逆向建模项目教程 绪论

逆向建模项目教程绪论任务1、了解逆向工程逆向工程也称之为反求工程，包括软件逆向（代码反编译）、影像逆向和实物逆向等。逆向工程基本概念与工程应用实物逆向以产品实物为研究对象，通过点云数据采集、点云前处理、曲面逆向重构等技术手段，最终生成CAD模型的过程。这与从概念设计到图纸并最终生产实物的正向设计过程刚好相反。软件逆向影像逆向逆向工程实物逆向的流程主要包含三个步骤：点云数据采集、点云前处理和曲面逆向重构。零件实物点云前处理点云数据采集逆向建模膝关节植入器逆向工程流程逆向工程基本概念与工程应用占总工作量的80%~90%！点云数据采集：通过数据测量设备获取零件外表面上几何点的空间坐标值，因为通常点云数量比较大，如同宇宙中的星云一样因此称之为点云。点云数据的获取是实物逆向的第一步，其数据的完整性和精准度直接影响着后续逆向建模的精度。逆向工程基本概念与工程应用点云前处理：点云数据获取后，需要对其进行一些前处理才能更好地进行后期的逆向建模，包括：点云清理、点云过滤、点云拼接、点云填充、三角面网格生成等操作。逆向工程基本概念与工程应用曲面逆向重构：三角面网格数据实际为由大量三角平面组成的离散模型，一般可直接用于增材制造。但在对曲面精度要求较高的情况下，需要以三角面网格数据为参考，采用初等解析曲面或者NURBS曲面重构物体外型特征。曲面逆向重构是逆向工程中最重要的步骤，也是技巧性最高、工作量最大的步骤。逆向工程基本概念与工程应用在工业设计领域或者产品早期概念设计阶段，影像逆向也是应用比较多的一种技术手段。这种逆向技术直接以工业设计草图或者设计手稿为参考进行曲面建模，因此逆向流程中不需要采集点云数据。本课程中的“项目二

