（材料加工工程专业论文）逆向工程在曲面零件设计与检测中的应用研究.pdf

摘要 摘要 随着科学技术的发展和制造水平的提高，人们对曲面零件的精度要求 越来越高但是由于曲面零件形状复杂，用传统的检具检验时难度大，且 检测精度不高i 如何采用有效的方法取代传统的检测工具，提高曲面零件 检测精度是实际中急待解决的问题。 本文通过对逆向工程中的点云数据获取、数据预处理、曲面重构和曲 面分析方法的研究，仔细分析了逆向工程软件i m a g e w a r e 的功能和基本原 理，总结出i m a g e w a r e 在曲面重构和曲面检测中的方法、步骤和经验，为 曲面零件的逆向造型设计和数字检测提供了理论和操作技术保障。 ， 以逆向工程在曲面零件高尔夫球头造型方法中的实现为例，针对自由 曲面在散乱点基础上重塑问题进行了研究，并在理论及应用中得到了相应 的结论和实现。通过对高尔夫球头应用逆向设计，实现了复杂曲面零件三 维曲面重构，为在此基础上新产品的二次开发奠定了基础。 在对误差检测理论以及现行形位误差检测技术进行深入分析的基础 上，提出了将逆向工程应用于复杂曲面零件的数字化检测方法。通过建立 曲面匹配，将测量所得的点云数据与数学模型在逆向工程软件i m a g e w a r e 进行形位误差比较。该检测方法能够检测出传统方法难以达到足够精度要 求的复杂曲面误差，对于实现生产检测的自动化、数字化具有重要的应用 前景 关键词曲面零件；i m a g e w a r e ；n u r b s ；i c p 匹配；面轮廓度误差；高尔 夫球头 燕山大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o po fs c i e n c et e c h n o l o g y a n dm a n u f a c t u r e ，t h e p r e c i s i o no fi n s p e c t i o n i ns u r f a c e a c c e s s o r y a r ee n h a n c i n gg r a d u a l l y b u t a l m o s tt h es u r f a c ea c c e s s o r ya r ec o m p l e x i t y ，u s i n gt r a d i t i o n a lt o o l st oi n s p e c ti s d i f f i c u l ta n dn o te x a c t i t u d e h o wt ou s ea n o t h e re f f e c t i v em e t h o dt or e p l a c e t r a d i t i o n a lw a ye v a l u a t ei n s p e c t i n gp r e c i s i o ni su r g e n tp r o b l e mt ob es o l v e d t h r o u g ha n a l y z i n gt h es o f t w a r e i m a g e w a r e f u n c t i o na n df u n d a m e n t a l ， t h i sp a p e rs t u d i e st h ek e yt e c h n o l o g yo fc o m p l i c a t e ds u r f a c e ，d e s c r i b e di n d e t a i l t h er e v e r s ee n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y ：p o i n td a t ao b t a i n i n g ，s u r f a c ec o n s t r u c t i o n ， s u r f a c ea n a l y s i se t c ，p r o v i d e st h e o r ya n dt e c h n o l o g yf o u n d a t i o nf o ra p p l y i n g r e v e r s ee n g i n e e r i n gt ot h em o d e ld e s i g na n di n s p e c t i o no fs u r f a c ea c c e s s o r y t h i sp a p e rt a k e st h ea c h i e v e m e n to fr e v e r s ee n g i n e e r i n gw h i c ha p p l i e so n t h es u r f a c ea c c e s s o r yg o l fh e a dm o d e la sag o a l ，c a r r i e so u tr e s e a r c ha i ma tt h e r e c o n s t r u c t i o np r o b l e mo ff r e ec u r v e ds u r f a c e so fs u r f a c ea c c e s s o r yb a s e do n s c a t t e r e dp o i n t s t h r o u g ha p p l y i n gr e v e r s ed e s i g nt os u r f a c ea c c e s s o r y ，o b t m n s 3 dc u r v e ds u r f a c er e c o n s t r u c t i o no fs u r f a c ea c c e s s o r y t h i sp r o j e c te s t a b l i s h e s t h eb a s eo ff u r t h e rd e s i g