反求工程的理解及应用

CAD 曲面构建
外形 修饰
批量 复制
模具 加工 模具 制作 RP 快速成型
CAM产生 NC指令
逐层产生 STL文件
图1 反求工程流程图
1.2 反求工程系统组成
建立一套完整的反求工程系统，必须配备下列设备： 1。 测量用探头：有接触式（） 非接触式（CCD扫描探头）
2。测量机构：三坐标测量机、多轴关节式机械臂
实物原型的数字化技术
一 接触式测量法——三坐标测量机(CMM)法 RE 传统上使用三坐标测量机(Coordinete Measuring Machine, CMM)法，又称探针扫描，它主要应用于由基本的几何形 体（如平面、圆柱面圆锥面、球面等）构成的实体的数字 化过程，适用于测量实体外部的几何形状。采用该方法可 以达到很高的测量精度（±0.5ì m），但测量速度很慢，并 易于损伤探头或划伤被测实体表面，而且价格较高，对使 用环境也有一定要求。采用这种方法会使测量周期大大延 长，从而不能充分发挥快速成形技术“快速”的优越性。 一般来说，CMM有两种不同的测量方式。 1. 点对点测量（Point to Point Method） 2. 截面扫描（Section Scanning Method）
1.4 反求工程的研究现状
反求工程技术是20世纪80年代初分别由美国3M公 司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出 并研制开发成功的。在越来越剧烈的市场竞争中， 这项技术早已被先进工业国家有远见的企业所采用， 从而使其在市场竟争中立于不败之地，特别是在家 电、汽车、玩具、轻工、建筑、医疗、航空、航天、 兵器等行业得到广泛的推广，并取得重大的经济效 益。
实物原型的数字化技术
三、全息干涉法测量技术 全息干涉法测量技术利用光的相干性原理， 当两束相干性好的光束在被测物体表面某一 点相遇时，其光波发生干涉，在形成的干涉 条纹中反映了物体表面的轮廓信息。记录这 些条纹（一般采用全息照相的方法），并用 再现光产生物光波的干涉条纹，测量出其相 位差，再由相位信息转换为物体表面的轮廓 信息。
实物原型的数字化技术
四、立体视觉法测量技术 立体视觉法是仿效人眼观察物体的方法。这种方法 绝大多数是采用2个摄像机摄取2幅图像并找出对应 点，通过这些点的匹配，得到物体表面某点与光学 成像中心之间的距离数据。为了得到比较稠密的数 据点，需要采用内插方法，从而得到被测物体的表 面轮廓信息。为了弥补两个摄像机的不足，有些系 统还采用3个甚至4个摄像机的测量系统。这种立体 视觉测量技术在通常情况下测量精度不高，其分辨 率在亚毫米数量级。其优点是能快速获得被测物体 信息，并可实现动态测量，因而主要应用与地形地 貌测量、机器人视觉、物体特征识别以及三维物象 分析等场合。
针对一现有的样品，利用3D数字化测量仪器准确、快速 地将其轮廓坐标量得，并加以构建曲面，编辑修改后，传至 一般的CAD/CAM系统，再由CAM产生刀具的NC加工路径送 至CNC加工机械制作所需的模具，或者送到快速成型机（RP） 将样品制作出来。这一过程称为反求工程。
其流程图如下：
样品
3D 扫描
资料 处理
由于相位的变化正比于光束的光程差，所以全 息干涉法的测量分辨率可以小到光波的百分之一， 但需要相干性好的激光光源和精确的干涉光路，其 测量范围较小，在100μｍ以内。外差全息干涉法能 得到很高的测量精度，但其代价是极慢的测量速度 和价格昂贵的系统成本。准外差方法的测量精度比 外差方法低一个数量级，但其光路简单，测量速度 相对较快。全息干涉法主要应用于微应变、微缺陷、 微结构的检测，而其测量范围又决定了被测表面必 须是平滑而缓变的。
3。点云处理软件：滤杂讯、曲线曲面重构、曲面修改、插补 4。CAD/CAM软件：PC级CAD/CAM系统 5。CNC机械：进行模具加工制造 6。快速成型机：SLS、LOM、SLA等
1.3反求工程的关键技术



