反求工程基础

工业设计计工程基基础第七章反反求求工程基基础引言言INTRODUCTION

反求工程技术是解决在既有设计对象的模型和实物模型的基础上，逆向获取设计对象的设计参数和设计模型的技术和方法，特别是在现代基于数字化的工业设计，反求工程是解决某些设计对象最适合的方法。目录7.1反求工程概念7.2实体数据测量与反求7.3产品三维CAD模型的重建与后处理7.4反求工程在工业设计中的作用7.1反求工程程概念7.1.1反求工程含义7.1.2

反求工程起源7.1.3反求工程的设计程序7.1.4

反求工程的关键技术7.1.5反求工程的应用领域7.1.1反求工程程含义以已有产产品为基基础，进进行消化化、吸收收并加以以创新改改进，使使之成为为新产品品的产品品开发模模式，即即为反求求工程(ReverseEngineering)。反求工工程也是是一项涉涉及多学学科、多多种技术术交叉的的综合工工程。在机械领领域中，，反求工工程是在在没有设设计图纸纸或者设设计图纸纸不完整整以及没没有CAD模型的情情况下，，按照现现有零件件的模型型（称为为零件原原形），，利用各各种数字字化技术术及CAD技术重新新构造原原形CAD模型的过过程。据统计，，各国百百分之七七十以上上的技术术源于国国外，应应用反求求工程消消化吸收收先进技技术经验验，给人人们有益益的启示示。其主主要目的的是为了了改善技技术水平平，提高高生产率率，增强强经济竞竞争力。。工业设计计与反求求工程工业设计计是解决决工业产产品中““人与物物”关系系问题的的创造性性学科，，研究产产品的使使用方法法设计、、使用功功能设计计、外观观造型设设计、色色彩设计计、操作作指示及及表面装装饰设计计等。工业设计计分类：：视觉传传达设计计、产品品设计、、环境设设计现行设计计条件困困扰：零件形状状复杂，，用CAD准确造型型困难；；造型设计计大师用用手绘或或手工捏捏塑的设设计方案案难以用用电脑在在现；在没有图图样和参参数的情情况下需需要用实实物仿制制、再设设计和改改进，特特别是复复杂曲面面；计算机模模型不能能提供产产品的全全部信息息，如手手感；计算机模模型智能能模拟我我们已知知的环境境，也需需要检验验。反求工程程定义反求工程程，也称称逆向工工程、反反向工程程等，是是近几年年来迅速速发展的的一门工工程技术术．它集集光学、、电子、、自动控控制、机机械、计计算机视视觉和数数字图象象处理等等高新技技术为一一体。以以产品的的实物、、软件（（图纸、、程序、、技术文文件和工工艺流程程等）、、影象（（图片、、照片））作为研研究对象象，应用用现代设设计理论论、生产产工程学学、材料料科学和和相关专专业知识识进行深深入系统统地分析析和研究究，进而而开发出出同类的的产品。。广义的产品反反求工程包括括形状（几何何）反求、工工艺反求和材材料反求等狭义的实物反反求工程：由由于产品实物物是面向消费费市场最广、、最多的一类类设计成果，，也是最容易易获得的研究究对象。目目前，这种从从实物样件获获取产品数学学模型并制造造得到新产品品的相关技术术，发展成为为一个相对独独立的领域。。反求工程流程程正向设计：市市场调研、设设计要求设计制造产品反求工程：已已有产品信息息消化、理解、、再创新新产品在设计阶段，，就是根据产产品特性模型型，开始按功功能、几何、、结构、工艺艺等观点进行行产品的造型型设计。不同同的产品规划划，导致了不不同的产品设设计方法。通常全新产品品的设计就是是通常意义的的设计，也称称为正向设计计。而随着目前产产品开发周期期的缩短和多多品种、小批批量生产模式式使新产品的的更新换代越越来越短，改改进往往只是是将已经有的的产品设计方方案作局部的的或布局方面面的较小的改改动使之呈现现出美观、多多样化的特点点。反求工程程技术作为产产品设计制造造系统的一个个有机补充部部分，在新品品开发及改型型设计中应运运而生。目前前逆向设计已已经成为产品品开发中的一一个重要的方方法。7.1.2反求工程起源源实际上，任何何产品问世，，包括创新、、改进和仿制制的，都蕴含含着对已有科科学、技术的的继承和应用用借鉴。因而而反求思维在在工程中的应应用已源远流流长，而提出出这种术语并并作为一门学学问去研究，，则是60年代初出现的的。二次大战中，，几十个国家家卷入战祸，，二战结束后后，急于恢复复和振兴经济济。日本在60年代初提出科科技立国方针针：“一代引引进，二代国国产化，三代代改进出口，，四代占领国国际市场”其其中在汽车、、电子、光学学设备和家电电等行业上最最突出。为要要国产化的改改进，迫切需需要对别国产产品进行消化化、吸收、改改进和挖潜。。这就是反求求设计（InverseDesign）或反求工程程（InverseEngineering），这两者是是同一内涵，，仅是不同国国家的不同提提法。发展到到现在，己成成为世界各国国在发展经济济中不可缺少少的手段或重重要对策，反反求工程的大大量采用为日日本的经济振振兴、进而创创造和开发各各种新产品奠奠定了良好基基础。先进产品通常常是采用先进进的设计手段段和工具设计计的。先进的的设计理论和和设计方法是是先进产品设设计的理论基基础，而先进进的设计手段段和工具则是是先进产品设设计的实践技技术。在进行反求工工程分析的过过程中，除了了要求工程技技术人员要具具有基础理论论（如数学，，力学等）和和有关专业的的理论和知识识外，还要求求具有系统工工程、价值工工程、优化设设计、工业造造型、相似理理论、人机工工程学等现代代设计理论和和方法，并且且还要求工程程技术人员及及时地跟踪有有关产品的技技术发展动向向，能准确地地把握住该类类产品在设计计、生产制造造过程中的关关键技术，以以求达到对研研究对象的全全面的分析、、研究。