鼠标外壳的逆向工程”讲解了影像逆向的建模方法。逆向工程基本概念与工程应用逆向工程的技术特点使其被广泛应用于产品的复制、仿制、改进和创新设计，已经成为发展中国家消化吸收世界先进技术，缩短产品设计开发周期的重要技术手段。设计阶段：国内某一新能源汽车企业为加速产品开发周期，以一款汽车白车身为对象进行逆向设计，再在其基础上进行改型设计，使产品开发周期缩短了40%。逆向工程基本概念与工程应用设计阶段：厦门金龙对金杯车白车身进行逆向设计，再在其基础上进行改型设计，延长生产线的使用周期。逆向工程基本概念与工程应用设计阶段：中国航发608所对某进口航空发动机进行逆向工程，消化吸收国外先进技术，解决卡脖子问题。逆向工程基本概念与工程应用设计阶段：株洲齿轮有限责任公司为提高新能源汽车减速器的NVH性能，对标了某款国外优秀产品的减速器外壳，在逆向模型的基础上进行技术的消化吸收和改进，快速提高研发能力，提升自身产品竞争力。逆向工程基本概念与工程应用设计阶段：逆向工程技术也广泛应用于产品的正向开发过程，尤其是工业设计和产品概念设计阶段。在汽车、航空航天等工业领域中，目前CAD软件仍然很难满足其复杂外形的设计需求，在设计初期仍然需要制造油泥。基于油泥模型对产品设计的美学、人体工程学、空气动力学等进行评估或者实验，合格后再通过逆向工程技术将油泥模型转化为CAD模型，再进行后续的详细设计。逆向工程基本概念与工程应用生产阶段：逆向工程技术也常用于在制造过程中产品的加工精度检测。利用逆向工程技术对产品进行精度检测时并不需要进行曲面的逆向重构，只需要获得零部件的点云数据即可，配合自动扫描系统能快速获取零件的加工精度，因此非常适用于流水线上的大批量检测。逆向工程基本概念与工程应用生产阶段：在汽车覆盖件冲压模具制造厂中，逆向工程技术还常常被用来测量钣金件的回弹量，进而指导模具工程师优化模具型面的设计，提高汽车钣金件的制造精度原模具产出的钣金制造精度优化设计后模具产出的钣金制造精度逆向工程基本概念与工程应用使用阶段：逆向工程技术常被用于破损零件的修复，这在航空航天、模具、文物等领域应用也非常广泛。汽车厂家采用逆向工程技术对某一汽车覆盖件冲压模具破损的型面进行修复。逆向工程基本概念与工程应用医疗领域：中南大学湘雅医院骨科研究所基于病人的CT扫描图片进行的人体骨骼三维模型逆向重构（影像逆向），为后期的手术方案的制订提供三维数据支撑。逆向工程基本概念与工程应用建筑领域：文物保护单位应用逆向工程技术构建湖北武汉秦川阁古井的三维数据。逆向工程基本概念与工程应用纵向应用场景不断深入：在制造业领域逆向工程技术作为一种技术手段，它的应用已经贯穿了产品的设计、制造到使用的全寿命周期，在很多使用场景中具有不可替代的重要作用。与增材制造技术相结合，逆向工程技术在制造业领域呈现出更深入的应用场景。横向应用领域不断扩大：逆向工程技术的应用领域也从传统的制造行业逐渐扩展到了医疗、考古、建筑等新领域，并取得了重大的经济和社会效益。逆向工程基本概念与工程应用任务2、了解数据测量设备实物逆向工程的第一个步骤就是要用数据测量设备来获取实物外表面上点的坐标数据，一般将其称之为点云。根据数据测量设备测量方式的不同，可将其分为接触式和非接触式两种类型。接触式非接触式数据测量设备三坐标测量机关节臂扫描仪光栅式扫描仪手持式扫描仪便捷式探针点云数据采集设备接触式数据测量设备：基于力-变形的原理，即测量探头与样件表面接触并产生变形，进而触发一个记录信号来获取样件接触点处的坐标值。海克斯康桥式三坐标测量机（CMM）FARO公司关节臂扫描仪GOM公司ATOSProbe点云数据采集设备FARO公司EdgeScanArmHD非常适合中小型、精度要求高的部件。点云数据采集设备主要优点：测量精度高(±0.1um)，可直接测量圆、圆柱、圆锥、圆槽、球等规则的几何特征，并且对被测样件的材质和色泽没有特殊要求，非常适合特征尺寸多、曲面特征少的规则零件。主要缺点：测量效率较低，但是随着电子技术和计算机技术的发展，CMM开始呈现出智能化和集成化的发展趋势，在一定程度上提升了CMM的测量效率。此外，一些橡胶、油泥等软质材料制品进行测量时，物体外表面会因为测量探头的压迫产生变形，造成较大的测量误差。点云数据采集设备光栅式扫描仪：基于结构光法，其基本思想是将正弦变化的周期性光栅投影到被测物体的表面上，被测物体表面上的光栅线会因为物体高度的变化而产生变形，变形光栅包含了物体表面坐标点数据。点云数据采集设备主要优点：基于结构光法的光栅式三维测量设备单次测量的范围较大（3m2），因此与CMM相比其测量速度有了质的提升，并且依旧能保证较高的测量精度（±1um）。主要缺点：在数据测量过程中需要将设备和零件的方位进行固定，当完成一张光栅图的拍摄后才能进行调整。对于形状比较复杂或者尺寸比较大的物体，扫描时需要不断调整零件或者设备的角度和位置，从多个方位进行测量，从而降低了数据测量的效率。GOM公司ATOS5三维扫描仪武汉惟景公司PowerScan5M蓝光面扫描三维扫描仪点云数据采集设备自动测量系统使零件或者测量设备可以按照预定路径自动进行方位调整。这种类设备需要预先设置扫描路径，对单个零件的数据测量效率提高并不太明显，但是非常适合在自动化生产线上进行批量化测量。GOM公司ATOSScanBox自动测量系统武汉惟景公司AutoScan1000自动测量系统点云数据采集设备手持式扫描仪：基于激光三角法，其基本思想是将一束或者多束激光按某一特定角度α投射在被测物体表面上，然后再用CCD光电探测器从另外一个角度β测出物体表面上的光斑位置。物体表面激光照射点的位置和高度不同，CCD光电探测器所探测到的反射光线的角度β也不同。利用光源和摄像机之间的位置和角度关系即可计算出被测物体表面上空间点的坐标信息。点云数据采集设备CreaForm公司的HandyScan便捷式三维扫描仪武汉惟景公司ReadyScanB17全局手持式三维扫描仪点云数据采集设备主要优点：激光反射线角度β的测量是实时进行的，因此手持式三维测量设备在使用时可以任意移动，其测量效率更高，测量精度也能达到±20um。主要缺点：被测物体表面的反光程度、颜色等会影响到数据测量的精度和完整度。高亮反光的物体会将测量设备的大部分激光反射到别处，颜色较深的物体又会大量吸收激光能量，这都会对测量设备的数据采集造成一定的干扰，最终影响到数据结果。对激光无法照射到的部位是无法完成测量的，并且在小特征、边界、缝隙及曲率变化较大的区域容易丢失数据。点云数据采集设备自动拼接技术：采用非接触式光学测量设备采集点云数据时，一般需要多次测量才能将物体外表面的点云数据采集完整，需要在后期对点云进行拼接。如果采用点云自动拼接技术，比较常用的解决方案是提前在物体外表面或者周边粘贴标记点来辅助点云定位。无编码标记点使用无编码标记点实现自动拼接编码标记点点云数据采集设备摄影测量系统：每一次的点云拼接均会存在一定的拼接误差，所测量物体的尺寸越大，点云拼接的次数就越多，其累积误差就会越大。对于大型物体的点云数据采集，这种累计误差无法忽略。目前比较成熟的解决方案就是摄影测量系统，有时也称为全局测量系统。GOM公司TRITOP移动式测量系统CreaForm公司的MaxSHOT3D光学坐标测量系统点云数据采集设备点云数据采集设备编码标记点的作用主要是用来对无编码标记点进行定位。测量时，首先从远距离对物体表面进行拍摄，获取编码标记点和无编码标记点的局部坐标，并根据不同图像中编码标记点的局部坐标来确定相机的空间坐标系。然后，根据编码标记点的空间坐标对不同图像中的同一无编码标记点进行匹配，得到所有无编码标记点在统一坐标系下的坐标。摄影测量系统通过少数次的远距离拍摄就实现了无编码标记点的拼接，这就间接地降低了点云拼接的次数，最终达到提高大型物体测量精度的目的。武汉惟景公司ReadyScanB17全局手持式三维扫描仪的使用点云数据采集设备任务3、了解逆向建模软件逆向重构的主要任务：就是将不规则的点云用规则的面进行拟合。任何零件的外表面都是由平面和曲面组成，逆向重构就是基于点云数据创建平面与曲面，将这些面修剪缝合成零件的外表面，再通过加厚或包络体生成零件。初等解析曲面拉伸曲面扫掠曲面NURBS曲面旋转曲面多截面曲面填充曲面贝塞尔曲面逆向建模软件Imageware