no fs u c c e s s i v ec a d c a ms y s t e m s o nt h eb a s i so fr e v e r s ee n g i n e e r i n ga n de r r o ri n s p e c t i o nt h e o r y ，t h i s p r o j e c tb r i n g s f o r w a r dd i g i t i z e di n s p e c t i o nm e t h o dw h i c ha p p l i e sr e v e r s e e n g i n e e r i n gt os u r f a c ea c c e s s o r y t h r o u g he s t a b l i s h i n gc u r v e ds u r f a c em a t i n g ， p u t t i n gp o i n t sd a t aa n dt h e o r ym o d e lt oc o m p a r i s o na n do b t m n si n s p e c tr e p o r t t h i sm e t h o dc a ni n s p e c ta c c u r a c yc o m p l i c a t e ds u r f a c et h a tt r a d i t i o n a lm e t h o d c a n tm e e ts u f f i c i e n ta c c u r a c yr e q u i r e m e n t s i th a sa p p l i c a t i o np r o s p e c tt oc a r r y o u tt h em a n u f a c t u r e do n l i n ea u t o m a t i o na n dd i g i t i z a t i o n k e y w o r d ss u r f a c ea c c e s s o r y ；i m a g c w a r e ；n u r b s ；i c pm a t c h i n g ；s u r f a c e f i g u r ee r r o r ；g o l fh e a d 燕山大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文逆向工程在曲面零件设 计与检测中的应用研究，是本人在导师指导下，在燕山大学攻读硕士学位 期间独立进行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分 外不包含他人已发表或撰写过的研究成果。对本文的研究工作做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全 由本 人承担。 作者签字磅轧吼9 7 年9 7 日 燕山大学硕士学位论文使用授权书 逆向工程在曲面零件设计与检测中的应用研究系本人在燕山大学 攻读硕士学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果 归燕山大学所有，本人如需发表将署名燕山大学为第一完成单位及相关人 员。本人完全了解燕山大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向有关部门送交论文的复印件和电子版本，允许论文被查阅和借阅： 本人授权燕山大学，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以 公布论文的全部或部分内容。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密西 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 伪 j 导 日期：砷年钼f 7 日 日期：7 年钼f 7 日 第1 章绪论 第l 章绪论 1 1 本课题研究的学术背景 随着现代计算机技术及测试技术的发展，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和检测，已经成为c a d c a m 领域的 一个研究热点，并且成为逆向工程技术应用的主要领域1 1 j 。现代逆向工程 技术除广泛应用于汽车工业、航空航天工业、机械工业、消费性电子产品 等几个传统应用领域外，也开始应用于立体动画、多媒体虚拟实境、广告 动画、文物及艺术品的仿制和修复等领域。另外，在医学科技，如人体中 的骨头和关节的复制、假肢制造、人体外形测量、医疗器材制作等方面， 也有其应用价值 ， 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，再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( 图片、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。 目前，逆向工程技术在我国曲面零件产品的生产过程的应用主要是从 实物模型到基于三坐标测量的空间数据点云，再利用逆向工程软件得到其 c a d 模型，最后通过c a d 软件进行参数化设计，形成优化及系列化的c a d 模型1 2 1 只有建立了基于逆向工程的c a d 模型，才能利用先进的 c a d c a m 技术，进行曲面零件的设计、制造和质量检验等后续生产过程。 数字化检测技术是一项具有广泛应用前景的高新技术，对于检测手段 的柔性化、自动化具有重要的意义。在产品的生产、制造和安装过程中， 各种曲面零件的表面质量是影响其产品质量的重要因素之一，随着科学技 术的发展和制造水平的提高，人们对于曲面零件的精度要求也越来越高， 而曲面零件形状复杂，用传统的检具检验时难度大，且检测精度不高，如 燕山大学工学硕士学位论文 何采用有效的方法取代传统的检具，提高曲面零件的检测精度是实际生产 中急待解决的问题。