1、第一節(jié) 概述1.1 逆向工程的發(fā)展背景逆向工程的發(fā)展背景 1.隨著工業(yè)技術的進步以及經(jīng)濟的發(fā)展，在消費者高質(zhì)量的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場的唯一條件。產(chǎn)品不僅要具有先進的功能，還要有流暢、造型富有個性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費者的注意。流暢、造型富有個性的產(chǎn)品外觀要求必然會使得產(chǎn)品外觀由復雜的自由曲面組成。然而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式（即正向工程）很難用嚴密、然而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式（即正向工程）很難用嚴密、統(tǒng)一的數(shù)學語言來描述這些自由曲面。統(tǒng)一的數(shù)學語言來描述這些自由曲面。 2.隨著市場競爭的加劇，為了快速的響應市場，產(chǎn)品的周期越來越短，企業(yè)界對新產(chǎn)品開發(fā)力度也得到不斷地加強 。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)

2、模式受到挑戰(zhàn)。 為此，為適應現(xiàn)代先進制造技術的發(fā)展，需要將實物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)（RP）、計算機輔助制造系統(tǒng)(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM)等先進技術對其進行處理和管理，并進行進一步的修改和再設計優(yōu)化。此時，就需要一個一體化的解決手段：樣品樣品 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 樣品。樣品。 逆向工程就專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的重構(gòu)手段，實現(xiàn)從實際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。作為產(chǎn)品設計制造的一種手段，在20世紀90年代初，逆向工程技術開始引起各國工業(yè)界和學術界的高度重視。1.2 逆向工程的定義 逆向工程（Reverse engineering，簡稱RE）,也稱反求工程、反向

3、工程等。逆向工程起源于精密測量和質(zhì)量檢測，是80年代發(fā)展起來的反向的產(chǎn)品設計思想，是消化和吸收先進技術的一系列分析方法和應用技術的組合，它以已有的產(chǎn)品或技術為研究對象，將已存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設計模型和概念模型，在此基礎上對已存在的產(chǎn)品進行解剖、深化和再創(chuàng)造，是在已有設計基礎上的再設計。逆向工程是集測量技術、計算機軟硬件技術、現(xiàn)代產(chǎn)品設計與制造技術的綜合應用技術2 ，是設計下游向設計上游反饋信息的回路 。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程是一種預定模式，即從市場需求出發(fā)，分析產(chǎn)品的功能描述、規(guī)格及預定指標。然后再進行概念設計、總體設計和零部件設計，制定工藝流程、設計工裝夾具，依據(jù)產(chǎn)品的設計藍圖

4、完成加工制造。這種設計方法稱為正向設計或順向設計。產(chǎn)品的逆向工程則與之相反，它是從產(chǎn)品的實物樣件出發(fā)，通過各種測繪技術和幾何造型技術將其轉(zhuǎn)化成CAD 模型和圖樣，再制造產(chǎn)品。它改變了CAD系統(tǒng)從圖紙到實物的傳統(tǒng)設計模式，為產(chǎn)品的快速開發(fā)及原形化設計提供了一條新的途徑。 1.與正向工程的區(qū)別與正向工程的區(qū)別1.3 逆向工程的工作流程 逆向工程由離散數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)、快速制造三大部分組成（其體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示）。包含三維數(shù)據(jù)測量、數(shù)據(jù)預處理和曲線曲面重構(gòu)三大關鍵技術。 逆向工程的一般過程分為樣件三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、原形CAD模型重建 、模型評價與修正和快速制造五個階段。數(shù)據(jù)處理

5、建構(gòu)曲線曲面三維重構(gòu)點數(shù)據(jù)體素幾何模型NC編程CAN加工STL 分層RP 制造 實物樣件三維測量圖1.1 逆向工程體系結(jié)構(gòu)圖1.3 逆向工程的應用領域 1.在產(chǎn)品外形的美學有特別要求的領域，為方便評價其美學效果，設計師廣泛利用油泥、黏土或木頭等材料進行快速且大量的模型制作，將所要表達的意圖以實體的方式呈現(xiàn)出來，而不是采用計算機屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法。此時如何根據(jù)造型師制作出來的模型，快速建立三維CAD模型，就必須引入逆向工程技術。 2.當設計需要通過試驗測試才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空、汽車制造領域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動力學等的要求，首先要在實體模型、縮

