反求技术的应用和发展

反求技术的应用和发展
院（系）材料科学与工程
专业材料加工工程
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2010年5月15日
反求技术的应用和发展
摘要:阐述了再制造工程中反求技术的基本概念及其应用，介绍了反求技术中几种主要测量方法的基本原理和特点，并对其精度、速度和适用范围作了分析和比较，同时介绍了三维表面重建的几种常用方法，提出了反求技术在再制造工程中的应用。

关键词：再制造，反求技术，三维测量，三维重建
1.绪论
首先介绍了反求工程的基本概念，进而介绍了与此相关的快速实物测量技术、快速曲面建模技术、快速加工技术的国内外发展现状，最后通过分析与比较，结合实际实验条件确定本课题的研究内容及实验方法。

1.1引言
在计算机技术飞速发展的今天，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。

我们从上游厂商接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型。

但是，由于各种原因，我们所面对的可能并非CAD的模型，而是实实在在的实物样件，有时甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍。

我们必须通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物(产品原型或油泥模型)转化为计算机上的三维数字模型，即所谓的反求工程(ReverseEngineering)[1]。

近年来，随着我国经济的进一步发展，引进了不少国外的先进技术和设备，随之而来的一个问题是如何深入研究、消化、吸收这些先进技术，探索引进产品中的关键技术，然后在此基础上改进、创新、开发出符合我国国情的先进产品，形成自己的技术体系，增加自力更生、振兴经济的能力。

反求工程技术的研究正是在这基础上发展起来的。

当前，世界各国在经济技术发展中，应用反求工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。

据统计，各国百分之七十以上的技术源于国外，反求工程作为掌握技术的一种手段，可使产品研制周期缩短百分之四十以上，极大提高了生产率。

因此研究反求工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平的提高，具有重大的意义。

反求工程的应用领域大致可分为以下几种情况：
（l）在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件[2]。

（2）当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。

比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初始设计模型的基础上经过各种性能测试(如风洞实验等)建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求的根据。

（3）在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果。

此外，如电脑仿型、礼品创意开发等都需用反求工程的设计方法。

如果从狭义上讲，反求工程主要指的是现代快速化的反求工程。

它起源于二十世纪九十年代，主要伴随着现代测量、计算机、现代制造等相关技术发展起来的。

如果没有与此相关技术的发展，反求工程就没有如此长足的进步，在这里我们所指的反求工程技术主要包括快速实物测量技术、快速几何建模、快速加工技术三方面[3]。

1.2快速实物测量概述
测量反求技术是利用三维数字化仪、激光三维扫描技术或自动断层扫描技术快速、准确、自动地测取实际产品的形状数据、零件表面和内部尺寸，在计算机内拟合成CAD模型，实现产品形体重构。

目前，数字化方法主要分为接触式测量和非接触式测量两类，接触式测量是指测量头与实物表面有接触，采用的设备主要有:三坐标测量机、数控机床(NC)加上测量装置、专用数字化仪等。

这种方式比较成熟，但测量速度和精度比较低，而且不适合柔软实物的测量。

随着计算机和光电技术的发展，以计算机图象处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展，如光栅法和激光三角形测量等[4]。

1.2.1三坐标测量及测头
产品几何形状测量可以在三坐标测量机上进行，根据三坐标测量机驱动系统的不同分为两类测量系统:手动三坐标测量系统和数控三坐标测且系统，测头的分类也是多一种多样的，早期三坐标测量机大多使用固定刚性测头，这种测头存在着严重的缺陷，不能用在数控三坐标测量机上，当前常用的测头是电感式、电
容式或光栅式的三维位移接触式测头，这类测头可用于自动测量，如英国著名的测头生产厂家REN工SHAW公司生产的各种三维测头;大连理工大学研制的三维电感测头等.然而这些接触测头仍然存在一定缺陷:①尽管测童时测头与被测物之间的接触压力很小，但仍然存在着一定的接触压力，对于某些质地柔软的物品必然产生测量误差;②由于接触压力对被测对象的干扰，使得三维补偿问题并没有得到彻底解决[5]。

1.2.2测量方法概述
三坐标测量在测量方式上可分为接触式测量和非接触式测量两种。

由上所述，鉴于接触式测量本身所固有的缺陷，世界各国在非接触式测量方法中开展了广泛研究，并取得了大量的实践经验。

非接触式测量具有三大优点:①对被测表面没有任何干扰，不会在测量过程中划伤工件表面:②对被测表面的硬度要求很低，可直接对高弹性、柔软物体(甚至液体)表面进行测量;③没有测头半径三维补偿问题。

