第1章逆向工程

1、P.1 P.2 內容提要內容提要 本章是對逆向工程的簡介，包括逆向工程的定義、逆向工程的本章是對逆向工程的簡介，包括逆向工程的定義、逆向工程的 應用和逆向工程中的關鍵技術等。應用和逆向工程中的關鍵技術等。 學習重點學習重點 了解逆向工程概念及其工藝流程了解逆向工程概念及其工藝流程 掌握掌握CADCAD模型重構的工藝流程模型重構的工藝流程 P.3 1.1 1.1 逆向工程的定義逆向工程的定義 P.4 “逆向工程逆向工程”(Reverse Engineering(Reverse Engineering，RE)RE)，也稱反求工程、，也稱反求工程、 反向工程、三坐標點測繪、三坐標點造型、抄數等。它是

2、將實反向工程、三坐標點測繪、三坐標點造型、抄數等。它是將實 物轉變?yōu)槲镛D變?yōu)镃ADCAD模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品模型相關的數字化技術、幾何模型重建技術和產品 制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉換為工程設計模型制造技術的總稱，是將已有產品或實物模型轉換為工程設計模型 和概念模型，并在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造和概念模型，并在此基礎上對已有產品進行解剖、深化和再創(chuàng)造 的過程。它源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反的過程。它源于精密測量和質量檢驗，是設計下游向設計上游反 饋信息的回路。饋信息的回路。 P.5 P.6 P.7 1.2 1.2 逆向工程的

3、應用逆向工程的應用 P.8 作為產品設計制造的一種手段，在作為產品設計制造的一種手段，在2020世紀世紀9090年代初，逆向工程技術年代初，逆向工程技術 開始引起各國工業(yè)界的高度重視。從此以后，由于市場發(fā)展的需求，有開始引起各國工業(yè)界的高度重視。從此以后，由于市場發(fā)展的需求，有 關逆向工程技術的研究就一直備受關注，而且逆向工程技術在制造業(yè)關逆向工程技術的研究就一直備受關注，而且逆向工程技術在制造業(yè) 領域中的應用也越來越廣泛。領域中的應用也越來越廣泛。 逆向工程有以下一些應用背景。逆向工程有以下一些應用背景。 P.9 (1) (1)盡管計算機輔助設計盡管計算機輔助設計(CAD)(CAD)技術發(fā)展

4、迅速，各種商業(yè)軟件的功能技術發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能 日益增強，但目前還無法滿足一些復雜曲面零件的設計需要，還存在許日益增強，但目前還無法滿足一些復雜曲面零件的設計需要，還存在許 多使用粘土或泡沫模型代替多使用粘土或泡沫模型代替CADCAD設計的情況，最終需要運用逆向工程將設計的情況，最終需要運用逆向工程將 這些實物模型轉換為這些實物模型轉換為CADCAD模型。模型。 P.10 (2) (2)外形設計師傾向使用產品的比例模型，以便于產品外形的美學評價，外形設計師傾向使用產品的比例模型，以便于產品外形的美學評價， 最終可通過運用逆向工程技術將這些比例模型用數學模型表達，通過比例運最終可通過運

5、用逆向工程技術將這些比例模型用數學模型表達，通過比例運 算得到美觀的真實尺寸的算得到美觀的真實尺寸的CADCAD模型。模型。 P.11 (3) (3)由于各相關學科發(fā)展水平的限制，對零件的功能和性能分析，還不能由于各相關學科發(fā)展水平的限制，對零件的功能和性能分析，還不能 完全由完全由CAECAE來完成，往往需要通過實驗來最終確定零件的形狀。例如，在模具來完成，往往需要通過實驗來最終確定零件的形狀。例如，在模具 制造中經常需要通過反復試沖和修改模具型面方可得到最終的、符合要求的制造中經常需要通過反復試沖和修改模具型面方可得到最終的、符合要求的 模具。若將最終符合要求的模具測量并反求出其模具。若將

