在设计中的逆向工程技术的应用

1、在设计中的逆向工程技术的应用在设计中的逆向工程技术的应用摘要：本论文通过讲述了逆向工程的内涵及应用领域、逆向工程与方法等逆向工程理论基础；然后重点以具体设计实例，阐述了逆向工程关键技术在实际产品设计过程中的具体应用步骤。关键词：逆向工程技术随着工业技术的进步以及经济的发展,对消费者来说产品不仅要有先进的功能,还要有流畅、造型富有个性的产品外观，以吸引消费注意。这就必然会使得产品外观由复杂的自由组成。但是，传统的产品开发模式已经很难用严密、统一的数学语言来描述这些自由。20 世纪 90 年代初，引出了一种全新、高效的产品开发手段逆向工程技术。并开始引起了各国工业界和学术界的高度重视。特别是随着现

2、代计算机技术及测量技术的发展，利用 CAD/CAM 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为 CAD/CAM 领域的一个研究热点。1、逆向工程的定义、工作流程以及应用领域“逆向工程”（Reverse Engineering, RE）, 也称反求工程、反向工程等，它起源于精密测量和质量检验，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。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方面。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中实物的逆向重构上，即产品实物的 CAD 模型重构和最终产品的制造方面，称为“实物

3、逆向工程”。从而可定义逆向工程是将实物转变为 CAD 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、深化和再创造的过程。逆向工程的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程。但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 CAD/CAE/CAM 集成系统的开发和应用，产品实物的逆向设计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，利用成熟的 CAD/CAM 技术,快速、准确地建立实体几何模型，在工程分析的基础上，数控加工出产品模具，最后制成产品，实现从产品或模型设计产品的整个生产流

4、程，如图 11 所示。仿制、改制产品仿制、改制产品模具二维图样、技术文档新产品CAD 模型重构快速原型 RP数据采样产品样件制作系统 CAM实物或模型在产品的造型日益多元化的今天，逆向工程已成为产品开发中不可或缺的一个环，其除了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应用领域外，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；另处在医学科技方面，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、逆向工程数据测量，又称产品表面数字化，是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

5、标数据，在此基础上，进行复杂的建模、评价、改进和制造；高效、高精度地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。数据获取在产品设计师与逆向工程及 CAD/CAM/CAE/RP/CNC 之间扮演着桥梁的角色。数据测量是逆向工程的基础，测量数据的质量事关最终模型质量，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，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各多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。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

6、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分为两大类，即接触式和非接触式。在接触式测量方法中，三坐标测量机（CMM）是应用最为广泛的一种测量设备；而在非接触式测量方法中，结构光法是被认为是目前最成熟的三维形状测量方法，在工业界广泛应用，而 ATOS 是这种方法的典型代表。ATOS 是德国 GOM 公司研发的产品，自 1989 处在德国问世以来，经过多年的发展，已成为世界上使用最为成功的扫描，广泛应用于汽车、航空航天、消费品、艺术品及科学研究等领域。目前，在全球保有量超过 1000 套系统，在中国内地也有超过 120 套系统，为中国的工业，特别是汽车工业的发展提供了高

7、效的测量手段。下面介绍一些该系统的具体模块。（1）、ATOS 模块ATOS 模块又称为光学，ATOS 光学测量模块采用矩形光栅投影，每次测量数据的周期是 11S，不同型号每次测量采集到的数据点数目是不同的，其最新的型号是 ATOS，每次能采集到 4000万点数据，每次最大可以测量 2m2m 的范围，特别适合大型工件的快速测量。目前，在市场上应用的最多的是 ATOS系列，包括测量头、三角架、控制器、Tritop 数码相机系统和相应的计算机软硬件系统组成。它每次可以采集 130 万个点，每次最大测量范围是 1.2m0.96m, 非常适应在汽车行业。其数据拼合方式是采用独刨的参考点技术，即两个数据是

