第一章逆向建模概论

逆向工程建模与产品创新设计•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第一章绪论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（Objectoriented）预定模式（Prescriptive-model）系统开发（Systemto-be）以及所属权系统（Legacysystem）No需求分析详细设计初步设计概念设计工艺规划可行性分析？Yes样机试制制造设计与制造信息描述是从构思到数字模型，再到产品（实物）的演化过程强调怎么做？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）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汽车工程设计基于车身结构设计、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！设计样机生产2、工程需求图档工业设计？样品？试验如何快速制造？产品小批量？逆向工程、快速成形、快速模具是产品快速开发技术！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。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。３、逆向工程技术的产生与起源逆向工程定义•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!数字化测量CAD模型重构二维图样、技术文档仿制改制产品CAD/CAE系统CAM系统快速成型RP产品样件模具PDM系统实物样件新产品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.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析1.3逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据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。数字化测量接触式测量数字化测量—测量设备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测量逆向技术数字化测量—测量方法比较优点•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。接触式测量逆向技术数字化测量—测量方法比较优点•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；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。测量路径规划逆向技术测量实例—涡轮叶片模具叶片模具型面数据叶片模具边界数据共采集数据点24500个。逆向技术测量实例—不同叶片的3D-CT层析断层高解析度3D-CT实验系统不同叶片的3D-CT层析断层逆向技术测量实例—基于双目视觉的三维数据获取实验扫描系统蒙皮模具（长5m）共采集数据点341212个成型面点云图逆向技术1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据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：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.弦高差法测量数据预处理—坏点去除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。测量数据预处理—点云精简3p保留每个子立方体中距中心点最近的点。逆向技术测量数据（24500个）处理后的数据（4607个）测量数据预处理—数据精简实例精简原则：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。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。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—数据插补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。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—数据平滑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。常用方法：1.基于测量的分割2.自动分割测量数据预处理—数据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逆向技术测量数据预处理—数据分割实例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技术1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据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。三维重构点云图三维模型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。三维重构—常用方法逆向技术1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据逆向技术坐标配准实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。测量数据模型与CAD模型间的配准重点：选择基准坐标变换选择基准:•测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合；•根据被测物的几何特性自定义。逆向技术坐标配准实例配准基准：指定的点。逆向技术坐标配准实例坐标配准配准基准：由前缘半径圆心，尾缘半径圆心和封闭图形的形心组成的三角形。逆向技术坐标配准实例配准前配准后配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。逆向技术坐标配准实例配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。（1）平面1的法向与Z