本课题正是在这一背景下设立的。 本课题以复杂曲面零件高尔夫球头为研究对象，采用逆向工程软件 i m a g e w a r e ，运用基于n u r b s 曲面重构方法进行了高尔夫球头的曲面构 造，得到了高质量的n u r b s 曲面。同时在逆向工程软件i m a g e w a r e 的曲 面重构和曲面比较的功能相结合的基础上，研究了数字化检测的技术，并 给出了几种典型的零件误差数字化检测的具体方法和实现步骤，该方法成 功地解决了传统检具精度低、检测成本高的问题，对于实现检测的自动化、 柔性化和数字化有重要的应用前景。 1 2 逆向工程与检测技术 1 2 1 逆向工程的重要意义 逆向工程是先用一定的测量手段对实物或模型进行测量，而后把测量 数据通过三维几何建模方法重构实物c a d 模型，并在此基础上进行改进 设计及生产的全过程，它在产品设计中的应用具有非常重要的意义。 首先，它能够拓展设计师的设计思维。思维是人脑对客观事物问结和 概括的反映，也是人类智力活动的一种外在表现形式，更是产品设计师进 行一切设计活动的前提和基础一个设计师创造性思维的活跃程度决定着 产品的最终设计的好坏与成败一般来说，当然希望设计师的思维越活跃、 思维方式越独特越好，只有出众的设计思维才能获得优秀的设计方案。但 对于产品设计来说，以往很多的优秀方案并不一定切实可行。其原因是多 方面的，其中之一个比较重要的可能就是因为产品设计方案的曲面过于丰 富、造型过于复杂而无法用计算机建立三维c a d 模型，并迫使设计师放 弃最优方案。然而，随着逆向工程技术的诞生，只要是好的设计方案，即 使盐面再复杂，造型再丰富，都可以通过先做实物草模，然后用三维扫描 仪扫描的方式来自动生成三维c a d 模型。也就是说，逆向工程技术在产 品设计中应用可以完全消除设计师的后顾之忧，大大解放了产品设计师的 自由度，拓展了设计师的思维。并把设计是从费时费力且又千篇一律的计 2 第l 章绪论 算机建模中解脱出来，让设计师有更多的时间用在设计思维上，以创造出 更多更好的设计方案。 ， 其次，它缩短了设计周期，降低了设计成本。在经济高度发达的今天， 生产任何一种商品的企业都很多，产品的市场竞争也相当激烈。企业为了 增强产品的市场竞争力，必然会采取多种措施，其中缩短产品的设计周期 是一个极其重要的方法我们知道，产品的设计周期是指从提出产品设计 的概念到产品被正式推向市场这么一系列过程时间的总和。在这个周期中， 一般来说，产品的设计都需要建立计算机的三维模型。以往，设计师只能 依据设计草图在计算机中利用三维软件完全独立地建立c a d 模型，且这 部分工作所花的时间在整个设计周期中占据了很大的比例，尤其是曲面比 较复杂的设计方案。而逆向工程技术可以通过三维扫描仪扫描用石膏或油 泥制作的草图模型或产品实物，并经过相应软件的适当处理，快速、方便 的生产产品的c a d 模型，节约了大量的计算机建模时间同时，由于快 速成型系统在逆向工程中的使用，很多后期的细致模型甚至是机样都可以 利用快速成型系统来完成，从而又在很大程度上节省了制作实物模型的时 间。由此可知，逆向工程技术的使用能够大大提高产品的设计效率，缩短 产品的设计周期，进而降低设计成本。 最后，它对消化和吸收国外先进技术有着重要的意义。由于技术保密， 除非购买或者转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料 几乎是不可能的，而产品实物作为商品和最终的消费品是最容易获得的_ 类“研究”对象。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c a d 模型和最终产品的制造方面。随着市场 全球化的发展，如何更快更好的发展科技和经济，充分利用别国的科技成 果加以消化吸收和创新，进而发展自己的技术已经成为头等大事事实证 明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速发展的战略措施， 要掌握这些技术，正常的途径都是通过逆向工程实际上任何产品的问世， 不管是创新、改进还是仿制，都蕴含着对已有科学、技术的继承、应用和 借鉴 3 燕山大学工学硕士学位论文 1 2 2 检测技术 先进的公差标准，只是为零部件的标准化提供了可能性，而要保证实 现零部件的互换性则还要采取适当的检测措施。零件加工后，其几何量需 要加以测量或检验，以确定它们是否符合设计要求。就形位误差来说，检 测就是将实际被测要素与其理想要素相比较以确定它们之间的差别，根据 这些差别( 实际被测要素对其理想要素的变动量) 来评定形位误差的大小 1 3 1 。利用适宜的量具或量仪，按照正确的测量方法，测出实际零件所存在 的形位误差值的大小，用以评定零件加工的形状和位置精度，并判定是否 符合图样要求的过程，这就是通常所说的形位误差检测。 检测是检验和测量的统称，测量能获得具体的数值，而检验不能获得 具体的数值，只能判断合格与否。由此可见，检测是组织互换性生产中必 不可少的重要措施。检测是保证机械工程质量的基本方法和手段。机械制 造业的发展要求开发新的测量与检测方法，实现高精度、高效率的测量和 检测。 检测技术的发展经历了从人力检测、人工检测、电检测到计算机辅助 检测阶段。几何量检测在我国具有悠久的历史。早在商朝，我国就有了象 牙制成的尺，到秦朝统一了我国度量衡制度，到西汉，已制成铜质的卡尺。 几何量检测技术的发展是和机械加工发展分不开的，加工精度的提高，一 方面对测量器具的精度要求也随之提高，另一方面，加工精度本身也要通 过精确的检测来体现和验证。几何量检测技术的发展不仅促进了产品制造 业的发展，也促进了其他工业和科技领域的发展。在传统的产品零件生产 中，无论是对那些具有复杂空间几何形状的大型零件，还是对简单的小型 零件，长期以来，专用检验用具都被作为主要的检验手段，由于这些专用 检具存在多种弊端，往往对复杂零件的某些部位不能精确检验。同时，这 些专门检验工具的加工制造需要大量的人力物力，不但增加了生产成本和 新产品的开发周期，而且只能检验某一种产品。