（机械制造及其自动化专业论文）逆向工程技术的相关理论及工程应用研究.pdf

逆向工程技术的相关理论及工程应用研究 摘要 进入2 1 世纪知识经济己成为主导经济，制造业面临新的环境。为了适应新 的变化，各国政府，产业界和科技界提出了各种先进的制造技术，其中逆向工 程技术作为先进制造技术之一，得到各国普遍重视。逆向工程设计技术是现代 化设计中的重要设计手段之一。对提高我国工业产品设计水平，缩短设计周期， 增强我国产品在国际市场上的竞争力有着重要的意义。 曲面数字化是逆向工程关键技术，本文探讨了曲面点云数据分割技术，提 出了利用f 聚类分析实现逆向工程中点云数据的分割技术方案。在此基础上， 利用i m a g e w a r e 软件构建点云数据所描述的曲线、曲面，进而将i m a g e w a r e 软 件与三维实体建模工具软件u g 相结合，实现了地质岩层实体的生成。 本文首先将阐述逆向工程的基本概念，分析了逆向工程中三坐标测量技术 与原理，以及三维数学曲面模型建立的理论基础，其次探讨了曲面数据分割技 术问题，最后在逆向工程系统中结合某地区地质岩层实体的生成，阐明了将 i m a g e w a r e 软件与u g 软件相结合使用的具体方法、步骤等，实体建模的结果表 明了这种方法的有效性。 关键词：逆向工程、模糊聚类分析、数据分割、逆向工程系统、三坐标测量机 r e v e r s e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yf u n d a m e n t a l r e s e a r c ha n d i m a g e w a r ea p p l i c a t i o ni nr e v e r s ee n g i n e e r i n g a b s t r a c t e n t e r st h e2 1 s tc e n t u r yk n o w l e d g ee c o n o m yt ob e c o m et h el e a d i n ge c o n o m y , m a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yf a c e dw i t hn e we n v i r o n m e n t i no r d e rt oa d a p tt h en e w c h a n g e ，t h ev a r i o u sc o u n t r i e s g o v e r n m e n t ，t h ei n d u s t r i a lf i e l da n dt h es c i e n t i f i ca n d t e c h n i c a lc i r c l e sp r o p o s e de a c hk i n do fa d v m a c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g y a so n eo f a d v a n c e dm a n u f a c t u r et e c h n o l o g i e s ，r e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g yo b t a i n st h e v a r i o u sc o u n t r i e sg e n e r a l l yt ot a k e t h er e v e r s ee n g i n e e r i n gd e s i g nt e c h n o l o g yi s o n eo fi m p o r t a n td e s i g nm e t h o d si nm o d e r n i z e dd e s i g n i th a st h ev i t a ls i g n i f i c a n c e t or a i s eo u rc o u n t r yl e v e lo fi n d u s t r yp r o d u c td e s i g n ，r e d u c e st h ed e s i g nc y c l ea n d g t r e n g t h e n sc o m p e t i t i v ea b i l i t yo f o u rc o u n t r yp r o d u c ti ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t 1 t h ec u r v e ds u r f a c ed i g i t i z a t i o ni st h er e v e r s i o np r o j e c te s s e n t i a lt e c h n o l o g y , t h i s a r t i c l eh a sd i s c u s s e dt h ec u r v e ds u r f a c ed a t as e g m e n t a t i o nt e c h n o l o