（机械制造及其自动化专业论文）逆向工程中自由曲面的数据处理与误差补偿研究.pdf

全文摘要 在产品丌发及制造过程中，计算机辅助技术已被应用得相当广泛。新型计算 机辅助技术的发展使得c a d c a m 无缝制造技术得以实现。由于在许多情况下设计 者和制造者面对的是实物样件，需要将实物模型转化为c a d 模型。因而产品信息 模型是实现无缝制造技术的关键。与这种以实物模型为依据生成数据信息模型相 关的技术，己发展为c a d c a m 中的一个相对独立的范畴，即逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ) 。在机械领域中，逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是在没有设计图纸或 者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 产品原型 或油泥模型) ，利用各种数字化技术及c a d 技术重新构造c a d 模型而克隆或创造实 物产品的过程。在与制造业密切相关的航空航天、汽车、造船及模具等工业领域， 未来追求对产品功能和外形等方面的日益严格的要求，这使得自由曲面零件在现 代工业中得到了越来越广泛的应用。其加工质量和生产周期对提高产品的性能和 市场的响应速度起着关键作用。本文结合浙江省科技计划重点项目“多传感器集 成的智能化柔性测量、加工一体化装备研制”和浙江省先进制造技术重点实验室 建设项目“三坐标数控曲面测量系统”，以自由曲面为研究对象，以获取自由曲面 精确数据信息模型为目标，在传统数控铣床上研制开发基于运动控制卡的开放式 数控非接触式激光测量系统，同时对逆向工程中的关键技术自由曲面非接触 式测量规划、测点数据的处理、误差补偿等技术进行研究，以有效地实现自由曲 面的零件设计与制造的集成，实现制造过程的集成化、智能化、低成本。 论文首先分析了逆向工程技术在先进制造技术领域发展的必然和它的概念， 通过分析逆向工程的应用领域、国内外发展现状，归纳出逆向工程的特点和研究 热点，进而提出本论文选题的依据，概述了本论文的主要研究内容和论文结构。 在分析丌放式数控系统的基础上，提出“p c + 运动控制卡”的开放式数控非接触 式激光测量系统的体系结构。分别分析i p c 与两种运动控制卡，包括p m a c 和 g t - 4 0 0 s v 集成的工作原理。给出系统的总体框架构成和激光非接触测头的数据采 集原理。对数控非接触式激光测量系统的软件构成进行分析，然后给出基于开发 的激光测量系统进行逆向工程关键技术研究的总体研究框架。 在截面线法测量的基础上，对阶梯式跟踪法、直线式跟踪法和仿形式跟踪法 进行分析比较。基于三次参数样条曲线的性质，在有界曲率的平面曲线的有界性 的基础上，提出通过圆弧外延点位控制测头自动跟踪曲面，即后续测量点根据已 测前三点求得的圆弧曲率沿切线方向或曲率外延来进行预测，并根据测点矢量来 估测保证数字化几何信息的充分性。并通过给定理论b 样条曲线，对该算法进行仿 真，验证该算法的有效性。 对逆向工程技术的第二步数据点的处理进行研究。首先剔除粗大误差，然后 浙江大学博士掌位论文 对测点数掘进行滤波处理，再对大规模数据点进行压缩。在分析各种数据压缩算 法的基础上，针对激光非接触测量设备提出一种基于直线度和距离偏差相结合的 自适应数据压缩算法，通过实例对算法进行分析与比较。 在分析激光三角测量的原理的基础上，建立激光测头的仿真模型，研究影响 激光测量精度的影响因素。然后，设计实验，分别分析待钡0 物体的表面特征，包 括表面粗糙度、颜色、材料和表面倾角等对测量精度的影响。最后，对实验数据 进行误差分析，首次提出误差表征法对测量数据进行补偿修正。 针对逆向工程中曲面部分破损、不完整，或者由在逆向工程过程中因测量方 法和测量设各的局限而造成的阻塞和可及性问题使获取的数据信息不完整，提出 了采用神经网络实现逆向工程中数据修补的方法。通过b p 反向传播算法分析了神 经网络在数掘修补等几何造型方面的应用可能以及存在的问题。根据径向基网络 学习速度快、避免了局部极小值的优点，建立了径向基神经网络模型，通过仿真 实验分析径向基网络模型在数据拟合中应用的有效性。 基于开发的激光测量系统对前面各章理论进行实验研究。研究了表面轮廓边 界的确定。并对从数据点到曲面重建再生成加工路径和从数据点直接生成数控加 工路径通过实例进行了分析。 最后对本文的研究内容和主要工作进行了总结，并展望了下一步的研究方向。 关键词：逆向工程，自由曲面，数字化信息，自适应测量，激光非接触测头，误 差补偿，数据压缩，神经网络，数据修补 i l a b s t r a c t a b s t r a c t c o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g i e sh a v e b e e nw i d e l yu t i l i z e d i n p r o d u c td e v e l o p m e n ta n d m a n u f a c t u r i n g t h ed e v e l o p m e n to f a d v a n c e dc o m p u t e ra i d e dt e c h n o l o g i e sm a k e i tp o s s i b l et o r e a l i z et h ec a d c a mi n t e g r a t e dm a n u f a c t u r i n g i nm a n y c a s e s ，d e s i g n e r sa n dm a n u f a c t u r e r s o n l y c a r lo b m i n e da l lo r i g i n a lo rp h y s i c a lm o d e l ，a n di ti sn e e d e dt oc h a n g et h ep h y s i c a lm o d e l i n t oc a dm o d e l s ot h ep r o d u c ti n