实物逆向工程的技术方法、流程 已实用化，并在产品开发中取得广泛的应用，对应于逆向工程的各个流程，也己 形成有专业生产商和软件开发商。但逆向工程技术仍在发展中，仍存在许多问题 有待解决。目前逆向工程的研究正受到广泛的重视，是c a d c a i i 研究的热点，一 些重要的国际和国内的学术会议都将逆向工程及相关技术讨论作为一个重要的会 议专题，国内外已形成了一批长期从事逆向工程研究的单位和个人综合起来， 逆向工程技术的研究和应用仍存在下列问题： 1 技术方面 ( 1 ) 对实物外形的测量仍存在误差和遗漏。测量过程仍是一种无指导下的行 为，基于实物几何特点进行路径规划，达到最佳路径仍是寻求的目标 ( 2 ) 复杂曲面重构技术，尤其是由多个子曲面拼合而成的组合曲面，由于其 表面特征识别的难度增大，影响了后续的的数据分割和造型处理。尽管三角曲面 插值是解决异形曲面( 边界畸异，内部特征畸异) 的有效方法，但三角曲面模型 和四边曲面模型兼容问题仍有待完善 ( 3 ) 曲面光顺和模型评价曲面光顺仍是针对曲面片，没有一个整体曲面光 顺的方法，虽然在目前的c a d 系统中，都具有调整曲面的控制顶点的曲面修形功 能，但却是一项最难操纵的技术，因为无法控制曲面的光顺，大多数场合，调整 后的曲面外观品质反而变差另外，曲面光顺和精度保证仍是一对对立的矛盾 在模型精度评价方面，依靠最小距离进行模型评价是一种简单的方法，但不是一 种最好的方法。 ( 4 ) c a d 软件。尽管现在已有多种专用的逆向软件进入市场，但目前软件的 第7 页 山东大学硕士学位论文 数据处理技术，造型技术仍不完善，可以这么说，仍没有一种令操作者得心应手 的软件，模型质量的高低仍直接受操作者的经验，水平的影响 ( 5 ) 集成系统专用逆向软件和其他计算机辅助技术的结合已受到重视，我 们也高兴地看到一些国际著名的c a d 软件公司开发了与自己的c a d 平台集成的专 用逆向软件( 模块) 但是不同系统的数据传输仍需要采取通用数据格式的方式j 在数字化设备与造型软件的继承上，目前进展甚微。 2 工具方面 首先需要有足够的资金选配出合适的逆向工程设备，包括硬件和软件对具 体的流程，多数企业和研究单位只能选配种方式的设备和软件，如选择接触测 量或非接触测量、某种c a d 系统软件等，由于不同的铡量方式和设备包括软件都 有其特点和不足。适应于不同的应用的范围，使技术的通用性受到一定的限制。 应针对产品特点来选型 3 人员方面 逆向工程技术的应用仍是一项专业性很强的工作，各个过程都需要有专业的 人才，需要经验丰富的工程师，特别是对三维模型重建人员有更高的要求，除需 了解产品特点、制造方法和熟练使用c a d 软件逆向造型软件外，另一方面应熟 悉上游的测量设备，甚至必须参与测量过程，以了解数据特点。还应了解下游的 制造过程，包括制造设备和制造方法等。 1 4 逆向工程软件介绍 目前在国际市场上出现了多个与反求工程相关的软件系统，主要有：s d r c 公 司的i m a g e w a r es u r f a c e r 、r a i n d r o p6 e o m a g i c 公司的g e o m a g i c ，英国d e l c a m 公 司产品c o p y c a d 、英国唧v 公司的s t r i ma n ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、英国 r e n i s h a w 公司的t r a c e ，在一些流行的c a d c a m 集成系统中也开始集成了类似模 块。如u n i g r a h i c s 中的f o r mf e a t u r e 和p o i n tc l o u d 功能，p r o e n g i n e e r i m g 中 的p r o s c a n t o o l s 功能、c i m a t r o n 9 0 中的r e v e r s ee n g i n e e r i n g 功能模块等。在 我国，有关逆匈工程的研究与开发工作也在不少单位内展开，如浙江大学推出了 r e - s o f t 软件系统。华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等也取得一定的 成果 第8 页 山东大学硕士学位论文 1 4 1i m a g e w a r e 软件 i m a g e w a r e 是著名的逆向工程软件，广泛应用于汽车、航空、航天、家具、模 具、计算机零部件领域。起初i m a g e w a r e 主要应用于航空航天和汽车工业，因为 这两个领域对空气动力学性能要求很高，在产品开发的开始阶段就要认真考虑空 气动力性常规的设计流程首先根据工业造型需要设计出结构，制作出油泥模型， 然后将模型送到风洞实验室去测量空气动力学性能，再根据实验结果对模型进行 修改，经过反复修改直到获得满意结果为止，这样所得到的最终油泥模型才是符 合我们需要的模型将油泥模型的外形精确地输入计算机成为电子模型时，需要 采用逆向工程软件。i m a g e w a r e 逆向工程软件的主要产品有s u r f a c e r 、v e r d i c t 、 b u i l di t 、r p m 、v i e w 。其中s u r f a c e r 是i m a g e w a r e 的主要产品，主要用来做逆 向工程，它处理数据的流程遵循点曲线曲面的原则，流程简单清晰，软 件易于使用，其工作流程见图卜2 嘲由此可见s u r f a c e r 有四个方面的功能： ( 1 ) 扫描点的分析及处理：可接收来自不同来源的数据，如c m m 、l a s e r s e n s o r s 、m o i r es e n s o r s 、u l t r a s o u n d 等。 ( 2 ) 曲面模型构建：能够快速而准确地把扫描点变换成n u r b s 曲面模型。 ( 3 ) 曲面模型精度、品质分析 第9 页 山东大学硕士学位论文 已存在的物理模型 决定什么是下工程所需要的 从模型中得到点数据 + 读入点云数据 点处理过程 如果需要，把分散的点云数据对齐 清楚不需要的点 预先规划刨建面所需要的点，并把它显示出来 l 创建出所需点的片断 l 土 决定要创建的曲线的类型 由已存在的点创建出曲线 曲线处理过程 i 检查修改曲线 i i t 决定要刨建的曲面的类型 由点云或曲线创建曲面 i ；ek t 口 + i 咖处理短程 检查修改曲线 t 下游处理过程 图1 - - 2s u r f a c e r 软件工作流程 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 ( 4 ) 曲线和曲面可实时交互形状修改 在曲面的薰建方面，重建的方法可有两种：一是直接对测量数据拟合，生成 ( 曲面) 曲面片，最终经过对曲面片的过渡、拼接和裁剪等曲面编辑揉作完成曲 面模型的构建；二是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建 成( 曲面) 曲面片。 1 4 2g e o m a g i cs t u d i o 软件 g e o m a g i cs t u d i o 是美国r a i n d r o pg e o m a g i c ( f g 滴) 软件公司推出的逆向工 程软件。该软件是目前市面上对点云处理及三维曲面构建功能最强大的软件，从 点云处理到三维曲面重建的时间通常只有同类产品的三分之一利用g e o m a g i c s t u d i o 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自 动转换为n u r b s 曲面。该软件主要包括g e o m a g i co u a l i f y ，g e o m a g i cw r a p 、g e o m a g i c d e c i m a t e 、g e o m a g i cc a p t u r e 等五个模块。主要功能包括： ( 1 ) 自动将点云数据转换为多边形( p o l y g o n s ) ( 2 ) 快速减少多边形的数目( d e c i m a t e ) ( 3 ) 把多边形转换为n u r b s 曲面。 ( 4 ) 曲面分析( 公差分析等) ( 5 ) 输出与c a d c l w c a e 匹配的文件格式( i g s 、s t l 、d x f 等) 。 g e o m a g i cs t u d i o 的工作流程见图1 - 3 渊 第l l 页 山东大学硕士学位论文 3 d 扫描 目标 组合扫描( c o m b i n es c a n s ) 光滑数据( s m o o t hd a t a ) 点阶段 ( p o i n tp h a s e ) 多边形阶段 ( p o l y g o np h a s e ) 目标 光滑曲面( s m o o t hs u r f a c e ) 整理边界( c l e a nb o u n d a r i e s ) 成形阶段 ( s h a p ep h a s e ) 目标 规则化( r e g u l a r ) 形状调整( s h a p ea p p r e p r i a t e ) 扫描对齐( s c a nr e g i s t r a t i o n ) 扫描整理( s c a nc l e a n u 【p ) 噪音减小( n o i s er e d u c t i o n ) 采样( s a a p l i n g ) 基于曲率的孔填充( c u r v a t u r eh o l ef i l l i n d 多边形编辑( p o l y g o ne d i t i n g ) 边界修补( b o u n d a r yr e p a i r ) 特征构建( f e a t u r ec r e a t i o n ) r p 。可视化 ( v i s u a l i z a t i o n ) 特征识别( f e a t u r ed e t e c t i o n ) 特征线选取( f e a t u r el i n es e l e c t i o n ) 边界构建( b o u n d a r yc o n s t r u c t i o n ) 面片组织( p a t c ho r g a n i z a t i o n ) 图1 - 3g e o m a g i cs t u d i o 工作流程图 1 4 3p r o e n g i n e e r 软件 美国p t c 公司的p r o e n g i n e e r 以其参数化、基于特征、全相关等新概念闻名 于c a d 界其模块p r o s c a n t o o l s 是集成于p r o e n g i n e e r 软件中的专用于逆向工 程建模的工具模块，它可完成的任务为： ( 1 ) 输入、生成和过滤原始数据。 ( 2 ) 输入几何，包括曲线、曲面和多面数据 ( 3 ) 创建和修改曲线。 ( 4 ) 手工或自动修复几何。 ( 5 ) 将几何从后续特征收缩到型特征( 有“输入数据诊断”模块) p r o s c a 盯o o l s 提供了根据扫描数据建立光滑曲面的工具，根据扫描数据的特 点、误差和光滑程度的需要，基于个人逆向工程的经验，可以选择基于曲线、基 于曲面或两者结合起来进行模型重建。 ( 1 ) 基于曲线的逆向工程 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 1 i i | - 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