逆向工程关键技术

第二章逆向工程河北联合大学机械学院程相文2.1逆向工程概述20世纪60年代，日本为了恢复和振兴经济，提出科技兴国和大力发展制造业的方针：“一代引进，二代国产化，三代改进出口，四代占领国际市场”，并对机床、汽车、电子、光学设备和家电等行业的发展给予优惠政策。日本政府和企业普遍认为对别国先进产品和先进技术的引进、消化、吸收、改进和挖潜，是自身发展的一条捷径。观点很快被事实验证，由此引发了逆向设计（ReverseDesign）的概念。2.1.1逆向工程背景2.1.1逆向工程背景明确提出逆向工程（ReverseEngineering）这个术语并作为一门学问和实用技术进行系统研究则是近30年的事情。逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的直接转换。作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业界和学术界的高度重视。逆向工程(ReverseEngineering,RE)也称反求工程，是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(ForwardEngineering,FE)而提出的。逆向工程常指从现有模型(产品样件、实物模型等)经过一定的手段转化为概念模型和工程设计模型，如利用三坐标测量机的测量数据对产品进行CAD模型重构，或者直接将这些离散数据转化成NC程序进行数控加工而获取成品的过程。逆向工程是对已有产品的再设计、再创造的过程。2.1.2逆向工程定义逆向工程与正向工程的区别2.1.2逆向工程定义市场调研、设计要求制造设计产品正向设计是由未知到已知，由想象到现实的过程已有的产品信息新产品消化、理解、再创新逆向工程是已有设计的设计逆向工程由离散数据获取、数据处理与曲面重构、快速制造三大部分组成（其体系结构如图2.1所示）。包含三维数据测量、数据预处理和曲线曲面重构三大关键技术。逆向工程的过程（五个阶段）：样件三维数据获取数据处理原形CAD模型重建模型评价与修正快速制造2.2逆向工程工作流程2.2逆向工程工作流程数据处理建构曲线曲面三维重构点数据体素几何模型CAM系统NC编程STL分层RP制造实物样件三维测量图1.1逆向工程体系结构图RP-快速成形系统逆向工程软件：Imageware、Raindrop、GeomagicStudio、Paraform、ICEMSurf、CopyCAD等CAD/CAM系统类似模块，UG—Unigrahics、ProE—Pro/SCAM、Cimatron90—PointCloud等接触式三坐标测量仪非触式三坐标测量仪工业CT测量机2.3逆向工程软硬件测量设备逆向设计软件1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析2.4逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据数字化测量是逆向工程的基础，在此基础上进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。数据的测量质量直接影响最终模型的质量。数字化测量接触式测量法：分为基于力触发原理的触发式和连续数据扫描式。典型的接触式测量设备是三坐标测量机(CMM)。接触式测量的优点：①接触式探头发展已有几十年，其机械结构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。②接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。③被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的缺点：①球形探头很容易因为接触力而造成磨耗，所以，为维持一定精度，需经常校正探头的直径。不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。②接触式触发探头是以逐点方式进行测量的，所以测量速度慢。③检测一些内部元件受到限制，如测量内圆直径，触发探头的直径必定要小于被测内圆直径。④对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，欲求得物体真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差数字化测量非接触式数据采集方法利用光、声、磁场等。应用光学原理的方法采集数据，细分有三角形法、结构光法、测距法、干涉法、结构光法、图像分析法和逐层扫描数据法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由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由于曲率干涉产生的伪劣点问题。非接触式测量的优点：(1)不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是所采集到点的位置。(2)测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。(3)软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。非接触式测量缺点：(1)测量精度较差，因非接触式探头大多使用光敏位置探测来检测光点位置，目前的精度仍不够，约为20um以上。(2)因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。(3)非接触式测量只做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较困难。(4)工件表面的粗糙度会影响测量精度。数字化测量接触式测量数字化测量—测量设备非接触式测量逆向技术数字化测量—测量设备基于平板探测器X射线成像系统医学CT测量测量实例涡轮叶片模具型面数据涡轮叶片模具边界数据共采集数据点24500个。测量实例蒙皮模具（长5m）共采集数据点341212个成型面点云图1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面，无论是接触式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对数据进行精简。