沈阳理工大学产品创新和开发(张育增)结课论文

1反求工程综述胡立（沈阳理工大学机械工程学院，沈阳110000）摘要：反求工程这一术语起源于20世纪60年代，但对它从工程的广泛性去研究，从反求的科学性进行深化还是从20世纪90年代初刚刚开始。世界各国在其经济技术发展过程中，都非常重视应用反求工程对国外的先进技术进行引进和研究工作。关键词：反求工程；表面重建技术；测量方法中图分类号：TP391TheIntroductiontoReverseEngineeringHULi(SchoolofmechanicalEngineering,ShenyangLigongUniversity,Shenyang110000)Abstract:ThetermReverseEngineeringoriginatedinthe1960’s.Buttheuniversalityofitfromengi-neeringtostudy,fromthescienceofreversedeepenisjustbeginningintheearly1960’s.Countriesaroundtheworldintheprocessofitseconomicandtechnologicaldevelopment,attachgreatimporta-ncetotheapplicationofreverseengineeringtointroduceforeignadvancedtechnologyandresearch.Keywords:ReverseEngineering;Thetechnologyofrebuildingsurface;Measuremethods0前言反求工程作为一种高效的产品设计思路和方法，是在正向设计的基础上，随着三坐标测量数字技术的飞速发展而产生的。反求工程技术虽然应用的时间不长，但广阔的应用前景己经为绝大多数现代加工制造企业和工程技术人员所关注。伴随着计算机技术的发展，人们开始利用计算机来进行产品的辅助设计。从最初的二维设计技术发展到今天功能强大的三维设计技术，产品设计技术发生了革命性的飞跃。而以已有产品为基础，进行消化、吸收并进行创新改进，使之成为新产品的，这一种开发模式被称为反求工程（ReverseEngineering，RE），又叫做逆向工程。传统的产品设计过程是一个从无到有的过程，即设计人员首先在大脑中形成对该产品的总体构思，然后综合各方面的要素和因素，对产品的功能、性能、结构、尺寸、形状和技术参数等借助计算机建立其三维数字化信息模型，最终有可能将这个模型转入到制造流程中，指导生产过程，这样的产品设计过程我们称为正向设计过程。而在整个产品的设计过程中，所建立的三维数字化信息模型在后续的设计及制造环节中几乎没发挥作用，后期模型的制作还是依靠传2统的手工方法制作，造成前后工作脱节。基于反求工程的产品设计从物质形态上来讲可以认为是一个从有到无再到有的过程。简单地说，反求工程产品设计就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品设计数据(包括设计图纸和数字模型)的过程。它是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计、加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD／CAE／CAM以及CIMS等先进技术对已有的产品进行设计服务。1关键技术1.1表面数字化技术表面数字化就是通过特定的测量设备和测量方法获得零件表面离散点的几何坐标数据。只有获得了样件的表面三维信息，才能实现复杂曲面的建模、评价、改进、制造。因而，高效、高精度地实现样件表面的数据采集，这是反求工程的主要研究内容之一。在反求工程中，传统的数字化方法是采用接触式测量，其典型代表是三坐标测量机。随着快速测量的需求及光电技术的发展，以计算机图像处理为主要手段的非接触式测量技术得到飞速发展。常用的非接触式测量方法一般可分为被动视觉和主动视觉两大类。被动式方法中无特殊光源，只能接收物体表面的反射信息，因而设备简单、操作方便、成本低，但算法较复杂。主动式方法使用一个专门的光源装置来提供目标周围的照明，通过发光装置的控制，能使系统获得更多的有用信息，降低问题难度。1.2数据点云的预处理技术获得的数据一般不能直接用于曲面重构，因为对于接触式测量，由于测头半径的影响，必须对数据点云进行半径补偿；在测量过程中，不可避免会带进噪声、误差等，必须去除这些点；对于海量点云数据，对其进行精简也是必要的。包括：半径补偿、数据插补、数据平滑、点云数据精简、不同坐标点云的归一化等。1.3表面重建技术复杂曲线反求工程的目标是根据离散的数据点集构造出分段、光滑的CAD模型，因此重建技术成为反求工程的关键技术。面的CAD重构是逆向工程研究的重点。而对于复杂曲面产品来说，其实体模型可由曲面模型经过一定的计算演变而来，因此曲面重构是复杂产品逆向工程的关键。包括：多项式插值法、双三次B-spline法、Coons法、三边Bezier曲面法、BP神经网络法等。1.4曲线曲面光顺技术在基于实物数字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在数字化误差，光2顺操作在产品外形设计中尤为重要。