2007年9月11-23日，以“科技技和绿色”为为主题的法兰兰克福车展盛盛装开幕，双双环CEO展出而双环小小贵族而未参参展，立刻成成为中外媒体体关注的焦点点(石家庄双环汽汽车股份有限限公司)。法兰克福车展展开幕前起诉诉了该车的进进口商（双环环小贵族被指指抄袭Smart）法兰克福车展展后，宝马起起诉了该车的的进口商（双双环CEO被指抄袭宝马马X5）8月28日来华访问的的德国总理默默克尔在中国国科学院演讲讲时表示：““如果一辆酷酷似Smart的轿车突然出出现在你面前前，但它其实实并不是Smart，而是通过不不完全合法的的手段生产出出来的抄袭车车款，这非常常不好。”默默克尔表示，，德国将公开开提出这种剽剽窃和盗版的的问题，她认认为这种抄袭袭行为不仅损损害了外国公公司的利益，，而且也会损损伤中国汽车车的独创性。。被正在中国访访问的客人当当面发出抗议议及警告，无无疑是在国人人脸上打了一一巴掌，尽管管现在我们仍仍无法确定双双环究竟是模模仿还是抄袭袭。2004/12/17奇瑞QQ并不是抄袭通用SPARK戴姆勒-克莱斯勒公司司则认为双环环小贵族迷你你车的外观设设计与其SmartFortwo的相似，并在在法兰克福车车展开幕前起起诉了该车的的进口商，并并称，可能是是起诉导致了了小贵族没能能在车展展出出。不告诉你你谁是谁，你你分辨得出哪哪是小贵族，，哪是SmartFortwo吗？双环CEO宝马X5/special/000816N6/x5vsceo.html国家专利局的的25项专利无疑为为ＱＱ提供了了一道天然屏屏障。模仿并非坏事事。鲁迅先生生曾说：“世世上本无路，，走的人多了了，也便成了了路。”第一一个探路的人人当然是英雄雄，可紧接着着模仿前者而而跟进的，何何尝不是好汉汉？钱钟书所说的的“模仿引进进创造，附庸庸风雅会养成成内行的鉴赏赏，世界上不不少真货色都都是从冒牌起起来的”。在中国民族自自主品牌的发发展道路上，，暂时的模仿仿只是一种表表象；而不断断的寻求突破破和超越创新新才是灵魂。。但如何进行反反求？7.1.3反求工程的设设计程序（l）确定反求对对象（2）分析反求对对象（3）进行反求设设计反求工程技术术的研究对象象反求工程技术术的研究对象象多种多样，，所包含的内内容也比较多多，主要可以以分为以下三三大类：①实物反求：：主要是指先进进产品设备的的实物本身；；信息源为产品品实物模型，，应用最广；；②软件反求：：包括先进产品品设备的图样样、程序、技技术文件等；；信息源为产品品工程图样、、数控程序、、技术文件等等技术软件；；③影像反求：：包括先进产品品设备的图片片、照片或以以影像形式出出现的资料；；信息源为图片、照片片或影像等资资料。反求工程影响响因素实现影响因素素信息源的形式式反求对象的形形状、结构和和精度要求制造企业的软软、硬件条件件及工程技术术人员本身的的素质对反求求对象象分析析从功能能、原原理方方案、、零部部件结结构尺尺寸、、材料料性能能、加加工装装配工工艺等等有全全面深深入的的了解解，明明确其其关键键功能能和关关键技技术，，对设设计特特点和和不足足之处处作出出必要要的评评估。。在对对反求求对象象的各各种分分析中中，功功能及及原理理方案案是关关键。。设计指指导思思想、、功能能原理理方案案分析析材料的的分析析工艺、、装配配分析析精度的的分析析造型的的分析析系列化化、模模块化化分析析设计指指导思思想、、功能能原理理方案案分析析要分析析一个个产品品，首首先要要从产产品的的设计计指导导思想想分析析入手手。产产品的的设计计指导导思想想决定定了产产品的的设计计方案案，深深入分分析并并掌握握产品品的设设计指指导思思想是是分析析了解解整个个产品品设计计的前前提。。充充分了了解反反求对对象的的功能能有助助于对对产品品原理理方案案的分分析、、理解解和掌掌握，，才有有可能能在进进行反反求设设计时时得到到基于于原产产品而而又高高于原原产品品的原原理方方案，，这才才是反反求工工程技技术的的精髓髓所在在。材料的的分析析对反求求对象象材料料的分分析包包括了了材料料成分分的分分析、、材料料组织织结构构的分分析和和材料料的性性能检检测几几大部部分。。其中中，常常用的的材料料成分分分析析方法法有：：钢种种的火火花鉴鉴别法法，钢钢种听听音鉴鉴别法法，原原子发发射光光谱分分析法法，红红外光光谱分分析法法和化化学分分析微微探针针分析析技术术等；；材料料的结结构分分析主主要是是分析析研究究材料料的组组织结结构、、晶体体缺陷陷及相相之间间的位位相关关系，，可分分为宏宏观组组织分分析和和微观观组织织分析析；性性能检检测主主要是是检测测其力力学性性能和和磁、、电、、声、、光、、热等等物理理性能能。反求对对象材材料分分析的的一般般过程程如图图所示示。在在对反反求对对象进进行材材料分分析时时，要要充分分考虑虑到材材料表表面的的改性性处理理技术术。制造工工艺、、装配配分析析反求设设计和和反求求工艺艺是相相互联联系的的，缺缺一不不可。。在缺缺乏制制造原原型产产品的的先进进设备备与先先进工工艺方方法和和未掌掌握某某些技技术诀诀窍的的情况况下，，对反反求对对象进进行工工艺分分析通通常采采用以以下几几种常常用的的方法法：l）采用用反判判法编编制工工艺规规程。。以零零件的的技术术要求求如尺尺寸精精度、、形位位公差差、表表面质质量等等为依依据，，查明明设计计基准准，分分析关关键工工艺，，优选选加工工工艺艺方案案，并并依次次由后后向前前递推推加工工工序序，编编制工工艺规规程。。