ProE逆向工程

Pro/ENGINEERwildfire4.0逆向工程——刘晓宇中国铁道出版社出版发行内容提要•本书根据国内外研究人员、技术人员及作者的研究成果结合工程实际写作而成。书中首先综合归纳了逆向工程技术研究和应用的最新进展，简单介绍了数据测量、数据处理、特征提取、模型重构等逆向工程关键技术的理论基础、原理方法和技术状况。而后着重讲解了Pro/Engineer野火4.0中文版软件系统的逆向工程模块——独立几何、小平面特征和重新造型。本书从逆向工程实际应用的要求出发，以典型的实例操作为导向，注重理论性和应用性的结合，详细介绍了在Pro/Engineer野火4.0中文版软件系统中实现模型重构的过程和方法。•随书光盘包含了书中所有实例的点云数据、part文件以及关键步骤的视频文件，以便读者更好、更快、更全面的理解和掌握逆向工程的原理和反求方法。•本书资料全、系统性强，可供高等工科院校的机械、工业设计、CAD/CAM等专业的教师或学生的教、学参考，也可为以Pro/Engineer野火4.0软件系统为工具的工业设计人员学习参考。内容导读•想了解和掌握逆向工程相关概念和关键技术的高年级本科生或研究生•第1章：介绍逆向工程的定义、分类、应用领域以及发展状况等，并介绍了常用逆向工程软件系统。使读者初步了解逆向工程的相关概念。想了解Pro/E野火4.0版本相关模块应用的Pro/E初学者•第2章：介绍了逆向工程的关键技术——测量技术、数据处理、特征提取、曲面重构等技术特点和发展状况。使读者对逆向工程有更全面的认识，提高理论深度。并讲解了Pro/ENGINEER野火4.0各模块的特点及应用领域。•想了解和掌握Pro/E野火4.0版本逆向工程模块应用的技术人员。•第3～5章：介绍Pro/ENGINEER野火4.0逆向工程模块——独立几何、小平面特征和重新造型。•想熟练掌握Pro/E野火4.0版本逆向工程模块应用的工程技术人员、培训班以及大中专院校学生•第6～11章：通过实例对本书所学的知识进行总结、提高、融会贯通。概念解读•逆向工程（ReverseEngineering）相对正向设计而定义，它是一种先进的设计方法，是从实物模型到电子模型或理论概念的一个反向推理、挖掘、优化的系统过程，在国内外各个领域应用广泛。逆向工程也称反求工程，它的意义不仅仅在于消化吸收并改进国内外的先进技术，更应该体现在在逆向反求的过程中接纳先进的设计思想和制造理念，进而实现理论和思想上的创新，这对于我国科技进步和制造业的发展才具有更为重要的意义。正向、逆向区别•正向设计流程市场需求市场调研制定方案方案优化概念设计CAD工程图CAE分析CAM/CAPP制造产品实物样件表面轮廓数字化数据预处理噪声去除精简处理光顺处理特征提取CAD模型重构二维图形、技术文档仿制改进产品CAD/CAE系统CAM系统模具设计新产品PDM系统•逆向反求流程逆向工程的分类•逆向反求技术包括几何逆向反求、材料逆向反求、工艺逆向反求等•所谓几何反求就是根据实物样品的表面轮廓的数字化信息反求出样件的CAD模型。针对不同的反求对象，几何反求可根据实物、软件以及影像等信息实现模型重构。•实物反求——•在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折，提取提出重构所需关键点、线、面等信息，结合曲面构造方法实现模型再现，在逆向反求的过程中理解并吸收其结构、功能、材质、精度、工艺方案以及设计规范等多方面信息。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。•软件反求•产品样本的技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。通过对样件的技术软件来分析研究，提取出产品样件的设计参数和思路来完成产品反求，称之为软件反求。软件反求中有3类情况：既有实物，又有全套技术软件；有实物而无技术软件；无实物，仅有全套或部分技术软件。•影像反求•根据产品数字化图片或影视画面提供的几何维度和色彩维度信息，实现模型重构，称为影像反求。