f o r m a t i o nm o d e li st h ek e yt oc o m p l e t et h ei n t e g r a t i o no f d e s i g na n dm a n u f a c t u r i n g i ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，t h eb a s i cc o n c e p to f p r o d u c i n g ap a r tb a s e d o na no r i g i n a lo rp h y s i c a lm o d e lw i t h o u tt h eu s eo fe n g i n e e r i n gd r a w i n gi sc a l l e d r e v e r s e e n g i n e e r i n g ”r e v e r s ee n g i n e e r i n gt y p i c a l l ys t a r t sw i t hm e a s u r i n ga ne x i s t i n go b j e c ts ot h a ta s u r f a c eo rs o l i dm o d e lc a nb ed e d u c e di no r d e rt o e x p l o i tt h ea d v a n t a g e so fc a d c a m t e c h n o l o g i e s i ti so f t e nn e c e s s a r yt op r o d u c eac o p yo fap a r t ，w h e nn oo r i g i n a ld r a w i n g so r d o c u m e n t a t i o na r ea v a i l a b l e i no t h e r c a s e sw e m a y w a n tt or e - e n g i n e e ra ne x i s t i n gp a r t w h e n a n a l y s i sa n dm o d i f i c a t i o n sa r er e c l u i m dt oc o n s t r u c tan e wi m p r o v e dp r o d u c t e s p e c i a l l yi nt h e a e r o n a u t i c a l ，a u t o m o t i v e ，s h i p b u i l d i n g ，d i ea n dm o u l d ，a n da e r o s p a c em a n u f a c t u r i n gi n d u s t r i e s t h a tf r e q u e n t l ye n c o u n t e rc o m p l e xs u r f a c e s ，s i n c es h o r t e rl e a dt i m eh a sb e c o m eac o m p e t i t i v e a d v a n t a g e t os a r i s f yt h et r e m e n d o u sn e e df o rp r o d u c ts h a p ed e s i g na n df u n c t i o n a lm o d i f i c a t i o n ， r e v e r s e e n g i n e e r i n g h a s p l a y e d a n i m p o r t a n t r o l ei nr e c e w i t y e a r s t h e d i s s e r t a t i o ni s i n c o r p o r a t e dw i t ht h ep r o v i n c i a lk e ys c i e n c ea n dt e c h n o l o g yp l a n n i n go fz h e j i a n g - - r e s e a r c h a n dd e v e l o p e n to nt h ei n t e g r a t i o ni n s t r u m e n to fi n t e l l i g e n t i z a t i o nf l e x i b l em e a s u r e m e n ta n d m a c h i n i n gb a s e do nm u l t i - s e n s o r a n dt h ep r o j e c tf o rt h ec o n s t r u c t i o no fz h e j i a n gp r o v i n c e k e yl a bo fa d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gt e c h n o l o g ys u p p o r t e db yz h e j i a n gp r o v i n c e - - t h r e e c o o r d i n a t en c f n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) s u r f a c em e a s u r i n gs y s t e m ，a no p e nn cn o n - c o n t a c tl a s e r m e a s u r e m e n ts y s t e mw a s d e v e l o p e da i m i n ga to b t a i n i n gt h ep r e c i s ed a t ai n f o r m a t i o nm o d e lo f f r e e f o r ms u r f a c e s a tt h