逆向工程技術特點應用與分析PPT課件

1、二、逆向工程組成定義定義逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程、反向工程等，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法，重構實物的CAD模型，從而實現產品設計與制造的過程。第1頁/共45頁逆向工程框圖 CAD曲面構建樣品數據處理3D輪廓測量外形裝飾模具加工CAM產生NC文檔逐層產生STL文檔模具成型產品復制RPM快速原型第2頁/共45頁與傳統(tǒng)的與傳統(tǒng)的“產品概念設計產品概念設計產品產品模型模型產品產品 (物理模型物理模型 )”的的正向工程相反正向工程相反 。逆向工程是在沒有設計圖紙或圖紙不完整，而有樣品的情。逆向工程是在沒有設計圖紙或圖紙

2、不完整，而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準確快速地測量樣品表面數據或輪廓外形，況下，利用三維掃描測量儀，準確快速地測量樣品表面數據或輪廓外形，加以點數據處理、曲面創(chuàng)建、三維實體模型重構，然后通過加以點數據處理、曲面創(chuàng)建、三維實體模型重構，然后通過CAM系統(tǒng)進行系統(tǒng)進行數控編程，直至利用數控編程，直至利用CNC加工機床或快速成型機來制造產品。加工機床或快速成型機來制造產品。 特特 點點第3頁/共45頁 2、逆向工程結構組成 （1） 逆向工程技術的硬件條件 三維數據信息的提取是逆向工程技術設計中的重要內容，為產品三維信息的獲取提供了硬件條件。德國GOM公司逆向（逆向）技術的軟硬件技術與設備-

3、AtosII流動式光學掃描儀、Tritop三維照相測量系統(tǒng)。英國LK公司的精密三坐標測量設備(非接觸式)。體現了檢測設備的高速化、廉價化和功能復合化的特點。 在實際三坐標測量時，應該根據測量對象的特點以及設計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應的掃描設備。例如，材質為硬且形狀較為簡單、容易定位的物體，應盡量使用接觸式掃描儀。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，但設備成本較高。第4頁/共45頁 （2） 逆向工程技術實施的軟件條件 目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、CopyCAD。一些CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設計模塊。例如Pro/

4、E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點云數據。其它商品化軟件(如Delcam、Cimatron和Strim)的功能模塊也逐漸豐富起來。為逆向工程的實施提供了軟件條件。第5頁/共45頁第6頁/共45頁我國清華大學、華中科技大學、天津大學、西安交通大學等眾多高校近年來也加強了對反求工程測量設備的研發(fā),現已實現產品化,并廣泛應用于機械、汽車、家用電器、醫(yī)療、輕工等行業(yè)中。由于國產設備價格遠遠低于國外,且功能不斷增強,因此有較大的發(fā)展?jié)摿εc競爭力。 第7頁/共45頁（）（）零件原形的數字化 通常采用三坐標測量機(CMM)(CMM)或激光掃描等測量

5、裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。 激光測量可以采用CCD相機和3D激光掃描相結合，CCD相機用來確定實物的空間位置，指導測量路徑的編程。激光掃描的速度已經達到15000點/秒，測得的數據量很大，可以充分表示零件表面信息，非常適合對于復雜自由曲面的測量。 利用高分辨率CCD相機拍照片的方法，應用Tritop軟件，通過定義相機型號、定義比例尺、定義計算參數、自動讀取相片、進行完全計算，計算出非數碼點、定義坐標系等過程，通過數碼照片得到單張的點云數據。3 .逆向工程階段劃分第8頁/共45頁測量方法分類第9頁/共45頁 測量數據的定位（registration) 需要將多次測量的數據轉換到同一個

6、坐標系中，形成同一坐標系下的一個完整的測量數據及圖像?？蓪螐堻c云數據輸入Atos軟件，將測得的單張點云數據拼接成整張點云數據。第10頁/共45頁（）數據點的處理幾何特征提取 按測量數據的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。第11頁/共45頁（）曲面重構 將分割后的三維數據在CADCAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CADCAD模型。 （）模型的檢驗與修正 采用根據獲得的CADCAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CADCAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標，對不滿足要求者, ,重復以上過

7、程，直至達到零件的設計要求。（5 5）后續(xù)處理 CNC RPMCNC RPM第12頁/共45頁 曲面重構可以說是逆向工程的核心，是以所量測的CMMCMM或掃瞄點數據為輸入數據來重新建構曲面模型。 得到產品的數據后，選取適當的算法（或用逆向工程軟件）進行點數據的處理，如: :格式轉換、噪聲濾除、平滑、對齊、點線面與實體誤差的比對后，再重新建構曲面模型，產生CADCAD數據。4、曲面重構第13頁/共45頁曲面重構框圖第14頁/共45頁（1 1）掃瞄數據龐大 數據點的處理，分塊等（2 2）復合曲面特征數據提取 一般而言，CADCAD模型是由許多不同的幾何形狀所組合而成，而每一種幾何形狀皆有其特性（二