根据每次调整的型值点的数值不同，曲线、曲面的光顺方法和手段主要分为整体修改和局部修改。光顺效果取决于所使用方法的原理准则。方法有：最小二乘法、能量法回弹法、基于小波的光顺技术等。2测量方法2.1接触式测量方法接触式测量是通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置，可以细分为点接触式和连续式数据采集方法。接触式测量的精度较高，但是测量速度效率较低，应用较广泛的是坐标测量仪。2.1.1坐标测量仪坐标测量机是一种大型精密的三坐标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力—位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。2.1.2层析法层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。2.2非接触式逆向工程测量方法非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。以下仅将在反求工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作简要说明。2.2.1基于光学三角型原理的逆向工程扫描法图1三坐标测量仪3这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。2.2.2基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。2.2.3基于工业CT断层扫描图像逆向工程法这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。2.2.4立体视觉测量方法立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。3现状作为一种新产品开发的主要手段，反求工程的研究正受到广泛的重视，一些重要的国际和国内学术会议都将反求工程及相关技术的讨论作为一项重要的会议议题。例如:GeometricModelingandProcessingSeries,IEEETransactionsonImageAnalysisandModeling等会议。目前反求工程已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。在国外，己经有多种成功应用于工业领域的反求工程系统:Kwok开发的反求工程系统将CMM与AutoCAD图形软件包结合起来，每一个测量点由CMM进行数字化，并将其自动转换为工GES格式，以线框图形的形式表达模型，但不含有任何实体信息；Motavalli等人开发的反求工程系统，在数据采集阶段综合运用接触式和非接触式两种测量方式，在非接触测量阶段，可视系统摄像机首先摄入零件图像，图像经过处理后，以2D线框形式画出物体的轮廓边界，用于第二阶段的扫描处理，以生成NC数控代码，驱动接触式扫描测头，从物体表面4上获得更精确的数据点。与国外相比，国内在逆向工程基础理论研究方面己经有了长足的进步，其中比较有代表性的是:浙江大学在国内关于逆向工程基础理论研究方面处于领先地位，其研究重点主要有:“逆向工程中自由曲面的据处理与误差补偿”、“基于CCD的曲面测量方法”、“一类规则曲面特征提取”、“基于点云的特征挖掘技术”、“CAD建模中点云数据区域分割及特征约束重构”等多个方面;南京航空航天大学也在逆向工程研究领域占有重要地位，其研究重点主要在:“逆向工程中自由曲面与规则曲面重建技术”、“数据测量噪声与三角网格滤波技术”、“数据分块和规则曲面拟合算法”等方面;华中科技大学在“三维扫描仪与逆向工程关键技术”、“三角剖分技术”等方面开展研究;西北工业大学在“三角网格划分算法”、大连理工大学在“基于图像灰度信息的三维曲面重构”等多方面进行了深入研究。与此同时，国内很多高校与企业也将逆向工程技术在工程方面的具体应用作了许多卓有成效的实践，并取得了良好的经济效益。目前，己经涌现出许多商用专业反求工程软件，比较常用的有SIEMENS/EDS公司的Surfacer软件以及Imageware软件、DELCAM公司的CopyCAD软件、ICEM公司的ICEMSurf软件、ParaForm公司的ParaForm软件以及PTC公司的Pro/Scan等专业软件;在国内，浙江大学开发的反求工程软件RE-SOFT以及西北工业大学的实物测量造型系统NPU-SRMS也占有一定的市场分额。4发展趋势逆向工程的研究己经口益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上己经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证等问题。综合相关文献，逆向工程技术有待在下述几方面进行更加深入细致的研究。①数据测量方面:发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径;②数据预处理方面:针对不同种类的测量数据，完善改进目前的数据处理算法;③曲面拟合:能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接;④集