6、最終符合要求的模具測量并反求出其CADCAD模型，在再次制造該模具模型，在再次制造該模具 時就可運用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產效時就可運用這一模型生成加工程序，就可大大減少修模量，提高模具生產效 率，降低模具制造成本。率，降低模具制造成本。 P.12 (4) (4)以已有產品為基準點進行設計已經成為當今的一條設計理念。目前，以已有產品為基準點進行設計已經成為當今的一條設計理念。目前， 我國在設計制造方面與發(fā)達國家還有一定的差距，利用逆向工程技術可以充我國在設計制造方面與發(fā)達國家還有一定的差距，利用逆向工程技術可以充 分吸收國外先進的設計制造成果，使我國的產品設計立于

7、更高的起點，同時分吸收國外先進的設計制造成果，使我國的產品設計立于更高的起點，同時 加快某些產品的國產化速度。加快某些產品的國產化速度。 P.13 (5) (5)藝術品、考古文物的復制。藝術品、考古文物的復制。 兗州市鎏金銀棺的保護工作 P.14 (6)(6)人體中的骨頭、關節(jié)等的復制，假肢制造，以及特種服裝、頭盔的人體中的骨頭、關節(jié)等的復制，假肢制造，以及特種服裝、頭盔的 制造要以使用者的身體為原始設計依據，此時，需首先建立人體的幾何模型。制造要以使用者的身體為原始設計依據，此時，需首先建立人體的幾何模型。 P.15 (7) (7)在在RPMRPM應用中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過逆向工程

8、，可以方便應用中，逆向工程的最主要表現(xiàn)為：通過逆向工程，可以方便 地對快速原型制造的原型產品進行快速、準確的測量，找出產品設計的不足，地對快速原型制造的原型產品進行快速、準確的測量，找出產品設計的不足， 進行重新設計，經過多次迭代可使產品完善。進行重新設計，經過多次迭代可使產品完善。 (8)(8)借助于層析借助于層析X X射線攝像法射線攝像法(CT(CT技術技術) )，逆向工程不僅可以產生物體的外，逆向工程不僅可以產生物體的外 部形態(tài)，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、度量和定位物體的內部缺陷，從而成為工業(yè)產部形態(tài)，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、度量和定位物體的內部缺陷，從而成為工業(yè)產 品無損探傷的重要手段。品無損探傷的

9、重要手段。 除了以上提到的應用背景，在其他的應用背景上逆向工程技術也存在著除了以上提到的應用背景，在其他的應用背景上逆向工程技術也存在著 巨大的潛能。巨大的潛能。 P.16 1.3 1.3 逆向工程中的關鍵技術逆向工程中的關鍵技術 P.17 1 1三坐標測量數據處理三坐標測量數據處理 三坐標測量的技術要求可以用下面三坐標測量的技術要求可以用下面2020個字來概括：數據整齊、方向合理、個字來概括：數據整齊、方向合理、 分層分色、疏密有致、對稱測半。在質量上要求信息充分，精度達標，適應分層分色、疏密有致、對稱測半。在質量上要求信息充分，精度達標，適應 造型需要；在效率上要求滿足造型需求，減少冗余數

10、據。三坐標測量在功能造型需要；在效率上要求滿足造型需求，減少冗余數據。三坐標測量在功能 擴充上還有超大超長柔性工件測量及數據處理。擴充上還有超大超長柔性工件測量及數據處理。 P.18 一般來說，三維表面數據的采集方法可分為接觸式數據采集和非接觸式數一般來說，三維表面數據的采集方法可分為接觸式數據采集和非接觸式數 據采集兩大類。據采集兩大類。 接觸式有觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數據采集，還有基于磁場、超聲波的數據采集接觸式有觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數據采集，還有基于磁場、超聲波的數據采集 等。接觸式的三坐標測量設備有三坐標測量劃線機、三坐標測量機、機械手和等。接觸式的三坐標測量設備有三坐標測量劃線機、三坐標測

