第二章反求工程测量系统
反求工程的理解及应用
其流程图如下：
样品
3D 扫描
资料 处理
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
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。
逆向工程测量系统
逆向工程分类
从广义讲，逆向工程可分以下三类。
(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分 折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、 精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和 零件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关 规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三 类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实 物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、 参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这 是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟 的技术。一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、 比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。
正向工程:从高层抽象和独立于实现的逻辑设计到一个系统的物理实现的传 统开发过程。 逆向工程:分析目标系统，认定系统的构件及其交互关系，并且通过高层抽 象或其它形式来展现目标系统的过程。
c)再文档:主要是在同一抽象层次做语义等价描述，实际上是逆向工程的 一种简单形式; d)设计再现:利用领域知识和外部信息在较高抽象层次产生系统的等价描 述，这样要使用除了源代码外的很多信息; e)重构:在同一抽象层次把系统从一种表示方式转换到另一种表示方式， 一个重要方面是新系统和原始系统的语义行为应该一样，而且功能也不 能变; f)再工程:目的是研究系统，产生较高抽象层次描述，增加新功能到这个描 述，使用正向工程技术在原始系统的基础上开发一个新系统。
逆向工程，有的人也叫反求工程、反向工程(Reverse Engineering,RE)， 是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实 物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对 象，反求出初始的设计意图。简单地说，就是指用一定的测量手段对实物 或模型进行测量,根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型 的过程,是一个从样品生成产品数字化信息模型,并在此基础上进行产品设计 开发及生产的全过程。 在软件工程领域，迄今为止没有统一的逆向工程定义。较为通用的是Elliot Chikafsky和Cross在文献中定义的逆向工程的相关术语。
反求工程中的三维测量技术
图2
入射光线 P 照射到参考平面上的 A 点 , 放上被 测物体后 , P 照射到被测物体上的 D 点 , 此时从图示 方向观察 , A 点就移到新的位置 C 点 , 距离 A C 就携 带了高度信息 Z = h( x , y ) 。 立体视觉三维 测量法[ 3] 。常用 的三维测 量技
图1
本系统采用臂旋转的方式进行测量, 步进电机 驱动回转臂作步距为 1#/ 40ms 的转动, 激光脉冲调 制电路在每个电 视祯的起始位置发出 2ms 宽的电 脉冲信号用于 LD 驱动。计算机读取每行光斑中心 位置计数器的值 , 利用奇偶场间的空闲时间来处理 256 行的记数值并进行高度转换 , 测量一条线仅需 40ms, 测完一周共需 15s。测完一周后 , 计算机自动 生成数据文件, 用于数据处理、 数据的三维表面拟合 表1
可得被测点 P 的坐标为 [ bu / ( f cot - u ) , bv / ( f cot - u) , bf / ( f cot - u) ] 。
图 4 模型正在测量
图3