6、小模型的基礎上經(jīng)過各種性能測試。建立符合產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常由復雜的自由曲面拼接而成的，最終確認的實驗模型必須借助逆向工程，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。 3.在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件模型進行測量的基礎上，形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速原型加工所需的數(shù)據(jù)，復制一個相同的零件。 4.很多物品很難用基本幾何來表現(xiàn)與定義，例如流線型產(chǎn)品、藝術浮雕及不規(guī)則線條等。 5.逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)、創(chuàng)新設計上同樣具有相當高的應用價值。 6.廣發(fā)應用于修復破損的文物、藝術品，或缺乏供應的損壞零件等 7.特種服裝、頭盔的

7、制造以使用者的身體為原始依據(jù)。 8.應用于RPM技術。第二節(jié) 逆向工程的測量系統(tǒng)2.1 三維測量方法的概述 實物樣件的三維數(shù)字化是通過特定的測量設備和測量方法獲取樣件表面立三點的幾何坐標數(shù)據(jù)。只有獲取樣件的表面三維信息，才能實現(xiàn)復雜曲面的采集、評價、改進、制造。因此，如何高效、高精度的獲取樣件表面的三維數(shù)據(jù)，一直是逆向工程研究的內(nèi)容之一。目前，已出現(xiàn)了多種測量方法 。根據(jù)測量時測頭和被測表面之間的位置關系，樣件的三維數(shù)據(jù)采集方法可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式有基于力變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集和基于磁場、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。非接觸式有激光三角測量法、立體視覺法、激光測距法、光干涉

8、法、結(jié)構(gòu)光學法、圖像分析法、CT法等 。1.接觸式測量法 接觸式數(shù)據(jù)采集方法是用機械探頭接觸表面，機械臂關節(jié)處的傳感器確定相對坐標位置。用于接觸式數(shù)據(jù)采集的機器人裝置有很多種。最常見的接觸式數(shù)據(jù)采集方法是坐標測量機（CMM），通常是三坐標測量機。坐標測量機使其接觸探頭沿被測表面經(jīng)過編程的路徑逐點捕捉表面數(shù)據(jù)。測量時，可根據(jù)實物的特征選擇測量位置及方向，測得特征點數(shù)據(jù)。接觸式測量的優(yōu)點：接觸式測量的優(yōu)點： 接觸式探頭發(fā)展已有幾十年，其機械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當成熟，有較高的準確性和可靠性。 接觸式測量的探頭直接接觸工件表面，與工件表面的反射特性、顏色及曲率關系不大。 被測物體固定在三坐標測量機上，

9、并配合測量軟件，可快速準確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式測量的缺點：接觸式測量的缺點： 球形探頭很容易因為接觸力而造成磨耗，所以，為維持一定精度，需經(jīng)常校正探頭的直徑。 不當?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。 接觸式觸發(fā)探頭是以逐點方式進行測量的，所以測量速度慢。 檢測一些內(nèi)部元件受到限制，如測量內(nèi)圓直徑，觸發(fā)探頭的直徑必定要小于被測內(nèi)圓直徑。 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法利用光、聲、磁場等。應用光學原理的方法采集數(shù)據(jù)，細分有三角形法、結(jié)構(gòu)光法、測距法、干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法和逐層掃描數(shù)據(jù)法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點問題。獲得的密集點云信息量大，精度高，最大限度地反映被測表面的真實形狀。非接觸式測量的優(yōu)點： 不必做探頭半徑補償，因為激光光點位置就是所采集到點的位置。 測量速度非常快，不必像接觸觸發(fā)探頭那樣逐點進行測量。 軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測量。非接觸式測量缺點： 測量精度較差，因非接觸式探頭大多使用光敏位置探測來檢測光點位置，目前的精度仍不夠，約為20um以上。 因非接觸