如哈尔滨量具刃具厂开发 的轴式垂直误差检测仪，合肥工业大学开发的阶梯轴类零件检测仪。而且 4 第1 章绪论 这些检测设备一般仅能检测某一种产品，不具有通用性，并且存在检测精 度低或检测成本高等问题。 、 目前，随着c l m s 的推广应用，企业在向柔性化、自动化发展的进程 中，提出了对计算机辅助质量( c a 0 2 系统的需求。计算机辅助检测计划 ( c a i p ) 系统已成为c a q 系统的重要组成部分，它的核心问题是解决如何 检测零件。在柔性制造中三坐标测量机( c m m ) 是重要的检测手段，在制造 企业中得到广泛的应用。然而三坐标测量机存在易于损伤测头、划伤被测 零件的表面、测量速度慢、不易获得连续的坐标点和无法对易碎、易变形 的物体进行测量的缺点1 4 j 。而随着柔性制造系统( f m s ) 的推广，人们对检 测系统的智能化、柔性化、快速性等方面提出了更高的要求，以适应多品 种零部件的需求。、 、因此，从某种意义上讲，我们可以这样说：“没有检测，就没有产品 的质量”。一个国家、一个企业的检测技术水平，实际上是这个国家、这 个企业生产技术水平的集中体现和反映。此外，先进的检测技术和工艺技 术的结合，将有力地促进和提高生产过程的机械化、自动化水平，有效地 减轻工人的劳动强度，提高劳动生产率，降低原辅材料的消耗，从而为企 业带来丰厚的经济效益。 ， 1 3 国内外文献综述 日本、美国等工业强国在逆向工程方面的研究依然走在世界的前列， 他们对逆向工程技术的研究有许多值得我们借鉴的地方。在国内，上海交 通大学、西安交通大学、华中理工大学、广东省机械研究所、天津大学等 科研机构都对逆向工程技术进行了研究。、 目前，在我国基于实物的逆向工程广泛地应用在产品复制和仿制，尤 其是外观设计产品方面，因为不涉及到复杂的动力学分析、材料加工、热 处理等技术难题，相对容易实现。目前基于c a d c a m 系统的数字扫描技 术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描，完成实物的3 d 重建后，通过n c 加工就能快速的生产所需要的产品，这个过程已经成为 我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托车等产品企业的开发及生产模式， 5 燕山大学工学硕士学位论文 但这些产品中鲜有自己的技术。实事求是地说，我们在相当长的时期里还 与国外先进的制造业有一定的差距，在短时间内不具备创新能力，在这个 阶段更多需要的是学习和模仿，积累自己的经验，为今后的创新打下坚实 的基础。因此，通过逆向工程，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和 掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，即在c o p y 的基础上 进行改进进而创新，这是提升我国制造业的必由之路。 作为新产品开发的重要手段，逆向工程的研究受到广泛的重视，我国 已把逆向工程作为国家8 6 3 高新技术项目在c i m s 研究中的重要单元技术， 进行了深入的研究，一些重要的国际和国内的学术会议也将逆向工程及相 关技术作为一个重要的会议专题，如g e o m e t r i cm o d e l i n ga n dp r o c e s s i n g s e d e s 、i e e et r a n s a c t i o n so ni m a g ea n a l y s i sa n dm o d e l i n g 、s i g g r a p h 和 s p i e 等会议。著名的c a d 杂志也在1 9 9 7 年编发了一个逆向工程研究专集。 从重要文献和会议情况看，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，发表的文章也逐年递增。目前逆向工程已发展为c a d c a m 系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、 计算机视觉、几何造型和数字化制造等。 国内外的一些专家学者对于逆向工程及形位误差检测的理论与实际应 用进行了深入细致地探讨，研究了测量过程中测点的自适应分布、测量路 径的优化p l ；提出了基于点的i c p 算法，解决了逆向工程中任意多视点云 的拼合问题1 6 ；提出了基于最d x - - 乘法、牛顿迭代法和遗传算法等来解决 检测问题中的采样测量点与设计模型的匹配问题i7 j 1 9 j ；运用微分几何的活 动坐标以及邻近结构理论，导出测量点到理想轮廓的统一形式的距离函数， 建立了复杂轮廓度误差最小条件评定的模型l lo l ；根据曲面实物模型的点 云，重建其几何和拓扑信息，并再现特征，实现基于特征的曲面模型重建 u l ；提出了基于面域理解的多面体三维重建，该算法适用于平面多面体， 通过面域作为中介，容易实现与模型引导方法的融合，从而扩展到二次曲 面体的重建【i 2 】；提出了基于神经网络进行曲面重构1 1 3 j ；针对有序离散点， 提出了二次反算的曲面重构方法1 1 4 j ；结合测量数据结构的异同，介绍了各 种计算机建模技术，并且指出它们在工程中各自的适用范围。 6 第1 章绪论 1 4 本课题主要研究内容 ， 本课题的主要研究内容包括： ( 1 ) 逆向工程测量方法、使用设备以及数据格式转换。 ( 2 ) 逆向工程关键技术。 ( 3 ) 以高尔夫球头为例，研究点云的获取、预处理以及曲线、曲面的重 构方法 ( 4 ) 运用逆向工程软件i m a g e w a r e ，将扫描的点云与其三维数学模型进 行匹配，检测其是否在公差范围内。 