2 点数据测量 对发动机缸盖零件内型面硅橡胶模型翻制并处 理后就可以使用智泰公司的 LSH600 三维激光测量 仪进行点数据测量。由于该模型的特征完全分布在 连续相隔 90#的方向上 , 所以采用转轴每旋转 90#一 次的三次平面扫描来进行点数据测量( 图 4) 。 3 点数据的处理 为了对复杂内型面的发动机缸盖测量数据的完
主要三维扫描方法的特点
速度 慢 快 能否测内 部轮廓 否 否 形状限制 无 表面变化 不能过陡 表面不能 过于光滑 无 无 材料限制 无 无 成本 高 低
激光三角形法 CT 扫描和核磁 共振法 自动断层扫描仪法
快
否
无
较高
青科大先进制造技术 答案
第一章：1、制造的概念狭义：为机电产品的机械加工工艺过程广义：国际生产工程学会1990年：制造是涉及制造工业中产品设计、物料选择、生产计划、生产过程、质量保证、经营管理、市场销售和服务的一系列相关活动和工作的总称。
2、四次产业革命一、第一次产业革命：1733-18781）又称为：蒸汽革命。
2）产业革命的标志：瓦特发明的蒸汽机。
3）英国的制造业孕育和实现了瓦特的发明4）制造业和瓦特的发明推动了热力学理论的诞生。
二、第二次产业革命：1879-19451）又称为：电气革命。
2）产业革命的标志：电灯（爱迪生）、电话（贝尔）、电机（西门子）等电气化产品。
3）制造业肇始了电的应用，而后才有麦克斯韦电动力学理论的诞生。
4）麦克斯韦电动力学理论推动了20世纪初开始的无线电、微波、雷达、合成孔径、微波成像、卫星通信、宇宙微波探测等技术的发展。
5）牛顿力学和电动力学又为量子力学的发展指引了道路，导致了量子场论的创立。
三、第三次产业革命：1945-19721）又称为：电子（原子）革命。
2）产业革命的标志：原子弹（1945）、电子计算机（1946）、晶体管（1948）、集成电路、微电子技术等。
3）微电子制造技术开创了全新的信息时代。
四、第四次产业革命：1973-1）又称为：高新技术产业革命。
2）产业革命的标志：众多高新技术产品，如微电子产品、电脑、新一代通信产品、新一代汽车、磁悬浮列车、新一代飞机、机器人、生物工程产品、新一代药物、绿色食品、转基因产品等等。
3）微器件制造工艺，如拉单晶、掺杂、扩散、离子注入、外延、溅射、化学沉积（CVD）、光刻、表面贴装、自动化组装、进而到纳米器件制造工艺将把高新技术产业革命推向顶峰。
3、先进制造技术的概念、体系结构、学科内容课本P12第二章：1、现代设计的概念▪现代设计：现代产品设计强调全生命周期设计，即产品设计是一个“设计-评价-再设计”的反复迭代过程。
在产品的整个生命周期中，设计定型并不意味着设计工作的结束，只要产品还在生产和销售，就必将反馈大量的用户信息和生产制造信息，并要求对产品不断进行修改。
第二章测试装置的基本特性
输入输出(响应)系统第二章 测试装置的基本特性第一节 概述测试是具有试验性质的测量，是从客观事物取得有关信息的过程。
在此过程中须借助测试装置。
为实现某种量的测量而选择或设计测量装置时，就必须考虑这些测量装置能否准确获取被测量的量值及其变化，即实现准确测量，而能否实现准确测量，则取决于测量装置的特性。
这些特性包括动态特性、静态特性、负载特性、抗干扰性等。
测量装置的特性是统一的，各种特性之间是相互关联的。
1、测试装置的基本要求通常工程测试问题总是处理输入量)(t x 、装置（系统）的传输特性)(t h 和输出量)(t y 三者之间的关系。
图2-1系统、输入和输出1)当输入、输出是可测量的(已知)，可以通过它们推断系统的传输特性。
(系统辨识)。
2)当系统特性已知，输出可测量，可以通过它们推断导致该输出的输入量。
(反求)。
3)如果输入和系统特性已知，则可以推断和估计系统的输出量。
(预测) 。
测试装置的基本特性主要讨论测试装置及其输入、输出的关系。
理想的测试装置应该具有单值的、确定的输入——输出关系。
即对应于某一输入量，都只有单一的输出量与之对应 。
知道其中的一个量就可以确定另一个量。
以输出和输入成线性关系为最佳。
一般测量装置只能在较小工作范围内和在一定误差允许范围内满足这项要求。
2、测量装置的静态特性测试系统的静态特性就是在静态测量情况下，描述实际测试装置与理想定常线性系统的接近程度。
测量装置的静态特性是通过某种意义的静态标定过程确定的。
静态标定是一个实验过程，这一过程是在只改变测量装置的一个输入量，而其他所有的可能输入严格保持为不变的情况下，测量对应得输出量，由此得到测量装置的输入输出关系。
3、测量装置的动态特性测量装置的动态特性是当被测量即输入量随时间快速变化时，测量输入与响应输出之间的动态关系得数学描述。
研究测量装置动态特性时，认为系统参数不变，并忽略迟滞、游隙等非线性因素，可用常系数线性微分方程描述测量装置输入与输出间的关系。
反求工程
确定产品的造型
对产品的外形构型,色彩设计等进行分析,从美学 原则,顾客需求心里,商品价值等角度进行构型设计和色 彩设计.