反求工程包括实物表面三维坐标数据的测量技术(即实物原 型的数字化技术)和CAD模型重建两个关键的技术。 原型数字化技术是指通过坐标测量机(Coordinate Measuring Machine,简称CMM)或激光扫描器等测量装置 获取零件原型表面点三维坐标值的过程。通过测量实物表 面特征点，记录下反映实物外形的特征数据，实现实物模 型的数字化离散。一般测量装置仅能获取原型表面点的坐 标值(x,y,z)经过特殊设计的测量装置和测头系统还可以获 取表面点处原型表面的法矢方向。 CAD模型重建是指在原型数字化所获得的测量坐标点的基 础上，应用计算机辅助几何设计(Computer Aided Geometric Design,简称CAGD)的有关技术，构造原型CAD 模型的过程。一般包括数据点的预处理、特征线的提取、 曲面生成、曲面光顺、CAD模型生成等过程。
实物原型的数字化技术
六、工业CT层析法测量技术 计算机断层扫描（CT）法测量技术 是利用不同物体对Ｘ射线吸收系数不 同的特点，采用数学方法经过计算机 处理重建物体断层图像。该方法最早 应用于医学领域。目前工业领域已对 工件内部形状、结构、壁厚等进行测 量，形成了工业CT(ICT)。
世界上第1台CT层析成像扫描器是由英国人 Hounsfield研制成功，并应用于医学临床诊断。随后， 美国军方首先提出研究计划，开发检测大型火箭发 动机或小型精密铸造的CT设备，经过20年的发展， 工业CT已成为专门的研究分支。20世纪80年代初， 我国的清华大学、重庆大学、中科院高能所等单位 也陆续开展了CT技术的研究，开发出了基于射线源 的工业CT装置，并进行了一些实际应用。工业CT层 析法，是目前极具发展前途的一种非接触式断层测 量方法，它可用于工业产品的无损检测和探伤，能 对物体内部结构进行测量。但特别针对中空物体的 三维无损测量，存在空间分辨率较低，获得数据需 要较长的积分时间，重建图像计算量大、造价高， 只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点，因此用 它实现被测物体CAD模型的精确重构还存在着很大 的距离。
在国际市场上，不仅有许多反求测量设备，也出现了 多个与反求工程相关的软件系统，主要有:美国 Imageware公司产品Surfacer、英国DeICAM公司产 品CopyCAD、英国MDTV公司的STRIMand Surface Reconstruction、英国Renishaw公司的 TRACE，在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开 始集成了类似模块，如Unigrahics中的PointCloud 功能、Pro/Engineering中的Pro/SCAN功能、 Cimatron90中的Reverse Engineering功能模块等。 日本开发了从MRI, CT重构三维实体的软件，英、 法等国能将扫描数据在数控设备上复制，美国开发 了CT可视化可转成IGES的软件。
近三十年来，反求工程不但在理论上(以各种曲面 重构算法为代表)得到广泛的研究，同时还涌现出 一批商用软件，或多或少地提供了一些逆向工程的 功能。如美国的SURFACER, REVENG，英国的 DESAULT，法国STRIM10。软件DGM程序包等， 这些软件提供许多真正实用的曲面反求操作手段， 但在功能覆盖域、自动化程度、稳定性、与其他 CAD系统的兼容性等方面还不够成熟，特别是智能 化程度很低，更多的工作必须由熟练掌握反求构型 技巧的操作人员来实现，例如需要通过人机交互给 定曲面的边界、节点数、阶数等参数条件，对操作 人员的技术要求很高，所需要的造型时间也相当可 观。
实物原型的数字化技术
二、断扫描层法测量技术 为了获取物体三维轮廓信息，包括内部形腔信息，近年来 人们提出了一种逐层去除材料逐层获取截面图像的反求测 量技术，即层去图像法测量技术。这种测量技术是一种破 坏性的测量技术，其原理是：利用一种与被测物体具有很 大灰度对比的材料，如添加了石墨或颜料的树脂材料将待 测物体进行充填包埋，待树脂固化后，利用数控铣床进行 微进刀量 （如0.1ｍｍ） 逐层去除被测物体的材料， 逐层用图像采集设备（如扫描仪或CCD摄像机）获取截面 图像，并对图像进行滤波、边缘提取、纹理分析及二值化 等，取得被测物体每层轮廓的数字化信息。这种技术可对 孔及内腔的工件进行测量，具有测量精度高、数据完整、 可自动测量等特点。
实物原型的数字化技术
七、超声波断层法测量技术 对超声波而言，不同的介质有它特定 的声阻抗和衰减特性，当超声波脉冲 到达被测物体时，其在两种介质边界 表面会发生回波反射，通过测量回波 与零点脉冲的时间间隔，即可计算出 各面到零点回波的距离，利用这些特 征便可对物体进行断层数字化测量。
