逆向项目工程及其关键技术
逆向工程及其关键技术
院（系）材料科学与工程
专业材料加工工程
学生
学号
2010年5月15日
逆向工程及其关键技术
摘要：随着现代制造业的迅速发展,反求技术在制造领域中的作用日趋重要。它作为一种新的产品设计思想和方法,已越来越广泛地应用于制造领域[1]。通过自动测量机对零件的扫描测量,得到点云,使用逆向造型设计方法,对其进行处理,得到实体模型后,通过工艺分析,生成加工程序代码,对零件进行数控模拟加工[2]。本文对逆向工程中的点云数据获得及输入、点数据的预处理、曲面重构及曲面分析方法进行了详细阐述。
关键字：逆向工程；曲面重构；点云；曲面分析
1 引言
在计算机技术飞速发展的今天,三维几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等各个方面。热点模具网在当今市场经济瞬息万变的环境下,能否快速地生产出合乎市场要求的产品已经成为企业成败的关键。而往往我们都会遇到这样的难题,在没有二维工程图纸或三维CAD数据的情况下,工程技术人员没法得到准确的尺寸,制造模具就更无从谈起。另外一方面,随着测量技术的不断发展和对产品检测要求的提高,测量机也广泛地用于企业的质量检测部门。逆向工程成为满足这一需求的利器[3]。
2 逆向工程的系统及其关键技术
2.1 逆向工程的概念
逆向工程[4] (Reverse Engineering)也称反求工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行数据采集,根据测量数据进行计算机三维模型重建过程的总称。相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的。正向工程是泛指按常规的从概念设计到具体模型,再到成品的生产制造过程。而反求工程是从现有的模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念和工程设计模型,如利用三维坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构,或者直接将这些离散
数据转化成NC程序进行数控加工而获取成品的过程。反求工程的设计流程如图1所示[5]。
2.2 逆向工程的数字化方法与技术
逆向工程首先必须使用精密的测量系统将样品轮廓三维尺寸快速测量出来,然后再以取得的各点数据做曲面处理及加工成型。欲建立一套完整的反求工程系统,需要有下列配备[6]:①测量探头有接触式(触发探头、扫描探头)和非接触式(激光位移探头、激光干涉仪探头、线结构光及CCD扫描探头、面结构光及CCD 扫描探头)两种;②测量机有三维坐标测量机、多轴专用机、多轴关节机械臂及激光追踪站等;③点群数据处理软件,进行噪声滤除、细线化、曲线建构、曲面建构、曲面修改、内插值补点等;④CAD/CAM软件,一般PC级或工作站级CAD/CAM;⑤CNC 工具机,执行原型制作或模具制作。具体工作过程如图2所示
实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据[7]。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、
评价、改进和制造。因而，如何高效、高精度地实现样件表面的数据采集，一直是逆向工程的主要研究内容之一。一般来说，三维表面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类，接触式有基于力-变形原理的触发式和连续扫描式数据采集，基于磁场、超声波的数据采集等[8]。而非接触式主要由激光三角测量法、激光测距法、光干涉法、结构光学法、图像分析法等，另外，随着工业CT技术的发展，断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用[9]。
2.2.1 接触式数据采集方法
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[10]。
(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
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。
2.2.2非接触式数据采集方法
非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，它有激光三角法、激光测距法(Laser Triangulation Methods)、结构光法(Structured Methods)以及图像分析法(Image Analysis Methods)等。
(1)激光三角测距法
激光三角测距法是逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，具有以下特点：探针不与样件接触，因而能对松软材料的表面进行数据采集，并能很好的测量到表面尖角、凹位等复杂轮廓。数据采集速度很快，对大型表面可在CAM 或数控机床上迅速完成数据采集。所采集的数据是表面上的实际数据，无需测头补偿。价格较贵，杂散反射，对于垂直壁等表面特征会影响采样精度。
(2)距离方法(Range Methods)
利用光束的飞行时间来测量被测点与参考平面的距离，主要有脉冲波、调幅连续波、调频连续波等工作方式。由于激光的单向性好，多采用激光作为能量源，这种方法的精度也较高。
(3)结构光法
将一定模式的光照射到被测样件的表面，然后摄得反射光的图像，通过对比不同模式之间的差别来获取样件表面的点的位置。它的特点是不需要坐标测量机等精密设备，造价比较低，但精度较低，操作复杂。
(4)图像分析法
与结构光方法的区别在于它不采用投影模板，而是通过匹配确定物体同一点在两幅图像中的位置，由视差计算距离。由于匹配精度的影响，图像分析法对形状的描述主要是用形状上的特征点、边界线与特征描述物体的形状，故较难精确的描述复杂曲面的三维形状。
(5)工业计算机断层扫描成像法(Industrial Computer Tomograph)
工业计算机断层扫描成像(简称ICT)是对产品实物经过ICT层析扫描后，获得一系列断面图像切片和数据，这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息，不仅可以进行工件的形状、结构和功能分析，还可以提取产品工件的内部截面，并由工件系列截面数据重建工件的三维几何模型。ICT的最大优点在于它能测量工件内部断面的信息，因而适用于任意的形状结构，但测量精度低。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。
2.3测量数据格式转换