8、通过共有的三个参考点进行拼合，最后得到完整的点云数据。（2）、Tritop 模块Tritop 模块又称为照相测量定位系统，是利用照相机技术来获取某些特征标志点的三坐标位置。它是根据全球卫星定位原理而开发的：即如果是在空间三个（或三个以上）不同的位置，可以持不同政见者到同一个位置点，那么该点将是可以计算出空间位置坐标值的点。根据这个原理，利用专用高分辨率的数码相机、经过编码的参考点、经过标定的比例尺、Tritop 数码影像分析和坐标点计算的软件，使用数码相机拍一组照片，然后将照片送到 Tritop软件里分析并技术，最后得到三维坐标点。Tritop 数码相机系列既可以辅助 ATOS 测量确定用户坐

9、标系，也可以用来单独测量某些特征标志点的三坐标位置。该系统主要应用于大型工件的测量，因为使用 ATOS 扫描系统进行测量时，如果仅仅利用参考点拼合，会产生比较大的累积拼合误差；利用 Tritop 系统，先计算出贴出在物体表面的参考点的三维坐标值，形成一个固定的坐标系统，然后将扫描数据直接、自动拼合到该坐标系中，就可以消除累积合误差，提高测量精度。3 3、逆向设计实例、逆向设计实例本文以鼠标的逆向设计为实例，系统论述逆向工程技术的设计过程。（1）、前期工作对产品进行剖析，确定产品结构的主要特征、合理的建模顺序和设计的整体思路。面对大量无序的点云数据，造型时感到无从下手，但只要能合理地对产品进行分

10、解，确定产品结构的主要特征，分清哪些是基本特征，哪里些是结构特征。首先从基本特征入手，保证重点，生成模型的基本形状，在这基础上再完成细节部分的设计，如过渡面和微小的局部特征。这样主次分明，先做什么，后做什么，用什么方法做，理清了设计的整体思路，并找到了设计的难点，基本做到心中有数，问题容易解决了。确定设计应遵循的原则。每个零件作为整体中的一个有机部分，在进行零件的重构前，要首先考虑它和其他零件在整车中的装配协调问题。所以，对在装配中起重要作用的位置或者边界，须给出一个统一的标准。（2）、数据获取采用 ATOS 系统进行扫描，并将测得的数据以*.asc 或*.stl 格式输入到 Imagewar

11、e 软件中，如图 3-1 所示。图 3-1 原始点云（3）、数据处理这个部件为中心对称的零件，虽然点云数据不是很大，但含有很多的误差点和背景点，所以，必须先对点云进行预处理。（a）、多视点云的拼合此过程主要是在 ATOS 自带的软件中实现点云的拼合。（b）、去除噪声点采用高斯滤波法在滤波的，较好地保持原有数据的形貌。（c）、点云精简经过滤波处理的点云，仍包含大量的冗余点，这些冗余点的存在不但增加了计算机的负荷，还影响了数据处理和模型理建的速度，需在精度允许的范围内采用一定的算法对其进行精简。而通常采用等距离法，间距值大小要使得数据精简后既保留工件的轮廓特征，又使留下来的点数方便后续的模型重建。

12、（d）、点云对齐在此使用逐步模式对齐方式。首先，在原点（0，0，0）位置，分别做三个垂直于坐标轴的平面，命令 CreateSurfacePrimitivePlane，如图 3-2 所示。图 3-2 创建三个垂直于坐标轴的平面剪下点云底部一小块平坦的部分，同时也保留原有的鼠标点云，命令 ModifyExtractCircle-Select Points,如图 3-3 所示。图 3-3 取出底部的平坦点云将取出的点云拟合为一个平面，命令 ConstructSurface From CloudFit Plane,如图3-4 所示。图 3-4 拟合底部平面在点云的中央横向取一道断面，命令 Constr

13、uctCross SectionCloud Interactive,如图 3-5 所示。图 3-5 取点云中央截面截得的点云，如图 3-6 所示。图 3-6 取得的点云将取得的断截面点云拟合成一张平面，命令 ConstructSurface From CloudFit Plane,如图 3-7 所示。图 3-7 将断面拟合成平面将视图转至左视图，在鼠标点云上截一道断面点云，命令 ConstructCross SectionCloud Interactive,如图 3-8 所示。图 3-8 取截面点云得到如下点云，通过圈选将其分成两部分，命令 ModifyExtractCircle-Select

