1、反求工程技术 （逆向工程RE） Reverse Engineering,2009.3,概念,反求（逆向）工程：是指由实际的零件反求出其设计的概念和模型的过程。 和传统的区别产品的概念或（CAD）模型 实际零件实际零件 产品的（CAD）模型或概念优点：快速、准确的获取复杂物体的设计数据，提高技术水平，缩短生产周期，降低生产成本，提高生产率，增强经济竞争力。据统计，逆向工程作为一种掌握技术的手段，可使产品研制周期缩短40%以上，极大地提高了生产率。,详细比较,1、提取三维数据；2、重构CAD模型；3、由三维软件的CAM功能形成数控指令控制数控机床加工零件。,探索原产品设计概念：是前提，如微型汽车的
2、消费群体是普通百姓,其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下,尽可能降低成本,所以结构上通常是较简化的； 探索原产品原理方案的设计：一个功能目标的实现可以有多个方案。如：设计一个夹紧装置时,把功能目标定在机械手段上,则可能设计出斜楔夹紧,螺旋夹紧,偏心夹紧,定心夹紧,联动夹紧等原理方案;如把功能目标确定扩大,则可设计出液动,气动,电磁夹紧等原理方案； 产品的结构设计； 分解产品实物，确定产品的零部件形体尺寸； 确定零件的精度(即公差设计)； 确定零件的材料 （可采用重量测量,力学性能测定,化学分析,光谱分析,金相分析等试验方法 ）； 产品的工作性能，造型等。,反求工程的功能,目标：实现一种智能
3、化的三维扫描识别重建系统，不仅要获得物体的基本数据,而且要对数据进行必要的处理,建立相应的计算机模型等 。 功能：样件的仿制、样件的修改、模具制造、旧产品的改进、新产品的设计、单件产品快速定制。 以现代设计理论,方法,技术为基础, 对已有的产品进行解剖,分析,重构和再创造,避开艰苦的原型设计阶段，这是一种产品的再设计过程。,国内外在该方向的研究现状及分析,国外：美国华盛顿大学、南澳大利亚大学、新加坡国立大学和英国曼彻斯特大学。 国内：浙江大学、西北工业大学、南京航空航天大学、西安交通大学、清华大学、上海交通大学、华中科技大学和哈尔滨工业大学等先后开展了反求工程CAD问题的研究。,软件：美国ED
4、S公司的Imageware Surfacer;美国Raindrop公司的Geomagic Studio;英国DELCAM公司的CopyCAD;韩国INUS公司的RapidForm。法国达索（Dassault）公司的CATIA系统。UG/Pro E等大型CAD软件提供的反求工程子系统。,应用,在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，在对零件原形进行测量的基础上形成零件的设计图纸或CAD模型，并以此为依据利用快速成型技术复制出一个相同的零件原型。 当要设计需要通过实验测试才能定型的工件模型时，通常采用反求工程的方法。比如航天航空领域，为了满足产品对空气动力学等要求，首先要求在初
5、始设计模型的基础上经过各种性能测试（如风洞实验等）建立符合要求的产品模型，这类零件一般具有复杂的自由曲面外型，最终的实验模型将成为设计这类零件及反求其模具的依据。 在美学设计特别重要的领域，例如汽车外型设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型来评估设计的美学效果，而不采用在计算机屏幕上缩小比例的物体投视图的方法，此时需用反求工程的设计方法。 修复破损的艺术品或缺乏供应的损坏零件等，此时不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术抽取零件原形的设计思想，指导新的设计。这是由实物逆向推理出设计思想的一种渐近过程。,机械工程及制造领域（航空、航天和汽车制造等）； 医疗模具、医疗器械和仿真人体器官；
6、 用于影视设计和游戏开发； 纺织和客户消费领域； 家具和玩具造型领域。,反求工程实现步骤,数据采集：零件原形表面点的三维坐标值 ，获取点云 数据预处理：从无序点云获得有序点云，并把这些点按区域进行分割。 CAD模型重建将分割后的三维数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。可采用曲面重构,数据采集,非接触激光扫描,u-透镜L焦距; v-透镜L像距； a-光线与光轴夹角,CMM（三坐标测量机）,CMM(three coordinate measuring machine)三坐标测量机采用的是接触式测量，利用测头与被测物体直接接触，获取数据信息
