2013最新逆向工程大作業(yè)

1、逆向工程課程大作業(yè)題目：逆向工程關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀姓 名：丁燁學(xué) 號(hào)： 1100801020授課教師： 王懋露得分哈爾濱工業(yè)大學(xué)航空宇航制造系2013年11月1日目錄1-引言-1、實(shí)物原型的數(shù)字化技術(shù)1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法 11.2 連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集方法 11.3 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法 21.4 激光三角測(cè)距法 2、數(shù)據(jù)點(diǎn)云的預(yù)處理技術(shù) 22.1 半徑補(bǔ)償 22.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ) 22.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn) 22.4 不同坐標(biāo)點(diǎn)云的歸一化 2三、三維重構(gòu)的基本方法 23.1 多項(xiàng)式插值法 33.2 三邊Bezier曲面法33.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法3NURBS法3四、逆向工程的誤差分析3五、結(jié)語(yǔ)

2、4參考文獻(xiàn)逆向工程關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀丁燁 1008301 班 1100801020摘要 ：作為一種新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)和消化、 吸收先進(jìn)技術(shù)的手段， 逆向工程的研究正受 到各國(guó)工業(yè)和學(xué)術(shù)界的高度重視 , 并且受到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。在分析逆向工程 定義和借鑒國(guó)內(nèi)外一些論文的基礎(chǔ)上對(duì)逆向工程的工作流程做深刻的解剖 , 并 對(duì)逆向工程中的實(shí)物原型數(shù)字化、 三維重構(gòu)、 光順、誤差分析和品質(zhì)分析等關(guān)鍵 技術(shù)進(jìn)行深入、 詳細(xì)的闡述。 旨在加深對(duì)逆向工程的理解， 并且在以后的學(xué)習(xí)生 活中將逆向工程技術(shù)合理應(yīng)用。關(guān)鍵詞 ：逆向工程，三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)，三維重構(gòu)，光順，品質(zhì)分析Abstrac:t As a means to d

3、evelop and digest new products, reverse engineering is being attached much importance by industry and academic world of many countries and is being widely used nowadays. On the basis of analyzing the definition of reverse engineering and learning from treatises both at home and abroad, the working f

4、low of RE is anatomized in detail. And the RE technologies such as digitisation of object 、 3D reconstruction、fairing、analysis of error and quality are expatiated thoroughly and carefully . The thesis is aimed at deepening my understanding of RE and allowing me to apply it into future life.Keyword：R

5、everse Engineering, Coordinate Measuring Machine, 3D reconstruction, Fairing, Qualityanalysis引言：逆向工程技術(shù)，也稱(chēng)反求工程、反向工程等，它的思想最初是來(lái)自從油泥 模型到產(chǎn)品實(shí)物的設(shè)計(jì)過(guò)程， 隨后發(fā)展形成一項(xiàng)以先進(jìn)產(chǎn)品、 設(shè)備的實(shí)物、樣件、 軟件或圖像作為研究對(duì)象， 應(yīng)用現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法學(xué)、 生產(chǎn)工程學(xué)、 材料學(xué)和有關(guān)專(zhuān) 業(yè)知識(shí)進(jìn)行系統(tǒng)分析和研究， 探索其關(guān)鍵技術(shù)， 進(jìn)而開(kāi)發(fā)出同類(lèi)的更為先進(jìn)的產(chǎn) 品的技術(shù)。目前 , 大多數(shù)有關(guān)逆向工程技術(shù)的研究和應(yīng)用都集中在幾何形狀 , 即 重構(gòu)產(chǎn)品CAD莫型和最終產(chǎn)品制