影像反求是一个复杂的创新过程，目前还未形成相对成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和颜色等信息中提取几何参数，进而通过专业系统实现模型几何以及色彩维度的反求。单色CAD模型彩色CAD模型逆向工程学科辐射•逆向工程是一门涉及光学、电子、自动控制、机械、计算机视觉、计算机图形学、计算机图像处理，微分几何，计算几何、数理统计、软件工程等多门学科的综合性CAD技术，实物样件原始点云特征点云CAD模型特征线光学、自动控制、机械、电子技术等几何、数理统计、软件工程等微分几何、软件工程等计算机视觉、计算机图形学、计算机图像处理，软件工程等机械工程、自动控制、电子技术等逆向工程应用领域•新产品研发•企业在完善产品的同时，将工业美学设计逐渐纳入创新设计的范畴，使产品朝着美观化、艺术化的方向发展。在汽车、飞机等产品的外形设计中，首先由外形设计师使用油泥、木模或泡沫塑料做成产品的比例模型，易于从审美角度评价并确定产品的外形，然后通过逆向工程技术将其转化为CAD模型，进而得到精确的数字定义。这样不但可以充分利用CAD技术的优势，还能适应智能化、集成化的产品设计制造过程中的信息交换需求。汽车设计过程•产品的仿制和改型设计•利用逆向工程技术进行数据测量和数据处理，重建与实物相符的CAD模型，并在此基础上进行后续的操作。如模型修改、零件设计、有限元分析、误差分析、数控加工指令生成等，最终实现产品的仿制和改进。产品仿制样件点云CAD模型•损坏或磨损零件的还原•利用逆向工程技术可从破损的零部件中提取出相应的特征或特征参数，进行自主设计开发，或从表面数据中获取特征信息对其进行面貌恢复以及其结构的推算。•图中所示为英国、希腊、美国科学家组成的联合研究小组运用三维X光断层摄影技术和高分辨率的表面成像技术对具有2100年历史的超级“天文计算机”进行反求所得到的外部形状。2100年前的天文计算机•快速模具制造•逆向工程技术在快速模具制造中的应用主要体现在两个方面：一是以样本模具为对象。对己符合要求的模具进行测量，重建其CAD模型，并在此基础上生成加工程序。这样可以提高模具的生成效率，降低模具的制造成本。另一种情况是以实物零件为对象，逆向反求其几何CAD模型，并在此基础上进行模具设计。CAD模型样件•文物的保护和监测•大型的户外文物（如：洛阳龙门石窟）常年风吹日晒，容易发生风化而遭破坏。利用逆向工程技术定期对其进行测量扫描，把表面数据输入计算机进行模型重构，通过两次模型的比较，找出风化破坏点，从而制定相应的保护措施，或者进行相应的修复，使其保持原样。CAD模型•医学领域的应用•结合CT、MRI等先进的医学技术，逆向工程可以根据人体骨骼和关节的形状进行假肢的设计和制造。通过对人体表面轮廓测量所获得的数据，建立人体几何模型，从而制造出与表面轮廓相适应的特种服装，如：头盔，座椅以及航空宇航领域中，宇航服装的制造等。逆向工程方法与快速原型制造技术在医学上也有应用，如外科手术植入和修复设计等。•CAE模型分析•将实物零件转化为计算机表达的产品数字模型，以便充分利用现有的计算机辅助分析（CAE）技术对其进行模拟仿真分析，评估其性能指标，是逆向工程的一个新的发展方向。对于加工后的零部件，进行扫描测量，利用逆向工程中的曲面重构技术构造CAD模型，将该模型与原始设计的几何模型在计算机上进行数据比较，可以检测制造误差，提高检测精度。另外，借助工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状，而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷，从而为工业产品无损探伤的重要手段。逆向工程解决方案•点、线、面•利用点数据和边界曲线建构曲面是逆向工程特有的曲面建构方法。该方案首先从数据点云中提取原始物体的截面线、特征线或边界线点数据，然后采用扫成、蒙面、裁剪等一系列常规曲面构造方法，得到主要以NURBS曲面表示的产品CAD模型。这是一种准逆向工程的思路，自动化程度较低且需要较多的人工干预，但得到的重构模型比较符合原始产品点云边界线CAD模型•完全逆向工程的做法•即由点云数据直接反求CAD模型。