பைடு நூலகம்
三.应用领域
反求工程（逆向工程）是近年来发展起来的消化，吸收 和提高先进技术的一系列分析方法和应用技术的组合， 其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经 济竞争力。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。
①实物类:主要是指先进产品设备的实物本身; ②软件类:包括先进产品设备的图样,程序,技术文件等; ③影像类;包括先进产品设备的图片,照片或以影像形式出 现的资料.
反求工程包含对产品的研究与发展,生产制造过程,管理
和市场组成的完整系统的分析和研究.主要包括以下几个方面:
探索原产品设计的指导思想 掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提.如 微型汽车的消费群体是普通百姓,其设计的指导思想是在满足一般功 能的前提下,尽可能降低成本,所以结构上通常是较简化的. 探索 原产品原理方案的设计各种产品都是按定的使用要求设计的,而满足 同样要求的产品,可能有多种不同的形式,所以产品的功能目标是产 品设计的核心问题.产品的功能概括而论是能量, 物料信号的转换.例 如,一般动力机构的功能通常是能量转换,工作机通常是物料转换,仪 器仪表通常是信号转换.不同的功能目标,可引出不同的原理方案.设 计一个夹紧装置时,把功能目标定在机械手段上,则可能设计出斜楔 夹紧,螺旋夹紧,偏心夹紧,定心夹紧,联动夹紧等原理方案;如把功能目 标确定扩大,则可设计出液动,气动,电磁夹紧等原理方案.探索原产品 原理方案的设计,可以了解功能目标的确定原则,这对产品的改进设 计有极大帮助.
三维测量与反求工程
学生实验报告实验课程名称三维测量与反求工程《三维测量与反求工程实验报告》实验报告一、实验目的1、了解三坐标测量机的组成、基本原理及其使用方法。
2、了解曲线、曲面的测量原理，并掌握其基本测量的方法。
3、学会用三坐标测量机对曲线、曲面进行测量及分析方法。
二、实验仪器设备1、实验设备：青岛英柯ZC1066H三坐标测量机，参数如下：测量范围1000 mm×600 mm×600 mm精度1.4 µm 测量精度1.5+3.3L/1000 µm测头 PH10M2、测量对象：座机话筒3、数据处理及重构软件：UG NX10、Geomagic Studio 12、NX imageware 13三、实验原理图1 实验原理三坐标测量机原理：本实验使用青岛英柯ZC1066H三坐标测量机完成，三坐标测量机的三个坐标轴互成直角配置。
就测量机的主体来说，它的组成部分有：底座、臂架、测量工作台、X向、Y向、Z向导轨，Z轴支撑与平衡装置，X，Y和Z向传动系统及操作系统。
其基本原理就是通过探测传感器（探头）与测量空间轴线运动的配合，对几何元素进行离散的空间点位置的获取。
三维反求的实验原理：反求工程也称逆向工程(Reverse Engineering , RE)，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数学模型重构，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，是对已有产品的再设计、再创造的过程。
四、实验内容1、实验准备阶段①将PH10M测头连接在三坐标测量机（含操纵杆）上，保持与探头接口、探头控制器、计算机等接口的通讯畅通，并调试好全部设备；②准备好实验所需的测量对象，本实验以座机话筒为例③将工件夹持台安放在三坐标测量机工作台上，然后用橡皮泥将被测座机话筒固定在工件夹持台上。
反求工程
二、点云数据的预处理 取样及点云的修整， 取样及点云的修整，是反求工程重要步骤
1、点云数据中噪音点的剔除 、 噪音点的剔除指令： 噪音点的剔除指令：Poind Extranct Point Circle-Select Poind。或见图 所示方式操作。 。或见图3-14所示方式操作。 所示方式操作
上述扫描机的测量精度为± 上述扫描机的测量精度为±0.05mm，各直线运动坐标轴的分辨率为 ， 0.005mm，旋转测量台的分辨率为 ，旋转测量台的分辨率为0.004°，被扫描物体的最大尺寸为： ° 被扫描物体的最大尺寸为： Φ457m m×457mm ×