每一个CAD系统都有自己的数据文件，数据文件格式与每个CAD系统自己的内部数据模式密切相关，目前市场上流行的CAD／CAM系统内部产品模型的数据结构和格式各不相同，这样极大地影响了设计和制造各部门之间或企业之间的数据传输和程序衔接的自动化，同样给CAD/CAM的数据通信带来困难，因此迫切希望实现数据交换文件格式的标准化[12]。目前已制定了几个主要数据交换标准，如IGES格式、STEP格式等。为了方便不同系统的数据转换，一些商品化的CAD／CAM系统都具备有多个数据交换接口，如Geomagic Studio软件系统就具有WRP、ASCII、TXT、IGES、STEP、STL、OBJ、DXF等多种输入、输出转换格式。
(1)IGES(International Graphics Exchange Standard)，IGES是在美国国家标准局的倡导下，由美国国家标准协会(ANSI)组织波音公司、通用电气公司等共同商议制定的。它由一系列产品的几何、绘图、结构和其他信息组成，可以处理CAD/CAM系统中的大部分信息，是用来定义产品几何形状的现代交互图形标准。IGES文件格式分为ASCII格式和二进制格式。ASCII格式便于阅读，二进制格式适于处理大容量文件。
(2)STEP标准是国际标准化组织规定的ISO标准，是唯一能够描述和支持产品所有定义信息的交换标准，目前仍在发展和完善。
(3)STL(Stereolithography)，STL格式是快速成型机常用的一种格式，逆向工程的一处重要应用领域就是与快速原型制造相结合。
2.4逆向工程后处理
2.4.1点云
点云是一特殊的测量数据点，通常由手持式数字化系统和激光扫描仪获得，由于数据点的数量较通常的接触式三坐标测量机大得多，也称海量数据或点云(Point Cloud)，而且点云数据具有不同于接触式数据的一些特点，因此其处理方式也有所不同。点云是三维空间中的数据点的集合，最小的“点云”只包括一个点(称孤点或奇点，Singular)，高密度“点云”可达到几百万数据点[13]。为了能有效处理各种形式的“点云”，根据“点云”中点的分布特征(如排列方式、密
逆向工程三维建模关键技术
逆向工程与快速原型技术 （综合技能训练及评价） 题 目 逆向工程三维建模关键技术 综合创新训练 姓 名 ******* 学 号 *********** 专业班级 机制**** 授课教师 ****** 分 院 机电与能源工程分院 完成日期 **** 年 **月 *日 宁波理工学院
绪论 (3) 0.1什么是逆向工程 (3) 1.2逆向工程的基本操作步骤 (3) 第一章点云摆正综合练习 (4) 1.1目的和意义 (4) 1.2 点云数据摆正的原理及实现流程 (4) 1.3 点云数据摆正综合练习及具体实现步骤 (4) 第二章逆向建模特征线构建技术 (15) 2.1 目的和意义 (15) 2.2 曲面对齐与拼接的原理及实现流程 (15) 2.3曲面对齐与拼接综合练习及具体实现步骤 (15) 3.1 目的和意义 (32) 3.2 曲线构建的原理及实现流程 (32) 3.3 曲线构建及具体实现步骤 (32) 4.1 目的和意义 (36) 4.2 曲面重构的原理及实现流程 (36) 4.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (36) 第五章：点云数据修补综合练习 (41) 5.1 目的和意义 (41) 5.2 曲面重构的原理及实现流程 (41) 5.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (41) 第六章总结与反思 (49)
绪论 0.1什么是逆向工程 逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同,逆向工程是对已有的产品零件或原型进行CAD模型重建，即对已有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确的、快速的测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物CAD模型的过程，它属于产品导向（product oriented）。逆向工程不是简单的再现产品原型，而是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段；是产品快速创新开发的重要途径。通过逆向工程掌握产品的设计思想属于功能向导。 1.2逆向工程的基本操作步骤
逆向工程及其关键技术
逆向工程及其关键技术 院（系）材料科学与工程 专业材料加工工程 学生 学号 2010年5月15日
逆向工程及其关键技术 摘要：随着现代制造业的迅速发展,反求技术在制造领域中的作用日趋重要。它作为一种新的产品设计思想和方法,已越来越广泛地应用于制造领域[1]。通过自动测量机对零件的扫描测量,得到点云,使用逆向造型设计方法,对其进行处理,得到实体模型后,通过工艺分析,生成加工程序代码,对零件进行数控模拟加工[2]。本文对逆向工程中的点云数据获得及输入、点数据的预处理、曲面重构及曲面分析方法进行了详细阐述。 关键字：逆向工程；曲面重构；点云；曲面分析 1 引言 在计算机技术飞速发展的今天,三维几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护等各个方面。热点模具网在当今市场经济瞬息万变的环境下,能否快速地生产出合乎市场要求的产品已经成为企业成败的关键。而往往我们都会遇到这样的难题,在没有二维工程图纸或三维CAD数据的情况下,工程技术人员没法得到准确的尺寸,制造模具就更无从谈起。另外一方面,随着测量技术的不断发展和对产品检测要求的提高,测量机也广泛地用于企业的质量检测部门。逆向工程成为满足这一需求的利器[3]。 2 逆向工程的系统及其关键技术 2.1 逆向工程的概念 逆向工程[4] (Reverse Engineering)也称反求工程,是指用一定的测量手段对实物或模型进行数据采集,根据测量数据进行计算机三维模型重建过程的总称。相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程而提出的。正向工程是泛指按常规的从概念设计到具体模型,再到成品的生产制造过程。而反求工程是从现有的模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念和工程设计模型,如利用三维坐标测量机的测量数据对产品进行数学模型重构,或者直接将这些离散
1逆向工程关键技术