目前的研究主要以反求曲面模型为主，通常有两种表达方式：一种是用三角Bezier曲面片来逼近模型，另外一种是用NURBS曲面表示，通过用户指定重构曲面的次数和范围，自动进行参数分割，由点云数据反求NURBS曲面的控制顶点。这种方法计算耗费大，数据的噪声以及参数分割的好坏对重构后曲面的质量和光顺度有较大的影响。与准逆向工程的解决方法相比，此方法虽然自动化程度较高，但有时会出现反求曲面与期望值有较大偏差的情况。点云三角面（模型着色）（线框显示）•反向提取与正向设计结合•直接由点云数据提取模型的特征参数，并将其表达成为目前CAD／CAM商业软件能够读取的文件格式，通过适当的数据接口导入Pro/E等通用CAD/CAM系统进行正向设计。利用专业CAD软件系统强大的曲面及曲面编辑功能完成建模，实现正向和逆向的集成，这将极大地缩短逆向工程技术进程。国外计算机辅助设计与制造技术应用发展的成功经验表明：企业解决前进中的难题并取得显著的效益，很多是从集成应用中得到的，而不是单项应用的成果。•图中所示为通过计算机编程从点云数据中提取出模型特征参数，并利用CAD软件完成模型重构。特征数据点CAD模型逆向工程关键技术•技术的确立需要核心，核心技术需要支持。但凡稳定成熟的系统都是在核心技术的支撑下充分整合辅助单元，使其综合成为一个系统终端，针对任务，优化分析并给予最优解决方案。逆向工程以数据为对象，数学方法为工具，结合先进软件技术，根据项目特点，提取特征，逆推数学模型，并最终完成逆向反求。逆向工程是一个复杂的系统工程，涉及的学科广而深，其关键技术集中体现在数据测量、数据处理、曲面重构三个方面。数据测量•即借助工具获取参数，按一定规则度参数以量并系列化。逆向工程中数据测量是指，利用测量设备获取样件表面轮廓信息。测量技术中的测量设备分成二维和三维两类。二维测量设备基于成像技术，比如数码照相机、数字视频照相机和桌面扫描设备等。三维测量设备能够测量和提供被测量物体的三维深度信息而更适合于几何逆向反求。数据测量方法主要分为接触式测量方法和非接触式测量方法。•接触式数据测量方法•接触式测量是指利用接触式测量设备对实物外表面进行测量。如三坐标测量仪（CMM），它是利用传感器实现测量头在工件上的快速移动，从而快速记录下路径点的坐标值，具有较高精度，但这种方法测量速度较慢，而且对测头不能触及的表面是无法测量的，不易获得连续的坐标点，对软质材料如泡沫、橡胶、粘土等，适应性差接触式测量探头扫描式探头•非接触式数据测量方法•非接触式数据测量方法主要运用光学原理对曲面的三维形貌进行快速测量。相对于传统的接触式测量方法，其扫描速度可达到10000个坐标点/秒，扫描精度高、对细微部分的扫描精度也不受影响。而且，消除了因测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面之间因曲率干涉而产生的伪劣点。光学测量仪数据预处理•数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。不同的测量系统所得到的测量数据的格式有所不同，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在进行CAD重构之前对测量数据进行处理是必要的。数据处理过程主要包括数据格式转化、点云的拼合、噪声过滤、特征提取、数据精简以及破洞修补等环节。•噪声点的去除•产品表面轮廓点云数据是通过各种数据测量设备获得的，要实现实物原型的准确构建，测量数据必须精确。但无论是接触式测量机还是非接触式的测量机，由于实物样件的表面粗糙度不同、测量中随机误差的存在、测量设备的标定参数或测量环境变化等因素,都不可避免地会引入数据误差这些超差点或错误点，一般称为噪声点，它将直接造成后续CAD模型与参考实物之间存在差距，严重影响了产品的精度要求和性能要求，必须剔除。常用的去噪方法有人机交互法、曲线检查法、弦高差方法等。•数据的精简•测量技术的发展，主要体现在测量速度和测量精度领域，同时测量的数据量也随之增大