所示为英国3D Scanners 图2.5所示为英国 所示为英国 公司生产的Reversa扫描头的原理 图， 公司生产的 扫描头的原理 这种扫描头可安装在CNC加工机或 加工机或CMM 这种扫描头可安装在 加工机或 测量机上，构成激光扫描机。 测量机上，构成激光扫描机。
常用的扫描机有传统有： 常用的扫描机有传统有：
ห้องสมุดไป่ตู้
坐标测量机(Coordinate Measurement Machine， 坐标测量机 ， 简称(MM) 简称 激光扫描机(Iaser Scanner) 激光扫描机 零件断层扫描机(Croos Section Scanner) 零件断层扫描机 CT(Computer Tomography，计算机 线断层照相术 线断层照相术) ，计算机X线断层照相术 MRI(Magnetic Resonance Imaging，磁共振成像 ，磁共振成像)
二、结构光法 结构光法： 结构光法：是基于相位偏移测 量原理的莫尔条纹法。 量原理的莫尔条纹法。 该种方法将光栅条纹投射到 被测物体表面，光栅条纹受被 被测物体表面， 测物体表面形状的调制， 测物体表面形状的调制，其条 纹间的相位关系会发生变化， 纹间的相位关系会发生变化， 用数字图像处理的方法解析出 光栅条纹图像的相位变化量来 获取被测物体表面的三维信息。 获取被测物体表面的三维信息。
工程测量坐标正反算通用程序（终极篇）
工程测量坐标正反算通用程序（终极篇）第五篇坐标正反算通用程序(终极篇)1. 坐标正算主程序(命名为ZBZS)第1行：Lbl 0:”K=”?K:”BIAN=”? Z:”α=”?B第2行：Prog “A”第3行：”X=”:N+Zcos(F+B)◢第4行：”Y=”:E+Zsin(F+B)◢第5行：”F=”:F?DMS◢第6行：Goto 0K——计算点的里程BIAN——计算点到中桩的距离（左负右正）α——取前右夹角为正2. 坐标反算桩号和偏距主程序(命名为ZBFS)第1行：”X1=”? C:”Y1=”?D:”K1=”?K第2行：Lbl 0:Prog “A”第3行：Pol(C-N,D-E):Icos(F-J)→S:K+S→K第4行：Abs(S)>0.0001=>Goto 0第5行：”K1=”:K◢第6行：”BIAN=”:Isin(J-F)→Z◢X1——取样点的X坐标Y1——取样点的Y坐标K1——输入时为计算起始点(在线路内即可)，输出时为反算点的桩号Z——偏距（左负右正）注：在9860或9960中需将第3行替换为Pol(C-N,D-E): List Ans[1]→I ：List Ans[2]→J：Icos(J-F)→S:K+S →K，正反算主程序所有输入赋值多加一赋值符号（→），其他所有除数据库外的程序均保持不变3. 计算坐标子程序(命名为XYF)为了简洁，本程序由数据库直接调用，上述中的正反算主程序不直接调用此程序第1行：K-A→S：(Q-P)÷L→I第2行：N+∫(cos(F+X(2P+XI)×90÷π),0,S)→N第3行：E+∫(sin(F+X(2P+XI)×90÷π),0,S)→E第4行：F+S(2P+S I)×90÷π→F第5行：F<0=>F+360→F: F>360=>F-360→F4. 数据库（命名为A）第1行：K≤175.191=>Stop（超出后显示Done）第2行：175.191→A:428513.730→N:557954.037→E:92°26′40″→F:0→P:1/ 240→Q:70.417→L:K≤A+L =>GoTo 1（第一缓和曲线）第3行：245.607→A: 428507.298→N:558024.092→E: 100°50′59.4″→F: 1/240→P:1/240→Q:72.915→L: K≤A+L =>Goto 1（圆曲线）第4行：318.522→A: 428482.988→N:558092.538→E: 118°15′25.2″→F: 1/240→P: 0→Q: 55.104→L: K≤A+L =>Goto 1（第二缓和曲线）第5行：373.627→A:428453.283→N:558138.912→E:124°50′4.5″→F:0→P:-1/180→Q:67.222→L:K≤A+L=>Goto 1:Stop（下一曲线的第一缓和曲线，示例为S型曲线，超出后显示Done）第6行：Lbl 1:Prog “XYF”A——曲线段起点的里程N——曲线段起点的x坐标E——曲线段起点的y坐标F——曲线段起点的坐标方位角P——曲线段起点的曲率(半径倒数，直线为0，左负右正)Q——曲线段终点的曲率(半径倒数，直线为0，左负右正)L——曲线段长度（尽量使用长度，为计算断链方便）说明：（1）正算主程序可以计算一般边桩的坐标，如要计算类似涵洞端墙的坐标需增加两个变量，具体方法参考本程序集中的第1篇辛普生公式的坐标计算通用程序（2）适用于任意线形：直线（0→P、0→Q）、圆曲线（圆半径倒数→P、圆半径倒数→Q）、缓和曲线（0或圆半径倒数→P、圆半径倒数或0→Q）、卵形曲线（接起点圆的半径倒数→P、接终点圆的半径倒数→Q），曲线左转多加一负号。