1.3 逆向工程中的关键技术 1.3.1 数据采集技术 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。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数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式（Non-contact）两种。 接触式包括三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，CMM）和关节臂测量机；而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。 在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备；CMM通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM 对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度（±0.5μm），对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。
图1.3 逆向工程数据采集方法分类
逆向工程及其应用
逆向工程及其应用 一、什么是逆向工程 随着科技的发展和人们生活水平的提高，产品的性能和外形发生了很大的改变，原来粗大笨重的产品，正在被小巧玲珑，造型别致的产品所代替，工业产品设计正在成为一种热门的行业，根据人机工程学和美学原理设计的各种使用方便、线条流畅的产品，如轿车、家用电器等，随处可见，这些产品一般都是由一些空间自由曲面组成的，用传统的方法很难设计、制造出来;为了设计、制造这类产品和相应的工装具，必须使用CAD/CAM,多轴加工中心等先进技术，现代逆向工程技术就是在这祥的背景下产生的。 逆向工程RE (Reverse Engineering，也称反求工程)，是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转人到制造流程中，完成产品的整个设计制造周期。这样的产晶设计过程珊们欢去“正向设计”过程。 逆向工程产品设计过程如图一所示，可以认为是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程;它针对现有的工件(样品或模型)利用3D数字化量测仪器准确、快速的测量出工件的轮廓坐标，并加以编辑、修改、建构曲面后，传至一般的CAD/CAM系统.再由CAM软件产生刀具的NC加工路径送至CNC加工机床，制作出所需模具，或者送到快速原型成型机，将样品模型制作出来。逆向工程在某些方面很像我们常说的“仿制”;可以说，在我国正在成为世界制造中心的今天，逆向工程将大有用武之地。
逆向工程技术的应用
逆向工程技术的应用 仿制、仿造已经成为了我国一部分企业的固定生产方式，针对市场热门产品的仿造品屡见不鲜，逆向工程的广泛应用在其中起到了不可忽视的作用。于是，经常有人将逆向工程和非法仿制联系在一起，甚至提出了知识产权保护等法律层面的问题。实际上，逆向工程代表了一种非常高效的产品设计思路和方法。本文从逆向工程设计的概念出发，阐述了现代制造业中逆向工程的概念以及逆向工程在模具制造等行业中的作用。本文对于我们正确认识逆向工程技术有一定的意义。 一、引言 在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。我国也有许多企业应
用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。所谓产品再设计，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配公差和制造过程。这些工作的目的就是要充分理解产品的制造过程，并以此为基础在子系统和零件层面上，优化设计出一种更好的产品。美国的许多工程学院开设了逆向工程课程，教授学生用再设计代替原型设计，作为解决设计问题的一种方法。近年来，在汽车、电子产品等领域人们越来越多地采用逆向工程技术，来部分替代使用多年的原型设计方法。 二、逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。
逆向工程技术及其发展现状
摘要 与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为企业所接受只有十几年甚至几年的时间。时间虽短，但是逆向工程技术广阔的应用前景和对企业竞争力的巨大推动作用，已经引起了很多企业的关注。 逆向工程实现了从实际物体到几何建模的直接转换。逆向工程技术涉与计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、概率统计等学科。本文介绍了逆向工程的基本概念，重点分析的逆向工程技术过程，阐述了现代制造业中逆向工程的的发展前景以与逆向工程技术的重要应用领域。本文对于我们正确认识逆向工程技术有一定的意义。 【关键词】逆向工程CAD/CAM solidworks surfacer 反向工程、建模
目录 1 逆向工程简介 (1) 1.1逆向工程介绍............................. 错误!未定义书签。 1.2 逆向工程的应用 (3) 2 逆向工程应用实例 (6) 3 逆向工程的其他应用领域 (7) 参考文献 (8)
1 逆向工程介绍 1. 逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。 随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。 逆向工程软件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。十一年前在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。到最近四年来，发展
逆向工程技术的内容及其应用范围
一、逆向工程技术的内容及其应用范围 随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。 所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。传统的产品设计一般需要经过图1所示的设计过程。而逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。它的设计流程如图2所示，与图1的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。 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： (1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。 (2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。 (3)损坏或磨损零件的还原。 (4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。 逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。 二、逆向工程技术实施的条件 1.逆向工程技术实施的硬件条件 在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m。ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪，英国泰勒·霍普森公司的TAL YSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物——建立数学模型——CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状