14、Points,如图 3-9 所示。图 3-9 分开点云分别对上面的点按最近点进行排序，命令 ModifyDirectionSort Points ByNearest；并拟定为样条曲线，命令 ConstructCurve From CloudUniform Curve。再将得到的两条曲线取样（Sample Curve to Point）为点，命令 ConstructPointsSample Curve.对取样得到的点云进行排序，此处，不能选按最近点排序，因为按最近点排序，虽然单笔点云是有序的，但是，在平均点的时候，可能出现左边点云的最高点与右边点云最低点配对计算的情形，平均得到的点云达不到理想效

15、果。所以，应在顶视图下选择按 Y 方向排序，命令 ModifyDirectionSort Points by Direction。如图 3-10 所示。平均点云，ConstructPointsAverage Point Cloud。将平均点云得到的点拟合为直线，命令 ConstructCurve From CloudFit Line。接着，把除了在原点位置创建的三个基准面之外的所有对象合成一个名为 Group 的群组，命令EditCreate Group。如图 3-11 所示。图 3-10 按方向排序图 3-11 创建组执行逐步模式定位，选择 Group 为目标群组，设定配对的关系，先选择底部

16、样平面与 XY平面配对；再选择鼠标上拟合得到的平面与希望和它相配的基准面（XZ 平面或 YZ 平面，视需要而定）；最后，选择拟合得到的直线与剩下的一个基准面相配。选择好配对的同时，不断将这些配对关系加入，最后按下 Apply,即进行点云的定位，命令 ModifyAlignStepwise。如图 3-12 所示。图 3-12 定位结果对齐之后，还必须在此位置将点云固定下来，命令 ModifyOrientReset Home。最后，把群组的属性去除，命令 EditCreate Ungroup，并删掉对齐过程中建立的辅助定位对象，即完成所有的步骤，得到的鼠标点云的底部中心落于原点之上并与三轴保持垂直

17、与水平的关系。如图 3-13 所示图 3-13 去除组属性（4）、重构采用矩形域参数拟合法构建，主要有两种方式。（a）、由曲线生成，该方法先根据点云上的特征，生成光顺的特征线网格，然后用Sweep,Loft 或 Blend 等方法来创建面片。（b）、由点云生成，该方法先创建简单，然后调整其控制点，在保持质量的同时，逼近点云，然后缝合面片之间的间隙，并保持间连续性要求。构面时，还要注意简洁，基面和大的过渡面要尽量做得大，不能太碎，以有利于后续增加一些圆角、增厚等特征。（5）、基础面的重构生成基础面有两种主要的生成方法。（a）、直接由点云拟合，直接通过点云来构建。（b）、由曲线生成方法。（6）、过

18、渡面的建立过渡对一个产品的外观视觉效果起着关键作用。高质量的过渡能把各基础自然地融为一体，使产品外观流畅。反之，会使产品外观显得杂乱或出现局部凸凹感。如图 3-14 所示。图 3-14 创建过渡面（7）、的分析创建后就要对其进行误差分析、光顺检查和边续性检查。的误差分析在创建的过程中就已经完成了，因此，创建后要对的光顺性和边续性进行分析、检查。如图 3-15 所示。图 3-15 光顺检查（8）、表面模型的完善生成了基础面和过渡面，并对其进行了必要的检测，证明满足精度和边续性要求后，接着就要完善表面模型上的细节特征。在逆向软件里完成这些细节特征，比较困难，也不明智。一般是对模型上这些细小特征截取关键断面、并拟合成关键构架线，然后把这些基础面、过渡面和关键构架线数据导入 CATIA 或 UG 中，在 CATIA 或 UG 中添加细节特征，进行复杂零件的整体设计，完善整个外表面的 CAD 三维模型。如图 3-16 所示。图 3-16 最终产品结论本论文通过讲述了逆向工程的内涵及应用领域、逆向工程与方法等逆向工程理论基础；然后重点以具体设计实例，阐述了逆向工程关键技术在实际产品设计过程中的具体应用步骤，包括：将扫描测得的点云摆放方法、分块的方法、常用的的生成方式等整个产品外表面重构流程；采用 I