第一章 逆向建模概论

3）结构与技术设计 ——产生总装配 草图及部件装配草图（运动 学、动力学等分析计算，并 进行零件校核） 4）产品制造 加工工艺 检验 装配关系
正向工程设计汽车流程
• • • • 概念设计 三维造型设计 工程结构设计 设计完成
采用手绘方式建立概念草图
汽车数字化造型
基于车身结构设 计、制造工艺性、 空气动力学、人 际工程特性、材 料特性、光学特 性等
产品 实物 数字 测量 三维 重构
数据 处理
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 。
数字化测量— 测量设备
接触式测量
非接触式测量
数字化测量— 测量设备
基于平板探测器X射线成像系统
医学CT测量
数字化测量—测量方法比较
优点
逆向技术
• 接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟，故 有较高的准确性和可靠性。 • 接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、颜色及 曲率关系不大。
缺点
• 为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，不同形状的产品可能会要求 不同的夹具，因此导致测量费用较高。 • 球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度，需要经常校正 探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。 • 测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。
• 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。 接触式测量
数字化测量—测量方法比较
逆向技术
优点 • 不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。
• 测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。 • 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 缺点 • 测量精度较差，因接触式探头大多使用光敏位置探测器来检测光点 位置，目前其精度仍不够，约为20以上。 • 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。 • 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。 非接触式测量
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
三维重构
逆向技术
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数学模型的支持。 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。
逆向工程建模与产品
创新设计
第一章
• • • • • •
绪论
1.1 正向工程概述 1.2 逆向工程概述 1.3 逆向建模关键技术 1.4 产品建模CAD平台选择 1.5 产品特征与逆向软件平台 1.6 逆向工程与新产品开发
1.1 正向设计概述
正向工程可归纳为： 功能导向（Functionally-oriented） 对象导向（Object oriented） 预定模式（Prescriptive-model）
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
逆向技术
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
逆向技术
2. 测量数据预处理
不同叶片的3D-CT层析断层
测量实例 —基于双目视觉的三维数据获取
逆向技术
蒙皮模具（ 长5m） 实验扫描系统
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
逆向技术
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
逆向工程定义
• 广义定义 • 广义的逆向工程包含了针对消化吸收先进技术的一系列方 法和应用技术，其研究对象包括产品实物、软件（图纸、 程序、技术文件）或影像（图像、照片）等，应用现代设 计方法学原理、生产工程学、材料学和有关专业知识进行 系统深入的分析和研究，探索掌握其关键技术，进而开发 出同类的更为先进的产品。它是通过综合运用设计人员的 工程设计经验、知识和创新性思维，对已有产品进行解剖、 消化吸收和再创造的过程，是对已有设计的再设计。 • 包括：几何逆向、工艺逆向、材料逆向和软件逆向。
• 狭义定义 • 针对实物样件的几何形状反求的“实物逆 向工程”，即通过实物数字化技术和模型 重建技术将实物模型转化为数字化模型， 还原实物模型中包含的材料、工艺、形状 等诸多方面的原始设计意图的过程，而后 进行分析、加工等处理。
４、逆向工程（设计）流程
实物 模型
形状数字 化测量
CAD模型 重建
测量路径规划
逆向技术
测量路径是测头的运动轨迹，在逆向工程的测量流程中是极其重要 的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型逆向工程时间 的长短和重构质量。
特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和 运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。 设计测量路径的基本原则：
1）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测头不与工件发 生干涉；
6、逆向工程的应用
设计物理模型到数字模型的转换 引进技术的吸收消化和再创新 试验模型转换成数字模型
艺术品、文物复制
医学应用（骨头、关节、牙齿、假肢）
服装、鞋子、头盔、首饰的定制
复杂型面制造质量的检测
1.3
1. 数字化测量
逆向工程关键技术
2. 测量数据预处理
3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
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，
测量数据预处理— 数据分割
逆向技术
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。
3
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
逆向技术
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
逆向技术
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。
点云图
三维模型
三维重构—常用方法
逆向技术
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（呈规则的阵列排列）和散乱点（数据点 之间没有明显的拓扑关系）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。
系统开发（System to-be）
以及所属权系统（Legacy system）
需求 分析
概念 设计
可行性 分析？
No
Yes
初步 设计
是从构思到数字模型， 再到产品（实物）的演化过 程
详细 设计
样机试制
工艺 规划
设计与制造 信息描述 制 造
强调怎么做？
正向工程开发流程
1）产品规划 ——在对产品进行充分调 查研究和分析的前提下，进一步 确定产品所应具有的功能和各方 面的约束条件。形成设计任务书。 2）方案设计 功能分析——提出解决办法—— 方案汇总——可行性分析——最 佳方案
３、逆向工程技术的产生与起源
• 3）20世纪90年代，起源于工业上精密测量 和质量检测的逆向工程技术开始引起包括 我国在内的很多国家工业界和学术界的高 度重视 • 当前，随着现代计算机技术和测量技术的 发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术 来实现实物的逆向工程，已成为逆向工程 技术应用的主要内容。
2）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快 的速度到达下一测量点； 3）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。
测量实例 — 涡轮叶片模具
逆向技术
叶片模具型面数据
叶片模具边界数据
共采集数据点24500个 。
测量实例 — 不同叶片的3D-CT层析断层
逆向技术
高解析度3D-CT实验系统
CAE分析 快速原型
工艺规划 制造
是从实物到数字模型，再到产品（实物） 的演化过程
强调为什么这样做!
实物样件 数字化测量
二维图样、技 术文档
仿制改制产品
PD M 系 统
CAD模型重构 快速成型RP 产品样件
CAD/CAE系统 CAM系统 模具
新产品
５、逆向工程设计表达
形面构成复杂，设计信息难以用参 数精确描述
测量数据预处理— 点云精简
逆向技术
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。 p
汽车工程设计
正向设计表达
设计信息可用参数精确描述
1.2、逆向工程概述
1、产品市场环境的变化
更新速度越来越快 个性化，小批量 专业分工细化 全球合作
呼唤产品快速开发技术！
2、工程需求
设计
样机
生产
小批量？
工业设计？
样品？
ຫໍສະໝຸດ Baidu
如何快速
制造？
图档
试验
产品
逆向工程、快速成形、快速模具 是产品快速开发技术！
坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割
测量数据预处理— 坏点去除
逆向技术
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
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
测量数据预处理
逆向技术
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：
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
测量数据预处理— 数据平滑
逆向技术
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。
３、逆向工程技术的产生与起源
３、逆向工程技术的产生与起源
• 1）反求思维在工程中的应用源远流长 • 人类取得的每一项成果都是在前人研究的基础上， 模仿自然界和人类社会在相关领域、具有相应特 长、特性的事物、动物或人来实现的。 • 2）提出逆向工程这种术语并作为一门学问去研究， 则出现于上世纪60年代初的日本。 • 战后日本提出了科技立国的方针：一代引进、二 代国产化、三代改进出口、四代占领国际市场。 通过仿制美国及欧洲的产品，在采取各种手段获 取先进的技术和引进技术的消化和吸收的基础上， 建立了自己的产品创新设计体系，使经济迅速崛 起，成为仅次于美国的制造大国。