es a m et i m e ，t h ek e yt e c h n o l o g i e sf o rr e v e r s ee n g i n e e r i n gs u c ha s n o n c o n t a c t m e a s u r i n gp l a n n i n g f o rf r e e f o r m s u r f a c e s ，m e a s u r e dd a t ap r o c e s s i n g , e r r o r c o m p e n s a t i o ne t c w e r er e s e a r c h e dt or e a l i z et h ei n t e g r a t i o no fd e s i g na n dm a n u f a c t u r i n gf o r f r e e f o r ms u r f a c e p a r t s f i r s t l yi nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ei n e v i t a b l et r e n do f r e v e r s ee n g i n e e r i n gb e i n g a p p l i e di nt h e a d v a n c e dm a n u f a c t u r i n gi n d u s t r yf i e l da n dt h ed e f i n i t i o no fr e v e r s ee n g i n e e r i n gw a sa n a l y z e d a f t e ri d e n t i f y i n gt h ep u r p o s eo f r e v e r s ee n g i n e e r i n g , t h em a i na p p l i c a t i o na r e aa n dt h er e s e a r c h s i t u a t i o no fd o m e s t i ca n da b r o a d ，t h ec h a r a c t e r sa n dr e s e a r c hh o ts p o tw e r ei n d u c e d t h e n ，t h e m a i nr e s e a r c ha i mo ft h i sd i s s e r t a t i o nw a sp u tf o r w a r da n dt h er e s e a r c hc o n t e n t sw e r e s u m m a r i z e d t h eo p e nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m 一“p c + m o t i o nc o n t r o lc a r d ”f o rn o n - c o n t a c tl a s e r m e a s u r e m e n ts y s t e mw a sp r e s e n t e d t h ec o m m u n i c a t i o np r i n c i p l eb e t w e e ni p ca n dt w o m o t i o nc o n t r o lc a r d i n c l u d i n gp m a ca n dg t - 4 0 0 一s vc a r dw a sa n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h e p r e c i s i o ns e r v oa n dm e c h a n i s ma r en a r r a t e d ，a n dt h es o f t w a r es t r u c t u r e i si n t r o d u c e d t h e o v e r a l lf r a m e w o r ko fk e yt e c h n o l o g i e si nr e v e r s ee n g i n e e r i n gb a s e do nt h ed e v e l o p e dl a s e r i l 浙江大学博士学位论文 m e a s u r i n gs y s t e mw a sg w e n o u t b a s e do nt h ec r o s s - s e c t i o nc u r v e s m e a s u r i n g , s e v e r a la d a p t i v ed i g i t i z i n ga p p r o a c h e s i n c l u d i n gl a d d e rt r a c i n g , l i n et r a c i n ga n dp r o f i l et r a c i n gt e c h n i q u e sa r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d a p l a n ec u r v ew h i c hh a saf i n i t em a x i m u mc u r v a t u r ei sb o u n d e dl o c a l l yb yt w ot a n g e n tc i r c l e s ， b a s e do n t h i s ，t h ea r cl e n g t he x t r a p o l a t i o ni sp r o p o s e d i ti st h a tt h en e x tm e a s u r e m e n t p o i n tc a n b ep r e d i c t e dv i aa t el e n g t he x t r a p o l a t i o na n dc