2）改改进进工工艺艺方方案案，，保保证证引引进进技技术术的的原原设设计计要要求求。。在在保保证证引引进进技技术术的的设设计计要要求求和和功功能能的的前前提提条条件件下下，，局局部部地地改改进进某某些些实实现现较较为为困困难难的的工工艺艺方方案案。。对对反反求求对对象象进进行行装装配配分分析析主主要要是是考考虑虑用用什什么么装装配配工工艺艺来来保保证证性性能能要要求求、、能能否否将将原原产产品品的的若若干干个个零零件件组组合合成成一一个个部部件件及及如如何何提提高高装装配配速速度度等等等等。。3）用用曲曲线线对对应应法法反反求求工工艺艺参参数数。。先先将将需需分分析析的的产产品品的的性性能能指指标标或或工工艺艺参参数数建建立立第第一一参参照照系系，，以以实实际际条条件件建建立立第第二二参参照照系系，，根根据据已已知知点点或或某某些些特特殊殊点点把把工工艺艺参参数数及及其其有有关关的的量量与与性性能能的的关关系系拟拟合合出出一一条条曲曲线线，，并并按按曲曲线线的的规规律律适适当当拓拓宽宽，，从从曲曲线线中中找找出出相相对对于于第第一一参参照照系系性性能能指指标标的的工工艺艺参参数数，，就就是是需需求求的的工工艺艺参参数数。。4）材材料料国国产产化化，，局局部部改改进进原原型型结结构构以以适适应应工工艺艺水水平平。。由由于于材材料料对对加加工工方方法法的的选选择择起起决决定定性性作作用用，，所所以以，，在在无无法法保保证证使使用用原原产产品品的的制制造造材材料料时时，，或或在在使使用用原原产产品品的的制制造造材材料料后后，，工工艺艺水水平平不不能能满满足足要要求求时时，，可可以以使使用用国国产产化化材材料料，，以以适适应应目目前前的的工工艺艺水水平平。。精度度的的分分析析产品品的的精精度度直直接接影影响响到到产产品品的的性性能能，，对对反反求求分分析析的的产产品品进进行行精精度度分分析析，，是是反反求求分分析析的的重重要要组组成成部部分分。。反求求对对象象精精度度的的分分析析包包括括了了反反求求对对象象形形体体尺尺寸寸的的确确定定、、精精度度的的分分配配等等内内容容。。根据据反反求求对对象象为为实实物物、、影影象象或或软软件件的的不不同同，，在在形形体体尺尺寸寸的的确确定定时时，，所所选选用用的的方方法法也也有有所所不不同同。。若若是是实实物物反反求求，，则则可可通通过过常常用用的的测测量量设设备备如如万万能能量量具具、、投投影影仪仪、、坐坐标标机机等等对对产产品品直直接接进进行行测测量量，，以以确确定定形形体体尺尺寸寸；；若若是是软软件件反反求求和和影影象象反反求求，，则则可可采采用用参参照照物物对对比比法法，，利利用用透透视视成成像像的的原原理理和和作作图图技技术术并并结结合合人人机机工工程程学学和和相相关关的的专专业业知知识识，，通通过过分分析析计计算算来来确确定定形形体体尺尺寸寸。。在进进行行精精度度的的分分配配时时，，根根据据产产品品的的精精度度指指标标及及总总的的技技术术条条件件，，产产品品的的工工作作原原理理图图，，并并且且综综合合考考虑虑生生产产的的技技术术水水平平、、产产品品生生产产的的经经济济性性和和国国家家技技术术标标准准等等，，按按以以下下步步骤骤进进行行：：1）明明确确产产品品的的精精度度指指标标；；2）综合考考虑理论论误差和和原理误误差，进进行产品品工作原原理设计计和安排排总体布布局；3）在完成成草图设设计后，，找出全全部的误误差源，，进行总总的精度度计算；；4）编写技技术设计计说明书书，确定定精度；；5）在产品品的研制制、生产产的全过过程中，，根据实实际的生生产情况况，对所所作的精精度分配配进行调调整、修修改。造型的分分析产品造型型设计是是产品设设计与艺艺术设计计相结合合的综合合性技术术。其主主要目的的是运用用工业美美学、产产品造型型原理、、人机工工程学原原理等对对产品的的外形构构型、色色彩设计计等进行行分析，，以提高高产品的的外观质质量和舒舒适方便便程度。。例如，在在数控系系统的设设计中，，就要充充分考虑虑到数控控系统的的显示器器的布局局问题，，图形显显示和汉汉字显示示问题，，数控系系统操作作面板的的造型问问题、色色彩问题题，各个个功能操操作按键键的造型型、色彩彩、布局局问题等等等。系列化、、模块化化分析分析反求求对象时时，要做做到思路路开阔，，要考虑虑到所引引进的产产品是否否已经系系列化了了，是否否为系列列型谱中中的一个个，在系系列型谱谱中是否否具有代代表性，，产品的的模块化化程度如如何等具具体问题题，使在在设计制制造时少少走弯路路，提高高产品质质量，降降低成本本，生产产出多品品种、多多规格、、通用化化较强的的产品，，提高产产品的市市场竞争争力。从设计角角度而言言，反求求工程的的研究内内容主要要包括以以下几个个部分：：1）分析所所引进产产品的设设计指导导思想；；2）功能和和原理方方案分析析；3）结构分分析；4）形体尺尺寸分析析；5）精度分分析；6）材料分分析；7）工作性性能分析析；8）造型设设计分析析；9）工艺分分析；10）使用和和维修分分析；11）包装技技术分析析。反求工程程的研究究内容在反求分分析的基基础上可可进行测测绘仿制制、变参参数设计计、适应应性设计计或开发发性设计计。进行反求求设计实物反求求工程系系统对象：以以产品的的实物、、软件(图纸、程程序、技技术文件件和工艺艺流程等等)、影象(图片、照照片)作为研究究对象，，通过分分析和研研究，进进而开发发出同类类的产品品。