实物原型的数字化技术
八、核磁共振图像法测量技术 核磁共振断层成像法（MRI）是20世纪70年代 末发展起来的一种新式医疗诊断影像技术，其 理论基础是核物理学的核磁共振理论：用特定 频率的射频脉冲进行激发，作为小磁体的原子 核吸收一定的能量而共振，即发生了共振现象。 停止发射射频脉冲，则被激发的原子核就把所 吸收的能量逐步释放出来，其相位和能级都恢 复到激发前的状态，这一恢复过程称为弛豫过 程，而恢复到原来平衡态所需要的时间被称为 弛豫时间。对于不同的物体，它的弛豫时间是 有差别的，这种差别便是MRI的成像基础。
实物原型的数字化技术
五、相位移法测量技术 当透射一幅光栅到物体表面时， 由于受到物体表面形貌的调制作用， 光栅图像将发生变形，这时物体的 轮廓信息转化为光栅条纹的相位信 息，通过相移的方法就可以将二维 变形条纹图转化为物体的三维形貌 信息。
相位移法测量技术具有测量精度高，并且是 全场测量等优点，是一种较为理想的三 维物体轮廓测量技术，但该方法系统构 建相对复杂，还需透射标准的正弦分布 光栅图像，这一点很难做到，而被测物 体表面往往不是理想的散射面，图像采 集系统得到的是失真的正弦分布图，导 致测量精度下降。又由于相位解算采用 反正切公式，因而存在相位解包裹问题， 致使算法相对繁琐，由于上述问题的存 在，该方法目前离工程实际应用尚有一 段距离。
反求工程概论
1.1反求工程的基本概念
1.2 反求工程的系统组成
1.3反求工程的关键技术
1.4反求工程研究的现状
1.5反求工程的应用领域 1.6反求工程技术的发展趋势
1.1反求工程的概念
顺向工程（ Forward Engineering）
概念（构思）－（零件）设计－制造－产品（检验）
反求工程（Reverse Engineering）
实物原型的数字化技术
九、结构光法测量技术 结构光测量技术是基于三角测量原理的非接触 物体测量技术。由于光源出射点、透射点和接 受点呈几何三角关系，故此得名。首先，由光 源系统形成结构光，透射到具有一定距离的被 测物体表面上，而与结构光成一定角度的位置 传感器（如CCD摄像机、PSD等）摄取经物体 表面形状调制的变形图像信息，经由信号转换 电路（如图像采集卡等）把图像模拟信号转化 为数字图像信号输入计算机进行一系列数据处 理，解调图像即将位置传感器上的图像位移量 转换到被测物体表面的物理坐标值，以获取物 体的三维数字化轮廓信息。
CCD结合三种激光光源：
待测物 待测物 待测物
Len
Len Len
laser CCD
laser
CCD
laser
CCD
单点激光
线激光
激光条纹
图2. 非接触三角测量探头原理
其中：线激光光源是现在最流行的且应用最光的测量方法
1. 单点激光光源测量装置： 雷尼绍（Renishaw）公司的Cyclone Serier 2.如图
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HRE-I三维激光扫描系统
英国 3D Scanners 公司的 REPLICA 激光快速扫描仪
1.3 反求工程的关键技术
2. CAD模型重建
CAD模型重建是指在原型数字化所获得的测 量坐标点的基础上，应用计算机辅助几何设 计(Computer Aided Geometric Design,简称 CAGD)的有关技术，构造原型CAD模型的过 程。一般包括数据点的预处理、特征线的提 取、曲面生成、曲面光顺、CAD模型生成等 过程。
这种技术具有深入物体内部而不破坏被测物体的优点，对生物 体也无损害，在医学领域具有广泛的应用前景。这种方法的 不足之处是只停留在对生物组织的断层测量上，目前非生物 材料的工业产品不适应，空间分辨率不及ＣＴ 层析法，且 测量时间长，设备昂贵。 然而该方法测量速度慢，且 由于各种回波比较杂乱，必须精确地测量出超声波在被测材 料中的传播声速，利用数学模型的计算来定出每一层边缘的 位置，特别是若物体中有缺陷，将受物体材料及表面特性的 影响，致使测量出的数据可靠性较低测量精度不稳定。目前 该方法主要应用于医学领域，对人体器官进行断层扫描检测。 相对于ICT或MRI而言，其设备简单、成本较低，同时超声 波在高频下具有很好的方向性，它在三维扫描测量中的应用 前景正在日益受到重视。