它避免了接触式测量中的几乎所有缺陷。

非接触式测量根据测量原理的不同，大致可分为光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。

其中光学测量方法在反求工程中最为常用和较为成熟。

激光非接触式测量。

这种测量方法是根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，将其投射到物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接受激光的反射，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系获取深度信息这类测量仪精度高、速度快、和零件表面无接触，在数控仿形加工、模具制造、生产线实时在线检测等领域具有广阔的应用前景。

这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，再根据不同位置的断层图像来建立物体的三维信息。

由于其具有对内部结构的透视能力，能非接触、不解体地实现物体内部结构与形状测量分析，所以有着很好的应用前景[6～9]。

1.2.3数据获取方法分析与对比
三坐标测量机的突出优点是测量精度高(分辨率达到1.0林m~。

.1四)，但其最大缺点是测量速度慢。

随着反求工程和快速成型制造技术的迅速发展，对三维物体形状进行快速精密测量的需求越来越大。

从工业中非接触测t三维形状方法的应用来看，漫反射光接受的三角法是使用最为广泛的方法。

目前，对该方法的研究主要集中在精度及性能价格比的提高上。

由于工业TC具有很强的造型能力，是
测量没有备件和复制品的具有复杂内部结构的实物的唯一方法，同时还具有简捷、快速等优点。

因此，将其应用于反求亦有着广泛的前景[10]。

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1.3快速几何建模技术
1.3.1曲线曲面造型技术
机械设计与制造的反求工程中，自由曲面的测量与描述是极其重要的。

特别是对测量数据的处理和CAD建模，一直是传统反求工程的“瓶颈”问题，有许多问题仍需进一步研究。

目前，由于激光测量技术和激光快速成形技术的出现，推动了反求技术的进一步发展。

把实物经过数字化处理后得到的是大量密集的原始测量数据(数据量往往高达几兆、几十兆甚至上百兆)，数据之间通常没有相应的、显式拓扑关系，只是一大群空间散乱点(数据云)，这当中还包括大量无用的数据。

因此，首先必须进行数据的滤波、拟合、重建和消隐等处理过程，然后通过适当的算法把这些经过处理的数据拟合成CAD模型。

在实际的反求过程中，我们遇到的零件的表面可分为规则曲面和自由曲面:规则曲面是能够用单一函数表达的曲面，比较容易测量和建模;而自由曲面不能够用单一的函数来表达，普通的测量手段己难满足要求，其参数也不能直接给出，而且建模过程中也不能够用单一曲面来拟合与造型，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等混合而成，因而要分块构造。

目前有三种曲面构造方案:其一是以四边域曲面即B一Spline 或NURBS曲面为基础的曲面构造方案;其二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案;其三是以多面体方式来描述曲面物体。

其中以前两种方案应用为多[11～13]。

1.NURBS曲面
在反求工程中，型值点数据有大规模、散乱的特点，其B样条曲面的拟合有其自身特点，因而，在B样条曲面拟合中，需研究的首要问题是单一矩形域内曲面的散乱数据点的曲面拟合问题。

在众多的研究中，weyiniMa&.JPKRruth的工作较具代表性。

他们首先根据边界构造一个初始曲面，然后将型值点投影到这个初始曲面上，接着根据投影位置算出其参数分布，从而解决散乱数据的参数分配问题。

根据这一型值点参数分配拟合出一张新的NURBS曲面，然后再对型值点参数进行优化，使所拟合曲面离给定型值点误差最小。

在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面混合而成(如过渡、相交、裁减等)，因而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其模型的精度的，于是
人们采用不同的方法来处理数据的分块问题，对于图象形数据(具有x列)特点的数据，BSkarar&C一HMenq运用图象处理的原理，获取曲面的特征线，然后根据这些曲线划分为不同的块，每块用B样条曲面拟合，最终将所有块拼接成一个整体。

及varday等人提出一种四叉树方法，首先构造一张整体的曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一小块进行处理，直至所有小块均满足要求为止。

另一种方法则是基于曲线网格，首先估算各型值点的局部性质，找出特征线(如尖角等)，将特征线拟合成曲线网格，对每一网孔构造一张曲面，使网孔内部的点与其对应曲面具有最佳的逼近性，最终将所有曲面片实行光滑拼接。

CBardlye&GWVikcer等则提出一种两不方案，首先用函数方法，如ShPedar插值等构造插值于测量点的曲面的数学模型，然后在曲面上构造拓扑矩形网格，交互定义特征线，利用此矩形网格数据构造曲面。

