1、7第1章 逆向的要求及準(zhǔn)備工作第1章 逆向的要求及準(zhǔn)備工作1.1 主 要 內(nèi) 容q 逆向工程的定義q 逆向工程技術(shù)的優(yōu)點q 三維掃描技術(shù)q 測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與技術(shù)q 接觸式與非接觸式測量的優(yōu)缺點q 逆向工程設(shè)計的準(zhǔn)備工作q UG逆向造型設(shè)計遵循的原則1.2 逆向工程的定義在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計過程是一個從無到有的過程：設(shè)計人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個模型轉(zhuǎn)入制造流程，完成產(chǎn)品的整個設(shè)計制造周期。這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程可以稱之為“正向設(shè)計”。逆向工程RE（Reverse Engineering）也稱幾何逆

2、向，逆向工程則是一個“從有到無”的過程，是指在沒有設(shè)計圖紙或者設(shè)計圖紙不完整的情況下，根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型的測量、數(shù)據(jù)處理，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)造出產(chǎn)品的三維CAD模型進(jìn)行再設(shè)計的過程。隨著計算機技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對象。通過數(shù)字化測量設(shè)備（如坐標(biāo)測量機、光學(xué)測量設(shè)備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過逆向工程技術(shù)的處理才能獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型，進(jìn)而輸送到CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造。因此，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是“將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)”的總稱。逆向工程及其應(yīng)用的一般過程如圖

3、1-1所示。由該圖可知，3D掃描和特征提取曲面重構(gòu)是逆向工程的主要研究內(nèi)容。逆向工程所建立的幾何模型，通過3D掃描的IGS、VDA、DXF及STL等可輸入到相應(yīng)的應(yīng)用系統(tǒng)。圖1-1 逆向工程及其應(yīng)用的一般過程1.3 逆向工程技術(shù)的優(yōu)點因為逆向工程是在已有實物的基礎(chǔ)上進(jìn)行再設(shè)計的，相對于傳統(tǒng)的正向設(shè)計，具有以下一些優(yōu)點：q 產(chǎn)品設(shè)計周期更短。正向設(shè)計是一個“從無到有”的過程，需要預(yù)先構(gòu)思好產(chǎn)品的功能結(jié)構(gòu)，這往往需要靈感和慎密思考的時間。而逆向設(shè)計是以已有實物為參照物，比較直觀，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行復(fù)制和改進(jìn)設(shè)計，可以節(jié)省很多的產(chǎn)品構(gòu)思時間。q 產(chǎn)品設(shè)計更成熟可靠。正向設(shè)計具有一定的局限性和不可預(yù)見性，

4、即使是經(jīng)驗豐富的設(shè)計師，也不可能考慮得面面俱到。而逆向設(shè)計是在已有成熟產(chǎn)品上進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計，風(fēng)險會小很多，設(shè)計出來的產(chǎn)品也會更成熟、可靠。q 產(chǎn)品設(shè)計成本更低。正向設(shè)計出來的產(chǎn)品一般都需要經(jīng)過很多的實驗來測試其可靠性，無論是功能、裝配、耐久性等都需要經(jīng)過檢驗，不僅時間周期長，而且成本也比較高。逆向設(shè)計的產(chǎn)品是在原有產(chǎn)品上進(jìn)行改進(jìn)的，產(chǎn)品相對比較成熟，在試驗的時間和頻率上可適當(dāng)減少，從而降低成本。q w產(chǎn)品的傳承性更好。參照已有的產(chǎn)品進(jìn)行逆向設(shè)計，可以更好地繼承原有產(chǎn)品的優(yōu)點，改進(jìn)其缺點，使設(shè)計的產(chǎn)品不斷獲得改進(jìn)與提高。1.4 三維掃描技術(shù)三維掃描就是測量有形物體表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)，而每一個數(shù)據(jù)（

5、點）都帶有相應(yīng)的X、Y、Z坐標(biāo)數(shù)值，這些數(shù)據(jù)（點）集合起來形成的點云（Point Cloud），就能構(gòu)成物體表面的特征。下面以如表1-1所示的形式對三維掃描發(fā)展歷程進(jìn)行說明。表1-1 三維掃描發(fā)展歷程第一代 點測量代表系統(tǒng)：三坐標(biāo)測量儀、點激光測量儀、關(guān)節(jié)臂掃描儀（精度不高），通過每一次的測量點反映物體表面特征。優(yōu)點是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在測量較規(guī)則物體上有優(yōu)勢定義：適合做物體表面誤差檢測用第二代 線測量代表系統(tǒng)：三維臺式激光掃描儀、三維手持式激光掃描儀、關(guān)節(jié)臂+激光掃描頭、通過一段（一般為幾公分，激光線過長會發(fā)散）有效的激光線照射物體表面，再通過傳感器得到物體表面數(shù)據(jù)信息

