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第三章逆向工程设计2021/3/9机电工程系李晓芳逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下，直接从成品的分析，推导出产品的设计原理。逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来寻找证据。什么是逆向工程逆向工程是由高速三维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES(初始化图形交换规范)或STL(标准模块库)数据，据此就能进行快速成型或CNC（计算机数字控制机床）数控加工。样品——数据——产品模型曲面分析确定扫描方案进行实体点云扫描进行实体建模进行点云数据处理建立需要的曲线建立曲面逆向建模的一般流程图逆向工程的工作流程示意图测量前分析采集数据数据预处理模型分析数据分块曲面重构（二次曲面、自由曲面、规则曲面）模型内涵的设计思想数据分块目标模型待测模型1.接口设计。由于互操作性，逆向工程被用来找出系统之间的协作协议。2.军事或商业机密。窃取敌人或竞争对手的最新研究或产品原型。3.改善文档。当原有的文档有不充分处，又当系统被更新而原设计人员不在时，逆向工程被用来获取所需数据，以补充说明或了解系统的最新状态。4.软件升级或更新。出于功能、合规、安全等需求更改，逆向工程被用来了解现有或遗留软件系统，以评估更新或移植系统所需的工作。逆向工程产生的动机5.制造没有许可/未授权的副本。6.学术/学习目的。7.去除复制保护和伪装的登录权限。8.文件丢失：采取逆向工程的情况往往是在某一个特殊设备的文件已经丢失了（或者根本就没有），同时又找不到工程的负责人。完整的系统时常需要基于陈旧的系统上进行再设计，这就意味着想要集成原有的功能进行项目的唯一方法，便是采用逆向工程的方法，分析已有的碎片进行再设计。9.产品分析：用于调查产品的运作方式，部件构成，估计预算，识别潜在的侵权行为。逆向工程应用领域1.工业产品的检测与测量、产品及模具的逆向工程(汽车，航空，家电工业)2.零部件形状变形检测、形状测量、研究测量、工业在线检测3.模具设计与检测领域4.人体数字化、服装CAD、人体建模、人体数字雕塑、三维面容识别5.医学仿生、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价6.三维彩色数字化、数字博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制7.三维动画影片的制作、3D游戏建模、三维游戏中三维模型的输入与建立逆向工程的作用逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的作用是：1、缩短产品的设计、开发周期，加快产品的更新换代速度；2、降低企业开发新产品的成本与风险；3、加快产品的造型和系列化的设计；4、适合单件、小批量的零件制造，特别是模具的制造，可分为直接制模与间接制模法。直接制模法：基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP（快速成形技术）系统直接制造成型。该法既不需用RP（RPM(快速原型制造)：RapidPrototypingManufacturing）系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金属模具制造而言尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法；间接制模法：间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型，以原型作为母模、模芯或制模工具(研磨模)，再与传统的制模工艺相结合，制造出所需模具。随着计算机辅助设计的流行，逆向工程变成了一种能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE（计算机辅助工程）或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的过程采用了通过丈量实际物体的尺寸并将其制作成3D模型的方法，真实的对象可以通过如激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。逆向工程能在拥有现有物理部件之上，利用激光扫描仪、结构光源转换仪或X射线断层成像之类3D扫描仪技术进行尺寸测量，再通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的设备三维扫描技术分类声学式三角形法轮廓投影法成像法光学式磁学式触发式扫描式接触式非接触式三维扫描技术从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。一、工业级数控三坐标测量机一、工业级数控三坐标测量机1、测量原理三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。将被测物体置于三坐标测量空间，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。2021/3/9演示视频1演示视频22021/3/92、应用主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。3、特点单边活动桥式结构，显著提高运动性能，确保测量精度及稳定性。三轴导轨均采用高精密天然花岗岩，具有相同的温度特性及刚性。三轴导轨均采用自洁式预载荷高精度空气轴承，运动更平稳，导轨永不受磨损。RENISHAW自粘开放式金属光栅尺，更接近花岗岩基本的热膨胀系数，提高了设备的稳定性。