实物反求求工程：：由于产产品实物物是面向向消费市市场最广广、最多多的一类类设计成成果，也也是最容容易获得得的研究究对象。。目前，这这种从实实物样件件获取产产品数学学模型并并制造得得到新产产品的相相关技术术，发展展成为一一个相对对独立的的领域。。以产品的的实物等等作为研研究对象象，通过过各种测测量方法法获得产产品的数数据，然然后通过过重建产产品CAD模型来实实现产品品的设计计，然后后通过改改进的产产品CAD模型的样样品制造造，进行行测试的的过程；；是数字字化测量量方法、、几何模模型重建建技术和和原型产产品制造造技术的的总称，，是将已已有产品品或实物物模型转转化为工工程设计计模型和和概念模模型，在在此基础础上对已已有产品品进行解解剖、深深化和再再创造的的过程。。（1）数据获获取技术术零件原形形的数字字化：通常采用用三坐标标测量机机(CMM)或激光扫扫描等测测量装置置来获取取零件原原形表面面点的三三维坐标标值。从测量数数据中提提取零件件原形的的几何特特征：按测量数数据的几几何属性性对其进进行分割割，采用用几何特特征匹配配与识别别的方法法来获取取零件原原形所具具有的设设计与加加工特征征。零件原形形CAD模型的重重建：将分割后后的三维维数据在在CAD系统中分分别做表表面模型型的拟合合，并通通过各表表面片的的求交与与拼接获获取零件件原形表表面的CAD模型。重建CAD模型的检验验与修正：：采用根据获获得的CAD模型重新测测量和加工工出样品的的方法来检检验重建的的CAD模型是否满满足精度或或其他试验验性能指标标的要求，，对不满足足要求者重重复以上过过程，直至至达到零件件的设计要要求。7.1.4反求工程的的关键技术术（2）产品建模模技术当零件原形形数字化后后形成一系系列的空间间离散点，，生成原形形的CAD模型就是要要在这些离离散点的基基础上，应应用计算机机辅助几何何设计的有有关技术，，构造零件件原形的CAD模型。通常常对于含有有自由曲面面的复杂型型面，用一一张曲面来来拟合所有有的数据点点是不可行行的，一般般首先按照照原形所具具有的特征征，将测量量数据点分分割成不同同的区域，，各个区域域分别拟合合出不同的的曲面，然然后应用曲曲面求交或或曲面间过过渡的方法法将不同的的曲面连接接起来构成成一个体。。有效的三三维测量数数据分割和和拟合技术术是反求工工程中重要要内容。7.1.4反求工程的的关键技术术（1）在没有设设计图纸或或者设计图图纸不完整整以及没有有CAD模型的情况况下，在对对零件原形形进行测量量的基础上上形成零件件的设计图图纸或CAD模型，并以以此为依据据生成数控控加工的NC代码，加工工复制出一一个相同的的零件。（2）当要设计计需要通过过实验测试试才能定型型的工件模模型时，通通常采用反反求工程的的方法。比比如航天航航空领域，，建立符合合对空气动动力学的要求（如风风洞实验等等）的产品品模型，这这类零件一一般具有复复杂的自由由曲面外型型，最终的的实验模型型将成为设设计这类零零件及反求求其模具的的依据。（3）在美学设设计特别重重要的领域域，例如汽汽车外型设设计广泛采采用真实比比例的木制制或泥塑模模型来评估估设计的美美学效果，，而不采用用在计算机机屏幕上缩缩小比例的的物体投视视图的方法法，此时需需用反求工工程的设计计方法。（4）另一个重重要的应用用如修复破破损的艺术术品或缺乏乏供应的损损坏零件等等。7.1.5反求工程的的应用领域域应用场合工业休闲娱乐方方面（恐龙龙）医学科技（（人体量量测、三军军医大）在对产品外外形的美学学有特殊要要求的流线线型产品当设计需要要通过实验验测试才能能定型的工工件模型时时（风洞洞实验）在没有设计计图纸或者者设计图纸纸不完整以以及没有CAD模型的情况况下反求工程在在创新设计计上同样具具有相当高高的应用价价值（目目前的汽车车摩托车））修复破损的的文物（北北京故宫））、艺术品品，艺术浮浮雕及或缺缺乏供应的的损坏零件件等、特种种服装、头头盔等目录7.1反求工程概念7.2实体数据测量与反求7.3产品三维CAD模型的重建与后处理7.4反求工程在工业设计中的作用7.2实体数据测测量与反求求7.2.1实体数据测量方法7.2.2

测量数据类型7.2.3测量数据预处理7.2.1实体数据测测量方法实体数据测测量方法,又称产品表表面数字化化（数据测测量）、反反求工程数数字化方法法，是指通通过特定的的测量设备备和测量方方法，将物物体的表面面形状转换换成离散的的几何点坐坐标数据。。高效、高高精度的数数据采集是是反求工程程中最基本本、最不可可缺少的步步骤。近十年来，，随着传感感技术、控控制技术、、图像处理理和计算机机视觉等相相关技术的的发展，出出现了各种种各样的产产品表面的的几何数据据数字化获获取方法。。不同的测测量方式，，不但决定定了测量本本身的精度度、速度和和经济性，，还造成了了测量数据据类型及后后续处理方方式的不同同。根据测测量探头是是否和零件件表面接触触，反求工工程中物体体表面三维维数据的获获取方法基基本上可分分为两大类类，即接触触式与非接接触式。非非接触式按按其原理不不同，又可可分为光学学式和非光光学式等。。实体数据测测量方法分分类图实体数据测测量方法分分类根据测量探探头是否和和零件表面面接触：接触式：触发式和连连续式非接触式：：光学式：三三角形法、、结构光法法、计算机机视觉法、、激光干涉涉法、激光光衍射法等等主动式：由由物体辐射射信号或物物体表面反反射信号生生成图像，，成像设备备不发出信信号。