7 燕山大学工学硕士学位论文 第2 章逆向工程及其测量方法研究 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 p i n g ，r p ) 、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 ) 系统、产品数据管理系统( p r o d u c t d 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 修改和再优化设计。此时就需要一个一体化的解决方案：样品一数据一产 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 实物物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制造的一种手段，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，有关逆性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。 2 1 逆向工程概述 “逆向工程”( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) ，也称反求工程、反向工程等 逆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i i ” 广义的逆向工程是消化、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、复杂的系统工程。它包括影响逆向、软件逆向和 实物逆向等三方面。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，称为 “实物逆向工程”l l “。在某种意义上说，“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，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 造的工程i l ”。 8 第2 章逆向工程及其测量方法研究 传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，最后通过 检测和性能测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或c a d 造型，称为预定模式( p r e s c r i p t i v em o d e l ) ，我们也称之为正向工程( 或顺向 工程) 。正向工程流程如图2 - 1 所示。 图2 1正向工程开发流程图 。 f i g 2 - 1 f o r w a r de n g i n e e r i n gf l o wc h a r t 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 i c a f a c a m 集成系统的开发和商业化，产品实物的逆向工程设计首先 通过测量扫描仪以及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利 用成熟的c a d c a e 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，数控加工出产品模具，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 - 2 所示。 ， 2 1 1 逆向工程在引进技术中的应用 市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已 渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，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。如何更快、更好的发展科技和经济， 世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而 发展自己的技术已成为普遍的手段。事实证明，技术引进是吸收国外先进 技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，据有关统计资料表明，各国 百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常途径就是通 过逆向工程。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵 着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴l i 9 燕山大学工学硕士学位论文 图2 2 逆向工程开发沉程图 f i g 2 - 2 r e v e r s ee n g i n e e r i n gf l o wc h a r t 引进技术的应用和开发一般分为三个阶段： ( 1 ) 使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在 生产中发挥作用。对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用 了解其特点及不足之处，即做到“知其然”。 ，( 2 ) 消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生 产管理方法等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进 行计算测定，了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保 护等技术，即傲到“知其所以然”。 ( 3 ) g - j 新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学 研究，通过移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并 争取进一步实现某些技术从输入到输出的转化。 