a r lb ea d a p t i v et os e n s et h ec h a n g eo ff r e e f o r m s u r f a c e s a n dt h er e l i a b i l i t yo f t h e d i g i t i z i n gg e o m e t r yi n f o r m a t i o nc a nb ev e r i f i e da c c o r d i n gt o t h em e a s u r e dp o i n t sv e c t o r s f i n a l l y , t h em e t h o d o l o g yw a st e s t e da n dv e r i f i e db yc o m p u t e r s i m u l a t i o n t h ep r e p r o c e s s i n g & m e a s u r e dp o i n t si st h es e c o n dn e c e s s a r ys t e pi nr e v e r s ee n g i n e e r i n g a f t e r e l i m i n a t i n gt h e c r a s se r r o r , f i l t e rm e t h o d su s e di n s i g n a lp r o c e s s i n g a r eu s e df o r e l i m i n a t i n g t h en o i s e a n dt h e n l a r g ea m o u n t so fd a t aa r ed e s i r a b l et o b er e d u c e d a f t e r a n a l y z i n gs e v e r a ld a t ar e d u c t i o na l g o r i t h m s ，a ni n t e l l i g e n td a t ar e d u c t i o na l g o r i t h mb a s e do n t h ec o m b i n a t i o no f s t r a i t n e s so f c u r v e sa n dd i s t a n c ed e v i a t i o nw a s p r o p o s e d ，e s p e c i a l l yf o rt h e n o n 。c o n t a c tl a s e rm e a s u r i n gd e v i c e a n a p p l i c a d o ne x a m p l ew a sg i v e no u t t o v e r i f y t h e e f f e c t i v i t yo f t h i sa l t o r i t h m a st h el a s e rp r o b ei sa ae l e c t r o - o p t i c a ld e v i c ea n db a s e do nt h e p r i n c i p l eo fo p t i c a l t r i a n g u l a t i o n ，m a n yf a c t o r s r e l a t e dt o o p t i c s a f f e c ti t s o p e r a t i o n ，s u c h a ss e n s o r - t o - s u r f a c e o r i e n t a t i o na n ds u r f a c ec h a r a c t e r s t os t u d ya n db e t t e ru n d e r s t a n dt h e s ee r r o rs o u r c e s ，l a s e r p r o b em o d e li sn e e d e dt os i m u l a t e b a s e do nt h es i m u l a t i o np r o b em o d e l ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h em e a s u r e d o b j e c t , i n c l u d i n gt h ep r o j e c t e da n g l e ，t h e s u r f a c ec o l o r , a n dt h em a t e r i a l r o u g h n e s s ，w e r er e s e a r c h e db ye x p e r i m e n t w i t ht h ee i r o ra n a l y s i sf o rt h ee x p e r i m e n td a t a , a s o f t w a r ec o m p e n s a t i o nt e c h n i q u ew a sp e r f o r m e d ，w h i c hi sc a l l e de r r o rc h a r a c t e r i s a t o n t h e f i t t i n gc u r v e si so b t a i n e dr e l a t i n gt h e e r r o r st ot h ei n n u e n c i n gf a c t o r si su s e dt oc o m p e n s a t ef o r t h em e a s u r e dd a t ao b t a i n e db yt h el a s e rs c a n n i n gs y s t e m t h ee x i s t i n gs u r f a c e sa r ec o m p l e xo f i n c o m p l e t eo rp a r