测量量方法有时时间飞行法法、相位测测量法、结结构光法和和数字全息息法等，被动式：由由成像设备备发出一束束信号，通通过接收从从物体表面面反射回来来的或穿透透物体的信信号生成图图像。测量量方法有双双眼立体视视觉法和多多眼立体视视觉法等。。非光学式：：CT测量法、MRI测量法、超超声波法、、层析法等等接触式测量量方法接触式测量量探头种类类：硬式探探头、触发发式探头、、模拟探头头硬式探头（（刚性探头头）：最早早使用的探探头，通过过手动探头头接触工件件表面，由由人眼及感感觉作判断断，再利用用脚踏开关关触发，将将此点坐标标传送到处处理器触发式探头头：利用电电子开关机机构，当探探头碰触到到工件表面面，则电子子开关机构构产生开关关变化，将将电子信号号由NO转成OFF即将此时坐坐标锁住并并送到处理理器作处理理模拟式探头头：接触工工件时会右右侧向位移移，经可变变线圈感应应或光栅尺尺感应，产产生一相对对的电压变变化，此模模拟电压信信号转换成成数字信号号送入处理理器。这种种方式称为为模拟式测测量。使用用模拟式探探头时须保保持与工件件接触，但但位移量超超过探头测测量范围时时，须控制制机台的移移动使探头头回到其测测量范围内内。因模拟拟式测量为为连续测量量，无绝对对坐标，故故不能中途途离开工件件表面。这这种测量适适用于曲率率平滑的曲曲面，不适适用曲率大大的工件表表面。这种种探头常用用于CNC工具机做CNC和CMM线上检测。。接触式测量量机工作方式：点触发，，连续或间间断式数据据采集特点：不受物体体表面颜色色及光照的的限制，对对物体边界界也能产生生准确的测测量结果缺点：由于测头头的限制，，可能丢失失某些测头头不可到达达的细节数数据不能测量软软材料测量速度受受到机构运运动的限制制三坐标测量量机CMM在接触式测测量方法中中，三坐标标测量机(CMM)是应用最为为广泛的一一种测量设设备。三坐坐标测量机机（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是20世纪60年代发展起起来的一种种高效率的的新型精密密测量仪器器，是一种种具有很强强柔性的大大型精密三三坐标测量量设备。它它广泛应用用于制造、、电子、汽汽车和航空空航天等工工业中，是是一类使用用得最为广广泛和可靠靠的测量和和检测设备备。三坐标测量量机的原理理将被测物物体置于三三坐标机的的测量空间间，采用触触式探头感感应物体表表面，可获获得被测物物体上各测测点的坐标标位置，根根据这些点点的空间坐坐标值，经经计算可求求出被测对对象的几何何尺寸、形形状和位置置。相对与与光学测量量，由于探探头直接接接触工件表表面，与工工件表面的的反射特性性、颜色及及曲率关系系不大。接接触式探头头发展相当当成熟，有有较高的准准确性和可可靠性。CMM系统组成计算机控制零件程程序的执行行和进行结结果处理，，实现与外外设的通讯讯数控设备计算机和测测量机的接接口，控制制测量机运运动测量机机体体底座、工作作台、立柱柱、导轨、、测头、驱驱动电机三坐标测量量机（CMM）一般工作台台面是花岗岗岩，测头头为宝石意大利COORD3公司半桥式式CMM测量机机械手式测测量机测量方法：操作者手手持测量手手臂，末端端探针接触触被测量物物体表面时时按下按钮钮，记录坐坐标和探针针手柄方向向，通过串串口线传到到各种软件件包上FaroARM手动式精度低，范范围大Cimcore手动式然而接触式式测量有一一些缺点，，如在对三三维曲面的的测量探头头与被测零零件间的接接触点与球球心不在一一个位置，，而CMM记录为探头头的球心数数据，必须须沿法线负负方向补正正一个探头头半径值。。由于曲面面每一点的的法线方向向多变而且且曲面形状状未知，准准确补偿烦烦琐并存在在一定误差差。总的来讲接接触测量方方法具有精精度高、重重复性好等等优点，其其缺点是：：速度慢、、效率低、、不适于柔柔软实物的的测量，在在曲面测量量中补偿还还有待进一一步研究。。光学测量方方法随着计算机机及光电技技术的发展展，以计算算机图像处处理为主要要手段的无无接触式测测量技术正正在迅速发发展，它们们利用声、、光、电、、磁等能与与物体表面面发生相互互作用的物物理现象来来获取其三三维信息。。其中光学学方法应用用最为广泛泛。光学方方法虽然对对陡壁和透透光模型数数据采集困困难，而且且价格昂贵贵，但测量量效率非常常高，采集集的数据就就是实际的的表面坐标标值，不需需要三维补补偿，应用日益益广泛。。特点：高高速测量量，短时时间内测测量大量量的点缺点：对对表面粗粗糙和表表面漫反反射率敏敏感（如如透明、、高光））三角法测测量原理理如图所示示,半导体激激光器LD发出的激激光入射射在基准准参考平平面上0点,经反射成成像于CMOS摄像机的的靶面基基准参考考两面的的法线与与成像透透镜光轴轴夹角β，与入射射光轴夹夹角θ，成像透透镜L2距0点长度a，距靶面面长度b。现有一一厚度为为h的平板置置于基准准参考平平面上，，入射光光经被测测物体表表面反射射，通过过成像透透镜，成成像于CMOS摄像机的的靶面，，产生位位移x。经过几何何计算可可得：上式说明明，被测物体体相对于于探头的的位置变变化h，可由光光斑位置置x唯一确定定。光斑斑位置x可通过CMOS视频输出出经过硬硬件处理理获得。。基于三角角测量原原理的结结构光法法成为使使用最为为广泛的的方法。。结构光光法可分分为点结结构光法法、线结结构光法法、多线线结构光光法和彩彩色结构构光法等等等点线面三三角法测测量原理理这种测量量方法根根据光学学三角型型测量原原理，以以光作为为光源，，其结构构模式可可以分为为光点、、单线条条、多光光条等，，将其投投射到被被测物体体表面，，并采用用光电敏敏感元件件在另一一位置接接收激光光的反射射能量，，根据光光点或光光条在物物体上成成象的偏偏移，通通过被测测物体基基平面、、象点、、象距等等之间的的关系计计算物体体的深度度信息。。