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5逆向工程技术及应用逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展逆向工程RE（ReverseEngineering）就是利用测量仪器对物体表面进行三维扫描或测量，获得物体的三维点数据(点云集)，再利用逆向工程软件对获得的三维扫描数据进行整理、编辑、获取所需的三维特征曲线，最终通过三维曲面表达出物体的外形，为后续的设计或是加工做准备。利用三维扫描技术可以更快速更准确地获得其它设备无法取得的物体外形数据。逆向工程的发展1、“逆向工程”技术的提出2、一些产品设计是从实物开始的3、计算机技术和信息技术的发展，促进了逆向工程技术的发展“逆向工程”技术的提出日本在６０年代初提出科技立国方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最为突出。在应用逆向工程技术上，日本具有典型性：●二战后，1950年日本国民生产总值为英国的1/29、法国的1/38。目前，是世界第二经济强国。●1945～1970年，引进国外先进技术（80％为专利、图纸）投资60亿美元。（自行研制1800～2000亿美元）●掌握每项技术需2～3年。（自行研制需12～15年）●60年代中期，机械工业研究经费16.9％用于引进，68.1％用于消化、改造。●日本政府推算，采用反向工程技术，节省约2/3的研究时间、9/10的研究经费。计算机技术与逆向工程1）快速成形技术—快速设计与原型制造、复杂零件建模与制造、人体器官建模与生医制造。2）影视动画技术—人体模型的建立、实物建模。3）CAD/CAM技术—CAD建模技术、数字化制造技术。反向工程技术应用计算机建模、仿真技术，对机械产品工作原理、机械性能、加工制造的反求设计进行优化，提高新产品开发的一次成功率。采用：1）CAD设计、工业设计→进行结构、外观优化。2）运动学、动力学建模、仿真→进行工作原理优化。3）制造过程建模仿真、并行工程→进行制造工艺优化。逆向工程应用领域产品测量与检测产品模具设计三维动画制作、3D游戏制作三维服装CAD文物复原与考古、文物档案管理医学仿生与整形人体数字化模型快速、准确地获取产品表面的原始数据,即产品表面数字化完成高质量的曲面重构,即获得产品的数字化建模快速原形制造，制作产品的样品零件逆向工程研究的主要内容逆向工程的关键技术1．实物（产品）形体尺寸的三维测量技术。2．测量数据的前处理技术。包括：测量数据的坏点、测量误差的去除，多视图测量数据的整体拼接，冗余数据的去除，测量数据的简化和优化，等等。3．测量数据的CAD反向建模技术。包括：测量数据的分割和曲面拟合，被测实物的CAD模型重构技术等。4．反向工程的接口技术。包括：测量数据与快速成形系统的接口（STL文件），测量数据与CNC设备的接口（DXF、IGES、点云文件），测量数据与CAD/CAM系统的接口（DXF、IGES、STEP文件），以实现与现有的制造设备、CAD/CAE/CAM等软件的数据交换。测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。逆向工程数据处理技术点云测量数据的CAD建模技术点云测量数据的CAD建模，基本分数据预处理、测量点云数据的分割、曲面拟合和重构三部分。1、数据预处理；2、点云数据分割；3、曲面拟合与重构数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。对点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。可以在保证一定的精度的前提下对进行点云数据精简。目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。1、数据预处理数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数据域，为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。2、点云数据分割(1)曲线拟合造型：首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后用造型软件完成曲面片重构造型。优点是原理较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合简单曲面。(2)曲面片直接拟合造型。该法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。算法有：基于有序点的B样条曲面插值；B样条曲面插值；对任意测量点的B样条曲面逼近。(3)将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。3、曲面拟合与重构逆向工程技术的分类1）按产品的制造过程分：设计逆向－建立产品的CAD模型。工艺逆向－产品所使用的材料、产品的加工工艺（制造工艺、装配工艺）。管理逆向－产品制造过程管理和质量控制。2）按逆向的目标分：实物逆向－建立产品的CAD模型。软件逆向－软件、加工的工艺规范、技术文档、质量管理。影像逆向－影视画面。逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展逆向过程工作流程逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展测量方法分类非破坏性测量被动方式主动方式反射测距法CT方式结构光法条纹法三角形法栅格法超声波激光焦距法全息法特征法破坏性测量数据获取方法接触式非接触式断层扫描接触式传感器CMM在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用最广泛的一种测量设备。