反求工程
关键技术
• • • 1 实物原型的数字化技术 实物样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 何坐标数据的过程。随着传感技术、控制技术、制造技术等相关技术的发展，出现了 各种各样的数字化技术，如图所示。 2数据点云的预处理技术 以上获得的数据一般不能直接用于曲面重构，因为：1)对于接 数据点云的预处理技术 触式测量，由于测头半径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；2)在测量过程中，不 可避免会带进噪声、误差等，必须去除这些点；3)对于海量点云数据，对其进行精简也 是必要的。包括：半径补偿 、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的 数据插补、 半径补偿 数据插补 数据平滑、点云数据精简、 归一化 3 三维重构基本方法 复杂曲面的CAD重构是逆向丁程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说，其实体 模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关 键。包括：多项式插值法、双三次 多项式插值法、 多项式插值法 双三次Bspline法 法 法、Coons法、三边Bezier曲面法、BP神经网络法、 法 三边 曲面法、 神经网络法、 曲面法 神经网络法 4 曲线曲面光顺技术 在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字化误 差，光顺操作在产品外形设计中尤为重要。根据每次调整的型值点的数值不同，曲线/ 曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决于所使用方法的 原理准则。方法有：最小二乘法、 能量法回弹法、 基于小波的光顺技术 最小二乘法、 最小二乘法 能量法回弹法、 5 逆向工程的误差分析与品质分析
研究内容
• 反求工程技术的研究对象多种多样 所包含 反求工程技术的研究对象多种多样,所包含 的内容也比较多,主要可以分为以下三大类 主要可以分为以下三大类: 的内容也比较多 主要可以分为以下三大类 • ①实物类:主要是指先进产品设备的实 物本身; • ②软件类:包括先进产品设备的图样,程 序,技术文件等; • ③影像类;包括先进产品设备的图片,照 片或以影像形式出现的资料
反求工程
反求工程1 ．概述随着市场竞争的加剧，产品生命周期越来越短，企业界对新产品的开发力度也得到不断加强。
从总体上说，新产品的开发有两种不同的模式：一是从市场需求出发，历经产品的概念设计、结构设计、加工制造、装配检验等产品开发过程，称为产品开发的正向工程；另一种是以已有产品为基础，进行消化、吸收并进行创新改进，使之成为新产品，这‘种开发模式即所谓的反求工程( reverse engineering , RE ）。
实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承、借鉴和应用。
从这个意义上讲，反求思维在工程中的应用源远流长，而明确提出反求工程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。
其中，计算机技术和反求工程以设计方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，对己有产品进行解剖、深化和再创造。
反求工程发展至今，已成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段和重要策略之一。
在这方面，日本是一个最成功的范例。
