反向工程与快速成型原理

SHANGHAIJIAOTONGUNIVERSITY课程：快速原型与反向工程学生姓名:XX学生学号:XXXXXXXXXXXXXX学生专业:XXXXXXXXXXXXX学院(系):XXXXXXXXXXXXXXXXXX反向工程技术综述XX(1.上海交通大学大学,XXXXXXX研究院，XXXXXXXXX)摘要:随着计算机技术和测量技术的发展，直接以实物为参考反求其模型的反向工程技术成为制造业的发展热点，快速、准确的构建反向模型能极快的提高产品设计效率。

本文首先简要介绍了反向工程技术的定义和工作流程，然后详细的介绍了包括数据测量技术、数据处理技术和曲面重建技术的技术构成。

最后对其发展趋势做出了展望。

关键字：测量技术；数据处理；曲面重构1.引言1.1.反向工程的概念反向工程可定义为将实物转变为CAD模型,进而制造出同类新产品的相关数字化技术和几何模型重建技术的总称[1],其系统构成如图1[2]。

逆向工程技术的研究对象为产品实物,主要应用领域为快速模具制造、产品快速原型等,关键技术包括形状表面数字化、三维模型重建、数字化制造、逆向工程集成系统等[3]。

图1反向工程系统图2.反向工程技术构成2.1.测量技术（1）接触式测量[4]接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。

接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。

触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。

常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。

采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。

但由于测头的限制,不能测量到被测零件的一些细节之处,不能测量一些易碎、易变形的零件。

另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。

（2）非接触式测量非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。

非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。

非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23000次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。

但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。

该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。

（3）逐层扫描数据测量[5]前面介绍的两种方法虽然应用很广,但是存在无法测量物体内部轮廓的缺陷。

为了解决这一问题,一个很好的方法就是采用断层数据测量法。

目前断层采集法分为非破坏性测量和破坏性测量两种。

非破坏性测量主要有CT测量法、MRI测量法、超声波测量法等,这些方法可对零件表面和内部结构进行精确测量,测得的数据点密集、完整,并包含了所测零件的拓扑结构,是一种无损测量,但其精度比较低,目前最小的厚度只能达到1mm。

此外CT和MRI 的成本高,对环境的要求也高,再加上可测零件的尺寸和材料都有限,因而不能广泛应用于三维物体的轮廓扫描。

破坏性测量主要有层去扫描法等,文献[16]介绍了美国CGI公司开发并申请了专利技术的一项专利技术:自动断层扫描仪(AutomaticCrossSectionScanning,ACSS)。

该技术采用材料逐层去除与逐层光扫描相结合的方法,能快速、准确、自动地测量零件的表面和内部的尺寸。

但是这种方法为破坏性的测量,对于贵重物品不宜采用,同时它的测量速度也很慢,一般需要8～9h。

2.2.数据处理技术[5]数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。

根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。

因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理。

数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。

每个CAD/CAM系统都有自己的数据格式，目前流行的CAD/CAM软件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了CMM与CAD/CAM系统的数据通讯。

目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准（IGES、STEP、AutoCAD的DXF等）来实现数据通讯。

在逆向工程实际的过程中，由于坐标测量都有自己的测量范围，因此无论我们采用什么测量方法，都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次完全测出。

产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对齐（多视点云的拼合）。

多视数据的对齐主要可以分为两种：通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐；事后数据处理对齐。

采用事后数据处理对齐又可以分为：对数据的直接对齐和基于图形的对齐。

对数据的直接对齐研究研究中，出现了多种算法，如ICP算法；四元数法；SVD法；基于三个基准点的对齐方法等。

数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果。

目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。

其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。

因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。

运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。

实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下减少数据量，对点云数据进行精简。

目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。

数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数据域，为后续的模型重建提供方便。

数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。

目前的分割方法有：基于参数二次曲面逼近的数据分割方法；散乱数据点的自动分割方法；基于CT技术的数据分割方法。

2.3.曲面重构技术（1）曲线拟合造型用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。

曲线是构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。

优点是原理比较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合比较简单的曲面。

（2）曲面片直接拟合造型该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。

曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。

算法有：基于有序点的B样条曲面插值；B样条曲面插值；对任意测量点的B样条曲面逼近。

（3）三角曲面拟合法目前主要有三角bezier曲面法,它具有构造灵活、边界适应性好的特点,优点主要是概念简单、数据压缩量大,并在自适应曲面逼近的过程中不需要对整个曲面进行重构,而只改变有关区域,所以速度快。

缺点在于所构造的曲面模型不符合产品描述标准,与现有的CAD/CAM 软件系统接口很难,并且这种方法生成的三角网格数目一般都很庞大,需要用专门的算法对网格进行简化处理。

为了克服这些缺点,文献[6]中提出一种基于三角Bezier曲面模型初始表达的跨平台产品逆向工程CAD建模策略,既能利用三角Bezier曲面的优势,又能有效地与通用CAD软件集成。

文献[7]针对逆向工程中三角曲面片逼近过程遇到的曲面片内部点不足问题,提出了一种基于局部三角Bézier曲面片逼近的点插补算法。

利用该算法插补所得的点,不仅精度比较高,而且分布也比较均匀,非常适合后续曲面片构造的需要。

3.展望[8]逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。

但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：（1）数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；（2）数据的预处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；（3）曲面拟合：能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；（4）集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。

参考文献：[1]金涛,陈建良,童水光.逆向工程技术研究进展[J].中国机械工程,2002,13(16):1430-1436.[2]平雪良,周儒荣,安鲁陵.逆向工程技术及其应用[J].科技与经济,2003,16(2):61-64.[3]金涛,童水光.逆向工程技术[M].北京:机械工业出版社,2003.13(16):1400-1416.[4]周建强,李建军,王彬.逆向工程技术的研究现状及发展趋势[J].现代制造技术与装备,2006,16(3):3-5.[5]张海,周新建.逆向工程中关键技术的研究现状和发展趋势[J].河南科技大学学报(自然科学版),2005,26(4):25-28.[6]陈志杨.基于三角曲面的逆向工程CAD建模方法[J].中国机械工程,2003,14(8):698-701.[7]邱泽阳,肖双九,宋晓字,等.基于三角Bezier曲面局部逼近的3D点插补算法[J].西北工业大学学报,2002,20(3):497-501.。