11、量機、機械手和 機械臂等機械臂等 P.19 非接觸式主要有激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結構光學法、非接觸式主要有激光三角測量法、激光測距法、光干涉法、結構光學法、 圖像分析法等。非接觸式測量的三坐標測量設備有投影機、數碼成像機、激圖像分析法等。非接觸式測量的三坐標測量設備有投影機、數碼成像機、激 光掃描機等光掃描機等 P.20 2 2復雜曲面的造型復雜曲面的造型 曲面構造是曲面構造是CADCAD逆向造型中的重要環(huán)節(jié)。在曲面構造中常常碰到一些十分逆向造型中的重要環(huán)節(jié)。在曲面構造中常常碰到一些十分 復雜的曲面，對這些復雜曲面進行造型就成為逆向工程中的一項關鍵技術。復雜的曲面，對這些復雜曲

12、面進行造型就成為逆向工程中的一項關鍵技術。 在構造曲面時還要注意把握產品的特征，這也是至關重要的，只有做到在構造曲面時還要注意把握產品的特征，這也是至關重要的，只有做到 了這一點，才能保證構造出來的曲面符合要求，即曲面構造光順，特征表達了這一點，才能保證構造出來的曲面符合要求，即曲面構造光順，特征表達 清晰、準確、流暢。清晰、準確、流暢。 P.21 3 3產品缺陷處理產品缺陷處理 在逆向造型時，碰到的產品經常存在這樣或那樣的缺陷，比如變形或要在逆向造型時，碰到的產品經常存在這樣或那樣的缺陷，比如變形或要 進行誤差修正。進行誤差修正。 碰到變形的產品時，在逆向造型時要盡量使其恢復到原來的樣子。碰

13、到變形的產品時，在逆向造型時要盡量使其恢復到原來的樣子。 誤差修正屬于測量缺陷的處理，由于測量的數據存在著明顯的誤差，在誤差修正屬于測量缺陷的處理，由于測量的數據存在著明顯的誤差，在 逆向造型時，工程師們要根據自己逆向造型的經驗對其進行誤差修正。逆向造型時，工程師們要根據自己逆向造型的經驗對其進行誤差修正。 P.22 4 4特殊的技巧特殊的技巧 在逆向造型時還有其他一些比較常用的特殊技巧，如展開、拋物面計算、在逆向造型時還有其他一些比較常用的特殊技巧，如展開、拋物面計算、 特殊編程等。特殊編程等。 5高品質或高品質或A級曲面級曲面 高品質或者高品質或者A級曲面在汽車、航空航天以及家用電器的設計

14、中經常用到。級曲面在汽車、航空航天以及家用電器的設計中經常用到。 這類曲面要求相當高的光順性。這類曲面要求相當高的光順性。 A級曲面設計者所追求的經典數值是，位置連續(xù)性誤差不大于級曲面設計者所追求的經典數值是，位置連續(xù)性誤差不大于0.001mm， 相切連續(xù)性誤差不大于相切連續(xù)性誤差不大于0.05，曲率連續(xù)性根據情況而定。但是，曲率連續(xù)性根據情況而定。但是，A級曲面級曲面 設計的視覺效果要求與觸覺設計的視覺效果要求與觸覺 效果一致。效果一致。 P.23 1.4 CAD1.4 CAD模型重建模型重建 P.24 CAD CAD模型重建，即逆向造型，是根據坐標測量機得到的數據點實物對象模型重建，即逆向

15、造型，是根據坐標測量機得到的數據點實物對象 的模型。根據實物外形的數字化信息，可以將測量得到的數據點分成兩類：的模型。根據實物外形的數字化信息，可以將測量得到的數據點分成兩類： 有序點和無序點有序點和無序點( (散亂點散亂點) )。由不同的數據類型，形成了不同的模型重建技。由不同的數據類型，形成了不同的模型重建技 術。術。 P.25 目前較成熟的方法是通過重構外形曲面來實現(xiàn)實物重建。常用的曲面模型目前較成熟的方法是通過重構外形曲面來實現(xiàn)實物重建。常用的曲面模型 有有BezierBezier、B-Spline(BB-Spline(B樣條樣條) )、NURBS(NURBS(非均勻有理非均勻有理B