6、定義：適合掃描中小件物體，掃描景深小（一般只有5cm），精度較低，此代系統(tǒng)是過渡性產(chǎn)品第三代 面掃描代表系統(tǒng)：三維掃描儀（結(jié)構(gòu)光、光柵式掃描儀）、三維攝影測量系統(tǒng)等、通過一組（一面）光柵的位移，再同時經(jīng)過傳感器而采集到物體表面的數(shù)據(jù)信息定義：適合大中小物體的掃描，精度較高，掃描速度極快（華朗三維掃描儀單面400mm×300mm面積，時間5秒），測量景深很大，一般為300mm500mm，甚至更大1.5 測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)與技術(shù)1數(shù)據(jù)采集在逆向工程中，獲取物體表面的三維數(shù)據(jù)是關(guān)鍵的第一步，這樣才能進(jìn)行后面的三維建模及誤差檢測，測量數(shù)據(jù)的質(zhì)量及精度也將會直接影響后期建模的品質(zhì)。2測量前的準(zhǔn)備工

7、作在測量模型之前，一般都需要做好以下幾項準(zhǔn)備工作：（1）挑選缺陷最少、實際狀態(tài)最好的產(chǎn)品來作為測量的產(chǎn)品原型。（2）仔細(xì)了解被測產(chǎn)品的關(guān)鍵部位，以確保采集到的數(shù)據(jù)是足夠的和有效的。CAD/CA（3）對設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，確保設(shè)備本身的測量精度。（4）準(zhǔn)備好測量場地。測量設(shè)備對測量環(huán)境是有一定要求的，環(huán)境的光線明暗和場地空間的大小等都有可能會影響測量的效果和效率，因此需要根據(jù)相應(yīng)設(shè)備的測量環(huán)境要求準(zhǔn)備好測量場地。3測量方法在目前的市場上，測量的方法主要有接觸式和非接觸式兩種：（1）接觸式測量方法。該測量方法是指利用接觸式的測量儀器，如三坐標(biāo)測量機CMM（Coordinate Measuring Mac

8、hine），如圖1-2所示。對物體進(jìn)行測量，在測量材質(zhì)為硬質(zhì)、容易定位，只需測量孔位、平面、輪廓等指定特征的物體時，一般都采用接觸式的測量方法，測量的精度可達(dá)0.02mm，多用于質(zhì)量的檢測。提示：在接觸式采集方法中常用的還有電磁感應(yīng)法。該方法將被測物體放在一個帶有電磁場的臺面上，然后用手持的觸頭在物體表面上滑過。觸頭上裝有一個磁力感應(yīng)器，可檢測到觸頭的位置和方向。該方法以每秒鐘60個點的速率采集物體表面上的點，但只能用于非金屬材料的物體上。（2）非接觸式測量方法。該測量方法一般都是應(yīng)用光學(xué)和激光的原理進(jìn)行的，如圖1-3所示。非接觸式測量方法近幾年來發(fā)展速度很快，采用該測量方法獲得的數(shù)據(jù)一般都是

9、大量無序高密度的點云，適合于測量具有復(fù)雜曲面，對材質(zhì)沒有要求的物體。圖1-2 三坐標(biāo)測量機圖1-3 非接觸3D測量儀在實際應(yīng)用中，要逆向設(shè)計的物體的型面一般都是比較復(fù)雜的，這需要測量得到的點的數(shù)據(jù)足夠多、足夠密才能保證數(shù)模重構(gòu)的精度，故在逆向工程中一般都采用非接觸式的測量方法。1.6 接觸式與非接觸式測量的優(yōu)缺點1接觸式測量的優(yōu)點（1）因接觸式探頭技術(shù)發(fā)展了幾十年，其機械結(jié)構(gòu)與電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，故有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。（2）接觸式測量可以直接接觸工件表面，故與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。（3）被測物體固定在三坐標(biāo)測量機上，并配合測量軟件，可精確測量出物體的幾何形狀，如面、圓、圓

10、柱、圓錐、圓球。2接觸式測量的缺點（1）為了確定測量基準(zhǔn)點而使用特殊夾具，會導(dǎo)致較高的測量費用。不同形狀的產(chǎn)品會造成原來的夾具不適用而使成本大幅度增加。（2）球形的探頭容易因接觸力造成磨損。為了維持一定的精度，需要經(jīng)常校正探頭的直徑。（3）不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害工件某些重要部位的表面精度，也會使探頭損壞。（4）逆向工程技術(shù)接觸式觸發(fā)探頭是以逐點進(jìn)出方式進(jìn)行測量的，所以測量速度慢。（5）檢測一些內(nèi)部元件有先天的限制，如測量內(nèi)圓直徑，觸發(fā)頭的直徑必定要小于被測內(nèi)圓直徑。（6）對三維曲面的測量，因傳統(tǒng)接觸觸發(fā)式探頭是感應(yīng)元件，測量到的點是探頭的球心位置，故欲求得物體真實外形則需要對探頭半徑進(jìn)行補償，因而

