1、11逆向工程技術與應用Reverse Engineering Technology and Application摘要：文章綜合介紹了逆向工程技術基本概念，重點分析了逆向工程技術過程，包括數據讀入、數據預處理、特征提取、模型優化與再設計，其中表面數字化和三維CAD建模是逆向工程中的關鍵技術，指出了應用領域，并給出了實際應用的案例。關鍵詞：逆向工程特征 優化 再設計Abstract： The paper outlines the basic conception of Reverse technique, especiall the analysis of the technique proce

2、ss,including data captur， e data preprocessing， feature extraction, model optimization and re-designing.Suface digitization and 3D CAD modeling are two key techniques in reverse engineering.Then introduce the application realm of reverse engineering technology and give an example Key words： reverse

3、engineering feature optimization re-design引言新產品開發是企業確保市場競爭優勢、維持企業生存及成長的重要機能。特別是面對產品更新換代加快某些產品的市場壽命已經比新產品開發周期更短的環境 保持不斷地推出適銷對路的新產品是企業能夠在市場競爭中取勝的基礎。逆向工程技術( reverse engineering RE)是相向工程技術而言的。也稱為反求工程技術1 。它是近年來發展起來的一種產品數字開發方法它的出現極大地縮短了產品的開發周期。提高了產品精度目前越來越受到人們的關注和重視2 。傳統的正向工程通常是從概念設計到圖樣再制造出產品也就是說，傳統的設計是由未

4、知到已知、由想象到現實的過程是“從無到有”：而逆向工程是在現有實體測量數據的基礎上重構其三維CAD信息模型的過程，將模型的格式文件加以轉換 就可以被快速原型制造系統所接受從而實現了產品的快速開發其是”從有到新”。逆向工程包括數據讀入、數據預處理、特征提取及建模、STL 模型圖 1 逆向工程流程圖逆向工程的技術過程數據輸入數據的讀入是進行逆向工程的第一步將實體的表面進行數字化。根據數據測量方式的不同可分為接觸式測量和非接觸式測量。接觸式測量方法通過測量探針與樣件的接觸而記錄樣件表面點的坐標位置。根據測量探針的工作方式又可分為觸發式和連續式測量。三坐標測量機是最常見的接觸式測量方式。見圖2。非接觸

5、式測量方法主要是基于光學、聲學、 磁學等領域中的基本原理將一定的物理模擬量通過適當的算法轉換為樣件表面的坐標點。其中較為成熟的是光學測量方法有激光掃描、結構光、莫爾條紋、數字圖像處理等表面數字化技術高效、準確地實現樣件表面的數字化，是實現逆向工程的基礎和關鍵技術之一。在逆向工程中，傳統的數字化方法是采用接觸式測量，其典型代表是三坐標測量機(Coordinate Measure Machine,CMM) 。CMM通常是基于力-變形原理，通過接觸式探頭沿樣件表面移動，并與表面接觸時發生變形檢測出接觸點的三維坐標。CMM對被測物體的材質和色澤沒有特殊要求，可達到很高的測量精度(0.5 m)，對物體邊

6、界喝特征點的測量相對精確，對于沒有復雜內部型腔、特征幾何尺寸多、只有少量特征曲面的規則零件反求特別有效。其主要缺點是效率低，測量過程過分 依賴于測量者的經驗，特別是對于幾何模型未知的復雜產品，難以確定最 優的采樣策略和路徑。隨著快速測量的需求及光電技術的發展，以計算機圖像處理為主要手段的視覺測量技術得到飛速發展10,11 。 激光三角法是目前最成熟，也是應用最廣泛的一種主動式視覺方法。激光三角法具有測量速度快，可達到較高的精度（10 m ）等優點。其存在的主要問題是對被測表面的粗糙度、漫反射率和傾角過于敏感，存在由遮擋造成的陰影效應，對突變的臺階和深孔結構易于產生數據丟失。CAD 模型重建技術

7、與軟件逆向工程三維CAD模型重建后續產品加工制造、快速成型、工程分析喝產品再設計的基礎，其目標是根據離散的數據點集構造出一段光滑、連續的 CAD模型，因此，模型重建技術是逆向工程的關鍵技術14,15 。在實際的產品中， 只由一張曲面構成的情況不多，產品形面往往由多張曲面混合而成。因此在曲線、曲面擬合之前還要進行的工作是數據分割。由于組成曲面類型的不同，CAD 模型重建的一般步驟為：先根據幾何特征對點云數據進行分割，然后分別對各個曲面片進行擬合，再通過曲面的過度、相交、裁剪、倒圓等手段，將多個曲面“縫合”成一個整體，即重建的 CAD 模型。測量數據分割完成后，根據曲面造型方法的不同，分為基于曲線

