逆向工程关键技术

逆向技术
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
误差分析
影响误差的主要要素： （1）产品原型误差 （2）数据采集误差 （3）曲面重构时产生的 误差 （4）模型配准误差
逆向技术
误差分析——产品原型误差
逆向技术
由于逆向工程是根据实物原型来重构模型的，但原产品在制造 时会存在制造误差，使实物几何尺寸和设计参数之间存在偏差，如 果原型是使用过的还存在磨损误差。
2.2逆向工程工作流程
点数据 体素
三维测量
数据处理
建构曲 线曲面
实物样件
CAM系统 NC编程
三维 重构
几何模型
STL 分层 RP 制造
RP-快速成形系统
图1.1 逆向工程体系结构图
2.3逆向工程软硬件
测量设备 逆向设计软件
接触式三坐标测量仪
非触式三坐标测量仪
工业CT测量机
逆向工程软件：Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、 ICEM Surf、Copy CAD 等 CAD/CAM系统类似模块，UG—Unigrahics、 ProE—Pro/SCAM、 Cimatron90—PointCloud等
点云图
三维模型
三维重构—常用方法
目前成熟的模型重构方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲 面表示可分为： 按数据类型：分为有序点和散乱点的重构； 按测量机的类型：分为基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据 的重构； 按造型方式：可分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合； 按曲面表示方法：分为边界表示、四边B样条表示、三角面片和三角 网格表示的模型重构等。 在模型重构之前，应详细了解模型的前期信息和后续应用要求，以 选择正确有效的造型方法、支撑软件 、模型精度和模型质量。前期信 息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加 工、制作模具、快速原型等。
测量数据预处理— 数据分割
数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类 型的数据成组，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后 续的曲面模型重建提供方便。 常用方法： 1. 基于测量的分割 2. 自动分割
测量数据点
数据点分割
拟合29个二次曲面
线框图
渲染图
测量数据预处理— 数据分割实例
测量数据预处理— 坏点去除
坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环 境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数 据失真。 坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先 就是要去除数据点集中的坏点。 常用方法如下： 1. 直观检查法 2. 曲线检查法 3. 弦高差法
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
坐标配准
实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准 备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。 测量数据模型与CAD模型间的配准重点： 选择基准 坐标变换
测量数据预处理— 数据平滑
由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果 包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行 平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响 平滑的效果。 通常采用的滤波算法： 1. 标准高斯(Gaussian)法 2. 平均(Averaging)法 3. 中值(Median) 法，
数字化测量— 测量设备
来自百度文库
接触式测量
非接触式测量
数字化测量— 测量设备
逆向技术
基于平板探测器X射线成像系统
医学CT测量
测量实例
涡轮叶片模具型面数据
涡轮叶片模具边界数据
共采集数据点24500个 。
测量实例
蒙皮模具（ 长5m） 共采集数据点341212个
成型面点云图
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
第二章
逆向工程
河北联合大学机械学院 程相文
2.1逆向工程概述 2.1.1逆向工程背景
20世纪60 年代，日本为了恢复和振兴经济，提 出科技兴国和大力发展制造业的方针：“一代引进， 二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”， 并对机床、汽车、电子、光学设备和家电等行业的发 展给予优惠政策。 日本政府和企业普遍认为对别国先进产品和 先进技术的引进、消化、吸收、改进和挖潜，是自身 发展的一条捷径。观点很快被事实验证，由此引发了 逆向设计（Reverse Design）的概念。
2.1.2逆向工程定义
逆向工程与正向工程的区别
市场调研、设计要求 设 计 制 造 产 品
正向设计是由未知到已知，由想象到现实的过程
已有的产品信息
消化、理解、再创新
新产品
逆向工程是已有设计的设计
2.2逆向工程工作流程
逆向工程由离散数据获取、数据处理与曲面重构、快速制 造三大部分组成（其体系结构如图2.1所示）。包含三维数 据测量、数据预处理和曲线曲面重构三大关键技术。 逆向工程的过程（五个阶段） ： 样件三维数据获取 数据处理 原形CAD模型重建 模型评价与修正 快速制造
2.4 逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
数字化测量
数字化测量是逆向工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模 、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。
三维重构
在逆向工程中，实物的三维CAD模型重构是整个过程最关键、最 复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造 仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD模型的支持。这些 应用都不同程度地要求重构的CAD模型能准确还原实物样件。整个环 节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬件和 操作者两个因素的影响。
2.1.1逆向工程背景
明确提出逆向工程（Reverse Engineering）这个术语 并作为一门学问和实用技术进行系统研究则是近30年的事 情。 逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手 段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。作为产品设 计制造的一种手段，在20世纪90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。
实际零件
测量点云
原型误差一般较小，其大小一般在原设计的尺寸公差范围内。