逆向工程技术
逆向工程关键技术及应用实例 介绍了逆向工程技术的定义及其工作流程，整个流程分为数据采集、数据处理和曲面重构三个部分。根据理论学习和自身实践经验对逆向工程的关键技术做了一些探讨。并以摩托车装饰板模型的曲面重建为例，用激光扫描仪获取三维点云数据，在CATIA中对点云进行数据处理，实现曲面重构，说明了逆向工程的整个设计应用流程。 1 引言 逆向工程技术是一门新兴的技术，它是在获得实物模型信息的基础上，通过一些软件如CATIA, Surfacer, Pro/E等，在消化、吸收实物原型的前提下，对实物模型进行修改和再设计，从而创造新产品。因此它是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，目前已经得到了广泛的应用，如飞机、汽车等行业。 逆向工程一般包括以下几个阶段:数据采集、数据处理、曲面重构。其一般流程如图1所示。其中数据采集是前提，数据处理和曲面重构是逆向工程的关键，曲面重构尤为重要。 图1基于实物模型重建的逆向工程技术流程图 2 数据采集 数据采集又称模型数字化，即指通过坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)或激光扫描仪等测量装置获取实物表面特征点三维坐标值的过程。数据采集是逆向工程的第一环节，也是非常重要的一个环节，数据采集的质量和效率直接影响着后期的模型重建的进程，关系着整个逆向工程的成败。数据采集的流程如图2所示。 图2 数据采集流程图 随着科学技术的不断进步，数据采集出现了多种方法，如图3所示。
3 数据处理 三维测量系统可采集到复杂曲面上大量密集的原始测量数据，这些数据是物体表面各点坐标，这些数据之间通常没有相应的显式拓扑关系，其中还包含大量无用的数据，同时由于环境的影响如噪声、振动等会出现一些误差数据，因此在进行曲面重构前必须进行数据处理。 图3 数据采集方法分类 数据处理一般包括以下几个方面:数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补、数据分割。 有时由于被测对象无法一次测全数据，可能需要分几次测量，每次测量都是在不同的坐标系下进行。数据重定位就是将在不同定位状态(即不同的坐标系)下测得的数据整合到一个坐标系下。 由于受测量设备精度、扫描速度、操作者的经验和被测零件表面质量等诸多因素的影响，会产生测量误差数据点，习惯上称为噪声点。在进行曲面构造之前必须去除噪声点，否则最后构建出来的实体形状将由于噪声点的存在而与原实体大相径庭。最简单的噪声去除方法是人机交互，通过图形显示，判别明显坏点，在数据序列中将这些点删除。此种方法简单，但是对于数量比较大的点云就不适宜了。国内出现了很多关于去除噪声点的算法，主要有高斯滤波、均值滤波和中值滤波等方法。 数字化实物模型得到的是大量离散数据的集合，数据量非常巨大，并且存在大量的冗余数据。对于曲面重构来说，没有必要需要这么多的数据，而且如此庞大的测量点集，有时候会严重影响曲面重建的效率和质量，因此非常有必要进行数据精简。对于不同类型的点云可采用不同的精简方式。散乱点云可以通过随机采样的方法来精简;对于扫描线点云和多边形点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减、弦高差等方法;网格化点云可用等分布密度和最小包围区域法进行数据缩减。 数据插补就是利用周围点的信息插值出缺损处的坐标最大限度获得样件模型的数据信息，希望数据点间有一定的拓扑关系。逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法、造型设计法以及曲线、曲面插值补充法。 数据分割(Point Data Segmentation)是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属
逆向工程关键技术的研究
逆向工程关键技术的研究 姓名:于海江 学号:1082000504 班级:10级5班 专业:车辆工程 沈阳理工大学研究生学院 2011年3月
摘要 逆向工程技术能够降低成本、缩短交货时间、提高产品质量，提高企业在市场中的竞争力，在产品开发中具有重要的作用。本文对逆向工程中的关键技术进行了深入的研究和探讨。 本文主要研究了逆向工程技术的三个关键环节:数据采集、数据处理和曲面重构。依据样件模型的外形特征，总结归纳了规划测量路径的策略，在对各种测量方法研究、对比和分析的基础上提出了数据采集方法选择的原则;结合实例研究了数据重定位、噪声去除、数据精简、数据光顺和数据分割五种数据处理技术，探讨了不同形状点云数据应采取的具体处理方法，提出了点云数据处理的原则;通过对比分析Bezier曲线曲面、B一Spline曲线曲面、NURBS曲线曲面三种曲面的数学模型，得出NURBS曲线曲面具有诸多优点，己成为当前曲线曲面模型的主流，合理的规划路径、恰当的选择数据采集方法和数据处理方法能够构建高品质的曲面，而且能量光顺算法也能够提高曲面的光顺程度。该论文的研究工作丰富了工业产品造型设计的理论和方法，将促进逆向工程在工业设计中的应用和推广。 关键词:逆向工程点云数据 NURBS曲线曲面重构曲面光顺 1.1逆向工程概述 “逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，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 [1] 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CAD造型，称为预定模式(Prescriptive Model)，我们也称之为正向工程(或顺向 工程)。正向工程流程如图1-1所示。 图1-1正向工程开发流程图 Fig.1-1 Forward engineering flow chart 产品的逆向工程是根据零件(或原型)生成图样，再制造出产品。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(图像、照片等)作为研究平台，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[2] 。逆向工程的流程如图1-2所示。广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、
