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Chapter_1逆向工程技术逆向工程产生的背景：（1）产品功能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件（2）产品开发的周期、生产周期、更新周期越来越短60-70年代如何做得更好80-90年代如何做得更便宜二十一世纪初如何做得更快一、顺向工程1、顺向工程（ForwardEngineer）从确定产品的功能与规格开始，构思产品的组件，然后进行组件的设计、制造及检验，再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。这种开发流程称为顺向工程或正向工程。其过程包含：确定功能与规格构思零部件需求零件设计制造部件组装检验整机组装检验性能测试2、顺向工程开发流程3、顺向工程设计加工流程二、逆向工程1、逆向工程（ReverseEngineer）也称反向工程、反求工程等。逆向工程是将已有产品实物转化为CAD模型的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。2、逆向工程流程功能与规格产品设计制造、检验装配2D或3D设计CAD/CAM模具与成品模具与成品检测样品3D轮廓测量资料处理CAD曲面构建外形修饰CAM生成NC文件模具加工模具成型批量生产三、反求工程是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。已先进产品设备的实物、软件（图纸、程序、技术文件）或影片（图片、相片等）作为研究对象；运用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行分析和研究；探索掌握其关键技术，进而开发出同类的先进产品。反求工程含义广泛，包括设计反求、工艺反求、管理反求等。主要内容：功能分析与方案设计产品结构与尺寸分析产品材料分析产品造型分析工艺分析精度分析四、逆向工程的应用领域1、对产品外形的美学有特别要求的领域2、当设计需要通过实验调试才能定型时3、无设计图纸、无CAD模型的情况时4、模具行业5、在新产品开发、创新设计6、难于用基础几何元素来表现与定义的很多物品7、特种服装和头盔的制造（如宇航服严格依据航天员的身体的尺寸来进行制造）8、测量与检测9、医学10、考古学Chapter_2逆向工程测量系统1.定义与分类一、定义数据测量：又称产品表面数字化、数据采集是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。二、分类（1）接触式测量三坐标测量机（Coordinatemeasuringmachine,CMM）（2）非接触式测量激光扫描设备（抄数机）——ATOS测量系统样品3D轮廓测量资料处理CAD曲面构建外形修饰逐层生产成STL文件RP快速成型模具成型批量生产2.接触式测量一、三坐标测量机的原理测量机具有一个采点发讯装置——测头，在沿X，Y，Z三个轴方向装有光栅标尺和读数头；测量过程就是当测头接触工件时发出采点信号；由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值；根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。二、三坐标测量机的组成1、三大组成部分主机+测头+电气系统2、主机（1）框架（2）标尺系统（3）导轨（4）驱动装置（5）平衡部件（6）转台与附件3、测头（测量探头）（1）硬式测头通过手动使探头接触工件表面，用人眼及感觉做判断，再利用脚踏开关触发，将此点坐标传送至处理器。硬式探头成本低；接触力的大小及接触点的判断极为困难，故使用者需要有较多经验；误差较大。（2）触发式测头（开关式）具有电子开关结构；当触头碰触到工件表面，则电子开关机构产生开关变化，将电子信号由ON转为OFF；获得坐标并送至处理器。（3）模拟式测头模拟式测头接触工件时会有侧向位移，经可变线圈感应或光栅尺感应，产生一相对的电压变化，此模拟电压信号转换为数字信号送入处理器。