战后日本制定了吸收性战略的基本国策，应用反求工程对其引进的技术进行消化、吸收和创新，给第二次世界大战后的日本国民经济注人了新的活力，推动了日本经济的高速发展，使日本国民经济从20 世纪50 年代落后先进国家20 一30 年的状态，到20 世纪70 、80 年代成为世界第二经济强国。
据统计，各国70 ％以上的技术源于国外，逆向工程作为掌握、改进和发展技术的一种手段，可使产品研制周期缩短40 ％以上，从而极大地提高了生产率。
反求工程的实际应用为许多企业的发展带来了生机，进而为创新设计和各种新产品开发奠定了良好基础。
( 1 ）正设计与反设计设计一般指正设计，它是一个从无到有的产品设计过程。
设计人员首先根据市场需求，提出目标和技术要求，进行功能设计，创造新方案，经过一系列的设计活动变为产品。
概括地说，正设计是由未知到已知、由想象到现实的过程，如图2 一28 所示。
《反求工程技术介绍》PPT课件
网格而不是基于特征来实现变形设计的。其他的反求工程软件
都还没有引入参数化的概念，不具有参数化反求建模的功能。
整理ppt
12
●反求建模自动化程度低，人工交互多，建模效率低。用目 前的反求软件建模时，在基于点云的特征提取、数据分块、曲 面重建等操作和计算时都需要大量的交互操作，建模人员的经 验和熟练程度对模型的质量和建模效率都有很大的影响。
变半径过渡特征提取及数据分离
过渡区域特征提取（去噪声前）
概率统计分析
过渡区域特征提取（去噪声后）
整理ppt
概率统计分析
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含噪声的原始提取特征信息
去除噪声后的原始提取特点 云”
平面特征提取
球面特征提取
整理ppt
基于“点云”和特征的3D造 19 型
散乱点处理、网格编辑
数据获取 数据预处理 曲面拟合与编辑
整理ppt
CAD模型
3
二、反求工程核心技术
1.数据获取技术
数据获取技术是反求工程建模的第一步，它是用一定 的设备对实物进行测量来获取实物的表面数据（有时也包 括内部数据）。测量的方法有很多，如图所示。
光学
三角形法 距离法
非接触方法
声学 磁学
结构光法 干涉测量法 图象分析法
●基于面的方法－－主要应用二次曲面法矢、曲率(平均曲率
和高斯曲率)具有一定规律的特性进行区域分割。基于面的方法
又可细分为基于二次曲面曲率特殊性的方法和拟合误差控制的
方法。
整理ppt
8
●基于边的方法－－主要针对图象数据的几何特征提取与区 域分割。分割特征包括：尖边（Crease Edge）、跳跃边（Jump Edge）、光顺边（Smooth Edge,Virtual Edge）三种边界上的 点及曲面上的点，根据边界数据点曲率的特殊性（极值点，不 连续点）识别Crease edge与Jump edge上的点，然后利用边界 数据点将图像数据分割成互不连通的独立区域。正象所有的基 于边的区域分割方法一样，这种方法不能识别Smooth Edge，而 且识别的边界通常不封闭，因此该方法很难获得良好结果。
逆向工程的测量技术
适用于表面外形复杂，精度要求不特别高的未知曲面 的测量，
▪ 触发式测头利用电子开关机 构，当测头碰到样件表面， 由接触力控制电子机构的开 关，由电信号的通断控制坐 标值的读取。
▪ 触发式测头的触发信号由电 子开关控制，故其重复性、 准确性较高，测量精度可达 1μm甚至更高，是现代三坐 标测量机最常用头电子开关机构所用 的传感器可以将触发式测头 分为电触式测头、压电式开 关测头、应变片式测头。
2.2 接触式测量
▪桥式三坐标测量机和机械手臂式测量机
2.2 接触式测量
接触式测量方法在测量时可根据实物的特征和测 量的要求选择测量探头及其方向，确定测量点数 及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行 碰撞的检查。常用的接触式三坐标测量机的测量 数据采集方法多采用触发探头，触发探头又称为 开关测头，当探头的探针接触到产品的表面时， 由于探针触发采样开关，通过数据采集系统记下 探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产 品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探 头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探 头、压电陶瓷触发探头。
2.1 先进检测技术