11、可能會導(dǎo)致修正誤差的問題。逆向工程技術(shù)測量某一曲面時，假設(shè)此時探頭正好定位在此被測點的表面采用方向上，探頭尖端與被測檢之間的接觸點為A，A點至其球心C點有一偏差量產(chǎn)生，而實際上要求的位置是接觸點A。所以沿法線負(fù)方向必須補正一個探頭半徑值。整個曲面補正需繁雜的計算，同時這也是測量誤差的來源之一。（7）接觸探頭在測量時，接觸探頭的力將使探頭尖端部分與被測件之間發(fā)生局部變形而影響測量值的實際讀數(shù)。（8）逆向工程技術(shù)測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。（9）由于探頭觸發(fā)機構(gòu)的慣性及時間延遲而使探頭產(chǎn)生超越現(xiàn)象，速度趨近會產(chǎn)生動態(tài)誤差。（10）另外測量接觸力量即使一定，而測量壓力并不能保證一定，這是因

12、為接觸面積與工件表面紋路的幾何形狀有關(guān)，不能保證為一樣。3非接觸式測量的優(yōu)點（1）不必做探頭半徑補償，因為激光光點位置就是工件表面的位置。（2）測量速度非常快，不必像接觸式觸發(fā)探頭那樣逐點進(jìn)出測量。（3）軟工件、薄工件、不可接觸的高精度工件可直接測量。4非接觸式測量的缺點（1）測量精度不算太高，因非接觸式探頭大多使用光敏位置探測器PSD（Position Sensitive Detector）來檢測光點位置，目前PSD的精度還不夠高，約為20繆以上。（2）因非接觸式探頭大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性影響，如顏色、斜率等。（3）PSD易受環(huán)境光線及雜散光影響，故噪聲較

13、高，噪聲信號的處理比較困難。（4）非接觸式測量只能做輪廓坐標(biāo)點的大量取樣，對邊線處理、凹孔處理以及不連續(xù)形狀的處理較難。（5）使用CCD作探測器時成像鏡頭的焦距會影響測量精度，因工件幾何外形變化大時成像會失焦，成像模糊。（6）工件表面的粗糙度會影響測量結(jié)果。下面以如表1-2所示的形式對接觸式與非接觸式掃描儀的技術(shù)對比進(jìn)行說明。表1-2 接觸式與非接觸式掃描儀的技術(shù)對比測 量 儀 器非接觸式掃描儀接觸式掃描儀測量方式非接觸式接觸式測量精度10100繆1繆測量速度100012000點/秒點采集速度較慢續(xù)表 測 量 儀 器非接觸式掃描儀接觸式掃描儀前期工作有些測量工件需要噴漆無須基準(zhǔn)點需要設(shè)定坐標(biāo)系

14、統(tǒng)，校正基準(zhǔn)面工作材質(zhì)無限定硬質(zhì)材料誤差隨曲面變化比較大會有部分失真測量死角光學(xué)陰影處及光學(xué)焦距變化處工件內(nèi)部不易測量優(yōu)勢 測量速度快，曲面數(shù)據(jù)獲取容易 不必做探頭半徑補償 可測量柔軟、易碎、不可接觸、薄件、毛皮、變形細(xì)小等工件 無接觸力，不會傷害精密表面  測量精度高 可直接測量到工件特定的幾何特征缺點 測量精度相對不是太高，無法判別特定幾何特征 陡峭面不易測量，在測量中會存在測量死角 工件表面與探頭表面不是垂直，測量會存在一定誤差 工件表面的明暗程度會影響測量的精度 需逐點測量，速度慢 測量前需做半徑補償 接觸力大小會影響測量值 接觸力會造成工件及探頭表面磨損影響光滑度 傾斜面測

15、量時，不易補償半徑，精度難以保證 測量工件內(nèi)部時，形狀尺寸會影響測量值1.7 逆向工程設(shè)計的準(zhǔn)備工作對產(chǎn)品模型進(jìn)行數(shù)字化處理之前，首先理解原有模型的設(shè)計思想，在此基礎(chǔ)上還要修復(fù)和克服原有模型上所存在的缺陷。從一定意義上說，逆向工程應(yīng)用也是一個重新設(shè)計的過程。在開始進(jìn)行一個逆向設(shè)計前，應(yīng)該對產(chǎn)品進(jìn)行仔細(xì)分析，主要考慮以下一些要點：（1）確定設(shè)計的整體思路，對自己手中的設(shè)計產(chǎn)品模型進(jìn)行系統(tǒng)的分析。面對大批量、無序的點云數(shù)據(jù)，初次接觸的設(shè)計人員會感覺到無從下手，如圖1-4所示。這時應(yīng)該周全地考慮好先做什么、后做什么、用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個特征區(qū)域，得到設(shè)計的整體思路，并找到設(shè)計的難點，