激光三角角法位移移测量的的原理激光三角角法位移移测量的的原理是是，用一一束激光光以某一一角度聚聚焦在被被测物体体表面，，然后从从另一角角度对物物体表面面上的激激光光斑斑进行成成像，物物体表面面激光照照射点的的位置高高度不同同，所接接受散射射或反射射光线的的角度也也不同，，用CCD光电探测测器测出出光斑像像的位置置，就可可以计算算出主光光线的角角度，从从而计算算出物体体表面激激光照射射点的位位置高度度。当物物体沿激激光线方方向发生生移动时时，测量量结果就就将发生生改变，，从而实实现用激激光测量量物体的的位移。。彩色三维维激光扫扫描测量量方法激光三角角形法原理：激光带带投射到到被测物物体表面面，反射射光在图图象传感感器上成成像，按按照预设设定的三三角形光光路原理理的测到到被测物物体的坐坐标，物物体的全全轮廓是是通过多多轴可控控机械运运动辅助助获得。laserstripetriangulation23,000pointspersecond.CyberWare测量机构成：平台传感器（（光学系系统）计算机处理软件件Cyberware公司的三三维扫描描仪，在在80年代就被被迪斯尼尼等动画画和特技技公司采采用，用用于"终结者II"，"侏罗纪公公园"，"蝙蝠侠II"，"机械战警警"等影片。。还用于于快速雕雕塑系统统。90年代的扫扫描仪可可对人体体全身扫扫描，给给出对象象的多边边形、NURBS曲面、点点、Spline曲线方式式描述，，可进行行彩色扫扫描。扫扫描速率率可达1.4万点/秒。3030RGB型扫描物物体的尺尺寸在30cm，深度方方向测量量精度100-400μm，用于动画、、人类学研究究、服装设计计等方面。Cyberware投影光栅法采用普通白光光将矩形光栅栅投影于物体体表面，摄取取变形光栅图图像，根据灰灰度值变化，，算出空间坐坐标。光栅编码法测测量组成原理理如图所示，，光源照射光光栅，经过投投射系统将光光栅条纹投射射到被测物体体上，经过被被测物体形面面调制形成测测量条纹，由由双目摄像机机接受测量条条纹，应用特特征匹配技术术、外极线约约束准则和立立体视觉技术术获得测量曲曲面的三维数数据。ATOS流动光学三坐坐标测量系统统基于相位偏移移测量原理的的莫尔条纹法法

这种测量量方法将光栅栅条纹投射到到被测物体表表面，光栅条条纹受物体表表面形状的调调制，其条纹纹间的相位关关系会发生变变化，数字图图像处理的方方法解析出光光栅条纹图像像的相位变化化量来获取被被测物体表面面的三维信息息。贴标签定位

机器视觉机器视觉是研研究用计算机机来模拟生物物外显或宏观观视觉功能的的科学和技术术。机器视觉觉系统的首要要目标是用图图像创建或恢恢复现实世界界模型，然后后认知现实世世界。机器视视觉系统获取取的场景图像像一般是灰度度图像，即三三维场景在二二维平面上的的投影。此时时，场景三维维信息只能通通过灰度图像像或灰度图像像序列来恢复复处理，这种种恢复需要进进行多点对一一点的映射逆逆变换。在信信息恢复过程程中，还需要要有关的场景景知识和投影影几何知识。。机器视觉是在在20世纪50年代从统计模模式识别开始始的，当时的的工作主要集集中在二维图图像分析和识识别上，如光光学字符识别别、工件表面面、显微图片片和航空图片片的分析和解解释等。60年代，Roberts(1965)通过计算机程程序从数字图图像中提取出出诸如立方体体、楔形体、、棱柱体等多多面体的三维维结构，并对对物体形状及及物体的空间间关系进行描描述。Roberts的研究工作开开创了以理解解三维场景为为目的的三维维机器视觉的的研究。Roberts对积木世界的的创造性研究究给人们以极极大的启发，，许多人相信信，一旦由白白色积木玩具具组成的三维维世界可以被被理解，则可可以推广到理理解更复杂的的三维场景。。立体视觉测量量是根据同一一个三维空间间点在不同空空间位置的两两个（多个））摄象机拍摄摄的图像中的的视差，以及及摄象机之间间位置的空间间几何关系来来获取该点的的三维坐标值值。立体视觉觉测量方法可可以对处于两两个（多个））摄象机共同同视野内的目目标特征点进进行测量，而而无须伺服机机构等扫描装装置。立体视视觉测量面临临的最大困难难是空间特征征点在多幅数数字图象中提提取与匹配的的精度与准确确性等问题。。近来出现了了以将具有空空间编码的特特征的结构光光投射到被测测物体表面制制造测量特征征的方法有效效解决了测量量特征提取和和匹配的问题题，但在测量量精度与测量量点的数量上上仍需改进。。双目立体视觉觉双目立体视觉觉是机器视觉觉的一种重要要形式，它是是基于视差原原理并由多幅幅图像获取物物体三维几何何信息的方法法。双目立体体视觉系统一一般由双摄像像机从不同角角度同时获得得被测物的两两幅数字图像像，或由单摄摄像机在不同同时刻从不同同角度获得被被测物的两幅幅数字图像，，并基于视差差原理恢复出出物体的三维维几何信息，，重建物体三三维轮廓及位位置。双目立立体视觉系统统在机器视觉觉领域有着广广泛的应用前前景。ICTCT(Computered