t i a l l yw o i t io rd a m a g e d i na d d i t i o n t h el i m i n a t i o no ft h ed i g i t i z i n gt e c h n i q u e sa n dt h ed i g i t i z i n gd e v i c e sa l s oc a nb r i n gd a t ad e f a u l t t h en e u r a ln e t w o r ki su s e dt o m o d i f ya n dc o m p e n s a t et h em e a s u r e dd a t a w i t ht h eb p a l g o r i t h m ，t h ep o s s i b i l i t yh o wn e t w o r km o d e c a nb eu s e di n t h eg e o m e t r ym o d e f i n gw a s a n a l y z e d t h er a d i a lb a s i sn e t w o r km o d e lw a sb u i l tt op e r f o r mt h ec o m p e n s a t i n gm e a s u r e dd a t a a n dt h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e lj se f f e c t i v e t h ea l t o r i t h m sm e n t i o n e da b o v ew e r et e s t i f i e da n dv e r i f i e d b ye x p e r i m e n t s t h e c o n f i r m a t i o no ft h eb o u n d a r yo ft h es u r f a c ep r o f i l ew a sr e s e a r c h e d t h ed i g i t i z e dd a t ac a nb e u s e dt w i c e ：f o rt h e g e n e r a t i o n o f m i l l i n gp r o g r a m a n df o rt h e g e n e r a t i o n o fs u r f a c e d e s c r i p t i o n t w oa p p l i c a t i o ne x a m p l e sw e r eg i v e no u t f r o mt h et w ov i e w s r e s p e c t i v e l y f i n a l l y , t h er e s e a r c hc o n t e n t sa n d c o n c l u s i o n so f t h i sd i s s e r t a t i o nw e r es u m m a r i z e da n di t s f u r t h e rs t u d j e sw e r ef o r e c a s t e d k e y w o r d s ：r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，f r e e f o r ms u r f a c e ，d i g i t a l i z e di n f o r m a t i o n ，a d a p t i v em e a s u r e m e n t , l a s e rn o n c o n t a c tp r o b e ，e r r o rc o m p e n s a t i o n ，d a t ar e d u c t i o n ，n e u r a ln e t w o r k ，d a t a m o d i f i c a t i o n 第1 章甥舱 第1 章绪论 【本章捐f 要】逆向工程技术是近年来发展起来的消化、吸收和提高先进 技术古一系列分析方法和应用技术的鞋卜争。在先进制造技术中逆向工 程是从物理原型或实物零件开始通过数字化方法和曲面重建技术获取 实物模型的数据信息，形成输入到计算机中的c a d 模型进而利用先 进的c a d c a m 技术实现产品的改进、修形和制造。本章通过广泛阅读 大量的文献总结逆向工程的应用领域：然后对逆向工程特点和研究内 容以及国内外研究现状进行综述：在此基础上提出本论文选题的依据 和嘲l 士论文研究的主要内容。 1 1 引言 近年来，全球制造业正以垂直整合的模式向亚太及中国转移，中国正成为世 界制造业的重要基地。制造业模式的变化，必将产生对新技术的需求，也必将导 致c a d 技术的发展。随着科学技术的发展，人们对工业产品不断提出更新要求， 以满足人们不断变化的需求。一方面，工业产品越来越向多品种、小批量、高精 度和复杂的几何形状方向发展；另一方面，为了保持和加强产品在市场上的竞争 能力、产品的开发周期、生产周期、更新周期越来越短。随着中国加入w t o ，成 为世界制造业的重要基地，也将要求我国的产品要有创新性，并且要有更高的质 量、更低的成本，并在更快的时间内提供给市场。为适应2 1 世纪的制造业市场、 产品及企业特征的需要，2 1 世纪先进制造技术将向精密化、柔性化、网络化、虚 拟化、数字化、智能化、清洁化、集成化及管理创新等方向发展【l 。6 】。一是由于新 技术革命，特别是信息技术的发展，已改变了并继续改变着工业革命后形成的生 产方式与生活方式，出现了称为“第三次浪潮”的社会变革，主要表现为非大量 化、分散化和个性化以及上述变化速率的加快。二是技术更新换代速率的加快， 如微机的升级速率己从数1 0 年减到2 至3 年。消费品市场更是日新月异。当然快速 成形技术、计算机模拟和仿真技术、c a d c a m 无缝制造技术的实现，既为制造企 业满足个性需求提供了可能性，又刺激了个性需求的期望值，促使不断变异产品 市场的形成【”。 