由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、 工艺等技术资料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费 品，是最容易获得的一类“研究”对象。在只有产品原型或实物模型条件 下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，除实现对原型 的仿制外，通过重构产品零件的c a d 模型，在探询和了解原设计技术的 1 0 第2 章逆向工程及其测量方法研究 基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的 对于其他具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式， 如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制作1 ：l 的木或油泥模型， 然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、完善，最后经c a m 完 成模具1 + 1 9 1 。 。 2 1 2 ，逆向工程在实际中的应用 在产品造型日益多元化的今天，逆向工程已经成为产品开发中不可或 缺的一部分，其应用范围主要在以下几个方面： ( 1 ) 在对产品外形的美学有特别要求的领域，为方便评价其美学效果， 设计师广泛应用油泥、黏土或木头等材料进行快速且大量的模型制作，将 所要表达的意图以实体的方式呈现出来，而不是采用在计算机屏幕上所小 比例的物体透视图的方法。此时，如何根据造型师制作出来的模型，快速 建立三维c a d 模型，就必须引入逆向工程技术。 ( 2 ) 当设计需要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，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( 如风洞试验等) 建立符合要求的产品模型。此类产品通常是有复杂的自由曲面拼接而成的， 最终确认的试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 模具。 ( 3 ) 在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，在对零件原形进行 测量的基础上，形成零件的设计图纸或c a d 模型，并以此为依据生成数 控加工的n c 代码或快速原型加工所需的数据，复制一个相同的零件。 ( 4 ) 在模具行业，+ 常需要通过反复修改原始设计的模具型面得到符合要 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。借助于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 ( 5 ) 很多物品很难用基本几何来定义和表现，例如流线型产品、艺术浮 雕及不规则线条等，如果利用c a d 软件，以正向设计的方式来重建这些 燕山大学工学硕士学位论文 物体的c a d 模型，在功能、速度及精度方面都将异常困难。在这种场合 下，必须引入逆向工程，以加速产品设计，降低开发的难度。 ( 6 ) 逆向工程在新产品开发、创新设计上同样具有相当高的应用价值。 为了研究上的需求，许多大企业也会运用逆向工程协助产品研究。如韩国 现代汽车在发展汽车工业制造的同时，曾参考日本h o n d a 汽车设计，将 它的各部工件经由逆向工程还原成产品，进行包括安全测试在内的各类测 试研究，协助现代汽车设计师了解日系车辆设计原意、想法。这是一个基 于逆向工程的典型设计过程：利用逆向工程技术，可以直接在已有的国内 外先进的产品基础上，进行结构性能分析、设计模型重构、再优化设计与 制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短产品开发周期， 有效地占领市场。 ( 7 ) 逆向工程也广泛的应用于修复破损的文物、艺术品，或缺乏供应的 损坏零件等等。此时，不需要复制整个零件，只是借助于逆向工程技术抽 取原来零件的设计思想，用于指导新的设计 ( 8 ) 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， 需要首先建立人体的几何模型。 ( 9 ) 在r p m 的应用中，逆向工程的最主要表现为；通过逆向工程技术， 可以方便的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，逆行重新设计，经过反复迭代可使产品完善。 现代逆向工程技术除广泛应用在上述的汽车工业、航天工业，机械工 业、消费性电子产品等几个传统领域外，也开始应用于休闲娱乐方面，比 如用于立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画等；另外在医学科技方面， 比如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、人体外形量测、医疗器材 制作等，也有其应用价值。 2 2 逆向工程测量方法 数据测量，又称产品表面数字化，足指通过特定的测量设备和测量方 法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可 以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造因而，高效、高精度的实现 1 2 第2 章逆向工程及其测量方法研究 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师与逆向工程及 c a d c a m c a e r p c n c 之间扮演着桥梁的作用可以这么认为，数据测 量是逆向工程的基础，测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。