g y , p r o p o s e dt h e t e c h n i c a lp l a nw h i c hu s efg a t h e ra n a l y s i st or e a l i z ed o u dd a t ad i v i s i o ni nr e v e r s e e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y i m a g e w a r ei sf a m o u ss o f t w a r eo fr e v e r s ee n g i n e e r i n g i tw 甜e l ya p p l i e st ot h e a u t o m o b i l e ，t h ea v i a t i o n ，e l e c t r i c a la p p l i a n c e s ，t h em o l da n dt h em e c h a n i c a ls p a r e p a r td o m a i n t h i sa r t i c l ep r o p o s e du n i f i e sl m a g e w a r ea n du g r e a l i z e dt h eg e o l o g i c a l r o c kl a y e re n t i t yp r o d u c t i o n t h i sa r t i c l ee l a b o r a t eb a s i cc o n c e p to fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga tf i r s t ，a n a l y z e dt h r e e c o o r d i n a t e ss u r v e y st e c h n o l o g ya n di t sp r i n c i p l ei nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n ga n d t h e o r yf o u n d a t i o no ft h r e ed i m e n s i o n a lm a t h e m a t i c sc u r v e ds u r f a c em o d e l t h e l l d i s c u s s e dt h ec u r v e ds u r f a c ed a t ad i v i s i o nt e c h n i c a lq u e s t i o n f i n a l l yu n i f i e ss o m e l o c a lg e o l o g yr o c kl a y e re n t i t yi nt h er e v e r s ee n g i n e e r i n gs y s t e mt h ep r o d u c t i o n ， h a de x p o u n d e dr a t i o n a l i t yo fi m a g e w a r ea n du g k e y w o r d ：r e v e r s e e n g i n e e r i n g 、f u z z y g a t h e r a n a l y s i s 、d a t a s e g m e n t a t i o n 、r e v e r s e e n g i n e e r i n gs y s t e m 、c o o r d i n a t em e a s u r em a c h i n e 插图清单 图2 - 1 逆向工程流程图7 图2 - 2 逆向工程与计算机辅助产品开发过程8 图3 - 1 曲面数字化测量方法1 1 图3 2 三坐标测量系统1 3 图3 3 工件坐标系与机械坐标系1 5 图3 - 4 测头的分类1 7 图3 - 5 软测头1 7 图3 - 6 软测头半径补偿1 8 图3 7 万能三维测头1 8 图3 - 8 万能三维测头半径补偿2 0 图3 - 9 光切法原理图2 1 图5 1 点云的生成3 4 图5 2 曲面与曲线的生成3 5 图5 3 导入到u g 3 5 图5 4 裁剪的片体3 6 图5 5 矢量构成3 6 图5 6 曲面的剪切：3 6 图5 - 7 单层岩体生成3 7 图5 8 总体岩体生成3 7 图5 - 9 单层岩体的观察3 8 图5 1 0 剖面视图3 8 图5 1 1u g 逆向模块中的点云与曲面3 9 图5 1 2u g 逆向模块的实体生成。3 9 图5 1 3 曲面导入到p r o e 4 0 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人b 经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得金自墨王、业盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示谢意。 学位论文作者签名 触斟冷 签字日期：? 