目前，随着c a d ( 计算机辅助设计) 、c a m ( 计算机辅助制造) 、c a k e ( 计算 机辅助工程) 、p d m ( 产品数据管理) 、r p m r t ( 快速原形制造快速工具) 及c i m s ( 计算机集成制造系统) 等先进技术在产品开发和制造过程中的深入应用，维系 出计算机和n c 组成的先进制造技术体系的关键产品信息模型是显现企业敏 浙江大掌博士掌位论文 捷、柔性制造的基础1 8 。”。在产品开发及制造过程中，计算机辅助技术己被应用得 相当广泛。新型计算机辅助技术的发展使得c a d c a m 无缝制造技术得以实现。但 是，在许多情况下设计和制造者面对的是实物样件，需要将实物模型转化为c a d 模型。与这种以实物模型为依据生成数据信息模型相关的技术，已发展为 c a d c a m 中的一个相对独立的范畴，即逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 。在机械 领域中，逆向工程( r e v e r s ee n g i n e e r i n g ) 是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以 及没有c a d 模型的情况下，按照现有零件的模型( 产品原型或油泥模型) ，利用各 种数字化技术及c a d 技术重新构造原形c a d 模型的过程而克隆或创造实物产品 1 6 - 2 3 1 。 在与制造业密切相关的航空航天、汽车、造船及模具等工业领域，未来追求 对产品功能和外形等方面的日益严格的要求，使得自由曲面零件在现代工业中得 到了越来越广泛的应用。其加工质量和生产周期对提高产品的性能和市场的响应 速度起着关键作用。较之于规则零件，自由曲面零件的设计、加工、精度检验等 信息的获取要复杂得多，直接由c a d 系统生成满足功效要求且光顺的曲面模型十 分困难，通常在飞机机身、汽车车体的设计过程中，通过模型风洞实验，反复修 改原始模型直至找到最佳性能，然后对实物模型进行数字化，获取数据信息模型， 驱动下面的制造过程。 由此可见，逆向工程是近年来发展起来的消化，吸收和提高先进技术的一系 列分析方法和应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，缩短产品生产 周期，提高生产率，增强竞争力。随着科技的日新月异和市场全球化趋势，世界 范围内的市场竞争越来越激烈。要在激烈的市场竞争中有一席之地，企业不仅要 有适应市场需求的产品，还必须不断提高产品的质量和性能、缩短产品的生产周 期，以保持持久的竞争能力。学习先进的技术、引进先进的装备、采用先进的设 计是推动企业技术进步、提高企业产品竞争能力的重要途径。 世界各国在经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们 有益的启示。日本在战后3 0 余年从经济上几乎处于瘫痪状态一跃成为仅次于美国 的世界第二号经济强国，和其善于引进国外先进技术并进行消化、吸收、创新分 不丌的。日本把引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来推行， 其“吸收性战略”的一个主要手段即是逆向工程。据统计，各国百分之七十以上 的技术源于国外，逆向工程作为掌握技术的一种手段，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，对我国国民经济的 发展和科学技术水平的提高，具有重要意义。 在制造领域，各种产品在不断提高性能的同时，其外形也变得越来越复杂。 近4 0 年来，科技飞速发展、市场竞争加剧、社会需求多样化，随着技术进步和消 费水准的不断提高，对产品性能、外形等方面的要求越来越高，个性化越来越强， 激化了传统多品种的固有矛盾，使得如何改变传统多品种、小批量生产的落后面 第】章绪论 貌，切实满足用户的需要，成为各国制造技术进步中的重要课题。因此，传统的 制造业已远远不能满足时代发展的需要；而另一方面，计算机技术、信息技术在 制造业中得到广泛应用，同时其他学科的知识也应用到制造业中。这使得逆向工 程的应用背景越来越广泛，很多行业采用逆向工程技术来进行产品设计。自由曲 面的逆向工程已成为现代工业迅速发展的重要技术。通过逆向工程可构造实物的 c a d 模型，使得那些以实物为制造基础的产品在设计与制造中充分利用 c a d c a m 、r p m 、p d m 、c i m s 等先进制造及管理技术澄。i 。 逆向工程是相对于传统的c a d c a m 技术的工作流程而言的。传统的自动制造 环境中。操作顺序通常由设计师基于产品或构件的功能和外形在c a d 软件系统中 构造几何模型，然后通过数控加工生成产品。在逆向工程中则先有实物样件，对 样件表面数字化获取数据信息，然后对这些数据进行处理重建实物的c a d 模型。 通过逆向工程实现实物的c a d 模型复现或者产品的重新设计制造，可以使得在产 品设计与制造的全局过程中，充分地利用c a d c a m 、p d m 、c i m s 等先进制造和 管理技术，同时为产品地并行设计、快速原型制造等提供关键的技术支持。图1 一l 是逆向工程的工作原理循环图。 圈1 】逆向工程工作原理循环圈 1 2 逆向工程的应用领域 逆向工程技术是先进制造技术中信息传递的重要捷径。逆向工程最初起源于 浙江大掌博士掌位论文 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 的初始阶段就要认真考虑空气动力性能。常规的设计流程首先根据造型需要设计 出结构，制作出油泥模型，然后将模型送到风洞实验室去测试空气动力学性能， 再根掘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。如何将油泥模型的外形精确地输 入计算机成为电子模型，这就需要逆向工程技术。 随着技术更新换代速率的加快和消费水准的不断提高，很多其它行业也纷纷 采用逆向工程技术进行产品设计。模具设计作为制造业的基础，具有技术与资本 密集，低污染和高附加值的特性。