8、次曲面特征自由曲面特征提?。?（3 3）曲面的光順效果難以保證 精度和光順性有時是一對矛盾。曲面重構時面臨的困難:第15頁/共45頁三、逆向工程的應用1、逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面（推測原設計者的設計意圖），在工業(yè)領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容： (1)(1)新零件的設計，主要用于產品的改型或仿形設計（在原有產品基礎上的創(chuàng)新）。 (2)(2)現成零件測量及復制，再現原產品的設計意圖及重構三維數字化模型。 (3)(3)損壞或磨損零件的還原，以便修復或重制。第16頁/共45頁 (4) (4) 產品的檢測，例如檢測分析產品的變形，檢測焊接質量等，以及對加工產品與三維

9、數字化模型之間的誤差進行分析。 （5 5）藝術品、考古文物（稀世珍品）的復制。（6 6）人體中的骨頭和關節(jié)等的復制、假肢制造（醫(yī)學）。（7 7）特種服裝、頭盔的制造等（航空服裝）。 定制第17頁/共45頁逆向工程開發(fā)流程產 品 模 型模 型 數 字 化接 觸 式 測 量（ C M M ）非 接 觸 式 測 量（ 激 光 掃 描 ）測 量 數 據 的 處 理噪 聲 數 據 濾 波邊 界 的 確 定測 量 點 精 簡測 量 數 據 分 段C A D 模 型 重 構空 間 幾 何 （ 三 次 曲 線 ，B e z i e r ， B 樣 條 和 N U R B S物 理 概 念 （ 能 量法 或 有

10、 限 元 法空 間 幾 何 （ 三 次 曲 線 ，B e z i e r ， B 樣 條 和 N U R B S實 體 制 造快 速 原 型 機（ S T L 文 件 ）數 控 機 床（ N C 代 碼 ）反 求 出 的 實 體 模 型產 品 檢 測 和誤 差 對 比第18頁/共45頁2 逆向工程系統(tǒng)接口 1 1NCNC代碼輸出 將掃描點經過數字化點處理后（或者CADCAD重構），直接輸出NCNC程序； 2 2CAECAE網格信息輸出 將掃描信息直接轉化為網格信息，輸入到CAECAE系統(tǒng)，進行數據分析； 3 3STLSTL輸出 將掃描信息進行表面三角化，生成STLSTL文件，實現快速原型制造R

11、PMRPM，從而實現設計、制造、檢測集成閉環(huán)系統(tǒng)； 4 4CADCAD輸出 將產品模型信息輸出到CADCAD系統(tǒng)，實現產品再設計。第19頁/共45頁 逆向工程技術并不是孤立的，它和測量技術、CAD/CAMCAD/CAM技術有著千絲萬縷的聯系。 最終目標：從理論角度分析，逆向工程技術能按照產品的測量數據建立與現有CAD/CAMCAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的數字模型； 但目前人們所掌握的技術，包括工程上的和理論上的（如曲面建模理論），尚無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規(guī)模“點云”數據建模，更是遠沒有達到直接在CADCAD系統(tǒng)中應用的程度（希望增加智能，測量后能夠通過軟件系統(tǒng)。3、逆向工程

12、在CAD/CAM體系中的應用第20頁/共45頁應用舉例逆向工程技術的應用圖測量點云及其定位（1）讀入點云數據。）讀入點云數據。Surfacer 可以接收可以接收幾乎所有的三坐標測量數據，此外還可以幾乎所有的三坐標測量數據，此外還可以接收其它格式，例如：接收其它格式，例如：STL、VDA 等。等。將點群資料計算成三角形網格，可判斷點將點群資料計算成三角形網格，可判斷點群特征形狀，利用網格的著色功能可觀察群特征形狀，利用網格的著色功能可觀察點群的外觀。點群的外觀。（2）對點云數據進行判斷，去除噪音點）對點云數據進行判斷，去除噪音點(即測量誤差點即測量誤差點)。在進行曲面擬合之前，要對數據點云進行在