刁年月伴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒魍王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权盒 目王些友堂可以将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、 缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名 科辛 签字日期词年6 月f 牛日 学位论文 工作单位 通讯地址 导师签 签字日 电话： 邮编： 名：俐 期加7 年6 月r 仁日 侈粥? 佑37 7 劢f 致谢 首先，感谢我的导师陈科教授，本论文从研究方向的确定到研究过程的顺 利进行，都是在陈老师的悉心指导下完成的。论文撰写期间，陈老师对我的论 文进行细心的指正，让我为陈老师的敬业态度及高尚的师德所折服。陈老师不 仅学术知识渊博，理论功底深厚，而且具有深奥的哲学思想，做事认真稳重， 他那乐观坦诚又严谨求实的态度将永远激励着我的成长。陈老师指导我分析问 题要宏观，遇到问题要冷静，他丰富的思维方式使我受益匪浅，提高了我理解 问题和解决问题的能力。在此，向我的恩师表示由衷的敬意和感谢! 同时，向机汽学院c a d c a m 研究中心的所有老师表示感谢，他们的工作 态度和个人修养潜移默化中影响着我，一直是我学习的榜样。 感谢贾文友、朱迎春、陈传魁、钟金超、盛丽、龚予彬、钟智攀等同学， 他们花了很多时间与我共同探讨论文，提出很多宝贵的意见。并且在生活中互 帮互助，给我很多的关心和照顾，我将永远记得他们。 衷心感谢我的父母，没有他们含辛茹苦的养育就没有我今天的一切。我将 永远不辜负他们的期望。在此，谨把这篇文章献给他们! 我将永远想念那些曾经给我关心和帮助的同学和朋友，在此真心的道一声： 谢谢! 作者：解科峰 2 0 0 7 年5 月 第一章绪论 1 1 逆向工程的发展历史 随着工业技术的进步以及经济的发展，在消费者对产品高质量的要求下， 产品不仅要具有先进的功能，还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引 消费者的注意。流畅、美观、造型富有个性的产品外观必然会使得产品外观由 复杂的自由曲面组成。但是，在设计和制造过程中，传统的产品开发模式( 基 于产品或构件的功能和外型，由设计师在计算机辅助设计软件中构造，即正向 工程) 很难用严密、统一的数学言语来描述这些自由曲面。 为适应现代先进制造技术的发展，需要将实物样件或手工模型转化为c a d 数据，以便利用快速成型系统( r a p i dp r o t o t y i n g ，r p ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 系统、产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ， p d m ) 等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步修改和再设计优化。此 时，就需要一个一体化的解决方案：样品? 数据? 产品。逆向工程就专门为制 造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转 换。作为产品设计制造的一个手段，在2 0 世纪9 0 年代初，逆向工程技术开始 引起各国工业界和学术界的高度重视。从此以后，有关逆向工程技术的研究和 应用就一直受到政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术以及测 量技术的发展，利用c a d c a m 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工 程，已经成为c a d c a m 领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主 要内容。 1 2 逆向工程的应用领域 逆向工程已经渐渐成为现今产品开发的主流工具，基于以下因素，逆向工 程将会成为以后新产品设计开发必备的一项工具。 ( 1 ) 产品外型的美学有特殊要求的领域 目前消费者对产品的需求，不单单只考虑功能性，产品的外观造型也成为 消费者考虑的重要因素。但由于设计师所创造出来的外观造型若利用传统的产 品开发方式可能无法完全的将设计师的理念完整表达出来，因此需要运用逆向 工程的工具来达到设计师的要求。 ( 2 ) 正向设计资料取之不易 基于商业秘密，原厂一般不会将原始c a d 资料提供给下游厂商，只会提供 样品给厂商，如此就需要由逆向工程的工具将原始的c a d 资料还原出来，因此 企业运用逆向工程进行创新的能力也是获得定单的一项有利的因素。 ( 3 ) 设计需要通过实验测试才能定型 比如航天航空，汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，首先 要求在实体模型，缩小模型的基础上经过各种性能测试( 如风洞实验等1 建立符合 要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的，最终确认的 实验模型必须借助逆向工程，转换为产品的三维c a d 模型及其模具。 ( 4 ) 模具行业 常需要通过反复修改原始设计的模具型面，以获得符合要求的模具。然而 这些几何外形的改变，却往往未曾反映在原始的c a d 模型上。借助逆向工程的 功能和在设计、制造间所扮演的角色，设计者现在可以建立或修改在制造过程 中变更过的设计模型。 一 ( 5 ) 检验正向设计结果 逆向工程的另一项重要的功能即是对成品的检测，我们称之为计算机辅助 检测( c 0 m p u t e r a i d e dh s p e c t i o n ) 。一般品质检测只能就成品的局部做检测，透过 逆向工程的工具可对成品做一全面性的品质检测，大大提升了品质的稳定性。 1 3 逆向工程的现状与发展 1 3 1 逆向工程在国外的应用与发展 国外的专用的逆向工程软件有h a g e w a r e 、g e o m a g i c 、p a r a f o r m 、c o p y c a d 、 s u r f a c er e c o n s t r u c t i o n 、r a p i d f o r m 等。基于正向的商品化c a d c a e c a m 系统 软件，如美国，如美国e d s 公司的i d c a s 和u g n x ，以及p t c 公司的 p r o e n g i n e e r ，法国m a t r a 公司的e u c l i d 及s t r i m ，日本i - i z s 公司的 g l 认d e c u b e - n c 等。尽管各个软件的特点、功能各有千秋，但这些软件都包 含基本的逆向处理，如点处理，曲线，曲面拟合，曲线，曲面编辑模型三角化， 多种显示模型及数据输出格式等。应该说，这些软件代表了当前逆向工程的研 究成果和水平。 l a w s o n i s 于1 9 7 7 年提出了建立散乱点三角形拓扑关系，这是后来众多方法 的基础。c h o i 6j 提出了直接形成三维空间散乱点的拓扑关系的方法：先形成结 点列表t l i s t 后形成t b l ( t r a n s i e n tb o u n d a r yl i s 0 ，以t l i s t 为初始，完成整 三角形。使用价值较大的是p a r d t 等人完成的一种自适应的空间散乱点的光滑 逼近方法，其首先基于内外边界和特征构造初始三角形网格，对存在内边界的 区域交互地分为几个无内空的子区域，然后逐步插入最大误差点并递推进行， 直到历有数据点在设置的误差阂值以内。这种方法将拓扑关系的建立和模型重 建有效地统一起来，优点是实现简单，数据压缩t 大而且在加点的过程中只需 对局部曲面重构。f a n g 【8 在这方面做过大量的工作，他从平面散乱点处理研究 开始直到空间散乱点，他的主体思路是采用一种被称作包围盒技术，将散乱点 归入每个盒子当中，然后利用盒子的相互关系建立拓扑。k a m 【9 j 提出了几何分 解方法完成曲面形状检测的思想，采用“曲面一曲线一点集一测点集”的分解次 2 序，实现了从曲面到测点集的分解和曲面评价工作。p a h t 】等初步探讨了模 具型面检测随曲率变化的布点方法。v a s i l e s c u 1 1 j 等研究了基于运动方程的节点 动态模型曲面网格自适应划分；a h n p 2 j 等提出的神经网络自组织特征识别原 理实现了曲面网格的均匀和非均匀网格划分；c h m e n q 1 j 对自由曲面的检测 点数确定进行研究，提出检测点数的计算公式，认为检测点数和设计时给定的 公差范围与加工因素有关。k k a s e 1 4 j 等则给出了一种利用原始c a d 模型上的 点与实际表面上测点间主曲率变化的局部评定方法和基于法矢的总体评价方 法，并在实际零件上进行了验证，该评价方法直观，对零件上的缺陷部位有一 个明确的认识，便于进一步改进。y f z h a n g ” 等人采用神经网络的方法对采样 点数量的确定洪行了研究，该方法的优点是，网络结构和网络参数确定后，适 合网络范围采样点数量的计算非常简单，但网络的使用范围小，仅限于不同的 加工方法下一定直径范围内的圆柱孔，在确定网络参数时需要进行大量的加工 试验来形成训练样本。 1 3 2 逆向工程在国内的应用与发展 姜寿山1 1 q 等1 9 9 5 年提出了从曲面凸保形的角度进行散乱数据优化划分的条 件。柯映林p 7 j 实现了c h o i 提出的三维直接三角化方法，并将自己提出的平面域 内三角化方法作为复杂情况下的补充。高国军l l s j 提出了检测点数按曲率分布的 方法，并采用实验方法给出了在一定的加工工艺能力和检测精度前提下不同曲 率的加工曲面对应检测点数量的确定系数。王平江 1 9 j 则提出了参数曲面形状误 差计算的迭代逼近方法，较之于最佳匹配方法，其计算的相对误差大大减少， 但实现起来过程复杂；还提出了等弧长均匀网格划分技术，并通过人机交互实现 非均匀网格的划分，该方法不仅要求己知曲面的边界曲线，而且不能实现真正 的等弧长。自作霖【驯等对基于坐标测量机的自由曲线曲面的测t 进行了研究。 