16、B樣條樣條) )和三角和三角BeizerBeizer曲面。曲面。 P.26 逆向工程的逆向工程的CADCAD模型重構過程主要包括：模型重構過程主要包括： 點處理過程點處理過程 曲線處理過程曲線處理過程 面處理過程面處理過程 P.27 點處理過程：點處理過程： 對已經存在的物理模型進行分析對已經存在的物理模型進行分析 決定什么是下游工程的需要決定什么是下游工程的需要 用各種測量技術從模型中得到點的數據用各種測量技術從模型中得到點的數據 讀入點云的數據讀入點云的數據( (如有需要對齊點云數據如有需要對齊點云數據) ) 清除不需要的點清除不需要的點 規(guī)劃創(chuàng)建面所需的點并顯示這些點規(guī)劃創(chuàng)建面所需的點并

17、顯示這些點 P.28 P.29 曲線處理過程：曲線處理過程： 規(guī)劃要創(chuàng)建曲線的類型規(guī)劃要創(chuàng)建曲線的類型 由已經存在的點創(chuàng)建曲線由已經存在的點創(chuàng)建曲線 檢查和修改曲線檢查和修改曲線 P.30 P.31 面處理過程：面處理過程： 規(guī)劃要創(chuàng)建的曲面的類型規(guī)劃要創(chuàng)建的曲面的類型 由已經存在的曲線或者點云創(chuàng)建曲面由已經存在的曲線或者點云創(chuàng)建曲面 檢查和修改曲面檢查和修改曲面 P.32 P.33 這一部分工作主要使用逆向工程軟件實現(xiàn)，目前進行這一部分工作主要使用逆向工程軟件實現(xiàn)，目前進行CADCAD模型重建對模型重建對CADCAD支撐支撐 系統(tǒng)有兩種選擇方案：一是基于正向的商品化系統(tǒng)有兩種選擇方案：一是基

18、于正向的商品化CADCADCAECAECAMCAM系統(tǒng)軟件，如美國系統(tǒng)軟件，如美國 EDSEDS公司的公司的I-deasI-deas、UGUG、CATIACATIA，美國，美國PTCPTC公司的公司的ProProEngineerEngineer，法國，法國MatraMatra公司公司 的的StrimStrim，日本，日本HZS HZS 公司的公司的GRADEGRADECUBE-NCCUBE-NC等：二是選擇專用的逆向造型軟件，等：二是選擇專用的逆向造型軟件， 如如lmagewarelmageware、ICEMSURFICEMSURF、ParaformParaform、GeomagicGeoma

19、gic等。等。 P.34 采用采用“正向正向”技術路線的基本步驟是技術路線的基本步驟是“點點-線線-面面”特點是測量密度較小，特點是測量密度較小， 速度較慢；其測量方式為接觸式測量，適用對象是柔性多配合產品。若采速度較慢；其測量方式為接觸式測量，適用對象是柔性多配合產品。若采 用用“正向正向”技術路線，推薦使用的逆向工程軟件即為技術路線，推薦使用的逆向工程軟件即為UGUG或或CATIACATIA等正向的軟件。等正向的軟件。 采用采用“逆向逆向”技術路線的基本步驟是技術路線的基本步驟是“點點-面面”特點是測量密度大，速度特點是測量密度大，速度 快：其測量方式多為非接觸掃描測量，適用對象是剛性非配

