逆向工程技术特点、应用与分析

（４）用MasterCAM等软件进一步处理
模型
可以通过接口文件导入到其他系统 （UG、Ideas、SolidWork等）中进行进一 步的处理（编辑、修改、光照仿真等操 作）。
２．逆向工程在汽车车身设计中的应用
汽车造型设计 油泥设计 油泥模型 制订曲面 分块方案 模型表面 数据采集 补测数据 最终造型审查 曲面数据质量评估 曲面分析、修剪 曲线曲面的构 建、分析＆光顺
反求出的实体模型
产品检测和 误差对比
2 逆向工程系统接口


﹙1﹚NC代码输出 将扫描点经过数字化点处理后 （或者CAD重构），直接输出NC程序； ﹙2﹚CAE网格信息输出 将扫描信息直接转化为网 格信息，输入到CAE系统，进行数据分析； ﹙3﹚STL输出 将扫描信息进行表面三角化，生成 STL文件，实现快速原型制造﹙RPM﹚，从而实现设 计、制造、检测集成闭环系统； ﹙4﹚CAD输出 将产品模型信息输出到CAD系统， 实现产品再设计。
模具 加工 产品 复制 模具 成型 RPM 快速原型
CAM产生 NC文档
逐层产生 STL文档
特
点
与传统的“产品概念设计→产品ＣＡＤ模 型→产品 (物理模型 )”的正向工程相反 。逆向 工程是在没有设计图纸或图纸不完整，而有样 品的情况下，利用三维扫描测量仪，准确快速 地测量样品表面数据或轮廓外形，加以点数据 处理、曲面创建、三维实体模型重构，然后通 过CAM系统进行数控编程，直至利用CNC加 工机床或快速成型机来制造产品。
（２）数据点的处理＆几何特征提取
按测量数据的几何属性对其进行 分割，采用几何特征匹配与识别的方法 来获取零件原形所具有的设计与加工特 征。
（３）曲面重构 将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表 面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取 零件原形表面的CAD模型。
（４）模型的检验与修正 采用根据获得的CAD模型重新测量和加工 出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度 或其他试验性能指标，对不满足要求者,重复以上 过程，直至达到零件的设计要求。 （5）后续处理 CNC RPM





3.2 曲线创建过程 自由曲面点云数据经分段或切片之后，应根据 需要判断和决定生成哪种类型的曲线。在反求 工程中，最终目标是希望生成准确度高而且光 顺性好的曲线、曲面，而准确度和光顺性永远 是矛盾的。 （1）判断和决定生成哪种类型的曲线。 曲线可以是精确通过点云的、也可以是很光顺 的(反映点云代表的曲线主要形状)，或介于两者 之间，根据构造实体类型选择生成曲线的类型。 （2）创建曲线。 由切片点云根据需要创建曲线，同时可以改变 控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状 吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。对点 云信息运用Cross Section生成平行切片点云， 而后构造相应圆弧曲线,如图3所示。
反求等几个方面（推测原设计者的设计意 图），在工业领域的实际应用中，主要包括 以下几个内容： (1)新零件的设计，主要用于产品的改型 或仿形设计（在原有产品基础上的创新）。 (2)现成零件测量及复制，再现原产品的设 计意图及重构三维数字化模型。 (3)损坏或磨损零件的还原，以便修复或 重制。
(4) 产品的检测，例如检测分析产品的变 形，检测焊接质量等，以及对加工产品与 三维数字化模型之间的误差进行分析。 ﹛﹜ （5）艺术品、考古文物（稀世珍品）的复 制。 （6）人体中的骨头和关节等的复制、假肢 制造（医学）。 （7）特种服装、头盔的制造等（航空服 装）。 定制
图3 曲线生成