在决定初始测量方向后沿零件某一截面自动扫描测量，测量步长设定在一定的 范围内，初值取最小，自动测量过程中按照被测曲线相对于测量方向的变化快 慢对步长进行动态调整。来新民专家以曲面上某一点处的主曲率的几何平均值 为测度来对测点进行更具几何不变性的物理域上的规划，并通过采用非线性规 划方法来实现在给定采样精度下自适应地选取最少的采样点；还提出了基于曲 面曲率的自适应压缩方法，该方法首先用s p e a r d 局部插值法拟合曲面，产生给 予盐率信息的抽样拓扑矩阵阵列，应用质心原理生成实际的拓扑矩阵阵列。 无论采用哪种方法进行散乱点的拓扑关系重构，主要有下面三个原则来衡 量优劣：适应性，即这种方法是否可以处理各种类型的数据集合，如多连通非 凸域，多值数据等：复杂性，算法实现的难易程度；时间效率性，这点尤为重 要，因为反求工程中的数据量往往是非常大的。 国内研究状况与国外相比，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。 3 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 1 m s 中心的面向c m m 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、浙江大学生产工程研究所的三角面片建模、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，为数 不多的论文散见于计算机应用、机械工程等类学位论文、会议及杂志上。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 f t 和西北工业大学的实物测量 造型系统n p u s r m s ，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 a m ) 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的劣势。 1 4 课题的来源、研究内容及意义 1 4 1 课题的来源 本课题来源于安徽省数字化设计与制造重点实验室基金项目。对逆向工程 技术和现有c a d ，口w 系统的关系以及逆向工程技术系统进行了详细的介绍， 同时也为企业进行逆向工程产品设计提供了一个较好的思路。整合u g 和 i m a g e w a r e 做逆向工程产品设计，可大大缩短产品设计制造周期，降低产品开发成 本，提高产品设计质量。 1 4 2 课题的研究内容 本章的前面部分对逆向工程问题的研究现状和关键技术问题进行了回顾与 分析，在此基础上，本文提出了基于整合u g 和i m a g e w a r e 求解c a d 实体重建 问题思想，研究工作主要包括以下内容： ( 1 ) 建立逆向工程系统：分析逆向工程系统各组成部分。通过详细叙述逆向 工程工作流程，分析了各部分的关键技术。由此对本文的研究对象和求解过程 进行描述。 ( 2 ) 完成了对逆向工程技术关键技术的讨论与分析，详细叙述了逆向工程技 术中曲面测量技术，分析了三坐标测量机原理，两种三坐标的测头系统以及测 头补偿。 ( 3 ) 应用模糊聚类分析进行逆向工程中点云数据分割：模糊聚类分析在解决 不确定问题分类方面显示了良好的性能。针对所研究的点云数据分割问题的实 际情况，本文提出了利用模糊聚类分析方法求解方案。 ( 4 ) 实例验证：通过将正向的商品化u g 软件与专用逆向工程软件 i m a g e w a r e 相结合，进行c a d 模型的重建。并且与将i m a g c w a r e 与p r o e 相结 4 合使用作了比较，证明将u g 与i n l a c w a r e 相结合使用的优越性。 1 4 3 课题的意义 逆向工程技术问题的研究有着广泛的理论意义和实际意义。 在科学技术高速发展的今天，科技成果的应用己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力战略措施。到目前为止，我国己引进了不少国 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一。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 现极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度：其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，提高生产率，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 源于国外先进技术，同时，逆向工程作为一种快速的掌握技术的手段，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造和开发各种新产品的重要手段，是制造企 业面向2 1 世纪全球市场激烈竞争的形式下，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 重大的意义。 总之，逆向工程是引进国外先进产品的成果，缩短我国新产品开发周期的 途径之一，特别是对于形状复杂的物体或由自由曲面组成的物体效果尤其明显。 