而在非接触式测量方法中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。三角法是根据光学三角形测量原理，利用激光光源和光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表面点的坐标数据，是目前光学测量应用最广泛，技术最成熟的方法之一。可分为点光源、线光源和面光源测量法。该测量方法使用方便，运算速度也快，因而广泛应用在逆向工程测量中。但是，该测量方法在应用上有许多定位参数要求，对于大型工件的测量不够方便。结构光法测量时，光栅投影装置投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，成一定夹角的两个摄像头同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配技术、三角形测量原理,解算出两个摄像机公共视区内像素点的三维坐标。测量数据精度比较逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展逆向工程实施的条件硬件条件：三坐标测量机光学扫描仪接触式数据化仪逆向工程的测量系统三坐标测量便捷式测量1、接触式测量三坐标测量机，特点：a.测量精度高，达0.5um；b.测量速度慢；c.工作环境要求高；d.需进行探头补偿激光扫描测量2、非接触式测量1、激光扫描法；2、密栅云纹法；3、投影栅相位法；4、结构光扫描法；5、多视图拼接法。ATOSII光学扫描仪a.数据采集速度快b.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c.获得的密集点云信息量大d.测量范围大，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。e.精度低，保持在10微米级以上3、影像测量逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展逆向工程的实施需要逆向工程软件的支撑。逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。由于无法完全满足用户对产品造型的需求，因此逆向工程CAD软件很难与现有主流CAD/CAM系统，如CATIA,UG,Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡。很多逆向工程软件成为这些CAD/CAM系统的第三方软件。如UG采用ImageWare作为UC系列产品中完成逆向工程造型的软件，Pro/ENGINEER采用ICFMSurf作为逆向工程模块的支撑软件。此外还有一些独立的逆向工程软件，如GeoMagic等，这些软件一般具有多元化的功能。逆向工程软件1、UnigraphicsNX输入点云构建曲线构建曲面片编辑曲面片曲面缝合构建实体2、Catia3、Pro/E4、GeomagicStudioGeomagicStudio可根据任何实物零部件自动生成准确的数字模型。作为全球首选的自动化逆向工程软件，GeomagicStudio还为新兴应用提供了理想的选择，如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动重造。5、NXImagewareImageWare具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的Affi曲面〔LASSA)具有良好的品质和曲面连续性。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展应用实例（一）－逆向工程在汽车方灯支架冲压模的应用应用实例（二）－逆向工程在某型车尾饰灯上的应用应用实例（三）－逆向工程在叶轮模具上的应用逆向工程应用实例－车灯1、三维扫描获取产品的三维数据；2、对点运进行处理；3、造型；4、比对评估；5、后续处理。1、三维扫描获取产品的三维数据多角度三维扫描生成点云2、对点运进行处理利用逆向工程软件（Imageware、Geomagic等）对点云进行处理，为造型做准备。3、造型利用逆向工软件或者是CAD（ug、pro/e、catia）软件进行造型。4、比对评估利用软件（surfacer、Imageware、Geomagic等）的对比评估功能，检查造型的误差，确定粗要进一步修改完善的地方。5、后续处理利用CAD/CAM软件继续处理，例如修改\增加\删减,设计内容、出图纸、开模具图、编程、加工等等.逆向工程及其应用•逆向工程发展•逆向工程流程•逆向工程的测量方法•逆向工程的测量硬件系统•逆向工程软件•应用实例•逆向工程应用拓展应用的主要内容(1)产品的仿制与改进；(2)复杂型面质量控制的要求；(3)美学设计特别重要的领域；(4)医疗\仿生\艺术品加工的要求。汽车产品的仿制与改进委托方交付一件样品或产品，请制造厂商复制出来，在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原型进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据生成数控加工的NC代码，加工复制出一个相同的零件。以往，TennesseeWatercraft公司对船体甲板采用机器人钻孔，采用人工编程，包括对每个孔径的手工测量和定位，大约需要25万美元。采用逆向工程技术后，利用激光扫描之后，就可以获得新的数字设计图，然后将数据转换成CAD模型，该编程任