（3）诊断和修改曲线。 可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可 以检查曲线与点云的吻合性，还可以改变曲线 与其它曲线的连续性(连接、相切、曲率连续)。 Surfacer 提供很多工具来调整和修改曲线。
3.3 曲面创建过程 在点的处理、曲线的处理和曲 面处理的整个过程中，可以用 Surfacer软件提供的各种诊断方法 来保证精度。用前边生成的圆弧曲 线作为截面线，用Loft命令生成曲 面，注意所有生成曲面的线，有相 同的方向和起始点，否则生成的曲 面可能扭曲。
点云数百度文库 分析处理
车身外覆盖件的逆向工作流程
关键技术

在车身外覆盖件逆向工程应用中有三项 关键技术 (1) 快速、准确的从1：1 汽车车身油 泥模型上采集三维点云数据。 (2) 快速、高质量的创建曲面数学模型。 (3) 对曲面数学模型做正确的分析与评 估。
应用举例
１．逆向工程技术的应用 （1）读入点云数据。Surfacer 可以接收 几乎所有的三坐标测量数据，此外还可以 接收其它格式，例如：STL、VDA 等。 将点群资料计算成三角形网格，可判断点 群特征形状，利用网格的着色功能可观察 点群的外观。 （2）对点云数据进行判断，去除噪音点( 即测量误差点)。 在进行曲面拟合之前，要对数据点云进行 判断并去除噪声点，以保证结果的准确性 和精确性。Surfacer 有很多工具来对点 云进行判断并去掉噪音点，以保证结果的 准确性。通过可视化点云观察和判断，规 划如何创建曲面。

我国清华大学、华中科技大学、天津大学、 西安交通大学等众多高校近年来也加强了对反 求工程测量设备的研发,现已实现产品化,并广 泛应用于机械、汽车、家用电器、医疗、轻工 等行业中。由于国产设备价格远远低于国外, 且功能不断增强,因此有较大的发展潜力与竞 争力。
3.
逆向工程阶段划分
（１）零件原形的数字化 通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描等测 量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。 激光测量可以采用CCD相机和3D激光扫描相结合， CCD相机用来确定实物的空间位置，指导测量路 径的编程。激光扫描的速度已经达到15000点/秒， 测得的数据量很大，可以充分表示零件表面信息， 非常适合对于复杂自由曲面的测量。 利用高分辨率CCD相机拍照片的方法，应用Tritop 软件，通过定义相机型号、定义比例尺、定义计算 参数、自动读取相片、进行完全计算，计算出非数 码点、定义坐标系等过程，通过数码照片得到单张 的点云数据。
产品模型
逆 向 工 程 开 发 流 程
模型数字化
接触式测量 （CMM） 非接触式测量 （激光扫描）
测量数据的处理
噪声数据滤波 测量点精简 边界的确定 测量数据分段
CAD模型重构
空间几何（三次曲线， Bezier，B样条和NURBS 物理概念（能量 法或有限元法
实体制造
数控机床 （NC代码） 快速原型机 （STL文件）
测量方法分类
数据提取方法
无损测量
破坏性测量
接触式
非接触式
探针测量
光
声
磁
ICT
断层扫描
外轮廓测量
内外结构测量
测量数据的定位（registration)
需要将多次测量的数据转换到同 一个坐标系中，形成同一坐标系下 的一个完整的测量数据及图像。可 将单张点云数据输入Atos软件，将 测得的单张点云数据拼接成整张点 云数据。
（Reverse Engineering）
逆向工程技术及应用
一、逆向工程概述
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。特别是随着现代计 算机技术及测试技术的发展，利用CAD/CAM 技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向 工程，已成为CAD/CAM领域的一个研究热点， 并成为逆向工程技术应用的主要内容。
4、曲面重构
曲面重构可以说是逆向工程的核心，是以 所量测的CMM或扫瞄点数据为输入数据来重 新建构曲面模型。 得到产品的数据后，选取适当的算法（或 用逆向工程软件）进行点数据的处理，如: 格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、点线 面与实体误差的比对后，再重新建构曲面 模型，产生CAD数据。

曲 面 重 构 框 图

对顶面提取点云，生成一个平面并延 伸一定距离；
– –
对生成的Loft曲面延伸一定距离使得与上 下两个面相交； 求出Loft曲面与上下两个平面的交线并修 剪，从而得到构造的曲面实体形状，如图 4所示