主要包括以下内容：坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割测量数据预处理坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数据失真。坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先就是要去除数据点集中的坏点。常用方法如下：1.直观检查法2.曲线检查法3.弦高差法测量数据预处理—坏点去除当测量数据过密，不但会影响曲面的重构速度，而且在重构曲面的曲率较小处还会影响曲面的光顺性。因此，在进行曲面重构前，需要建立数据的空间邻域关系和精简数据。在均匀精简方法中，通过以某一点定义采样立方体，求立方体内其余点到该点的距离，再根据平均距离和用户指定保留点的百分比进行精简。测量数据预处理—点云精简保留每个子立方体中距中心点最近的点。测量数据（24500个）处理后的数据（4607个）测量数据预处理—数据精简实例精简原则：精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合数据的后续处理。由于实物拓扑结构以及测量机的限制。一方面在实物数字化时会存在一些探头无法测到的区域。另一方面则是实物零件中存在表面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据空白现象，影响曲面的逆向建模。目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有1.实物填充法2.造型设计法3.曲线、曲面插值补充法测量数据预处理—数据插补由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响，需要对数据进行平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的，将影响平滑的效果。通常采用的滤波算法：1.标准高斯(Gaussian)法2.平均(Averaging)法3.中值(Median)法，测量数据预处理—数据平滑数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。常用方法：1.基于测量的分割2.自动分割测量数据预处理—数据分割测量数据点数据点分割拟合29个二次曲面线框图渲染图测量数据预处理—数据分割实例仪表盘原始点云数据分割后的点云根据形状分析，将点云分割为三部分：左端面，中间面，右端面。逆求软件提供多种分割点云的方法1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据在逆向工程中，实物的三维CAD模型重构是整个过程最关键、最复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD模型的支持。这些应用都不同程度地要求重构的CAD模型能准确还原实物样件。整个环节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬件和操作者两个因素的影响。三维重构点云图三维模型目前成熟的模型重构方法根据数据类型、数据来源、造型方式和曲面表示可分为：按数据类型：分为有序点和散乱点的重构；按测量机的类型：分为基于CMM、激光点云、CT数据和光学测量数据的重构；按造型方式：可分为基于曲线的模型重构和基于曲面的直接拟合；按曲面表示方法：分为边界表示、四边B样条表示、三角面片和三角网格表示的模型重构等。在模型重构之前，应详细了解模型的前期信息和后续应用要求，以选择正确有效的造型方法、支撑软件、模型精度和模型质量。前期信息包括实物样件的几何特征、数据特点等；后续应用包括结构分析、加工、制作模具、快速原型等。三维重构—常用方法1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据坐标配准实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，为误差分析做准备，配准精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。测量数据模型与CAD模型间的配准重点：选择基准坐标变换选择基准:•测量时，标定基准点，配准时，基准定位点和被测件上的设计点重合；•根据被测物的几何特性自定义。坐标配准实例配准基准：指定的点。坐标配准实例坐标配准配准基准：由前缘半径圆心，尾缘半径圆心和封闭图形的形心组成的三角形。坐标配准实例配准前配准后配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。坐标配准实例配准基准：几何运算得到特殊的几何约束。（1）平面1的法向与Z轴同向约束关系；（2）圆柱面1的轴线与Z轴重合约束关系；（3）平面2与XY平面的重合约束关系；（4）求圆柱面2和自由曲面的交线，该交线与叶片出口端交线的重合约束关系。逆向技术1.数字化测量2.测量数据预处理3.三维重构4.坐标配准5.误差分析逆向工程关键技术产品实物数字测量数据处理三维重构坐标配准误差分析CAD模型设计数据逆向技术影响误差的主要要素：（1）产品原型误差（2）数据采集误差（3）曲面重构时产生的误差（4）模型配准误差误差分析逆向技术由于逆向工程是根据实物原型来重构模型的，但原产品在制造时会存在制造误差，使实物几何尺寸和设计参数之间存在偏差，如果原型是使用过的还存在磨损误差。误差分析——产品原型误差实际零件测量点云原型误差一般较小，其大小一般在原设计的尺寸公差范围内。逆向技术测量误差包括测量设备系统误差、测量人员视觉和操作误差、产品变形误差和测头半径补偿误差等。测量误差和设备环境、测量人员的经验等。误差分析—数据采集误差逆向技术主要是在逆向工程软件中进行模型重构时，曲线、曲面的拟合误差，目前的软件常采用最小二乘法逼近来进行样条曲线、曲面拟合，因此存在一个允差大小控制问题。误差分析—曲面重构时产生的误差蒙皮面板测量测量点云点云处理逆向技术误差分析—模型配准误差在模型配准过程中，为保证轮廓边界的贴合和共线，配合零件的测量边界轮廓必须调整为一条配合线，这样对配合零件表面造型时会带来误差，为减小误差，轮廓线测量和曲线拟合时要求精确数据匹配就是实现测量数据和被测物设计模型的坐标配准，其匹配精度直接影响后续整体误差结果的可靠性。配准前配准后逆向技术误差分析—整体误差分析整体误差分析是指计算、分析各叶片模具测量数据与设计模型的最大误差、平均误差及关键特征参数的误差，为后续的模具型腔设计及加工工艺改进提供具体的量化