19%年，他们又提出另外一种称为OrthogonalCorssSection(CoS)的方法，首先对每块测量数据进行三角剖分，得到几张插值于测量点的基于三角平面的曲面模型，然后用三组正交的等间隔的平行平面与上述曲面求交，在各条交线的交点，即得到所谓OCS模型。

然后利用根据网面格建立曲面的方法构造曲面。

在以NURBS曲面为基础的曲面构造中，能够构造出作为标准的NURBS曲面，并且其最终的曲面表达形式也较为简洁。

但由于建立在两次优化计算基础上的曲面构造对曲面的光顺性难以保证、计算量也很大，而且曲线网格的建立、分块等很难自动完成，需要较强的交互参与。

其次曲面构造的精度较难控制，在所介绍的算法中，往往是若不能满足要求，则必须从头开始重算，而且OCS模型外，不能处理多视的拼合问题[14～18]。

2.三角曲面
在反求工程中，三角曲面由于其构造灵活，边界适应性好的特点，一直受到重视。

在三角曲面的应用研究中，重点集中在如何提取特征线、如何简化三角形网格和如何处理多视问题上，1994年，XinCben&F~15schnlitt在研究图象形数据的曲面重建时，首先利用型值点估算出曲面的局部几何性质，得到曲面的特征线(阶跃、尖角及曲率极值)，并以这些特征为基础建立初始的三角形网格，然后将自适应递增地、有选择地将型值数据插入三角形网格，三角划分中，未用到的点都当作冗余数据。

最后，通过三角曲面构造得一张光滑的曲面。

1995年，HyungunPaK&Kwnaqsookim提出了一种自适应的光滑曲面逼近大规模散乱点得方
法，他们用分段三次Bezeir三角代数曲面作为最终输出结果，而使各三角曲面片之间达到跨边界连续。

该方法从插值于产品的边界曲线开始，不断插入最大误差点来精化逼近曲面。

直到所有测量点都在规定的误差内，曲面的自适应逼近结束，若逼近的允许误差为O，则曲面插值于所有数据点。

这种方法概念简单，数据压缩量大，并在加点的过程中不需要对整各曲面进行重构，而只改变相关影响域，因而速度快，但是，在这一方法中采用非参数的形式，逼近结果受到坐标系的影响，并且只能适应单值曲面，同时，由于曲面内的点之间的连接关系(指特征)没有在自适应的网格划分中考虑，因而在逼近曲面中[19]。

2逆向工程的概念以及应用
2.1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。

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2-1所示。

图2-1正向工程开发流程图
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。

逆向工程的流程如图2-2所示。

广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统过程。

目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即
重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。

这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最规格确定设计CAD模型图纸制造检测多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。

为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，以期利用计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture，CAM)、快速成型制造和快速模具(Rapid Prototyping Manufacture／Rapid Tooling，RPM／RT)、产品数据管理(Product Data Management，PDM)及计算机集成制造系统(ComputerIntegrate Manufacture System，CIMS)等先进技术对其进行处理或管理。

同时，随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。

目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。

在这一意义下，“实物逆向工程”(简称逆向工程)可定义为：逆向工程是将实物转变为CAD模型数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称[20～22]。

图2-2逆向工程开发流程图
2.1.1逆向工程在实际中的应用
在制造业领域逆向工程有广泛的应用背景。

在下列情形下，需要将实物模型转换
为CAD模型：
(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD 模型。

(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，例如汽车外形设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD 模型。

(3)由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性能分析，还不能完全由CAE来完成，往往需要通过试验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需要反复试冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。

若将最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。

(4)目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了模型，继而在CAD模型基础上设计模具。

(5)艺术品、考古文物的复制。

(6)人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。

(7)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，须首先建立人体的几何模型。

(8)在RPM的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设
计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。

燕山大学工学硕士学位论文
2.1.2逆向工程与技术引进
市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。

如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对
策，充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。

事实证明，技术引进是吸收国外先进，促进民族经济高速度增长的战略措施，据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常途径就是通过逆向工程。

实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴。

引进技术的应用和开发一般分为三个阶段：
(1)使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在生产中发挥作用。

对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及不足之处，即做到“知其然”
(2)消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理方法等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定，了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术，即做到“知其所以然”。

(3)创新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学研究，通过移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并争取进一步实现某些技术从输入到输出的转化。

由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类“研究”对象。

在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的。

对于其他具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式，如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制作1：1的木或油泥模型，然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、完善，最后经CAM完成模具。

2.2数字化方法与技术
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。

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。

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，见图2-3。

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。

图2-3实物数字化方法
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。

(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。