实际应用中，常发生因模型表面数据获取的问题 而影响重构模型的精度例。因此，如何取得较佳的物体表面数据，一直是 逆向工程的一个主要研究内容。 目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也 各不相同。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性， 还造成了测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件 表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大 类，即接触式与非接触式1 2 ”。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和 连续式；非接触式根据原理不同，又可分为光学式和分非光学式。其中光 学式包括三角形法、结构光法、计算机视觉法，激光干涉法、激光衍射法 等；而非光学式则包括c t 测量法、m r j 测量法、超声波法和层析法等。 各种测量方法的具体分类如图2 3 所示。 ， 图2 3 实物数字化方法 f i g 2 3p r a c t i c a l i t yd i g i t i z e dm e t h o d 1 3 燕山大学工学硕士学位论文 2 2 1接触式数据采集方法及优缺点 接触式测量一般采用三坐标测量仪，沿着样件截面线进行测量，将复 杂的三维曲面测量转化为二维测量，按曲面曲率的变化不均匀的布点。接 触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描 数据采集、磁场法、超声波法等。 ( 1 ) 触发式数据采集方法触发式数据采集采用触发探头，当探头的探 针接触到样件的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通 过数据采集系统记下探针尖( 测球中心点) 的当时坐标，逐点移动，就能采 集到样件表面轮廓的坐标数据在触发式数据采集过程中，由于探针必须 偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需 要法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。 ( 2 ) 连续式数据采集方法连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由 于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采 样精度也较高此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有 细微部分或由较软材料制造的模型。由于采样速度快，连续式数据采集可 以用来采集大规模的数据。 ( 3 ) 磁场法该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触 针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位 置，实现对样件表面的数字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备， 但不适宜于导磁的样件。 接触式测量有以下优点： ( 1 ) 接触式探头发展已经有几十年，其机械结构及电子系统已经相当成 熟，有较高的准确性和可靠性。 ( 2 ) 接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜 色及曲率关系不大。 ( 3 ) 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确的 测量出物体的基本几何形状，迅速建立起被测物体的三维模型。如面、圆、 圆柱、圆锥、圆球等。 1 4 第2 章逆向工程及其测量方法研究 接触式测量有以下缺点：， ( 1 ) 为确定测量基准点而使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不 同形状的产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度增加。 ( 2 ) 球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定的精度， 需要校正探头的直径。 。 ( 3 ) 不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损 坏。 ， 。 ( 4 ) 接触式探头是以逐点的方式进行测量的，所以测量速度慢。 ( 5 ) 检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发探头的直 径必定要小于被测内圆直径 ( 6 ) 对三维曲面的测量，因传统接触式触发探头是感应元件，测得的数 据是探头的球心位置，要测得物体真实外形，则需要对探头半径进行补偿， 因此可能会导致误差修正的问题。 。 ( 7 ) 接触探头在测量时，探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生 局部变形，而影响测量值的实际读数。 ( 8 ) n 量系统的支撑结构存在静态及动态的误差j ( 9 ) 由于探头触发机构的惯性及时间延迟，使探头产生超越现象，趋近 速度会产生动态误差。 0 0 ) n 量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为 接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。 ， 2 2 2 。