13、進行曲面擬合之前，要對數據點云進行判斷并去除噪聲點，以保證結果的準確性判斷并去除噪聲點，以保證結果的準確性和精確性。和精確性。Surfacer 有很多工具來對點有很多工具來對點云進行判斷并去掉噪音點，以保證結果的云進行判斷并去掉噪音點，以保證結果的準確性。通過可視化點云觀察和判斷，規(guī)準確性。通過可視化點云觀察和判斷，規(guī)劃如何創(chuàng)建曲面。劃如何創(chuàng)建曲面。 第21頁/共45頁（3）定位（registration）由于零件形狀復雜，一次掃描無法獲得全部的數據，或是零件較大無法一次掃描完成，這就需要移動或旋轉零件，這樣會得到很多單獨的點云，一般測量設備得到的點群資料，并不在繪圖坐標系上。因此，需要將點群

14、資料，移動、定位到方便繪圖的坐標位置上，即定位操作。Surfacer可以利用諸如圓柱面、球面、平面等特殊的特征信息將點云準確對齊。 針對如圖2（a）所示點云形狀，其底面為一個平面，有以下幾個步驟完成定位：（1）從底面點云中構造新點云，再用所構造點云生成一個平面；（2）選取顯示菜單，視線對齊所構平面；（3）旋轉90度方向后，利用interactive切片生成兩個切片點云；（4）用切片點云生成二個圓，通過兩個圓心構造一條直線；至此，定位的二個條件：一個底平面和一條直線已經生成，與點云一起構成群組，如圖2所示。（5）在構圖坐標系中，生成一個平面和一條直線，對群組用Stepwise Registrat

15、ion完成定位，如圖2（c）所示。（6）定位完成后，調用Reset Home Xform執(zhí)行新的坐標位置設定，Reset Xform將物體的設定坐標轉換成與原點坐標一致，這兩個選項配套使用。第22頁/共45頁 3.2 曲線創(chuàng)建過程 自由曲面點云數據經分段或切片之后，應根據需要判斷和決定生成哪種類型的曲線。在反求工程中，最終目標是希望生成準確度高而且光順性好的曲線、曲面，而準確度和光順性永遠是矛盾的。 （1）判斷和決定生成哪種類型的曲線。 曲線可以是精確通過點云的、也可以是很光順的(反映點云代表的曲線主要形狀)，或介于兩者之間，根據構造實體類型選擇生成曲線的類型。 （2）創(chuàng)建曲線。 由切片點云根

16、據需要創(chuàng)建曲線，同時可以改變控制點的數目來調整曲線?？刂泣c增多則形狀吻合度好，控制點減少則曲線較為光順。對點云信息運用Cross Section生成平行切片點云，而后構造相應圓弧曲線,如圖3所示。第23頁/共45頁圖3 曲線生成第24頁/共45頁 （3）診斷和修改曲線。 可以通過曲線的曲率來判斷曲線的光順性，可以檢查曲線與點云的吻合性，還可以改變曲線與其它曲線的連續(xù)性(連接、相切、曲率連續(xù))。Surfacer 提供很多工具來調整和修改曲線。第25頁/共45頁3.3 曲面創(chuàng)建過程 在點的處理、曲線的處理和曲面處理的整個過程中，可以用Surfacer軟件提供的各種診斷方法來保證精度。用前邊生成的圓

17、弧曲線作為截面線，用Loft命令生成曲面，注意所有生成曲面的線，有相同的方向和起始點，否則生成的曲面可能扭曲。第26頁/共45頁 對頂面提取點云，生成一個平面并延伸一定距離；對生成的Loft曲面延伸一定距離使得與上下兩個面相交；求出Loft曲面與上下兩個平面的交線并修剪，從而得到構造的曲面實體形狀，如圖4所示 第27頁/共45頁 3.4 診斷和修改曲面誤差比對 比較曲面與點云的吻合程度，檢查曲面的光順性及與其它曲面的連續(xù)性，并且可以進行修改，例如可以調整曲面的控制點讓曲面更光順，或對曲面進行重構等處理。由圖4可以看出，構造曲面與點云的最大誤差0.2039可以滿足應用要求，這樣的重構精度可以接受

18、。第28頁/共45頁（）用MasterCAM等軟件進一步處理模型 可以通過接口文件導入到其他系統(tǒng)（UGUG、IdeasIdeas、SolidWorkSolidWork等）中進行進一步的處理（編輯、修改、光照仿真等操作）。第29頁/共45頁逆向工程在汽車車身設計中的應用車身外覆蓋件的逆向工作流程第30頁/共45頁 在車身外覆蓋件逆向工程應用中有三項關鍵技術 (1) (1) 快速、準確的從1 1：1 1 汽車車身油泥模型上采集三維點云數據。 (2) (2) 快速、高質量的創(chuàng)建曲面數學模型。 (3) (3) 對曲面數學模型做正確的分析與評估。 關鍵技術第31頁/共45頁車身外覆蓋件數據車身外覆蓋件數