目前，逆向工程的思想、理论与方法广泛应用与航空航天、汽车、轮船、工艺 品、玩具等行业，对于这些行业的产品设计与制造具有重大的理论与实际意义。 5 第二章逆向工程系统 2 1 逆向工程定义 “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。它是 将实物转化为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，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础 上对已有产品进行解剖，深化和再创造过程。 逆向工程是消化，吸收先进技术的一系列工作方法的技术组合，是一门跨 学科，跨专业的，复杂的系统工程。它包括影像逆向，软件逆向和实物逆向等 三个方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物的逆向重构上， 即产品实物的c a d 模型重构和最终产品的制造方面，称之为“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，在产品开发和制造过程 中，虽然已经广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍然有许多产品，由于种 种原因，最初并不是由计算机辅助设计模型描述的，设计和制造者面对的是实 物样件。为了适应现代先进制造技术的发展，需要通过一定的途径将实物样件 转化为c a d 模型，以期望利用计算机辅助制造、快速原形制造和快速模具、产 品数据管理以及计算机集成制造系统等先进技术对其进行处理和管理。同时， 随着现代测试技术的发展，快速、精确的获取实物的几何信息已经变成现实。 目前，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， 已经成为c a d c a m 系统中一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的 领域。 2 2 逆向工程工作流程 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( 或者顺向工程) ，而产品的逆向工程与传统的设计制造流程相反，是由 测量设备测量工件成品，进而产生坐标点信息，再建立工程q 蛐资料与原型 ( p r o t o t y p e ) 的一种工程程序。3 d 、c a d c a m 软件的兴起，让机械产业在设计， 技术，制造速度上，提升了很多，跳脱了以往2 d 工作图的思维模式及制造上的 盲点，但是在产品设计开发上仍有许多正向设计所无法达成的。例如特殊造型， 自由曲面造型等，以某些产品来说如造型设计师以手工制作的特殊造型，碍于 a d 软件的限制，皆无法符合造型设计师的设计理念。或是原型设计完成后， 需要完整复制外型成电脑资料。这时便需要以测量设备将外型资料测量成为数 位点资料，进行逆向工程建构。 做一个逆向工程的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性，因为如果 想做出一个完美的作品，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上 还需要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向也是一个从 新设计的过程。它是一种以先进产品设备的实物，样件或模型作为研究对象， 以当前高速发展的计算机相关软件以及硬件设施作为应用工具，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 法和技术的结合。 随着计算机辅助几何设计的理论和技术的发展和应用以及c a d c a h i c a m 集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向设计首先通过测量扫描以及各种先 进的数据处理手段获得产品实物信息，然后充分的利用成熟的c a d c a m 技术， 快速，准确的建立实体几何模型，在工程分析的基础上，在数控加工设备上加 工出产品模型，最后制成产品，实现从产品或模型一设计产品的整个生产流 程。具体流程如图2 - 1 所示： 图2 - i 逆向工程流程图 2 3 逆向工程系统 随着计算机技术的发展，逆向工程技术和先进制造技术的结合日益紧密， 如2 0 世纪8 0 年代初发展起来的快速原型技术、基于网络的异地设计及制造技 术等，在产品设计和制造阶段都需要逆向工程技术的支持，同时，逆向工程技 术也和计算机辅助测量( c a t ) 、辅助设计( c a d ) 、辅助制造( c a m ) 以及计 算机辅助工程分析( c a e ) 密切相关。逆向工程成功应用的关键不仅在于各计 算机辅助子模块能较好的独立完成各项工作，很大程度上还取决于各个子模块 的计算机集成程度。可以说，逆向工程是c a t c a d c a m ，c a e 等先进的计算机 辅助技术集成应用的一个典型例子，也是计算机集成制造系统( c d 订s ) 研究的 7 一个重要分支。