非接触式数据采集方法及优缺点 随着测量技术的发展，由于接触式测量的不足和测量市场的需要，产 生了非接触式扫描测量。 非接触式测量设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象， 如声、光、电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息其中，以应用光学 原理发展起来的测量方法应用最为广泛如激光三角法、结构光法等由于 其测量迅速，且不与工件接触，因而对于质地柔软的零件也能测量等优点， 越来越受到人们的重视。 1 5 燕山大学工学硕士学位论文 非接触式测量方法主要有以下几种： ( 1 ) 激光三角法激光三角法是根据光学三角形测量原理，利用光源和 光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据。其基本原 理是：利用具有规则几何形状的激光投影到被测量表面上，形成的漫反射 光点的像被安置于某一空间位置的图像传感器吸收，根据光点( 光带) 在物 体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按三 角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。 ( 2 ) 结构光法把一定模式的光源( 如光栅) 投影到被测件表面，受被测 物体表面高度的限制，光栅影线发生变形，利用两个镜头获取不同角度的 图像，通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的整幅图像上像素的 三维坐标。它的优点是测量范围大、稳定、速度快、成本低、设备携带方 便、受环境影响小、易于操作。缺点是精度较低，而且只能测量表面曲率 变化不大的、较平坦的物体 ( 3 ) 工业c t 法是一种射线成像检验技术，它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。用数学方法经过电子计算机处理而 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。 c t 测量法可以在不破坏零件的情况下，准确地对物体的内部形状、 壁厚，尤其是内部结构进行测量，这是其他测量方式所难以做到的，而且 对零件的材料没有限制但是，c t 法存在着测量系统的空间分辨率低， 获取数据时间长、重建图像计算量大、设备造价高的缺点。 ( 4 ) 核磁共振法( m r j ) 其基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间 位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在动态过程中自动到静态 场的平衡时，把吸收的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号，信 号输入计算机，经过处理转换在屏幕上显示图像。它的不足之处在于造价 极为昂贵，空间分辨率不及c t ，且目前对非生物材料不适用，一般只适 用于医学三维测量。 ( 5 ) 超声波法是当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介 质边界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，计算 出各面到零点距离的方法。 1 6 第2 章逆向工程及其测量方法研究 这种方法结构较为简单，但测速较慢，而且测量易受物体材料及表面 特性的影响，精度也较低。这种方法与工业i c t 、核磁共振m 融相比，设 备简单，成本较低，但测量速度较慢，且测量精度不稳定，目前主要用于 物体的无损检测和壁厚测量。 ( 6 ) 层析法是一种直接从样件到模型的实用、可靠的方法，它在美国 首先研制成功，用于测量物体截面轮廓的几何尺寸。层析法可对有孔及内 膛的物体进行测量，测量精度高，得到完整的数据j 不足之处是这种测量 是破坏性的。在国内，海信技术中心工业设计所和西安交通大学合作，研 制成功具有国际领先水平的层析式三维数字化测量机。在国外，美国c g i 公司已生产出层析扫描测量仪。 与接触式测量相比非接触式，非接触式测量主要有以下优点： ( 1 ) 不必作探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置； ( 2 ) 测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量； ( 3 ) 软工件、溥工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 非接触式测量的主要缺点如下： ( 1 ) 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测9 2 p s d ( p o s i t i o ns e n s i t i v ed e t e c t o r ) 来检测光点位置，目前的p s d 的精度仍然不 够，约为2 0 v m 以上； ( 2 ) 因非接触式探头大多是接受工件表面的反射光或散射光，易受工件 表面的反射特性的影响，如颜色、斜率等，从而导致测量精度误差，产生 大量不规则的散乱点； ( 3 ) p s d 易受环境光线及散杂光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比 较困难； ： ( 4 ) 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔 处理以及不连续形状的处理较为困难； ( 5 ) - r 件表面粗糙度会影响测量结果。一 非接触式激光三角形法由于同时拥有采样精度高和采集速度快的特 点，因而在逆向工程中应用最为广泛；接触式连续扫描测量方法由于具有 高精度、较高速度，同时价格较合适等诸多优点，其应用潜力也相当大。 1 7 燕山大学工学硕士学位论文