误差分析— 数据采集误差
逆向技术
测量误差包括测量设备系统误差、测量人员视觉和操作误差 、产品变形误差和测头半径补偿误差等。测量误差和设备环境、测 量人员的经验等。
误差分析—曲面重构时产生的误差
数字化测量
接触式测量法：分为基于力触发原理的触发式和连续数据扫描式。典型 的接触式测量设备是三坐标测量机(CMM)。 接触式测量的优点： ① 接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，有 较高的准确性和可靠性。 ② 接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色 及曲率关系不大。 ③ 被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测 量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。 接触式测量的缺点： ① 球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定精度，需 经常校正探头的直径。 不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度， 也会使探头损坏。 ② 接触式触发探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度慢。 ③ 检测一些内部元件受到限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定 要小于被测内圆直径。
仪表盘原始点云数据
分割后的点云
根据形状分析，将点云分割为三部分：左端面，中间面，右端面。
逆求软件提供多种分割点云的方法
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
测量数据预处理
产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面，无论是接触 式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数 据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的 坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光 扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对 数据进行精简。 主要包括以下内容： 坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割
2.1.2逆向工程定义
逆向工程(Reverse Engineering , RE)也称反求工程，是相对 于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(Forward Engineering , FE)而提出的。逆向工程常指从现有模型(产品样 件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模 型，如利用三坐标测量机的测量数据对产品进行CAD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。逆向工程是对已有产品的再设计、再创造的过程。
保留每个子立方体中距中心点 最近的点。
测量数据预处理—数据精简实例
测量数据（24500个）
处理后的数据（ 4607个）
精简原则：精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合 数据的后续处理。
测量数据预处理— 数据插补
由于实物拓扑结构以及测量机的限制。 一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域。 另一方面则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这 样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的逆向建模。目前应用于逆向 工程的数据插补方法主要有 1. 实物填充法 2. 造型设计法 3. 曲线、曲面插值补充法
坐标配准实例
配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。
（1）平面1的法向与Z轴同向约束关系； （2）圆柱面1的轴线与Z轴重合约束关系； （3）平面2与 XY平面的重合约束关系； （4）求圆柱面2和自由曲面的交线，该交线与叶片出口端交线的重合约束关系。
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
选择基准: • 测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合；
• 根据被测物的几何特性自定义。
坐标配准实例
配准基准： 指定的点。
坐标配准实例
坐标配准
配准基准： 由前缘半径圆心， 尾缘半径圆心和 封闭图形的形心组成的三角形。
坐标配准实例
配准前
配准后
配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。
测量数据预处理— 点云精简
当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率 较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据 的空间邻域关系和精简数据。 在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点 到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。
④ 对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，欲求得物体真实外 型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差
数字化测量
非接触式数据采集方法利用光、声、磁场等。应用光学原理的方法采集数据，细 分有三角形法、结构光法、测距法、干涉法、结构光法、图像分析法和逐层扫描数 据法等。 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。 非接触式测量的优点： (1) 不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是所采集到点的位置。 (2) 测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。 (3) 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 非接触式测量缺点： (1) 测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测来检测光点位置，目 前的精度仍不够，约为20um以上。 (2) 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件 表面反 射特性的影响，如颜色、曲率等。 (3) 非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及 不连续形状的处理较困难。 (4) 工件表面的粗糙度会影响测量精度。