6、造方面，稱(chēng)為實(shí)物逆向工程?；诖耍梢园?逆向工程定義為：逆向工程是和將實(shí)物轉(zhuǎn)變?yōu)镃AD莫型相關(guān)的數(shù)字化技術(shù)、幾何 莫型重建技術(shù)以及產(chǎn)品制造技術(shù)的總稱(chēng)。 逆向工程技術(shù)的發(fā)展與技術(shù)引進(jìn)有著緊 密的聯(lián)系 , 是技術(shù)引進(jìn)的重要手段。技術(shù)引進(jìn) 的應(yīng)用和開(kāi)發(fā)一般分 為三個(gè) 階 段： 仿制階段、消化階段和創(chuàng)新階段 , 與此相對(duì)應(yīng) , 也可把逆向工程分為兩個(gè)層 次，逆向工程I主要指產(chǎn)品的仿制，逆向工程u多指對(duì)產(chǎn)品的消化、吸收和創(chuàng)新 等 多個(gè)環(huán)節(jié)。一、 實(shí)物原型的數(shù)字化技術(shù) 實(shí)物樣件的數(shù)字化是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法 , 獲取零件表面離散點(diǎn) 的 幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)的過(guò)程。 隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、制造技術(shù)等相關(guān)

7、技術(shù)的發(fā)展 , 出 現(xiàn)了各種各樣的數(shù)字化技術(shù) , 下面將舉例介紹 ：1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法當(dāng)測(cè)量頭的探針接觸到樣件的表面時(shí) , 探針尖因受力產(chǎn)生微小的變形 ,觸發(fā)采樣 頭中的開(kāi)關(guān) , 使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下探針 （測(cè)球中心點(diǎn) ）的坐標(biāo)。不斷移動(dòng)測(cè)量頭 , 就能采集到樣件表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。1.2 連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集方法該方法采用莫擬量開(kāi)關(guān)測(cè)量頭 , 利用懸掛在三維彈簧系統(tǒng)中的探針的位置 偏移 所產(chǎn)生的電感或電容的變化 , 通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集。 當(dāng)測(cè)量頭的探針沿 樣件表面移動(dòng)時(shí) , 就發(fā)出對(duì)應(yīng)坐標(biāo)位置偏移量的電流或電壓信號(hào)。 由于數(shù)據(jù)采集 過(guò)程是連續(xù)進(jìn)行的 , 因此測(cè)量速度比觸發(fā)式測(cè)量

8、快許多倍 , 而且采樣精度較高。 此外 , 由于接觸力較小 , 允 許用小直徑的探針去掃描具有細(xì)微部 分或由較軟 材質(zhì)制作的模型。1.3 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法 工業(yè)計(jì)算機(jī)斷層掃描成像法是 指對(duì)實(shí)物樣件經(jīng)過(guò)掃描 , 獲得一系列截面圖像切 片和數(shù)據(jù) , 這些切片和數(shù)據(jù)提供 了工件截面輪廓及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整信息，可 以據(jù)此重構(gòu)樣件的三維幾何模型。 其最大優(yōu)點(diǎn)在于它能測(cè)量樣件內(nèi)部斷面的信息 因而適用于任意的復(fù)雜形狀 , 但測(cè)量精度較低。1.4 激光三角測(cè)距法激光三角測(cè)距法是利用光源和光敏 設(shè)備之間的位置和角度關(guān)系來(lái)推斷表面點(diǎn)的 具體位置。三角測(cè)距法可高速地采集數(shù)據(jù) , 其精度由光敏設(shè)備的分辨率和表

9、面與 掃描儀間的距離共同決定。二、 數(shù)據(jù)點(diǎn)云的預(yù)處理技術(shù) 以上獲得的數(shù)據(jù)一般不能直接用于曲面重構(gòu) , 因?yàn)閷?duì)于接觸式測(cè)量 , 由于測(cè)頭半 徑的影響 , 必須對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行半徑補(bǔ)償，在測(cè)量過(guò)程中 , 不可避免帶進(jìn)噪聲、 誤差等 , 必須去除這些點(diǎn)，對(duì)于海量點(diǎn)數(shù)據(jù) , 對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)也是必要的。2.1 半徑補(bǔ)償對(duì)于接觸式測(cè)量 , 由于設(shè)計(jì)的局限性 , 得到的坐標(biāo)數(shù)據(jù)不是接觸點(diǎn)本身 , 而是測(cè) 頭球心數(shù)據(jù) ,必須對(duì)其進(jìn)行半徑補(bǔ)償。 補(bǔ)償量為探頭的半徑 ,補(bǔ)償方向?yàn)楸砻娼佑| 點(diǎn)的法矢量。由于表面接觸點(diǎn)法矢量未知 , 半徑補(bǔ)償一般會(huì)比較繁瑣。2.2 數(shù)據(jù)插補(bǔ) 由于實(shí)物拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及測(cè)量設(shè)備的限制 , 在實(shí)物