如何将这些技术组成一个整体，即集成逆向工程系统，是逆向 工程技术应用研究的一个重要方向。 在逆向工程系统的研究方面，专用逆向软件和其他计算机辅助技术的结合 已受到重视，一些国际著名的c a d 软件公司开发了与自己的。气d 平台集成的 专用逆向软件( 模块) 。但是，目前进展甚微，提出的方法大多限于单向的集成 研究，即一种无反馈的集成，集成实现方法主要采取模块化方式，将不同应用 功能的子系统和造型系统组合连接，这样的集成方法存在以下问题：1 、数字 化过程仍是一种孤立的行为，数字化过程没有考虑后续的模块重建、分析、制 造等下游需求；2 、数据模型不统一；3 、由于测试手段、商品化c a d 系统( 包 括专用逆向软件) 以及加工制造手段的多样性，很难有一种适应上述不同手段 的集成逆向工程系统。 2 3 i 逆向工程系统的特点 如果将c a d c a m 先进设计制造技术看作正向技术，则逆向工程技术与它 的区别有两点：一是实物外形的数字化；二是基于离散扫描数据的三维模型重 建。几何模型建立后，其下游的过程基本与正向技术相同，见图2 2 。 重庐 i 模型重建i 霪 广 ic a d 模型f 图2 2 逆向工程与计算机辅助产品开发过程 简单的看，只要将实物数字化、模型重建与现有的c a d c a e ，c a m 系统相 连接，即可构成集成逆向工程系统。目前，实际应用也多采取这种简单方式。 有两种连接方案，一是通过文件格式转换，建立数据通道：另一个解决办法直 接基于c a d c a m c a e 系统平台开发支持逆向技术的模块，以保证数据模型的 一致。但这样的集成仍是一种单向的集成，也不支持下游不同应用的需求，如 数控程序的直接产生和模型的快速成型等。因此，从功能和应用的目标考虑， 个完整的集成逆向工程系统应具有以下特点和要求：i 、逆向工程与 c a d c a e c a m 系统采取一种柔性集成方案，支持不同应用的要求；2 、实物的 数字化( 包括模型测试) 应是一种指导下行为；3 、系统具有统一的数据模型： 4 、支持异地过程。 2 3 2 逆向工程系统构成 逆向工程系统框架可以分为三个部分( 或三个子系统) ：数字化及数据处理 子系统、模型重建子系统和产品制造子系统。 数字化及数据处理子系统的任务是测量规划、测量和数据处理转换。模型 重建子系统主要包括模型重建、模型分析、模型评价等模块，与目前的c a d 造 型软件或c a d i c a e i c a m 系统不同的是数据结构是面向集成的数据模型结构造 型、有专用的逆向功能( 曲线、曲面拟合等) 和重建模型评价功能等。产品制 造子系统主要是加工制造设备，包括各种机床( n c ) 和快速成型机等。铡得的 数据经数据处理和转换，输入到加工制造系统，最终得到产品样件、事物和模 型。 逆向工程一般可分为四个阶段： ( 1 ) 数据获取 通常采用三坐标测量机( c m m ) 或激光扫描等测量装置来获取零件原形表面 点的三维坐标值。 ( 2 ) 数据处理 对获取的数据进行一系列数据处理( 如数据拓扑的建立、数据滤波、数据精 简、特征提取与数据分块等1 。对于形状复杂的点云，经过数据处理，将被分割 特征相对单一的的块状点云。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。 ( 3 ) 原形c a d 模型的重建 将分判后的三维数据在。气d 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面 片的求交与拼接等逻辑运算获取零件原形表而的c a d 模型。 “) 重建c a d 模型的检验与修正 根据获得的c a d 模型重新测量和加工出样品，来检验重建的c a d 模型是 否满足精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至 达到零件的设计要求。 2 4 逆向工程的关键技术 ( 1 ) 三坐标测量数据处理 一般来说，三维表面数据的采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数 据采集两大类。接触式有触发式和连续扫描式数据采集，还有基于磁场，超声 波的数据采集等；而非接触式主要有激光三角测量法，激光测距法，光干涉法， 结构光学法，图像分析法等。 三坐标测量的技术要求可以用下面2 0 个字来概括：数据整齐，方向合理， 分层分色，疏密有致，对称测半。在质量上要求信息充分，精度达标，适应造 型需要；在效率上要求满足造型需要，减少冗余数据。 犯) 复杂曲面的造型 曲面构造是g 蛐逆向造型中的重要环节。在曲面构造中常常碰到一些十分 复杂的曲面，对这些复杂曲面进行造型就成为逆向工程中的一项关键技术。 在构造曲面时还要注意把握产品的特征，这也是至关重要的，只有做到了 9 这一点，才能保证构造出来的曲面符合要求，即曲面构造光顺，特征表达清晰， 准确，流畅。 ( 3 ) 产品缺陷处理 在逆向造型时，碰到的产品经常存在这样那样的缺陷，比如变形或要进行 误差修正。碰到变形的产品时，在逆向造型时要尽量使其恢复到原来的样子。 误差修正属于测量缺陷的处理，由于测量的数据存在着明显的误差，在逆 向造型时，工程师们耍根据自己逆向造型的经验对其进行误差修正。 “) 特殊的技巧 在逆向造型时还有其他一些比较常用的特殊技巧，如展开，抛物面计算， 特殊编程等。 ( 5 ) 商品质或a 级曲面 高品质或者a 级曲面在汽车，航天航空以及家用电器的设计中经常用到。 这类曲面要求相当高的光顺性。 a 级曲面设计者所追求的经典数值是，位置连续性误差不大于o 0 0 1 r a m ， 相切连续性误差不大于0 0 5 度，曲率连续性根据情况而定。但a 级曲面设计的 视觉效果要求和触觉效果一致。 1 0 第三章逆向工程中的曲面测量技术 曲面测量技术是逆向工程技术中重要的组成部分，是通过特定的测量设备 和测量方法，将物体的表面形状转化成离散的几何点坐标的数据，在此基础上， 就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。因此，高效、高精度的实现 样件表面的数据采集，是逆向工程实现的基础和关键技术之一，是逆向工程中 最基本、最不可缺少的步骤。数据获取在产品设计与逆向工程及 c a d c a m c a e r p c n c 之问扮演着桥梁的角色。铡得数据的质量事关最终模 型的质量，直接影响到整个工程的效率和质量。因此，如何取得较佳的物体表 面数据，是逆向工程中的一个主要研究内容。 3 1 曲面数字化测量方法 目前，曲面数字化测量方法主要有接触式和非接触式两大类。典型的接触 式测量方法是三坐标仪测量法。非接触式测量法按其原理不同，可分为光学式 和非光学式。其中，光学式包括三角形法、结构光法、激光干涉法等，非光学 式包括c t 测量法等。 到酗当孽 _ j ；= = 二；l 图像分析 疆 医司 萋恒 i ，k c t 卅取波长法j 、一 i 羽 堡 图3 - 1 曲面数字化测量方法 接触式与非接触式测量系统特点分析： 1 l 点扫描 线扫描 光栅投影 箕尔条纹 光栅编码 傅立叶变 换 数字奠尔 表3 - 1 接触式与非接触式测量系统的特点对比 优点 缺点 1 、准确性及可靠性高。因接触 1 、为了保证测量，往往需要制作被测件的夹 式探头发展已有几十年。其机械具，费用较高， 结构及电子信号已相当成熟。2 、不当的操作可能损伤被测件表面。 接2 、与工件的反射性无关。接触3 、探头因接触造成磨损，为了保证精度，需 触 式为探头直接接触工件表面，故 经常校正。 式与工件表面颜色、曲率关系不4 ，测量速度侵，效率低。5 、一些工件内圆角 测大。较小，可能用探头无法测量。 量 3 、适合做一般基本几何形状测 6 、对于复杂的三维曲面，用球头测量曲面修 系量：接触式测量头( 或划针) 固正较困难。 统定在测量仪上，可用于车身逆向7 、接触式探头与工件接触力大小及探头变形 工程中基准的制作，车身坐标系 会对测量结果有影响。 的找正 1 、不必做探头半径修正：激光l 、测量精度较低，因非接触式探头大都为光 点位置即为工件表面位置。位置传感器来检测，目前精度不高，均为 接 2 、测量速度非常快速：不必像 卸0 2 r a m 。 触 接触探头逐点进行量测。2 、易受颜色及曲率限制，因非接触式探头大 式 3 、软工件、薄工件，不可接触多以光反射或光散射方式获得信号，故易受工 测 的高精度工件可直接测量。件表面的反射性影响。 量 3 、杂音信号的处理，光位置传感器易受环境 系 光线及杂干涉，故杂音信号较高。 4 、非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取 统 样，对边缘测量，凹孔测量等均难以处理。 5 、工件几何外形变化大时会有失焦影响。 6 、工件表面的粗糙度会影响测量结果。 3 2 三坐标仪测量法 三坐标仪统称为坐标测量机c m m ( c o o r d i n a t em e a s u r i n g m a c h i n 曲，是一 种典型的三维几何量精密测量设计。在测量过程中，将被测物体置于三坐标机 的测量空间，由计算机控制着测头以一定测量力接触被测工件表面，并按规定 的方向运动。同时启动数据采集软件，计算并存储测头在测量机坐标系中所处 的瞬时位置、探针接触被测工件的方向等，当被测工件表面全部数据采集完毕， 即被测工件己全部数字化后，计算机启动数据处理软件进行铡头检验及坐标系 转换等处理，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、 形状和位置。 3 2 。1 三坐标测量机原理 三坐标测量机是一种高效率的精密测量仪器。它的出现，一方面是由于生 产发展的需要，即高效率加工机床的出现，产品质量要求进一步提高，复杂立 体形状加工技术的发展等都要求有快速、可靠的测量设备与之配合；另一方面也 由于电子技术、计算机技术及精密加工技术的发展，为三坐标测量机的出现提 供了技术基础。经三十多年的发展，它不但能测绘形状复杂的轮廓，而且能直 接为数控绘图机和数控机床制备数控纸带，成为一种模型量数字化的转换设备， 从而越来越被人们所重视。 3 2 2 三坐标测量机的结构和系统 作为一种测量仪器，三坐标测量机主要是比较被测量与标准量，并且将比 较结果用数值表示出来。三坐标测量机需要三个方向的标准器( 标尺) ，利用导 轨实现沿相应方向的运动，还需要三维测头对被测量进行探测和瞄准。此外， 测量机还具有数据自动处理和自动检测等功