20、合產品。若采快：其測量方式多為非接觸掃描測量，適用對象是剛性非配合產品。若采 用用“逆向逆向”技術路線，則推薦使用的逆向工程軟件為技術路線，則推薦使用的逆向工程軟件為ImagewareImageware或或ICEMSURFICEMSURF 等逆向造型軟件。等逆向造型軟件。 P.35 典型逆向工程軟件介紹典型逆向工程軟件介紹 （見講義）（見講義） P.36 點云數據獲取方法點云數據獲取方法 P.37 逆向工程采用的測量方法主要有2種： 測量方法的綜述測量方法的綜述 1)接觸式測量法，如三坐標測量機（CMM)、機械手； 2)非接觸式測量法，如投影光柵法、激光三角形法、立體視覺法、聲波法、 業(yè)CT掃

21、描法、核磁共振法、自動斷層掃描法等 P.38 各種三維測量方法的特點 P.39 部分測量方法簡介部分測量方法簡介 1投影光柵法 投影光柵法的基本原理是將光柵投影到被測物體表面上， 受到被測樣件表面高度的調制，光柵影線發(fā)生變形。通過解 調變形光柵影線，就可以得到被測表面的高度信息。 P.40 該方法的主要優(yōu)點是實際測量范圍大、速度快、成本低、易于實現(xiàn)。 缺點是精度低，且只能測量表面起伏不大的較平坦物體，對表面變 化劇烈的物體，在陡峭處會發(fā)生相位突變，使測量精度降低。 P.41 2.超聲波法 超聲波法的原理是當超聲波脈沖到達被測物體時， 在被測物體的兩種介質邊界表面會發(fā)生回波反射，通過 測量回波與

22、零點脈沖的時間間隔就可以計算出各面到零 點的距離。這種方法結構簡單，但測速較慢，測量精度 不穩(wěn)定，目前主要用于物體的無損檢測和壁厚測量。 P.42 3.工業(yè)CT掃描法 工業(yè)CT技術（Industrial Computed Tomography)適合于測量具 有復雜的內部幾何形狀的物體，利用它可直接獲取物體的截面數據， 正好與快速成型方法匹配。它是根據CT圖像來重構三維模型，然后 轉化為可以為激光快速成型設備所采用的STL或CLI文件格式。工業(yè) CT是目前最先進的非接觸測量方法，它可在不破壞零件的情況下，準 確地對物體的內部形狀、壁厚，尤其是內部結構進行測量，這是其他 測量方式所難以做到的，而且

23、對零件的材料沒有限制。但是，CT測量 方法也存在著測量系統(tǒng)的空間分辨率低、獲取數據時間長、重建圖像 計算量大、設備造價高的缺點。 P.43 4.逐層切削照相測量 逐層切削照相測量是一種新興的斷層測量技術。它以極小的厚 度去逐層切削實物（最小可達士0.01mm)，并對每一斷面進行照相， 獲取截面圖像數據，其測量精度達士0.02mm，是目前斷層測量精度 最髙的方法，且成本較低，與工業(yè)CT相比，價格便宜70%80%，但 它的致命缺點是破壞了零件。 P.44 5.核磁共振（MRI)法 磁共振成像技術（MRI)也稱為核磁共振。該技術的理論基礎 是核物理學的磁共振理論，是20世紀70年代末以后發(fā)展起來的一

24、 種新式醫(yī)療診斷影像技術。其基本原理是用磁場來標定人體某層 面的空間位置，然后用射頻脈沖序列照射，當被激發(fā)的核在動態(tài) 過程中自動恢復到靜態(tài)場的平衡時，把吸收的能量發(fā)射出來，然 后利用線圈來檢測這種信號，信號輸人計算機，經過處理轉換在 屏幕上顯示圖像。它能深人物體內部且不破壞物體，對生物沒有 損害，在醫(yī)療上具有廣泛應用。但其不足之處在于造價極為昂貴， 空間分辨率不及CT，且目前對非生物材料（比如金屬材料）不適 用。 P.45 三坐標測量機 三坐標測量機是一種通用的三維長度測量儀器，是由三個相互 垂直的測量軸和各自的長度測量系統(tǒng)組成的機械主體，結合測頭系 統(tǒng)、控制系統(tǒng)、數據采集與計算機系統(tǒng)等構成坐