7、。,CMM实体测量的应用,被测实体CAD模型已知：为了检验和保证产品的精度要求 被测实体CAD模型未知：主要应用与反求工程，为了实现模型重构、修改和再设计。,CMM组成,机械主体部分：(1)工作台及导轨(X轴运动)(2)Y轴横梁及导轨(空心带加强筋)(3)Z轴主轴具有可作三个方向移动的探测器，可在三个相互垂直的导轨上移动，此探测器以接触方式传递讯号，三个轴的位移测量系统给出点的坐标（x，y，z）及各项功能测量。三坐标测量仪的测量功能应包括尺寸精度、定位精度、几何精度及轮廓精度等。,配备软件,软件组成LKCEMS软件包：进行尺寸、形位公差测量3D scanning：能实现高速度驱动、高精度 扫描
8、，能达到10点/秒的扫描速率,CMM触头误差补偿,三坐标测量机在进行测量时，是用测针的宝石球接触被测零件的测量部位，此时测头(传感器)发出触测信号，该信号进入计数系统后，将此刻的光栅计数器锁存并送往计算机，工作中的测量软件就收到一个由X、Y、Z坐标表示的点。这个坐标点我们可以理解为是测针宝石球中心的坐标，它与我们真正需要的测针宝石球与工件接触点坐标是不同的。为了准确计算出我们所要的接触点坐标，必须通过测头校正得到测针宝石球的半/直径。,测量路径的规划,对被侧实体进行测量前，根据实体的不同形状划分不同的测量区域和测量路径，对于准确还原被测实体形状、模型重构、光顺性等影响较大。,优点,获取点云的精
9、度较高，精度最高可达0.1微米，一般也达到几微米 能够收集深孔等阻挡光线的零件表面点数据 采集数据稀疏可以直接在CAD软件中应用 适用比较广泛，能够扫描的实物包括：各种工业材质、粘土模型、玻璃、水晶、色彩丰富的物件，甚至还包括鲜果和鲜鱼。,缺点,测量时间较长，而且需要探针补偿 不能测量内部几何体 不能测量软质和脆性材质的零件 需要预先的路径规划，耗时而不能缺少 有限的探针采点限制了对零件细节的分辨,测量机检测一个点的完整过程,(1)选择测量工具的类型、规格、确定工件的安装状态：测量头作为一种测量工具(相当于加工时的刀具)，装于机床的垂直运动部件中，在接触式测量中，测量机的工作效率与精度和测量头
10、密切相关。 测量头分类：可分为机械式、电气式、光学式三种。其中光学式的测量头应用光学及激光的原理。主要用于计量室中的精密坐标测量机，属于非接触测量。接触式的测量头又可分为硬测头和软测头两类。硬测头多为机械测头，主要用于手动测量。软测头上装有电气式的传感器，测头可作位移、偏转，故可用于自动测量中。 确定工件的安装状态是指把工件安装得易于测量。,测量机检测一个点的完整过程,测头快速移动到定位点，以一定精度定位。 测头从定位点慢速向工件的被测点趋近，当接触状态达到要求后发出过零的信号，对测量进行检测，读数头在X、 Y、 Z三个轴上分别取出测量数据。 将该数据送入计算机中进行处理，输出测量结果。 测量
11、方法一般有点位测量法和连续轮廓扫描 法两类。,点位测量法这是从点到点的测量方法， 如图1示。测头从A点趋近测量点B，测完后测头退回到C点，再按规定的步距到D点，重复下一点E的测量等等。点位测量法适用于孔、基准线以及曲面轮廓的测量。对于复杂的曲面一般先 是固定一个截面，在一个轴向(如X轴)上逐次移动，进行测量。然后在Y方向移动一个规定距离后对另一截面在X轴向逐次移动测量。,数据预处理,点的处理读入后的点并不适合于直接用来造型，这是因为：一方面，虽然一个截面内的测量点理论上应该在一个平面内，但由于测量机的误差及其它因素的影响，所得数据点的坐标值可能会有少量偏差；另一方面，所读入的点并不是所测零件表
12、面上的点，而是二坐标测量机测头的坐标。用这样的一些点来直接造型，显然不能满足要求。生成的曲线可能不光顺，而且不在同一个平面内，从而使最终的表面不符合要求， 或者只能生成壳体(sheetbody)而不能生成实体。 因此应当对读入的点进行处理,数据处理具体方法,数据平滑 去除噪声的影响，可采用滤波的方法 数据精简 减少被测点数量以减轻三维重构时的工作量。散乱点可通过随机采样的方法精简;扫描线和多边形数据可采用等间距缩减、倍率缩减等 数据多视图拼合 在实际测量过程中，往往无法一次装卡就完成整个被测实体的全部测量工作，通常的作法是把被测实体重新定位，以另一个更有利的方向测量其不同方位的数据。这就涉及到
13、多次装卡定位所测得数据的多视图拼合问题 特征提取 确定边界、棱边、坑孔等,一般首先按照原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，分割以后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体，有效的三维测量数据分割和拟合技术是逆向工程中的重要内容。 现在实际应用的主要有两种曲面重建方法 基于矩形参数作用域 ,以样条和曲面为代表的方法 ;基于三角参数域 ,以三角曲面为代表的方法。,CAD模型重建,举例,分片NURBS曲面拟合结果,(a) 点云,(b) 三角网,(c) 四边面片,(d) 采样点,(e) G1拼接,(f) NURBS,脚模型反求结果,(a) 点云,(b) 三角网,(c) 四边面片,(d) 采样点,(e) G1拼接,(f) NURBS,摇杆模型反求过程,