Tomography)是Hounsfield1969年设计成功，，1972年公诸于世的的。CT不同于X线成像，它是是用X线束对人体层层面进行扫描描，取得信息息，经计算机机处理而获得得的重建图像像。所显示的的是断面解剖剖图像，其密密度分辨力明明显优于X线图像。从而而显著扩大了了人体的检查查范围，提高高了病变的检检出率和诊断断的准确率。。CT也大大促进了了医学影像学学的发展。由由于这一贡献献，Hounsfield获得了1979年的诺贝尔奖奖金。CT的成像基本原原理CT是用X线束对人体某某部一定厚度度的层面进行行扫描，由探探测器接收透透过该层面的的X线，转变为可可见光后，由由光电转换变变为电信号，，再经模拟/数字转换器转转为数字，输输入计算机处处理。图像形形成的处理有有如对选定层层面分成若干干个体积相同同的长方体，，称之为体素素。扫描所得信息息经计算而获获得每个体素素的X线衰减系数或或吸收系数，，再排列成矩矩阵，即数字字矩阵。数字字矩阵可存贮贮于磁盘或光光盘中。经数数字/模拟转换器把把数字矩阵中中的每个数字字转为由黑到到白不等灰度度的小方块，，即象素，并并按矩阵排列列，即构成CT图像。所以，，CT图像是重建图图象。每个体体素的X线吸收系数可可以通过不同同的数学方法法算出。CT设备CT设备主要有以以下三部分：：①扫描部分分由X线管、探测器器和扫描架组组成；②计算算机系统，将将扫描收集到到的信息数据据进行贮存运运算；③图像像显示和存储储系统，将经经计算机处理理、重建的图图像显示在电电视屏上或用用多幅照相机机或激光照相相机将图像摄摄下。不同扫描方式式探测器从原始始的1个发展到现在在的多达4800个。扫描方式式也从平移/旋转、旋转/旋转、旋转/固定，发展到到新近开发的的螺旋CT扫描（spiral

Ctscan）。计算机容容量大、运算算快，可达到到立即重建图图像。由于扫扫描时间短，，可避免运动动，例如，呼呼吸运动的干干扰，可提高高图像质量；；层面是连续续的，所以不不致于漏掉病病变，而且可可行三维重建建，注射造影影剂作血管造造影可得CT血管造影（（Ct

angiography，CTA）。超高速速CT扫描所用扫扫描方式与与前者完全全不同。扫扫描时间可可短到40ms以下，每秒秒可获得多多帧图像。。由于扫描描时间很短短，可摄得得电影图像像，能避免免运动所造造成的伪影影，因此，，适用于心心血管造影影检查以及及小儿和急急性创伤等等不能很好好的合作的的患者检查查。不同的扫描描方式超声波测距距原理超声波发射射器向某一一方向发射射超声波，，在发射时时刻的同时时开始计时时，超声波波在空气中中传播，途途中碰到障障碍物就立立即返回来来，超声波波接收器收收到反射波波就立即停停止计时。。超声波在在空气中的的传播速度度为340m/s，根据计时时器记录的的时间t，就可以计计算出发射射点距障碍碍物的距离离(s)，即：s=340t/2层析法利用高分辨辨率的数码码相机，拍拍摄多个图图像，利用用一个点在在多个图像像中的相对对位置，通通过视差计计算距离，，从而得到到点的空间间坐标。自动断层扫扫描逐层去除材材料与逐层层扫描相结结合的方法法将待测零件件用专用树树脂材料（（填充石墨墨粉或颜料料）完全封封装，待树脂固化化后，固定定到铣床上上，进行微微吃刀量切切削，得到到包含零件件和树脂材材料的截面面，移到CCD摄像机下，，对当前截截面进行采采样量化，，由于封装装材料与零零件存在明明显边界，，利用滤波波、边缘提提取、纹理理分析、二二值化等数数字图像处处理技术进进行边界轮轮廓提取，，得到各轮轮廓的坐标标值。重复步骤2、3，再到铣床床上切削，，再分析。。自动断层扫扫描数据各自的特点点和应用范范围。到现现在为止，，还没有找找到一种完完全适用于于产品开发发要求的快快速、精确确数字化测测量方法。。一是改造传传统的测量量设备，向向着高速、、高精度、、系统化、、集成化、、智能化的的方向发展展。比如对对CMM机在提高测测量速度的的同时，发发展CMM与光学系统统组合的自自动测量系系统。二是开发研研制新的测测量方法和和测量手段段。在分析析已有数字字化扫描方方法的特点点和使用场场合的基础础上，提出出了一种新新型的基于于液面的物物体轮廓数数字化扫描描方法。新方法与已已有方法不不同的是以以液体作为为中间介质质，物体零零件放入装装有液体的的容器中时时，液面与与物体之间间形成的交交线，就是是被测物体体的截面线线。通过图图象采集、、边缘处理理并几何建建模可以获获得物体的的几何模型型。基于液体的的轮廓数字字化扫描方方法的原理理1容器2、液体3、产品零件件4、光学测量量装置5、液面高度度测量装置置6、横梁7、立柱8、平台扫描系统系系统组成图象采集系系统液面控制系系统运动控制系系统图象采集控控制系统数据处理系统1）液体的制制备和物体体表面处理理2）图象采集集方案3）控制系统统和协调4）图象处理理边缘提取取5）标定方法法基于液体的的轮廓扫描描方法的关关键技术样机装置应用实例外形状为兔兔子形的儿儿童电动汽汽车玩具外外壳实物，，其最大尺尺寸为长X128mm，宽Y68mm，高Z60mm。我们用这这种基于液液体的技术术进行产品品轮廓的数数据采集。。采集间距距为1mm，每层采集集时间为16秒，共采集集了61张图象。