第1章 逆向工程技术概述

•CNC
•CAE
数 据 处 理
测 量 机 与 测 量 探 头
涉及到的主要技术：数据采集技术、数据处理 技术、模型重构技术
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。
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测量数据预处理
1、原因
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。
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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
通 用 电 器 和 家 电 行 业
医 疗 器 材 、 工 艺 品 、 卡 通 动 画
考古物品复原
特 种 服 装 宇 航 服
( )
人 工 力 学 、 人 体 曲 线 产 品 设 计
应用意义——
逆向工程不是简单地将原有物体还原，它是 在还原的基础上进行二次创新，已广泛应用于 工业领域并取得了重大的经济和社会效益。 逆向工程技术为产品的改进设计提供了方便、 快捷的工具，缩短了产品开发周期，使企业适 应小批量、多品种的生产要求，从而在激烈的 市场竞争中处于有利的地位。 逆向工程技术的应用对我国企业缩短与发达 国家的差距具有特别重要的意义。
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误差分析——产品原型误差
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。
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。
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误差分析——数据采集误差
2、包含内容
坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据 分割
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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
产品或模具制造
CAD/CAE/CAM • • •
•
工台件 外向件 向件 是 快 作有。 ，工； 功； 用模 速 站个支 还程三 能二 于型 成 加 软 。人撑 要软是 模是 正重 型 工 件 计的 件专 块集 向建 机 设 算硬 ，用 的成 设软 备 机件 等。的 正有 计件 和平 软此逆 软向逆 软的： 一 PDM
汽车外形反求建模
（7）造型设计装配
（8）装配后的效果
（9）制作样车
（10）风洞实验
（11）碰撞实验
（12）路试
概念设计 模型重构
油泥模型 数据测量
实物数据 逆 向 工 程
结构设计
产品制造
逆向工程的系统组成 系统
几何外形数字化
• 产 品 制 造 设 备
CAD模型重构
CAD/CAE/CAM
配准前
配准后
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逆向工程所需软硬件
测量设备 逆向设计软件
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
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渲染图
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测量数据预处理——数据分割
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
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来自百度文库
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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
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。
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误差分析——曲面重构产生的误差
主要是在逆向工程软件中进行模型重构时，曲线、曲面的拟合 误差，目前的软件常采用最小二乘法 逼近来进行样条曲线、曲面拟 合，因此存在一个允差大小控制问题。
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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
工程需求
设计
工业设计 实物样品
样机
快速 制造
生产
小批量
图档
试验
产品
呼唤产品快速制造技术
逆向工程、快速成形、快速 模具是产品快速开发技术！
逆向工程的定义
逆向工程（Reverse Engineering，RE） 是将实物模型转变为 CAD 模型的相关数字 化测量技术、几何模型重建技术和产品制造 技术的总称。简单地说，逆向工程就是根据 已经存在的产品模型，反向推出产品设计数 据（包括设计图纸或数字模型）的过程 ,是 一个“从有到无”的过程。
逆向工程
模具设计与制造专业
F-22猛禽
T-50战机
J-20战机
第1章
逆向工程技术简介
主要内容： 1-1 逆向工程概述 1-2 逆向工程主要技术
1-3 逆向工程技术实施条件
1-4 逆向工程应用与意义
1-1 逆向工程技术概述
更新速度 越来越快
专业分工 细化
产品市场 环境变化
全球合作
个性化 小批量
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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。
保留每个子立方体中距中心点 最近的点。
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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。
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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，另一种情况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
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逆向工程应用实例——QQ汽车
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逆向工程应用实例——工艺品
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§3 逆向工程应用实例——工艺品
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§3 逆向工程应用实例——工艺品
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§3 逆向工程应用实例——工艺品
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正向设计
产品功能描述 产品概念设计 CAD模型
逆向设计
产品/实物/模型 数据采集 反求CAD建模
抽象→CAD (艰难)
实物→CAD (容易)
首 页 下一节
初识逆向工程技术
⑴ 手绘图
（2）效果图
（3）制作油泥模型
（4）设计师对模型修改
（5）采集点云数据
汽车点云数据
（6）曲面构建
蒙皮面板测量
测量点云
点云处理
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误差分析——模型配准误差
在模型配准过程中，为保证轮廓边界的贴合和共线，配合零件的测量边 界轮廓必须调整为一条配合线，这样对配合零件表面造型时会带来误差，为 减小误差，轮廓线测量和曲线拟合时要求精确
数据匹配就是实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，其匹配精度直 接影响后续整体误差结果的可靠性。
接触式三坐标测量仪
非触式三坐标测量仪
工业CT测量机
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数字化测量——测量设备
接触式测量
非接触式测量
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1-4 逆向工程技术应用与意义
应 用 领汽 域车 、 摩 托 车 设 计
——
新 型 汽 车 设 计 概 念 型 产 品
( )
产 品 开 发 与 模 具 生 产 、 工 业 设 计