三、三坐标测量机的分类1、桥式(1)移动桥式三坐标测量机桥式移动桥式固定桥式水平臂式单水平臂式双水平臂式龙门式台式机械手臂式优点：结构简单，刚性好，承重能力大；工件重量对测量机的动态性能无影响。缺点：测量空间受框架限制，该结构不适用于大型测量机；(2)固定桥式优点：整体刚性好；X，Y方向运动相互独立。缺点：工作台刚性较差，当载荷变化时易产生变形误差，故工件重量不宜太大。2、水平臂式优点：导轨可以足够长，适用于飞机、汽车工业；基础平台平衡性很好，安装时不需要地基。缺点：悬臂变形与臂长3次方成正比，故Y行程不宜太大。（1）单水平臂式（2）双水平臂式优点：双水平臂量程更大3、龙门式特点：结构稳定；刚性好；测量范围大。4、台式特点：从工具显微镜发展而来；操作方便，测量精度高。缺点：测量范围小。5、机械手臂式测量方法：操作者手持测量手臂，末端探针接触测量物体表面时按下按钮，记录坐标和探针手柄方向，通过串口线传到各种软件包上。特点：精度低，范围大。四、三坐标测量机的选用原则1、测量机类型对于中小型工件，多采用水平臂式、台式与移动桥式等；对于中型尺寸的工件，多采用移动桥式；对于大型工件，则多采用龙门式。2、测量范围（1）要考虑整个工件能在测量机上安置，应根据工件大小选择测量机。（2）Z轴与Z向空间高度的关系。Z轴行程是Z轴的测量范围，而Z轴的空间高度是工件能够放得下的高度。3、测量精度一般测量，测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5~1/3。精密测量及复杂的形位测量，一般应为被测尺寸公差带的1/10~1/5。4、测量效率桥式和龙门式具有较大的惯性，影响了其加减速性能，测量速度一般较低。水平臂式惯性小，因而加减速性能较好，有利于提高测量速度。3.非接触式测量一、三角测量基本原理二、对映函数测量原理三、激光测距法4.测量数据类型一、散乱点云测量点没有明显的几何分布特征，程散乱无序状态随机扫描下的CMM，光学测量系统多张数据拼合后二、扫描线点云点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内；非接触式测量光学测量三角形测量原理激光扫描法对映函数测量原理结构光法激光测距原理激光测距法超声波测量电磁测量散乱点云扫描线点云网格化点云三角网格点云多边形点云CMM、激光三角测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量5.测量方法比较一、接触式测量优点1、准确性及可靠度高2、与工件的反射性无关3、适合做一般基本几何形状的测量二、接触式测量缺点1、为准确测量基准点要求使用特殊的夹具，导致测量费用较高；2、探头的球头容易因接触力造成磨损，故需要经常校正探头直径；3、操作不当容易损伤工件某些重要部位的表面精度及探头本身；4、测量速度慢，因接触式触发探头是以逐点的方式测量；5、对于内部形状，探头的直径必须小于被测形状的尺寸；6、测量三维曲面的尺寸时，需要做探头半径的补偿；7、接触力将影响测量值的实际值；8、测量系统本身的结构可能有不良的静态或动态的机械反应；9、接触面积与工件表面纹路的几何形状有关。三、非接触式测量优点1、不需要做探头的半径补偿，激光点位置即为工件表面位置；2、测量速度非常快；3、可直接测量软工件、薄工件以及不可接触的高精密工件。四、非接触式测量缺点1、测量精度相对较差；2、受被测物体表面颜色及周围环境光的影响，工件表面的明暗程度影响测量精度；3、无法直接测量出一般几何形状；4、被测物体的表面粗糙度会影响测量结果；5、激光射不到的地方无法测量。测量方式接触式测量非接触式测量测量精度1μm10~100μm传感器开关元件光电元件测量速度慢（逐点）1000~12000点/秒工件材质硬质材料无限制误差部分失真随曲面变化大Chapter_3数据处理技术1．测量数据格式转换一、逆向工程中的数据转换标准二、*.asc数据格式三、*.stl数据格式stl格式的优点：原理与格式简单明了，由CAD模型转换容易；具有独立性，与各个CAD系统构建几何模型以及文件结构无相关性；是当前CAD系统与快速原型系统间文件转换的标准格式。