测量中的问问题精度标定透镜变形，，非线性因因素等的影影响，存在在系统传感感误差不可测量性性阴影、障碍碍物，夹具具多个视点测测量，再进进行多视拼拼合测量噪声被测物体表表面特征的的影响光洁度、表表面涂层对对光线的反反射率头发测量，，粗糙表面面的典型实实例7.2.2测量数据类类型散乱点云（（PointCloud）扫描线点云云网格化点云云三角网格点点云多边形点云云散乱点云数数据测量点没有有明显的几几何分布特特征，呈散散乱无序状状态随机扫描下下的CMM，光学测量量系统多张张数据拼合合后扫描线点云云数据点云由一组组扫描线组组成，扫描描线上的所所有点位于于扫描平面面内CMM、激光三角角形测量系系统沿直线线扫描、线线结构光扫扫描测量扫描线点云云数据网格化电云云数据表示示点云中所有有点都与参参数域中一一个均匀网网格的顶点点对应网格化插值值三角网格点点云数据点云中的点点与邻点构构成三角网网格拓扑关关系ATOS流动光学三三坐标测量量机多边形点云云数据测量点分布布在一系列列平行平面面内，用一一小线段将将同一平面面内距离最最小的若干干相邻点依依次连接，，可形成有有嵌套的平平行多边形形层切法、核核磁共振、、工业CT7.2.3测量数据预预处理数据拼合数据光滑数据简化数据修复数据分块数据拼合也叫多视拼拼合，因为为一次测量量完成对全全体件的数数字化是很很困难的CMM中多次装夹夹光学测量仪仪中，多视视角测量可以在测量量过程中由由软件自动动拼合，也也可以在测测量结束后后输入到反反求工程软软件中拼合合拼合方法点位法：测测量点中确确定三个非非共线点，，作为分视视图的局部部坐标系标标准拼合结果数据光滑实际测量过过程中受到到人为或随随机因素的的影响，使使得测量结结果包含噪噪声，为了了降低或消消除噪声对对后续建模模质量的影影响，有必必要对数据据进行平滑滑滤波。人机交互程序滤波变形光顺人工交互滤波方法高斯滤波：指定域内内的权重为为高斯分布布，平均效效果较小，，在滤波的的同时能较较好的保持持原数据的的形貌。DK=D*G平均滤波：采样点的的值取滤波波窗口内各各数据点的的统计平均均值。中值滤波：采样点的的值取滤波波窗口内各各数据点的的统计中值值，消除数数据毛刺的的效果较好好。典型的的低通滤波波器。在图图像处理中中，就是指指把以某点点(x,y)为中心的小小窗口内的的所有像素素的灰度按按从大到小小的顺序排排列，将中中间值作为为(x,y)处的灰度值值(若窗口中有有偶数个像像素，则取取两个中间间值的平均均)。滤波示意图图程序滤波局部特征去去除光顺效果数据修复测量过程中中因为贴定定位片、遮遮挡等原因因导致部分分数据测量量不完整重新测量软件中修补补数据修复修复数据简化按数据点间间的距离指定数据点点间的临界界距离，两两个测点间间的距离小小于临界距距离，则删删除其中的的一个。按给定的法法向精度根据删除一一个点在曲曲面法向引引起的误差差大小作为为测点删除除的依据。。测点到最最小二乘拟拟合曲面的的垂直距离离作为删除除该点引起起的近似法法向误差，，若小于某某一阈值，，删除该点点。曲率较较小的地方方分布较少少的点，曲曲率大或尖尖锐棱边保保留较多的的点。给定距离简简化目录7.1反求工程概念7.2实体数据测量与反求7.3产品三维CAD模型的重建与后处理7.4反求工程在工业设计中的作用7.3产品三维CAD模型的重建建与后处理理7.3.1基于反求工程的产品模型7.3.2

基于曲线的曲面模型构建7.3.3特征技术在反求工程中的应用7.3.4

反求工程特征建模实例1）数字化/数据处理/NC集成系统实物数字化化以后，不不建立CAD模型，数据据直接转换换为NC代码。系统集成好好，扫描与与加工一体体化。缺点是精度度较低，无无法实现再再设计以及及产品资料料积累。2）三维模型型重构系统统三维模型重重构系统是是国内外学学术界,尤其是CAD/CAM领域广泛关关注的热点点问题之一一。要求是保型型性和快捷捷性。目前研究的的热点是三三维测量数数据分割和和拟合技术术。三维模型重重建的研究究现状7.3.1基于反求工工程的产品品模型反求工程三三维CAD模型的几何何建模称为为模型重构构（或重建建），是为为了进行模模型的修改改和再设计计，这是反反求工程的的一个必不不可少的关关键步骤。。产品模型通通过几何建建模软件来来实现，几几何建模主主要处理零零件的几何何信息和拓拓扑信息。。一般意义义建模有线线框建模、、表面建模模和实体建建模。描述三维CAD模型方式描述三维CAD模型主要有有边界表示示法B-rep，构造立体体几何法CSG，小平面模模型等，从计算机内内部组织来来描述产品品实体几何何建模的主主要是边界界模式B-rep和小平面片片模式。基于反求工工程的产品品模型常规的曲面面或实体几几何模型小平面STL模型混合模型7.3.2基于曲线的的曲面模型型的构建表面片的拟拟合：将采采集的数据据点拟合为为要求的表表面。主要采取插插值与逼近近方法。插值（通过过点）逼近近（FIT）与曲面构构建流程7.3.3特征技术在在反求工程程中的应用用在反求工程程中，采集集的数据点点集仅仅表表达了物体体表面上的的组成点以以及点的位位置，不能能表达产品品各部分间间的拓扑关关系等，而而利用这些些点直接构构建几何表表面或希望望采用特征征自动识别别方法很困困难的，因因此如何快快速的进行行产品模型型的重构是是目前反求求工程一个个难点。特征技术特征的定义义：特征被定义义为形状特特征和（或或）语义。。特征：=形状特征ν语义特征模型的的生成方法法：交互式特征征定义特征识别别基于特征征设计特征的抽抽象和分分类原则则：(1)特征要满满足设计计和制造造需求(2)特征要具具有典型型性和普普遍性(3)注重特征征间相互互联系(4)特征要便便于描述述和表达达面向反求求工程的的特征技技术根据在对对零件的的特点以以及在逆逆向建模模的具体体要求，，用特征征建模的的设计思思想进行行模型的的重构是是符合实实际的建建模思想想。因此我们们提出将将反求工工程的建建模作为为一种特殊殊的产品品类别来考虑，，建立符符合反求求工程的的建模的的特征分分类和有有效的特特征库，，实现快快速的建建模方法法。反求工程程中的特特征的抽抽象和分分类：功能特征征（是通过过设