一、工业级数控三坐标测量机二、绝对关节臂测量机二、绝对关节臂测量机1、主要功能对零件进行测量、检查和验证逆向工程产品比较/产品分析快速原型设计：对示例部分或物理模型进行扫描，并转换为CAD模型，如同三维打印机。仿形铣：由扫描点云数据直接复制生产产品。2、应用钣金件、冲压件、模型配件、模具、结构和装饰五金、复合材料、机加工件、管件及其组件、车身和底盘、玻璃纤维结构。应用领域：汽车及其零部件制造商、汽车内饰、航空航天零部件制造商、重型设备及其零部件制造商、船舶和造船、机械制造、家具制造业、土木工程、新能源及其零部件制造商、轨道交通。2021/3/9三、三维激光扫描仪三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。2021/3/9三维激光扫描技术在文物古迹保护、建筑、规划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。三、三维激光扫描仪2021/3/9四、照相式扫描仪“照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍。由于有效的控制了整合误差，整体测量精度也大大提高。2021/3/9其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角点云的自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12M，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。四、照相式扫描仪2021/3/9非接触光学三维扫描仪，其结构主要由光栅投影设备及两个工业级的CCDCamera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCDCamera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。四、照相式扫描仪2021/3/9照相式三维扫描仪采用非接触白光技术,避免对物体表面的接触,可以测量各种材料的模型,测量过程中被测物体可以任意翻转和移动,对物件进行多个视角的测量,系统进行全自动拼接,轻松实现物体360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时,迅速的获取纹理信息,得到逼真的物体外形,能快速的应用于模具制造行业的扫描。四、照相式扫描仪2021/3/9三维扫描仪工作流程测量数据展示Imageware：主要用于曲面造型。将STL模型作为参考数据进行逆向造型设计。GeomagicStudio：主要用于点云的前期处理。噪声去除，平滑，修补，封装成STL模型等。CopyCAD：能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。RapidForm：RapidForm是韩国INUS公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为3DScan后处理之最佳化的接口。RapidForm也将使您的工作效率提升，使3D扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。逆向工程的软件我国制造业进入了一个蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代制造技术的技术人才形成了巨大需求，目前国内大部分的高校未涉足“逆向工程设计”专业，在广东江苏等沿海城市，出现十万年薪难请“逆向工程”设计师的现状。逆向工程应用前景2021/3/9光栅三维扫描仪操作步骤一、软件安装二、硬件安装三、主显示分辨率设置与光栅分辨率设置四、校准五、扫描2021/3/9光栅三维扫描仪操作手册一、软件安装三维扫描软件FlexScan3D的安装采用普通的向导安装方式，与其他软件的安装方式相同。既可以完全傻瓜化安装，也可以采用定制式安装方式。安装完成后，桌面上会自动创建三维扫描软件图标，在电脑USB端口插入软件狗后，双击FlexScan3D图标即可进入扫描软件界面。注：软件狗为无驱动型，第一次插入电脑USB端口后，会自动识别并安装驱动，稍候几分钟，系统提示安装成功即可。2021/3/91。三维扫描仪光栅主机身，与金属结构件联在一起；2。两只高精度工业视觉相机（也可为一只或多只，依据型号配置有差异）；3。两只高精度工业视觉镜头（也可为一只或多只，依据型号配置有差异）并与工业相机联接在一体；4。三脚架一套5。5mm/10mm/15mm玻璃标准校准板两件，并附一次性标准校准纸若干张；6。FlexScan3Dpro专用授权软件狗一只；7。USB2.0或3.0工业线缆两条；8。光栅VGA电脑信号线缆一付（2m加3m延长线），电源线缆一付（2m加3m延长线）。二、硬件安装2.1三维扫描仪包含的组件2021/3/9二、硬件安装2021/3/9二、硬件安装2.2三维扫描仪硬件的安装第一步：三脚架的组装打开随新机配备的三脚架包装包，取出三脚架主体一付，三脚滚轮三只，松开对应部位的锁紧螺丝，可以调整三脚架的各个部位，调整至适当角度，以方便后面的使用。将光栅主机背面的快装卡扣，安装到三角架快装板上，将工业相机安装到支架上。2021/3/9二、硬件安装2.2三维扫描仪硬件的安装安装完成图：2021/3/9二、硬件安装2.2三维扫描仪硬件的安装第二步:与电脑联接确认显卡接口，联接光栅；设置光栅分辨率通过USB2.0接口联接至工业相机（严禁将工业相机USB线插接到电脑前面板上。）分配镜头电脑显卡：确保独立电脑显卡的信号输出口至少为两个，如图所示。一般显卡主显示信号1#为DVI接口（白色宽口），兰色2#VGA口为光栅信号。第二步：与电脑的联接2021/3/9二、硬件安装2