10、數(shù)字化的過(guò)程中 , 有時(shí)會(huì)存在 一些設(shè)備無(wú)法測(cè)到的區(qū)域 , 另外由于實(shí)物樣件中經(jīng)常存在經(jīng)剪裁或布爾運(yùn)算生 成的外形特征 , 如表面凹邊、孔及槽等 , 使曲面出現(xiàn)缺口 , 這樣獲得的數(shù)據(jù)就會(huì) 出現(xiàn)缺失的現(xiàn)象 , 使逆向建模變得困難。 解決方法是通過(guò)數(shù)據(jù)插補(bǔ)來(lái)補(bǔ)齊缺失的 數(shù)據(jù) , 最大限度地重獲實(shí)物剪裁前的信息。2.3 點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn) 為提高高密度數(shù)據(jù)點(diǎn)云在曲面重構(gòu)時(shí)的效率和質(zhì)量 , 需要按一定要求精簡(jiǎn)測(cè)量 點(diǎn)的數(shù)量。不同類(lèi)型的點(diǎn)云可以采用不同的精簡(jiǎn)方式 , 散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)云可以通過(guò)隨 機(jī)采樣的方法來(lái)精簡(jiǎn) ; 對(duì)于掃描線點(diǎn)云和多邊形點(diǎn)云 , 可采用等間距精簡(jiǎn)、 倍率 精簡(jiǎn)、 等量精簡(jiǎn)和弦偏差等方法 ;

11、網(wǎng)格化點(diǎn)云可采用等分布密度法和最小包圍 區(qū)域法等進(jìn)行數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)。2.4 不同坐標(biāo)點(diǎn)云的歸一化 在實(shí)物樣件數(shù)字化過(guò)程中 , 由于產(chǎn)品尺寸超出測(cè)量機(jī)的行程、 測(cè)量頭受被測(cè)實(shí) 物幾何形狀的干涉 , 需要在不同的定位狀態(tài)下測(cè)量其各個(gè)部分 , 從而導(dǎo)致點(diǎn)云 的坐標(biāo)系不統(tǒng)一。 為了實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)系的統(tǒng)一 , 解決方法是將數(shù)據(jù)點(diǎn)云看作一個(gè)剛體 把兩個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)云的對(duì)齊視為空間剛體的移動(dòng) , 即空間剛體的坐標(biāo)變換 , 使問(wèn)題歸 結(jié)為求解相應(yīng)的變換矩陣。三維重構(gòu)的基本方法復(fù)雜曲面的 CAD 重構(gòu)是逆向工程研究的重點(diǎn)。而對(duì)于復(fù)雜曲面產(chǎn)品來(lái)說(shuō) , 其實(shí) 體模型可由曲面模型經(jīng)過(guò)一定的計(jì)算演變而來(lái) , 因此曲面重構(gòu)是復(fù)雜產(chǎn)品 逆向

12、工程的關(guān)鍵。3.1 多項(xiàng)式插值法 多項(xiàng)式函數(shù)表達(dá) 形式簡(jiǎn)單 , 并且無(wú)窮次可微 , 因而足夠光滑。但當(dāng)需要滿足的 插值條件太多時(shí) , 將導(dǎo)致多項(xiàng)式插值曲線的階數(shù)太高 , 而隨著階數(shù)升高 , 曲線 出現(xiàn)過(guò)多擺動(dòng)的可能性越大 , 這將造成在計(jì)算上的不穩(wěn)定 , 局部修改能力差 , 因此對(duì)較復(fù)雜的空間曲線曲面 , 較少用此方法。3.2 三邊 Bezier 曲面法 該方法是嚴(yán)格定義在三角形域上的。 三邊曲面片可適應(yīng)不規(guī)則與散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)的幾 何造型。它具有構(gòu)造靈活、 適應(yīng)性好等特點(diǎn) , 在散亂數(shù)據(jù)點(diǎn)曲面擬合中能有效應(yīng) 用。3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法該方法是利用BP算法的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)建立一個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)解決曲面反