由美国EDS公司出品，后被德国SiemensPLMSoftware所收购，现在并入旗下的NX产品线，是著名的逆向工程软件之一。Imageware因其强大的点云处理能力、曲面编辑能力和A级曲面的构建能力而被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电、模具、计算机零部件等设计与制造领域。

逆向建模软件NXUG逆向建模软件GeomagicDesignX由美国3DSystems公司出品的逆向工程软件。GeomagicStudio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。逆向建模软件CATIA法国达索公司的旗旗舰产品,

在汽车、航空航天、船舶制造、厂房设计（主要是钢构厂房）、建筑、电力与电子、消费品和通用机械制造等八大领域里提供3D设计和模拟解决方案。逆向建模软件ICEMSurf法国达索公司的A级曲面专用设计软件,享有曲面魔术师的称号。逆向建模软件AliasAutodesk公司出品的曲面设计软件（教育版免费）。逆向建模软件CATIA和UG是企业中应用最为广泛的逆向建模软件，分别占比28%和23%。在A级曲面建模领域，ALIAS和ICEM则处于绝对统治地位，分别占有19%和17%的比例。Geomagic系列软件在点云采集、点云前处理、精度检测方面应用率较广，在逆向工程领域占有9%。传统逆向工程软件Imageware在逆向工程市场表现不佳，占有率仅有4%。逆向工程岗位软件需求数据分析逆向建模软件逆向重构的主要任务：就是将不规则的点云用规则的面进行拟合。任何零件的外表面都是由平面和曲面组成，逆向重构就是基于点云数据创建平面与曲面，将这些面修剪缝合成零件的外表面，再通过加厚或包络体生成零件。逆向建模方法任务6、了解逆向工程岗位需求逆向工程岗位行业分布汽车和机械依旧是逆向工程需求最大的两个行业，其中汽车行业占比达到52%。医疗行业由于逆向工程和3D打印技术的结合应用，可以进行一些个性化定制设计，其占比逐步扩大，约占6%。其它的需求主要集中在电子、教育和消费品等传统的逆向工程应用领域。逆向工程技术在航空航天领域也有着广泛应用，只是公开的社会招聘岗位较少。逆向工程岗位需求分析大多数企业招聘岗位的技能需求是复合型的：约15%的岗位要求工程师在逆向建模的基础上对进行结构设计；另有15%的岗位要求熟悉多种加工工艺；8%的岗位对逆向工程师提出了其它方面的技能需求，包括图形渲染、行业法规、人机工程等；不同行业的技能需要不同：汽车、电子和消费品等行业，曲面造型技能是岗位招聘中要求最多的技能，约占26%。此外，汽车行业对曲面造型高阶技能——A级曲面设计也存在较多需求，占到了总招聘岗位数量