反求工程及其关键技术概述
反求工程及其关键技术概述 逆向工程(Reverse Engineering)，又称反求工程或反求设计，是将已有产品模型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，是对已有设计的设计。其目的是为了改善技术水平，缩短产品生产周期，提高生产率，增强经济竞争力。 在科学技术高速发展的今天，世界范围内新的科技成果层出不穷，它们为发展生产力、推动社会进步做出了杰出的贡献。中国在机械工程领域起步较晚，基础较为薄弱，因此充分地、合理地利用这些科技成果，更快的获得世界上较为先进的技术成果。反求工程的应用对于我国科技进步，推动经济建设和发展有着重要的现实意义。 在我国最早提出“反求工程”概念并倡导推广的学者是著名的科学学专家夏禹龙、刘吉、冯之浚、张念椿等。早在1983 年第三次全国科学学和科技政策学术讨论会上他们就提出了“反求工程”的概念。近20 多年来，随着数字技术的快速发展和应用，给反求工程提供了前所未有的技术手段，直接导致反求工程的实践水平越来越高，反求工程的研究成果也越来越多，与之相配套的各种技术手段也趋于成熟。 反求工程的关键技术包括数据采集、数据处理，模型重建、模型精度分析等。为了更加全面的了解当今我国学者在各个领域所取得的进展，我选读了2010年至2011年所发表的部分论文，并将读后收获记录如下。 一、数据采集方面 数据采集即获取实体模型的几何参数，是反求工程CAD建模的首要环节。对自由曲面零件的测量是实现数据采集的有效手段。根据被测物的CAD模型是否已知，可将自由曲面的测量分为CAD模型已知的测量和CAD模型未知的测量。这两种测量的目的不同，测量的策略也有所不同：前者主要是为了检验和保证产品的精度要求；而后者主要是根据测量所获得的零件表面的测点数据实现曲面重建，以便利用CAD/CAM技术进行模型修改、零件设计、数控加工指令的生成及误差分析等处理。 对于CAD模型已知的自由曲面的测量，其关键问题是如何高效、可靠、安全地获取待测曲面的几何形状信息。对自由曲面进行测量时，采用等间距测量是最简单易行的测量方法，但为了保证测量准确度就必须缩小测量间距，这使得测量效率显著降低，并增加了后续的误差评定等工作的难度。一种理想的方法就是使测点分布的疏密随曲面曲率变化而变化，曲率越大，测点应越密；反之则越疏，从而较好地反映待测曲面的几何形状信息，实现测点的自适应分布。而对于CAD 模型未知的自由曲面零件的测量，应主要考虑如何根据已测点的信息来对自由曲
逆向工程技术的应用和发展
逆向工程技术及其发展现状 【摘要】本文介绍了逆向工程的基本概念，重点分析的逆向工程技术过程，阐述了现代制造业中逆向工程的的发展前景以及逆向工程技术的重要应用领域。本文对于我们正确认识逆向工程技术有一定的意义。 【关键词】逆向工程 CAD/CAM solidworks surfacer 反向 一、引言 在国外，逆向工程已经作为一种先进的设计方法被引入到新产品的设计开发工作中。我国也有许多企业应用逆向工程技术，对竞争对手的产品进行改进，以避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。所谓产品再设计，就是通过观察和测试某一种产品，对其进行初始化，然后拆开产品，逐一分析单个零件的组成、功能、装配公差和制造过程。这些工作的目的就是要充分理解产品的制造过程，并以此为基础在子系统和零件层面上，优化设计出一种更好的产品。美国的许多工程学院开设了逆向工程课程，教授学生用再设计代替原型设计，作为解决设计问题的一种方法。近年来，在汽车、电子产品等领域人们越来越多地采用逆向工程技术，来部分替代使用多年的原型设计方法。 二、逆向工程的概念 逆向工程（Reverse Engineering，RE）是对产品设计过程的一种描述。在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程我们可以称之为“正向设计”。逆向工程则是一个“从有到无”的过程。简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据（包括设计图纸或数字模型）的过程。 随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。
逆向工程关键技术
逆向工程数 据 机关节臂测量 程中的关键技术 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。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数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式 （Contact ） 和非接触式（Non-contact ）两种。 接触式包括三坐标测量机（CoordinateMeasuringMachining ，CMM和关节臂测量机；而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。 在接触式测量方法中，CMMI应用最为广泛的一种测量设备；CMMS常是基于力-变形原理, 通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊 要求，可达到很高的测量精度（土0.5卩m，对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。
随着电子技术、计算机技术的发展，CMM也由以前的机械式发展为目前的计算机数字控制（CNC型的高级阶段。目前，智能化是CMh发展的方向。智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略，其关键技术包括零件位置的自动识别技术、测量决策智能化和测量路径规划、CAD/CAM集成技术等。 随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展，该方法主要是基于光学、声学、磁学等领域中的基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。一般常用的非接触式测量方法分为被动视觉和主动视觉两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单，操作方便，成本低，可用于户外和远距离观察中，特别适用于由于环境限制不能使用特殊照明装置的应用场合，但算法较复杂；主动方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。 