stl格式的缺点：数据大量重复，造成数据量的膨胀：STL格式的存储单位为三角形，但是两个相邻的三角面由两个相同顶点，使得数据重复；精确度与数据量难以平衡：STL格式以三角形逼近物体的表面外形，会引起精度缺失，格式转换时以弦高差进行控制；文件缺乏CAD模型所含信息；四、IGES数据格式InitialGraphicsExchangeSpecification基本图形交换规范IGES是一种中性文件，其作用是在不同的CAD/CAM系统之间交换数据。2．测量数据测头半径补偿方法一、二维自动补偿方法压力矢量：表面法向矢量测量截面：各个测量点的压力矢量所决定的面当测轴与测量截面在同一平面内，可采用二维补偿。二维自动补偿：将测量点和测头的半径关系都处理成二维情况，并将补偿计算编入测量程序中，在测量时自动完成数据的测头补偿。三点共圆法进行二维补偿：假设在曲面曲线上测得N个点先取曲线上3个连续的测量点P1，P2，P3三点可以看作是圆弧上的点，P1，P2，P3确定圆弧圆心MP2M即为法向矢量以P2为圆心，测头半径为半径做圆，与P2M的交点即为测点二、三维补偿方法测轴与测量平面不在同一平面内，按二维补偿计算存在误差。对测量数据进行测头半径的三维补偿核心问题就是确定被测轮廓各点的压力矢量。1、微平面法测量探头在应测点P的一个小邻域内分别采集三个参考点，用三点组成的小平面的法向矢量近似作为P处的法向矢量，进行半径补偿。2、曲面偏距补偿法根据测头中心所在的点先将曲面构建出来，然后再将曲面偏移球头半径的距离。3、直接计算法对规则有序的点列，根据测量点及周围点信息，可以直接计算某一确定点的法向矢量。3．测量数据预处理一、点数据的坐标定位在零件表面的形状测量过程中的因素决定了无法通过一次完成对整个零件的测量过程，这些因素包括：复杂型面往往存在投影视觉盲区，无法一次完成全部型面的测量，需要从其它方向进行补测；对于大型零件，受测量系统范围限制，必须分块测量；当检测物体有定位和夹紧要求时，一次测量无法获得定位面及夹紧面的测量数据，需引入二次测量。多视点云（multi-view）从各个视角分块测量得到的多个独立的点云多视数据的对齐将各次测量对应的局部坐标系统一到同一坐标系，并消除两次测量间的重叠部分，得到被测物体表面的完整数据。1方法一利用基本像素定位在待测物上粘上球体或利用待测物体的平面等基本像素作为测量基准点；数据测量完毕，分割出作为测量基准点的基本像素的点群，并用FitPrimitive功能将这些近似球体或平面的点数据的像素坐标近似求解出来；根据相同位置的球体其圆心必在同一点（三点定位）等类似的条件将点数据作定位。2方法二相同曲率数据重叠定位选取欲整合的点群数据中数据重叠部分，然后运算该区域曲率变化；将不同数据中应整合的相同区域做运算并以相同曲率部分为定位进行整合；所选取的区域数目越多，整合精度越高；所选取的区域有较大的曲率变化（明显的特征），则整合的准确率也越高。二、异常点（误差点）处理点云分类类型特征描述测量方式散乱点云测量点没有明显的几何分布特征，程散乱无序状态CMM，激光测量随机扫描扫描线点云点云由一组扫描线组成，扫描线上的所有点位于扫描平面内CMM，激光点光源测量系统沿直线扫描和线光源测量系统扫描网格化点云测量点分布在一系列平行平面内，用小线段将同一平面内距离最小的若干相邻点依次连接，可形成一组平面三角莫尔等高线测量、工业CT等1、扫描线点云杂点的处理等截面数据扫描：根据被测对象的几何形状，锁定一个坐标轴进行数据扫描。得到的数据时一个二维数据点集。数据失真：测量设备的标定参数发生变化测量环境突然变化人工手动测量中的操作误差数据失真的判别:直观检查法曲线检查法弦高差法（1）曲线检查法通过截面数据的首末数据点，用最小二乘法拟合得到一条拟合曲线；分别计算中间数据点得到样条曲线的欧式距离：‖𝑒𝑖‖=√(𝑥2−𝑥1)2+(𝑦2−𝑦1)2+(𝑧2−𝑧1)2给定允许误差[𝜀]，若‖𝑒𝑖‖[𝜀]，则该点为失真点。（2）弦高差法通过连接检查点前后两点，计算中间点到弦的距离，同样如果‖𝑒𝑖‖[𝜀]，则认为该点时失真点，应以剔除。这种方法适合于测量点均布且较