25、標測量系統(tǒng)的主要 系統(tǒng)元件，測量時把被測件置于測量機的測量空間中，通過機器運 動系統(tǒng)帶動傳感器即測頭實現(xiàn)對測量空間內任意位置的被測點的瞄 準，當瞄準實現(xiàn)時測頭即發(fā)出讀數信號，通過測量系統(tǒng)就可得到被 測點的幾何坐標值，根據這些點的空間坐標值，經過數學運算求出 待測的幾何尺寸和相互位置關系。 P.46 P.47 P.48 P.49 激光三角測量技術 激光三角形法是一種比較傳統(tǒng)的測量方法，近年來，它在諸多 領域都有著廣泛的應用。與其他非接觸式測量方法相比，具有大的 偏置距離和大的測量范圍，對待測表面要求較低，不僅適合小件物 體的輪廓測量也非常適合大型物體的形貌體積測量，而且測量系統(tǒng) 的結構非常的簡單

26、，維護也非常方便，是一種高速、高效、高精度 的并具有廣闊應用前景的非接觸式測量方法。 P.50 激光三角形法是目前最成熟，也是應用最廣泛的一種非接觸 式測量方法。激光三角形法的基本原理是利用具有規(guī)則幾何形狀 的激光束或模擬探針沿樣品表面連續(xù)掃描，被測表面形成的漫反 射光點（光帶）在光路中安置的圖像傳感器上成像，按照三角形 原理，測出被測點的空間坐標 P.51 P.52 P.53 P.54 激光三角形法測量速度快、精度高。激光掃描被測物體既可 以是硬質工件也可以是柔軟樣件。其缺點是對被測表面粗糙度、 漫反射率和傾角過于敏感，存在“陰影效應”，限制了探頭的適 用范圍；不能測量激光照射不到的位置，對

27、突變的臺階和深孔結 構易于發(fā)生數據丟失；掃描得到的數據量較大，需經過專門的逆 向工程數據處理軟件建立曲面模型，且曲面邊緣和結合部分的數 據需人工修整。 P.55 雙目立體視覺測量技術 1.光學三角法 光學三角法是以傳統(tǒng)幾何學中的三角測量為基礎，用光學三 角測距原理構成多種多樣的視覺傳感器，主要分為點結構光法、 線結構光法和編碼面結構光法。 P.56 點結構光法激光器投射一個光點到待測物體表面，被測點的 空間坐標可由投射光束的空間位置和被測點成像位置所決定的視 線空間位置計算得到。由于每次只有一點被測量，為了形成完整 的三維面形，必須有附加的二維掃描。它的優(yōu)點是信號處理比較 簡單，缺點是需對光束

28、作二維方向的掃描。 P.57 線結構光法系統(tǒng)由線光源和面陣CCD攝像機組成。線光源產 生一個光平面，投射到被測物體表面而形成一條光帶。根據上 述同樣的原理，被光源照明的物體上各點的三維位置可通過圖 像中在像平面上的坐標以及光束平面的空間位置等參數得到。 由于一次只能得到一條光帶上的三維數據，因此為獲得完整的 三維面形，需要進行一維掃描。與點結構光法相比，其硬件結 構比較簡單，數據處理所需的時間也較少。 P.58 碼面結構光法系統(tǒng)是由一投影儀、一面陣CCD組成。結構光照 明系統(tǒng)投射一個二維圖形（該圖形可以是多種形式）到待測物體表 面，如將一幅網格狀圖案的光束投射到物體表面，三維面形同樣可 通過三角法計算得到。它的特點是不需掃描，適合動態(tài)測量?？傊?， 三角法精度很高，但攝像機可能接收不到部分照明區(qū)，造成部分數 據的丟失。 P.59 2.成像雷達法 成像雷達法的測量原理基于飛行時間法（time-of-light)。飛 行時間法利用波源發(fā)射光波測量信號，通過計算待測物體反射回來 的時間差得到至一物體的距離，根據發(fā)射波和接收波的