被动式非接触测量的理论基础是计算机视觉中的三维视觉重建。根据可利用的视觉信 息，被动视觉方法包括由明暗恢复形状（ShapeFromShading SFS、由纹理恢复形状、光度立体法、立体视觉和由遮挡轮廓恢复形状等，其中在工程中应用较多的是后两种方法。 立体视觉又称为双目视觉或机器视觉，其基本原理是从两个（或多个）视点观察同一景物，以获取不同视角下的感知图像，通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差（即视差）来获取景物的三维信息，这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的。 双目立体视觉的原理如图1.4所示，其中P是空间中任意一点，G、C2是两个摄像机的焦点，类似于人的双眼，R、P2是P点在两个成像面上的像点。空间点P、C、C2形成一个三角形，且连线GP与像平面交于P1点，连线CP与像平面交于R点。因此，若已知像点P1、P2,贝U连线CR和C2R必交于空间点P,这种确定空间点坐标的方法称为三角测量原理。 图1.4 立体视觉原理图 一个完整的立体视觉系统通常由图像获取、摄像机标定、特征提取、立体匹配、深度确定和内插6 部分组成。由于它直接模拟了人类视觉的功能，可以在多种条件下灵活地测量物体的立体信息；而且通过采用高精度的边缘提取技术，可以获得较高的空间地位精度（相对误差为1%~2%，因此在计算机被动测距中得到广泛应用。但立体匹配始终是立体视觉中最重要的也是最困难的问题，其有效性有赖于三个问题的解决，即选择正确的匹配特征，特征间的本质属性及建立能正确匹配所选特征的稳定算法。虽然已提出了大量各具特色的匹配算法，但场景中光照、物体的几何形状与物理性质、摄像机特性、噪声干扰和畸变等诸多因素影响，至今仍未有很好地解决。 利用图像平面上将物体与背影分割开来的遮挡轮廓信息来重构表面，称为遮挡轮廓恢复形状，其原理如图1.5 中所示。将视点与物体的遮挡轮廓线相连，即可构成一个视锥体。当从不同的视点观察时，就会形成多个视锥体，物体一定位于这些视锥体的共同交集内。因此，通过体相交法，将各个视锥体相交便得到了物体的三维模型。
逆向工程技术与应用研究
机械CAD /CAM 逆向工程技术与应用研究 姓名：李倩 学号：S2******* 专业：机械设计及理论
逆向工程技术与应用研究 摘要：随着社会的迅速发展，传统意义上的正向产品开发设计和制造模式已经不能满足企业的需要。逆向工程以产品开发周期大大缩短这一特点而在现代企业中的地位日益重要。随着逆向工程技术的不断发展，其应用领域也日益广泛。本文阐述了逆向工程的基本概念，介绍了主要的逆向工程硬件及商用软件，并重点介绍了数据测量、数据处理、模型重建等逆向工程中的关键技术，最后对逆向工程的发展前景进行了展望。 关键词：逆向工程；硬件；软件；关键技术；发展前景 1引言 由于零件形状十分复杂，很难准确地在CAD软件上设计出实体模型，而通过手绘或手工捏塑来设计产品，其原型很难完全在CAD软件中体现。在没有图样和参数情况下，用传统方法仿制产品较困难也不够准确，计算机模型比实体模型缺少“真实感”和可“触摸性”，市场上的许多三维CAD软件可能对某些产品造型设计而言，并不十分适用，况且计算机模型本身也需要检验。针对上述问题，提出逆向工程技术。逆向工程（Reverse Engineering，RE）产生于20世纪80年代末至90年代初，广泛应用于精密测量和质量检验领域，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造，称为“实物逆向工程”（简称逆向工程）。 2逆向工程概述 1980年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。1990年初期包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。逆向工程，也称反向工程、反求工程，广义的讲它是在已知某种产品的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）的条件下，以方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，回溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理性、改进的可能性等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行再创造；狭义
逆向工程关键技术
逆向工程关键技术（原型的数字化采集与点云数据的预处 理）的发展趋势 逆向工程技术(ReverseEngineering)，是20世纪80年代后期出现在先进制造领域里的新技术。与传统的“产品概念设计→产品CAD 模型→产品(物理模型)”的正向工程不同，逆向工程首先对实物原型进行数据采集，经过数据处理和曲面重构等过程，构造出实物的三维模型，然后再对原型进行复制或在原型基础上进行再设计，实现创新. 1.数据采集 实物的数字化是逆向工程实现的初始条件，是数据处理、模型重建的基础。该技术的好坏直接影响对实物（零件）描述的精确度和完整度，影响数字化实体几何信息的进度，进而影响重构的CAD曲面和实体模型的质量，最终影响整个逆向工程的进度和质量。所以，数字化测量方法的选择和研究对逆向工程至关重要。根据测量的方式不同，可以将三维测量设备分为接触式和非接触式两大类型。 1.1接触式数据采集 接触式数据采集方法是用机械探头接触表面，机械臂关节处的传感器确定相对坐标位置。最常见也是应用最广泛的接触式数据采集方法是三坐标测量机，当探针沿被测物体表面运动时，被测表面的反作用力使探针发生形变，这种形变触发测量传感器将测到的信号反馈给测量控制系统，经计算机进行相关的处理得到所测量点的三维坐标。一般来说，三坐标测量机可以对被测物体边界精确测量，同时不受被
测物体表面颜色和色泽的限制。其主要缺点是速度慢、效率低，摩擦力和弹性变形易引起被测件变形产生测量误差，对微细部分的测量收到限制，不适于对软质材料或薄型实体的测量。另外，探头有一定的半径，不能直接测出实体表面的坐标值，需要进行半径补偿。接触式数据采集的缺点限制了它的应用领域，随着测量技术的发展和市场的需要，产生了非接触式测量，其克服了接触式测量的一些缺点，是逆向工程中数字化测量的发展方向。 1.2非接触式数据采集 非接触式数据采集方法主要利用了光、声、磁场等原理。应用光学原理的方法采集数据块，细分有结构光法、激光三角形法、干涉法、图像分析法等。结构光法也称投影光栅法，其基本原理是将光栅投影到被测物体表面上，收到被测样件表面高度的调制，光栅影线发生变形。通过解调变形光栅影线，就可以得到被测表面的高度信息。它的主要优点是不用做半径补偿，测量速度快、获取的数据量大，对软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。缺点在于受物体表面颜色、斜率的影响较大。 2.点云 点云是一特殊的测量数据点，通常由手持式数字化系统和激光扫描仪获得，由于数据点的数量较通常的接触式三坐标测量机大得多，也称海量数据或点云，而且点云数据具有不同于接触式数据的一些特点，因此其处理方式也有所不同。点云是三维空间中的数据点的集合，最小的“点云”只包括一个点(称孤点或奇点，)，高密度“点云”可