13、求問(wèn)題。BP算法是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)中一種被廣泛采用的學(xué)習(xí)算法 ，具有簡(jiǎn)單、有效和易于實(shí) 現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn), 并且算法的收斂速度較快。但由于算法本身的特點(diǎn) ,對(duì)算法參數(shù)的選 擇有很大的盲目性和難度 , 可能會(huì)導(dǎo)致擬合結(jié)果達(dá)不到最優(yōu)。3.4 NURBS法NURBS方法是建立在普通的Bezier方法和Bspline方法基礎(chǔ)上的,它較好地實(shí)現(xiàn) 了解析幾何與自由曲線或曲面的統(tǒng)一 , 成為當(dāng)今 CAD /C A M 軟件中曲面數(shù)學(xué)表 示的主流。NURBS不但具有局部可控性、變差減少性等優(yōu)良性質(zhì)，還有如下一些 優(yōu)點(diǎn): 為標(biāo)準(zhǔn)曲線或曲面的解析形狀和自由曲線或曲面的精確表示與設(shè)計(jì)提供 了一個(gè)公共的數(shù)學(xué)形式 , 無(wú)論是解析形

14、狀還是自由形狀均有統(tǒng)一的數(shù)學(xué)表示 , 便于工程數(shù)據(jù)庫(kù)的存取和應(yīng)用 ; 由于引入了權(quán)因子及操縱控制頂點(diǎn) , 為各種形 狀設(shè)提供了充分的靈活性 , 并保證了強(qiáng)的凸包性 ; 具有明顯的幾何解釋以及幾 何不變性 , 有豐富的幾何配套算法 , 適用于設(shè)計(jì)分析各環(huán)節(jié) ; 具有映射與透視變 換下的不變性。然而,NURBS法會(huì)遇到非有理方法中未出現(xiàn)的一些問(wèn)題,從而導(dǎo) 致計(jì)算過(guò)程的復(fù)雜化 , 如權(quán)因子選擇不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致參數(shù)化效果很差 , 甚至破壞隨 后的曲面結(jié)構(gòu)。另外 , NURBS 的曲線和曲面的幾何連續(xù)性問(wèn)題還有待進(jìn)一步深 化解決 , 特別是曲面求交問(wèn)題。四、逆向工程的誤差分析現(xiàn)階段逆向工程所構(gòu)造的CAD莫型,

15、多為幾何形狀重構(gòu),談不上滿足一定要求的 精度設(shè)計(jì)和精度制造 , 這極大地限制了逆向工程的應(yīng)用范圍。為說(shuō)明這一點(diǎn)首先 引入逆向工程所獨(dú)有的三個(gè)參數(shù)的概念 : 重構(gòu)參數(shù)、 實(shí)物原型參數(shù)和原始設(shè)計(jì) 參數(shù)。逆向工程 b設(shè)計(jì)階段的結(jié)果是重構(gòu)的 CAD三維模型,這種CAD模型自 然具有各種參數(shù) （ 主要是幾何形狀參數(shù) ）, 這些參數(shù)是逆向工程依據(jù)測(cè)量點(diǎn)數(shù)據(jù) 經(jīng)擬合運(yùn)算得到的 , 體現(xiàn)在重構(gòu)的 CAD 模型上, 故稱(chēng)其為重構(gòu)參數(shù)。逆向工程 的處理對(duì)象是零件或原型 , 它本身具有固定的形狀和參數(shù) , 這種體現(xiàn)在零件或 原型上的參數(shù)稱(chēng)為實(shí)物原型參數(shù)。 零件或原型在被制造時(shí) , 要依據(jù)圖樣上所標(biāo)注 的參數(shù), 這種