8、的曲面造型方法和基于測量點的曲面造型方法。基于曲線的曲面重建方法的原理是在數據分割的基礎上，首先由測量點插值或擬合組成曲面的網格樣條曲線，再利用放樣、混合、掃描等曲面造型功能進行曲面重建，最后通過延伸。求交、過渡、裁剪等操作，將各曲面片拼接或縫合成整體的復合曲面模型?；跍y量點的曲面重建方法的原理是直接建立滿足對數據點的插值或擬合曲面，既能處理規則點也可直接擬合散亂點。對于大量數據點，支持B 樣條表示，在曲面重建中，能夠構造出標準的B 樣條曲面?；跀鄬訑祿谋砻嬷亟ǚ椒ㄗ钤绮捎没谳喞€的描述方法，后經發展，形成了如平面輪廓的三角形算法、基于表面輪廓的Delaunay 等多種算法 12 ?；?/p>

9、于表面的優點是可以采用比較成熟的計算機圖形學的方法進行顯示，計算量小，運行速度快，借助于專業硬件支持，可以實現實時顯示，但表面重建需要首先對斷層圖像進行分割以提取出斷層數據，由于目前分割技術所限，缺少準確有效的方法，在分割時細節信息容易丟失?；赟TL模型的逆向工程實體建模模型是以三角形集合來表示物體外輪廓形狀的幾何模型16 。在實際應用中對 STL 模型數據是有要求的，尤其是在STL 模型廣泛應用的RP 領域， 對 STL模型數據均需要經過檢驗才能使用。這種檢驗主要包括兩方面的內容：STL 模型數據的有效性和STL 模型封閉性檢查。有效性檢查包括檢查模型是否存在裂隙、孤立邊等幾何缺陷；封閉性

10、檢查則要求所有STL 三角形圍成一個內外封閉的幾何體 17 。文中討論的STL 模型重建技術中的STL 模型，均假定已經進行有效性和封閉性測試，是正確有效的STL 模型。由于 STL 模型僅僅記錄了物體表面的幾何位置信息，沒有任何表達幾何體之間關系的拓撲信息，所以在重建實體模型中憑借位置信息重建拓撲信息是十分關鍵的步驟。另一方面，實際應用中的產品零件（結構件）絕大多數是由規則幾何形體（如多面體、圓柱、過度圓弧）經過拓撲運算得到，因此對于結構件模型的重構來講拓撲關系重建顯得尤為重要。實際上，目前CAD/CAM 系統中常用的B-rep 模型即是基于這種邊界表示的基本幾何體素布爾運算表達的。因此 S

11、TL 模型重建的過程如下：首先重建STL 模型的三角形拓撲關系；其次從整體模型中分解出基本幾何體素；重建規則幾何體素；然后建立這些幾何體素之間的拓撲關系，最后中間整個模型。6 逆向工程技術應用實體逆向工程的應用需求主要有兩方面：一方面，作為研究對象，產品實物是面向消費市場最廣、最多的一類設計成果，也是最容易獲得的研究對象；另一方面， 在產品開發和制造過程中，雖已廣泛使用了計算機幾何造型技術，但是仍有許多產品，由于種種原因最初并不是由計算機輔助設計模型描述的，設計和制造者面對的是實物樣件。這些都需要借助逆向工程技術將實物模型轉化為CAD模型。借助 已有 的德 國 Steinbichler 公 司

12、的 COMET 非接觸式光學掃描儀和UG/Imageware軟件，進行了部分產品模型的實例應用，如圖2 5 所示。3 鼠標點云4 重建的鼠標CAD 模型5 燈罩點云3 鼠標點云4 重建的鼠標CAD 模型5 燈罩點云6 重建的燈罩CAD 模型參考文獻 TOC o 1-5 h z 金濤童水光逆向工程技術M 北京：機械工業出版社，2003鄧家裎，韓曉建，曾硝產品概念設計理論、方法與技術 M 北京：機械工業出版社，2002曾華明逆向工程中的曲面重構技術研究D 重慶：重慶大學，2004LAI XINMIN ， ZNZHONGQIN HUANG TIANZENG ZIPING A Study of Rev

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