16、要做到心中有數(shù)。（2）確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關(guān)系到相應(yīng)設(shè)計軟件的選擇和軟件模塊的確定。對于眼鏡盒有上下蓋和打開的位置，必須要將其分清楚，如圖1-5所示。一般需要采用具有方便調(diào)整曲線和曲面的模塊；對于初等解析曲面的零部件，如平面、圓柱面、圓錐面等，則沒必要因為有測量數(shù)據(jù)而用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面。值得注意的是，在設(shè)計過程中，并不是所有的點都是要選取的，因此，在確定基本曲面的控制曲線時，需要找出哪些點或線是可用的，哪些點或線是一些細(xì)化特征的，需要在以后的設(shè)計中用到，而不是在總體設(shè)計中就體現(xiàn)出來的。事實上，一些圓柱、凸臺等特征是在整體輪廓確定之后，測量實體模型并結(jié)合

17、掃描數(shù)據(jù)生成的。同時應(yīng)盡量選擇一些掃描質(zhì)量比較好的點或線，對其進(jìn)行擬合。圖1-4 點云數(shù)據(jù)圖1-5 曲面模型1.8 UG逆向造型設(shè)計遵循的原則UG的逆向設(shè)計遵循點線面體的一般原則。1測點測點之前先規(guī)劃好該怎么打點。測點的一般原則是在曲率變化比較大的地方打點要密一些，平滑的地方則打點可以稀一些。值得注意的是除了測剖面、分型線外，測輪廓線等特征線也是必要的，它會在構(gòu)面時帶來方便。2連線連線之前先整理好點，包括去誤點，同方向的剖面點放在同一層里，分型線點、孔位點單獨放一層，輪廓點也單獨放一層，便于管理。接下來可以連線，先連分型線點，后連剖面點。連分型線點盡量做到誤差最小并且光順。因為一般情況下分型線

18、是產(chǎn)品的裝配結(jié)合線。對汽車、摩托車來說，連線的誤差一般控制在0.5mm以下。連線要做到有的放矢，根據(jù)樣品的形狀、特征大致確定構(gòu)面方法，從而確定需要連哪些線條，不必連哪些線條。連線可用直線、圓弧、樣條，最常用的是樣條，選擇“通過點”的方式。選點間隔盡量均勻，有圓角的地方先忽略，做成尖角，做完曲面后再倒圓角。因測量有誤差及樣品表面不光滑等原因，連成的樣條需要調(diào)整，使其光順。調(diào)整中最常用的一種方法是編輯樣條，選擇編輯點選項，在“編輯點”的對話框中有編輯點方法，此時可以根據(jù)需要選擇移動點、添加點、移除點等選項。利用鼠標(biāo)拖動控制點，這里有許多選項，如限制控制點在某個平面內(nèi)移動、往某個方向移動、是粗調(diào)還是

19、細(xì)調(diào)，以及打開曲率分析-曲率梳功能進(jìn)行查看樣條曲線曲率梳。另外，調(diào)整樣條經(jīng)常還要用到編輯點的一個端點到另一個點，使構(gòu)建曲面的曲線有交點。3構(gòu)面運用各種構(gòu)面方法建立曲面，包括通過曲線網(wǎng)格、掃掠、直紋、通過曲線組、從點云等，要根據(jù)樣品的具體特征而采用相應(yīng)的構(gòu)面方法。通過曲線網(wǎng)格構(gòu)面可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性，因為可以控制四周邊界曲率（相切），而通過曲線組只能保證兩邊曲率。假如兩曲面交線要倒圓角，因為通過曲線網(wǎng)格的邊界就是兩曲面的交線，顯然這條線要比兩個通過曲線組曲面的交線光順，這樣倒出來的圓角質(zhì)量是不一樣的。初學(xué)者造型時，兩個面之間往往有“折痕”，很難看，主要是這兩個面不相切所致。解決該問題可以通過調(diào)整參與構(gòu)面（通過曲線網(wǎng)格）曲線的端點與另一個面中的對應(yīng)曲線相切，再加上通過曲線網(wǎng)格邊界相切選項即可解決，只有曲線相切，才能保證曲面相切。另外，有時做一個單張且比較平坦的曲面（如汽車、摩托車的前大燈燈面）時，直接用點云構(gòu)面（從點云）更方便和更準(zhǔn)確。有時面之間的空