三维数据测量方法按照测量探头是否和零件 表面接触，可分为接触式数据采集和非接触 式数据采集两大类，接触式包括基于力-变形 原理的触发式和连续扫描式数据采集：而非 接触式主要有激光三角测量法、激光测距怯、 光干涉法、结构光学法、图像分析法等。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广泛的应用。它们各 自的特点和适用场合，
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l概括 全面解决方案 容易使用 稳定可靠
模型设计和快速成形
RIVAGE – 7个月从零到真车上路
一辆旧车作为基础, 开始实现新车设计梦想！
Porsche 911 C2 Targa
产品开发
气油箱: 快速曲面建造
扫描: 45 min, 曲面: 3 hrs
内外饰件扫描
包括大部分主要零件 扫描时间: 1 星期 100,000,000 点云数据 分析竞争力 分析包装准备 对照检验
质量控制
各种工件都有质量问题存在的可能 (就是永无完美的说法) 如何检验？ ATOS 可提供最有效解决方案
• The tool is scanned and stored as Master Form
• In the production the resulting form has to be verified
• In tolling, the form has to be reworked (according the Mast
检测船身的吃水线
帆船模型: 700x300x150 mm3 扫描及仿型铣 用黑线/胶带标识吃水线
特征线功能
黑带表示设计意图 一种数据下的两种外形
标记线,切割线
标记线面积: 0.4 x 0.4 m2 黑带线显示:
通风口 灯槽 控制面板
ATOS 用于 RP (快速成形) 扫描数据直接用于快速成形制造模型
仿真技术 CAD/FEA 有限元分析
ATOS SO – 小物体扫描系统
ATOS II SO: 桌面操作系统
扫描结果: 包含完整数据和细节 高密度高精度数据: +/- 0.01 mm (absolute)
友好软件界面, Open GL 显示
正确快速充填显示,与CAD数据进行比较
ATOS XL – 大物体扫描
δxr = Xd .(k1r2 + k2r4 + k3r6 + …) δyr = Yd .(k1r2 + k2r4 + k3r6 + …)
二、摄像机镜头畸变
径向畸变（Radial Distortion）
δxr = Xd .(k1r2 + k2r4 + k3r6 + …) δyr = Yd .(k1r2 + k2r4 + k3r6 + …)
ATOS and TRITOP ATOS 的扫描数据通过TRITOP系统测量的参考点坐标 进行自动拼合
扫描工艺流程
ATOS 扫描 扫描数据
ATOS 输出
点云 STL数据
特征线
截面线
处理
CAV/CAI 电脑辅助检测
从STL数据 直接铣加工
快速成型
快速曲面建造
应用
质量控制 外形包装 工模具制作
模型开发
1 小时 750.000 点云数据
汽车冲模（大众汽车的高端产品 --PHAETON 辉腾）
Master data set, digitized data by ATOS XL; 5. Mio. data points
冲压模具扫描，从细节处看出扫描数据的质量
The CAD data defines the final form
点扫描 线扫描 光栅投影 莫尔条纹 光栅编码 傅立叶变换 数字莫尔
2.1 测量方式——接触式测量
优点： 1. 较高的准确性和可靠性； 2. 与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不
大； 3. 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。
2.1 测量方式——接触式测量
缺点： 1. 需要特殊夹具，测量成本高，测量速度慢； 2. 探针易磨损； 3. 检测一些内部元件受测头半径限制； 4. 测量接触力影响测量精度。
二、摄像机镜头畸变
切向畸变 （Tangent Distortion） δxd = p1 .(3Xd2 + Yd2)＋2p2 .Xd .Yd + …) δyd = 2p1 .Xd .Yd + p2 .(3Xd2 + Yd2 + …)
三、三维激光扫描系统的测量原理
x xl zf