要在较短的周期循环中达到完成多样性、独特 性和具有高竞争力的产品，必须尽快加速模具业的发展。过去，模具工厂是面向 劳作者的，依靠技术工人采用人工雕刻的方法来制作复杂表面，后来发展了通过 仿形机进行实样仿形的铣削加工方法。这些传统的模具制造工艺的缺点很多，效 率和精度都无法满足生产要求，而且阻碍了工程设计的积累与发展。随着 c a d c a m 技术的发展，将c a d c a m 集成技术引入模具制造业，满足了计算机设 计、制造和对模具的质量控制。在产品的开发和制造过程中，c a d c a m 技术已使 用相当广泛。c a d c a m 技术的不断发展大大提高了产品设计制造的自动化程度， 增强了企业的竞争能力。目前在c a d c a m 的研究和应用方面，主要还侧重于由设 计数据构造产品的c a d 模型，再通过数控加工制造出产品的常规设计流程。然而 产品设计过程是一个反复修改、反复设计的重复过程。逆向工程在对设计产品的 修改、再设计及制造的过程起着连接作用。它开始于对实物原型或设计原型进行 数字化测量，得到大量空间数据点。将测量得到的数据点作为输入，重建曲线和 曲面模型并编辑曲面对其进行工程分析最后生成n c j j i j 工路径或从数据点直接生 成加工路径。由此可见，在设计与制造中引入逆向工程可形成个包括设计、制 造、检测的快速闭环反馈系统，加快产品的生产过程，提高生产效率，缩短生产 周期，并使产品质量有了保证，生产成本也相应得到降低。 综上所述，逆向工程的应用非常广泛。在航空航天、汽车、模具制造业、工 业设计、医学、电子商务等领域都有重要的应用价值。总结起来，主要包括以下 情形陋m “”。 ( 1 ) 航天航空领域和汽车工业，当要设计需要通过实验测试才能定型的工件 模型时，通常采用逆向工程的方法。这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，如 何将最终模型的外形精确地输入计算机建立数学模型，即逆向工程问题。 ( 2 ) 目前，由于c a d c a m 技术发展的不平衡，普遍存在这样的情况，在模 具的制造中，没有原始图纸，制造者得到的原始资料为实物零件。在没有设计图 纸或者设计图纸不完整以及没有c a d 模型的情况下，为了能利用c a d c a 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。 第l 章绪论 ( 3 ) 尽管c a d 技术发展迅速，各种商业软件的功能也日益强大，但目前还 无法满足一些复杂曲面零件的设计需求，设计师或美学师通常根据概念设计制造 出黏土或泡沫的比例模型，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。 ( 4 ) 由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，人们经常要对已有的产品做 局部修改。在原始设计没有三维c a d 模型的情况下，若能将产品实物通过测量与 曲面重建产生与实际相符的c a d 模型，对c a d 模型进行修改以后再进行加工， 将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型设计方面可以发挥不可替代的作用。 例如，微软公司生产的鼠标器( m o u s e ) ，就其功能来讲，只需要三个键就可以了， 可是怎样才能让鼠标器手感最好，经过长时间使用而不易产生疲劳感却是生产厂 商需要认真考虑的问题。因此微软公司首先根据人体工程学制作了几个模型交给 使用者评估，根据评估意见对模型直接修改，直到模型修改到大家都满意为止， 然后对模型采用逆向工程技术获取数据，生成c a d 模型。当产品推出市场后，由 于外观新颖，曲线流畅，加上手感好，符合人体工程学原理，迅速获得用户的广 泛认可，产品市场占有率大幅度上升。 ( 5 ) 在数字化模型检测方面，对加工后的零件通过逆向工程重构出几何模型， 使产生的模型与初始的几何模型在计算机上进行数据比较，可以提高检测精度。 ( 6 ) 另一个重要的应用，如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，而是借助逆向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。往往需 要通过实验对零件的功能和性能分析来最终确定零件的形状，将最终符合要求的 模具数字化，并重建出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，降低模具制造成本。 ( 7 ) 采用先进的扫描设备和模型重建软件，可以快速建立人体的数字化模型， 从而对人体中的骨头、关节等进行复制实现假肢制造；或生成合适的人脸模型来 制造与人脸相配的头盔等。 ( 8 ) 在r p m 的应用中，逆向工程是实现r p m 的核心技术之一。通过逆向工 程可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确地测量，一方面，是为 r p m 传递制造信息的简洁工具，另一方面可以充分利用先进的c a d c a e c a m 技 术对已有的产品原型进行再创新，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。 ( 9 ) 在医学领域，c t 成像和m r i 成像是当今流行的成像技术，它们主要是 通过扫描人体组织器官获得大量的测量数据并在计算机上可视化显示，以识别病 理组织，有时为了获知骨头的受力分析或者软组织的变形分析，也需要用逆向工 程技术重建出计算机模型。 ( 1 0 ) 在激光内雕行业，可以直接从手工设计艺术模型进行数字化后，对数 浙江大学博士掌位 文 字化点进行修改处理后输入到激光输入通道进行内雕。 一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面， 在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容：f 1 ) 新零件的设计，主要用于 产品的改型或仿