逆向工程三维建模关键技术
. 逆向工程与快速原型技术 （综合技能训练及评价） 题目逆向工程三维建模关键技术 综合创新训练 姓名******* 学号*********** 专业班级机制**** 授课教师****** 分院机电与能源工程分院 完成日期**** 年**月*日 宁波理工学院
绪论 (3) 0.1什么是逆向工程 (3) 1.2逆向工程的基本操作步骤 (4) 第一章点云摆正综合练习 (4) 1.1目的和意义 (4) 1.2 点云数据摆正的原理及实现流程 (5) 1.3 点云数据摆正综合练习及具体实现步骤 (5) 第二章逆向建模特征线构建技术 (19) 2.1 目的和意义 (19) 2.2 曲面对齐与拼接的原理及实现流程 (19) 2.3曲面对齐与拼接综合练习及具体实现步骤 (19) 3.1 目的和意义 (40) 3.2 曲线构建的原理及实现流程 (41) 3.3 曲线构建及具体实现步骤 (41) 4.1 目的和意义 (45) 4.2 曲面重构的原理及实现流程 (45) 4.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (45) 第五章：点云数据修补综合练习 (51) 5.1 目的和意义 (51) 5.2 曲面重构的原理及实现流程 (52) 5.3点云拼接综合练习及具体实现步骤 (52)
第六章总结与反思 (60) 绪论 0.1什么是逆向工程 逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同,逆向工程是对已有的产品零件或原型进行CAD模型重建，即对已有的零件或实物原型，利用三维数字化测量设备准确的、快速的测量出实物表面的三维坐标点，并根据这些坐标点通过三维几何建模方法重建实物CAD模型的过程，它属于产品导向（product oriented）。逆向工程不是简单的再现产品原型，而是技术消化、吸收，进一步改进、提高产品原型的重要技术手段；是产品快速创新开发的重要途径。通过逆向工程掌握产品的设计思想属于功能向导。
逆向工程技术特点应用与分析
、逆向工程概述 作为产品设计制造的一种手段，在2(X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。特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，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, 并成为逆向工程技术应用的主要内容。
二、逆向工程组成 1?定义 逆向工程 (Reverse Engineering) 也称反求工程、反向工程等，是指^ 用一定的测量 手段对实物或模型进彳亍测量，根据测量数据通过 三维几何廷模方法，重构实物的CAD模型，从而 实现产品设计与制造的过程。
逆向工程框图
品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速 地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据 处理、曲面创建、三维实体棋型重构，然后通 过CAM 系统进行数控编彳 工机床或快速成型机来制造产品。 特 点 与传统的 “产品概念设计-＞产品CAD 棋 型—产品（物 理棋型广的正向工程相反 。逆向 工程是在没有设计 纸不完牟 而有样 ,直至利用CNC 加 pi 、 纸或
2、逆向工程结构组成 为产品三维信息t 扫描仪、Tritop 三 坐标测量设备戲…? .......... . .......... . ..... 价化和功能复合化的特点。 ?在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计 工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫播设备。 例如，材质为硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽 量使? （D 逆向工程技术的硬件条件 ? lllittliBI .......... ................. 向（逆向）技术的软硬件技术与设备“Atosll 流动式试 冬件。德国GOM 公司趣 光学 三维照相测量系统。英国LK 公司的精密三 接触式L 体现了检测设备的高速化.廉
逆向工程关键技术
1、３逆向工程中的关键技术 1、３、１数据采集技术 目前,用来采集物体表面数据的测量设备与方法多种多样,其原理也各不相同、测量方法的选用是逆向工程中一个特不重要的问题。不同的测量方式,不但决定了测量本身的精度、速度与经济性,还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。依照测量探头是否与零件表面接触,逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上能够分为接触式(Conｔａcｔ)与非接触式(Nｏn—cｏnｔacｔ)两种。 接触式包括三坐标测量机(Coｏrdinａte Mｅasｕring Machinｉng,ＣMＭ)与关节臂测量机;而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点与应用范围,具体选用何种测量方法与数据处理技术应依照被测物体的形体特征与应用目的来决定、目前,还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1、3所示。 在接触式测量方法中,CMM是应用最为广泛的一种测量设备;CMM通常是基于力-变形原理,通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形,检测出接触点的三维坐标,按采样方式又可分为单点触发式与连续扫描式两种。ＣMM对被测物体的材质与色泽没有特不要求,可达到特不高的测量精度(±０、5μｍ),对物体边界与特征点的测量相对精确,关于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特不有效。主要缺点是效率低,测量过程过分依赖于测量者的经验,特不是关于几何模型未知的复杂产品,难以确定最优的采样策略与路径。 ?