x b xr zf
拆去车门和顶盖准备扫描
扫描后铣出1:4模型
用油泥修改设计，再铣削，再用ATOS扫描1:4模型
用扫描数据铣出1:1泡漠模型，仔细修改后扫描最终模型
7月后完成: 可驾驶新车原型在赛道上测试
The Rivage on the Nürburgring (racetrack in Germany)
1分钟就完成: 永远不可在路上驾驶的汽车模型
ATOS 三维扫描仪
光栅投射立体显示: 光栅的形变代表物体外形轮廓
ATOS 光栅投影技术
光栅格投射 格雷代码和相变技术
光栅移动
格雷代码
ATOS II 光栅投影技术
Digitizi三ng种不w同it光h栅A多T幅O投S射I产I生高精度数据
ATOS 光学扫描仪: 灵活、易用、快速、精度高
标准型 ATOS: 扫描系统
美国宇航局(NASA) X-38CRV 扫描时间: 3 天
Falcon 飞机
85,000,000点云数据 (shaded)
ATOS XL 三维扫描仪概论
ATOS / ATOS II 三维扫描仪 灵活的测量范围 ATOS 标准型: 从100x80 mm 到 350x280 mm (单副) ATOS II : 从175x140 mm 到 1700x1360 mm ATOS SO: 小型工件从175x140 小至 to 45x36 mm 点云密度: 0.035 mm - 0.5 mm – 1 mm (在1.2x0.96M 测量面积) 精度: 5 µm – 50 µm 灵活易用,移动方便 自动自我精度监测 (尤其是用于质量控制)
1. 基于小孔成像的原理，而实际上，应该透镜成像。 2. 该方法仅考虑了径向畸变的因素，但是，并没有考虑
其他的畸变，比如切向畸变的影响，而实际上这种畸 变是存在。而且，在实验中我们发现，由于加工和安 装的原因，镜头的切向畸变并非是与其R2成线性关系， 而是在不同的区域其畸变不同。而畸变的影响对系统 的精度的提高是一个不可忽视的问题。
ATOS II: 扫描系统
TRITOP: 照相测量系统
质量控制和直接用于加工的需要更好的系统--- ATOS II
ATOS 用参考点技术 3D Digitizing with reference markers
工件上加上参考点
从两次扫描后得到的数据
结果数据
ATOS 大型模具领域应用
How to patch individual shots
第二章 反求工程测量系统
2.1 测量方式 2.2 接触式测量原理及技术 2.3 非接触式测量原理及技术
2.1 测量方式
接
触
机械三坐标测量
式
声
超声波测距
学
数
主
激光测距
据 采
动 式
结构光
集
非
三角法
相 干
图像分析
法
被
立体视觉
非
动
接
式
触
光
逐层切削扫描
式
学
全息照相
相
干
散斑干涉
法
层
双波长法
析
法
电
工业CT
磁
学
核磁共振
The tool form is generated from the CAD data using a simu
process
(or experienced toolmakers)
In tryouts the resulting sheet form is digitized and compare
铸件毛坯
Audi 模具中的复杂铸件: 25副,扫描 45 分钟
数据备份拷贝
破损的模具需要快速修补 高质量扫描数据可用于直接铣
加工 一般都需要人工抛光
Läpple - Heilbronn
模具复制
根据左半部数据来修补右半部
扫描数据准备用来加工
模具磨损及人工修改后检测
扫描时间: 文件大小: 与原数据比较 存档
Automotive Design 汽车设计 Model development 模型开发
ATOS XL 扫描及处理后数据
GT40 (Ford) 1:1 汽车模型
汽车设计中的三维扫描 模型开发及反向工程
ATOS XL 扫描数据仿真应用
内外数据可 视化扫描过 程
快速逆向过程
特征线功能: 船身模型
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大众汽车“宝莱”试制时的白车身尺寸检测 实际扫描与CAD原设计数据对比
白车身测量：扫描数据与CAD原数据的公差对比
常方便地完成模具、汽车零部件、钣金件、各 类塑料制品、木制品、雕塑品、乐器等的快速 检测和逆向设计应用；并包括汽车和通用机械 等制造过程的在线或现场测量与检测。
机械手臂
2.3 非接触式测量原理及技术