19、據測量中，主體采用光柵測量中，主體采用光柵投影式測量方法，其后投影式測量方法，其后采用接觸式三坐標測量采用接觸式三坐標測量對車身上的曲面特征線對車身上的曲面特征線進行測量，最終獲得完進行測量，最終獲得完整的車身外覆蓋件的點整的車身外覆蓋件的點云數據。如圖云數據。如圖1 1 所示所示 圖1 點云數據 （）三維點云數據的采集 第32頁/共45頁（）車身覆蓋件的分塊（）車身覆蓋件的分塊車身覆蓋件的表面是由若干個自由曲面片所組成的。這些曲面片大小、形狀都存在著差異。如何將車身覆蓋件表面分成合理的自由曲面分塊，是構造車身覆蓋件曲面數學模型的關鍵準備技術。如圖2 2所示圖2 自由曲面分塊 第33頁/共45

20、頁 在車身外覆蓋件曲面模型的建立過程中，通常的構造方法有三種： a . a . 網格曲面：又稱點到面。即直接由點云數據生成曲面片，軟件直接通過從點云數據中提取的縱橫交錯的點云網格，使用U U、V V 兩個方向參數線逼近點云數據的方法擬合曲面，該種方法多用于風擋玻璃的曲面模型的構造中。（） 曲面的建立和光順第34頁/共45頁自由曲面的拼接，就是將已經光順好的自由曲面用過渡曲面連接起來。在車身外覆蓋件應用逆向工程的過程中，曲面的拼接與裁剪是一個很重要的環(huán)節(jié)。曲面的拼接處多是高光輪廓線和明暗對比效果明顯的部位，曲面的拼接質量將直接影響到車身整體的視覺效果。 在車身外覆蓋件逆向工程設計中，有幾個重要的

21、過渡曲面對整車的造型效果影響很大，需要從不同的視覺角度進行正常光和高光檢查，對曲面進行適當的光順調整，以確保達到造型設計師的效果要求。 （）自由曲面的拼接與裁剪第35頁/共45頁 曲面質量的分析與評估主要包括幾何精度分析與評估和光順效果分析與評估。在車身外覆蓋件逆向工程設計中，曲面質量的分析與評估主要分以下幾種： a . a . 在初步構造曲面和光順曲面過程中對單一曲面的檢查：對單一曲面的分析與評估中，利用軟件中檢查工具模塊，首先對生成的單個曲面進行簡單的上光著色檢查，以確認構造的曲面光順，無扭曲、凸凹等現象。在保證曲面光順的基礎上，對曲面進行與點云數據的幾何分析評估。 （）曲面質量的分析與評

22、估第36頁/共45頁 b . b . 構造過程中對多個曲面進行檢查：通過軟件中的檢查功能，對多個相連曲面進行光順檢查。不當的連接會使曲面的修改產生困難。兩個曲面的連接處不能出現T T 型連接和錯位連接。 c . c . 在曲面精修完成后，對曲面的光順性做最終檢查：該項檢查是在所有外覆蓋件曲面模型建立完畢后進行的。通過構建的曲面模型，通過數控加工制出鋼制車身外覆蓋件模型表面，組成一個完整的車身外覆蓋件主模型。第37頁/共45頁d . d . 在光照用不同光源性質的檢測燈，從不同的角度對車身外覆蓋件主模型進行光譜檢查，最終由造型設計師來確認整個車身外覆蓋件曲面模型是否符合設計要求，如在光照下有不完

23、善或為完全突出所設計的造型效果的地方，則對曲面進行進一步的修改，直至達到造型的效果要求（光譜檢查基本要求：光譜形狀的疏密變化應均勻，在曲面的連接處不應有錯位）。 第38頁/共45頁顯像管顯像管玻殼模玻殼模具逆向具逆向設計設計第39頁/共45頁采用逆向工程技術，不僅能夠得到采用逆向工程技術，不僅能夠得到實物的精實物的精確數字模型和復制品確數字模型和復制品，而且還可以進一步，而且還可以進一步修改修改并生成新的數學模型和產品工程圖并生成新的數學模型和產品工程圖，從而使產，從而使產品的消化吸收和二次開發(fā)工作準確快捷。不但品的消化吸收和二次開發(fā)工作準確快捷。不但縮短了產品開發(fā)周期，而且提高了產品創(chuàng)新的縮短了產品開發(fā)周期，而且提高了產品創(chuàng)新的成功率。同時，逆向工程又作為對已有產品進成功率。同時，逆向工程又作為對已有產品進行數據測量擬合、分