MM发展的方向、智能测量 ,其关键技术包括零件 CAＤ/CAＭ集成技术等。 被动式方法中无特不 操作方便,成本低,可用于户 , ,通过 依照可利用 ａpｅFrom Ｓhaｄｉｎ ,其中在工程中应用较多的是后两种方法。 立体视觉又称为双目视觉或机器视觉,其基本原理是从两个(或多个)视点观察同一景物,以获取不同视角下的感知图像,通过三角测量原理计算图像像素间的位置偏差(即视差)来获取景物的三维信息,这一过程与人类视觉的立体感知过程是类似的、 双目立体视觉的原理如图1、4所示,其中P是空间中任意一点,Ｃ 1、C ２ 是两 个摄像机的焦点,类似于人的双眼,Ｐ １、P 2 是P点在两个成像面上的像点。空间 点P、C 1、Ｃ ２ 形成一个三角形,且连线C 1 P与像平面交于Ｐ 1 点,连线C 1 P与像平面 交于P 2点。因此,若已知像点ｐ 1 、ｐ 2 ,则连线C １ P 1 与C ２ Ｐ 2 必交于空间点P,这种 确定空间点坐标的方法称为三角测量原理、
逆向工程技术及其应用参考.pdf
现代制造工程2007年第2期CAD /CAE /CA PP /CAM 3 逆向工程技术及其应用 李志新1,黄曼慧2,成思源3 ( 1 重庆大学 ,重庆 400030; 2 广东商学院信息学院 ,广州 510320; 3 广东工业大学机电学院 ,广州 510090) 摘要:表面数字化和三维CAD建模是逆向工程中的关键技术。对目前逆向工程中的表面数字化及CAD建模技术进行总结和分析,给出应用实例,并指出存在的不足和进一步发展的方向。 关键词:逆向工程; CAD建模;表面数字化 中图分类号: TP391文献标识码: A文章编号: 1671—3133 ( 2007) 02—0058—03 Reverse eng ineer ing techn ique and its applica tion 2 主 2 2 L i Zhi xin1 , Huang M an hui2 , Cheng Si yuan3 ( 1 Chongqing University, Chongqing 400030, CHN; 2 Guangdong B usiness College, Guangzhou 510320, CHN; 3 Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, CHN ) Abstract: Surface digitization and 3D CAD modeling are two key techniques in reverse engineering. The state of arts of these two techniques are summarized and analyzed, and the app lication examp les are also given. Finally the future development of reverse engineering technique is given. Key words: Reverse engineering; CAD modeling; Surface digitization 逆向工程技术( Reverse engineering technique)过分依赖于测量者的经验,特别是对于几何模型未知要包括两方面的研究内容[ 1, 2 ],一是实物表面数据的的复杂产品,难以确定最优的采样策略与路径。 获取,即表面数字化技术;二是对测量数据进行处理随着快速测量的需求及光电技术的发展,以计算 生成三维模型,即表面重建技术,国内外学者针对这机图像处理为主要手段的视觉测量技术得到飞速发两项内容也进行了大量的研究。下面分别对逆向工展[ 3, 4 ]。激光三角法是目前最成熟,也是应用最广泛 程中的数字化技术、CAD模型重建技术及软件技术的的一种主动式视觉方法。激光三角法具有测量速度 现状进行综述。快,可达到较高的精度(±10μm )等优点。其存在的 1 表面数字化技术主要问题是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感,存在由遮挡造成的阴影效应,对突变的台阶 高效、准确地实现样件表面的数字化,是实现逆和深孔结构易于产生数据丢失。 向工程的基础和关键技术之一。在逆向工程中,传统投影光栅法的基本思想是把光栅投影到被测物的数字化方法是采用接触式测量,其典型代表是三坐表面上,受到被测样件表面高度的调制,光栅投影线标测量机( Coo rdinate M easure M achine, CMM )。发生变形,变形光栅携带了物体表面的三维信息,通CMM 通常是基于力2变形原理 ,通过接触式探头过解调变形的光栅影线,从而得到被测表面的高度信沿样件表面移动,并与表面接触时发生变形检测出接息。投影光栅法的主要优点是测量范围大、速度快、触点的三维坐标。CMM对被测物体的材质和色泽没成本低、易于实现,缺点是精度较低(±0 02mm ) ,只, 可达到很高的测量精度( 0 5μm ) , 对能测量表面起伏不大的较平坦物体,对于表面变化剧有特殊要求± 1 1 物体边界和特征点的测量相对精确,对于没有复杂内烈的物体,在陡峭处往往发生相位突变,使测量精度 部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则大大降低。 零件反求特别有效。其主要缺点是效率低,测量过程由于以上方法均无法测量物体的内部轮廓,因而 3 广东省自然科学基金项目( 5300090 ) 58