3.4 诊断和修改曲面误差比对 比较曲面与点云的吻合程度，检查曲面的光顺 性及与其它曲面的连续性，并且可以进行修改， 例如可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或 对曲面进行重构等处理。由图4可以看出，构造 曲面与点云的最大误差0.2039可以满足应用要 求，这样的重构精度可以接受。

（2） 逆向工程技术实施的软件条件 目前比较常用的通用逆向工程软件有 Surfacer、CopyCAD。一些CAD软件也 逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如 Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS 模块，可以接受有序点(测量线)，也可以 接受点云数据。其它商品化软件(如 Delcam、Cimatron和Strim)的功能模块 也逐渐丰富起来。为逆向工程的实施提 供了软件条件。
二、逆向工程组成 １．定义 逆向工程（Reverse Engineering） 也称反求工程、反向工程等，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，从而实现产品设计与制造的过 程。
逆向工程框图
样品 3D 轮廓测量 数据 处理 CAD 曲面构建 外形 装饰
图１测量点云及其 定位






（3）定位（registration） 由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大 无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单 独的点云，一般测量设备得到的点群资料，并不在绘图坐标系上。 因此，需要将点群资料，移动、定位到方便绘图的坐标位置上，即 定位操作。Surfacer可以利用诸如圆柱面、球面、平面等特殊的特 征信息将点云准确对齐。 针对如图2（a）所示点云形状，其底面为一个平面，有以下几个步 骤完成定位： （1）从底面点云中构造新点云，再用所构造点云生成一个平面； （2）选取显示菜单，视线对齐所构平面； （3）旋转90度方向后，利用interactive切片生成两个切片点云； （4）用切片点云生成二个圆，通过两个圆心构造一条直线； 至此，定位的二个条件：一个底平面和一条直线已经生成，与点云 一起构成群组，如图2所示。 （5）在构图坐标系中，生成一个平面和一条直线，对群组用 Stepwise Registration完成定位，如图2（c）所示。 （6）定位完成后，调用Reset Home Xform执行新的坐标位置设定， Reset Xform将物体的设定坐标转换成与原点坐标一致，这两个选 项配套使用。
3、逆向工程在CAD/CAM体系中的应用

逆向工程技术并不是孤立的，它和测量技术、 CAD/CAM技术有着千丝万缕的联系。 最终目标：从理论角度分析，逆向工程技术 能按照产品的测量数据建立与现有CAD/CAM系统 完全兼容的数字模型； 但目前人们所掌握的技术，包括工程上的和 理论上的（如曲面建模理论），尚无法满足这 种要求。特别是针对目前比较流行的大规模 “点云”数据建模，更是远没有达到直接在CAD 系统中应用的程度（希望增加智能，测量后能 够通过软件系统。
2、逆向工程结构组成


（1） 逆向工程技术的硬件条件
三维数据信息的提取是逆向工程技术设计中的重要内容， 为产品三维信息的获取提供了硬件条件。德国GOM公司逆 向（逆向）技术的软硬件技术与设备--AtosII流动式光学 扫描仪、Tritop三维照相测量系统。英国LK公司的精密三 坐标测量设备(非接触式)。体现了检测设备的高速化、廉 价化和功能复合化的特点。 在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计 工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。 例如，材质为硬且形状较为简单、容易定位的物体，应尽 量使用接触式扫描仪。但在对橡胶、油泥、人体头像或超 薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，但 设备成本较高。
曲面重构时面临的困难:
（1）扫瞄数据庞大
数据点的处理，分块等
（2）复合曲面特征数据提取
一般而言，CAD模型是由许多不同的几何形状所组 合而成，而每一种几何形状皆有其特性（二次曲面 特征＆自由曲面特征提取）。
（3）曲面的光顺效果难以保证 精度和光顺性有时是一对矛盾。
三、逆向工程的应用 1、逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料