16、體現(xiàn)在制造零件或原型的設(shè)計(jì)圖樣上的參數(shù)稱(chēng)為原始設(shè)計(jì)參數(shù) , 這是制造原型的原始參數(shù)。 重構(gòu)參數(shù)是逆向工程得到 的參數(shù),是可知的; 而逆向 工程并不直接測(cè)量實(shí)物原型參數(shù) , 故實(shí)物原型參數(shù)是未知的 ; 原始設(shè)計(jì)參數(shù)自 然也是未知的。目前的逆向工程均 用已知的重構(gòu)后的模型參數(shù)作為制造產(chǎn)品的 原始參數(shù) , 亦即用重構(gòu)參數(shù)去制造產(chǎn)品。 先來(lái)比較一下重構(gòu)參數(shù)與原始設(shè)計(jì)參數(shù) 之間的誤差，設(shè)該誤差為重構(gòu)誤差C構(gòu);在重構(gòu)過(guò)程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生誤差 記其為計(jì)算誤差"十；在對(duì)零件或原型測(cè)量時(shí),產(chǎn)生測(cè)量誤差C測(cè)；零件或原型本 身也帶有誤差，一種是制造原型時(shí)會(huì)產(chǎn) 生制造誤差C制;另一種是原型在使用 中的磨

17、損和破損誤差C損。重構(gòu)誤差由這四種誤差所組成，一般取各項(xiàng)誤的均方 根作為重構(gòu)誤差。單從仿制原型這一方面出發(fā) , 反求工程制造的產(chǎn)品 , 是被置于原型的工作環(huán) 境下 , 代替原型工作原型是用原始設(shè)計(jì)參數(shù)制造的 , 產(chǎn)品是用重構(gòu)參數(shù)制造 的。由以上分析可知，這兩個(gè)參數(shù)之間存在重構(gòu)誤差 C構(gòu)。因此，用重構(gòu)參數(shù)作為 原始參數(shù)去制造產(chǎn)品并將其置于原型的環(huán)境下工作 , 在某些情況下會(huì)達(dá)不到要 求, 這就是說(shuō), 由于重構(gòu)誤差 的存在, 產(chǎn)品會(huì)出現(xiàn)廢品。 為了提高精度 , 目前的反 求工程技術(shù)采取了許多措施 , 如提高測(cè)量精度 , 提高擬合計(jì)算精度 , 但這些措施只 是使重構(gòu)參數(shù)盡可能接近原型參數(shù) , 仍無(wú)法得到原始設(shè)計(jì)參數(shù)。五、結(jié)語(yǔ)實(shí)際上任何產(chǎn)品問(wèn)世， 不管是創(chuàng)新、改進(jìn)還是仿制， 都蘊(yùn)含著對(duì)已有科學(xué)技術(shù) 的集成，應(yīng)用和借鑒。逆向工程通過(guò)重構(gòu)產(chǎn)品零件的 CAD莫型，為產(chǎn)品的再設(shè)計(jì) 及創(chuàng)新設(shè)計(jì)提供了數(shù)字原型盡管?chē)?guó)內(nèi)外已有大量成功的經(jīng)驗(yàn) , 但目前還很少有 這方面的系統(tǒng)的專(zhuān)著 , 大多散見(jiàn)于各個(gè)行業(yè)的案例或設(shè)計(jì)資料中 , 可以說(shuō),現(xiàn)在 的逆向工程技術(shù)還未達(dá)到成熟。 逆向工程有其獨(dú)特的共性技術(shù)和內(nèi)容 , 它還是一 門(mén)新興的交叉學(xué)科分支 , 正如高新技術(shù)的層出不窮 , 逆向工程技術(shù)亦會(huì)不斷發(fā) 展。參考文獻(xiàn) ：【1】 金濤, 童水光, 等. 逆向工程技術(shù)【 M】. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社