逆向工程技术

1.3 逆向工程中的关键技术

1.3.1 数据采集技术

目前，用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。测量方法的选用是逆向工程中一个非常重要的问题。不同的测量方式，不但决定了测量本身的精度、速度和经济性，还造成测量数据类型及后续处理方式的不同。根据测量探头是否和零件表面接触，逆向工程中物体表面数字化三维数据的采集方法基本上可以分为接触式(Contact)和非接触式（Non-contact）两种。

接触式包括三坐标测量机（Coordinate Measuring Machining，CMM）和关节臂测量机；而非接触式主要有基于光学的激光三角法、激光测距法、结构光法、图像分析法以及基于声波、磁学的方法等。这些方法都有各自的特点和应用范围，具体选用何种测量方法和数据处理技术应根据被测物体的形体特征和应用目的来决定。目前，还没有找到一种完全使用于工业设计逆向测量方法。各种数据采集方法分类如图1.3所示。

在接触式测量方法中，CMM是应用最为广泛的一种测量设备；CMM通常是基于力-变形原理，通过接触式探头沿样件表面移动并与表面接触时发生变形，检测出接触点的三维坐标，按采样方式又可分为单点触发式和连续扫描式两种。CMM对被测物体的材质和色泽没有特殊要求，可达到很高的测量精度（±0.5μm），对物体边界和特征点的测量相对精确，对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的规则零件反求特别有效。主要缺点是效率低，测量过程过分依赖于测量者的经验，特别是对于几何模型未知的复杂产品，难以确定最优的采样策略与路径。

图1.3 逆向工程数据采集方法分类 逆向工程数据采集方法 非接触式

接触式

组合式 层析法

激光追踪 CMM 机关节臂测量机 激光三角法

激光测距法

光学法

声波法

磁学法 计算机断层扫描 X射线法

超声波法

核磁共振法 结构光法

图像分析法 随着电子技术、计算机技术的发展，CMM也由以前的机械式发展为目前的计算机数字控制（CNC）型的高级阶段。目前，智能化是CMM发展的方向。智能测量机的研究是利用计算机内的知识库与决策库确定测量策略，其关键技术包括零件位置的自动识别技术、测量决策智能化和测量路径规划、CAD/CAM集成技术等。

抄数或逆向工程的的工作流程

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1、顺、逆向工程在设计流程中的比较与分析

逆向工程，顾名思义与顺向工程的设计流程不同，其过程是依靠已经存在的零件或是产品原型的表面所得到的资料来建立3D CAD 模型，而不是透过设计图。

图1 工业设计流程图

如图1 所示，其两个设计流程的主要差别在于传统的顺向工程是概念设计、产品规范到产品设计图，而逆向工程则是由测量到的资料来反推得到3D CAD 模型。顺向的产品开发程序是设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图制作手工模型，或以建构CAD 几何模型，最后进行NC 或RP（Rapid Prototype）的加工程序。然而导入逆向工程设计程序后，设计师仍是依据产品设计企划时所定的规范与设计构想，但效果图或精细描绘则已不是必备的程序了，取而代之的将是直接运用逆向工程对PU 泡沫或油土模型进行点资料扫描，并交由CAD 系统进行编修与重建，最后进行NC 或RP 的加工程序，从开发角度看，这个流程中可以明显发现顺、逆向工程的差异如图2所示。

图2 顺、逆向工程差异

单纯全流程逆向工程会产生以下问题：资料量大、调取数据麻烦、曲面定位（Location）、曲面的连续性控制等。采用混合式设计流程，仅需要对修改部分作局部逆向工程快速重建、从而能缩短整个设计制造的程序。如图3所示。

图3 混合型产品造型模型

2、设计应用的实例

汽车设计中由于其特有的设计复杂度使设计师在整个流程中要完整的应用数模和实体模型的互动。如图4所示，在实际项目中，设计流程的合理性直接决定了项目进度和设计质量，在这个汽车设计项目中，笔者采用数模和实际模型的互动来达到最佳效果。

图4 汽车设计项目实际流程

从概念草图到小比例模型，到数模直到最后1：1 样车，如图5～图7 所示。

图5 草图 图6 1：5小比例模型

逆向工程关键技术及应用实例

介绍了逆向工程技术的定义及其工作流程，整个流程分为数据采集、数据处理和曲面重构三个部分。根据理论学习和自身实践经验对逆向工程的关键技术做了一些探讨。并以摩托车装饰板模型的曲面重建为例，用激光扫描仪获取三维点云数据，在CATIA中对点云进行数据处理，实现曲面重构，说明了逆向工程的整个设计应用流程。

1 引言

逆向工程技术是一门新兴的技术，它是在获得实物模型信息的基础上，通过一些软件如CATIA, Surfacer, Pro/E等，在消化、吸收实物原型的前提下，对实物模型进行修改和再设计，从而创造新产品。因此它是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，目前已经得到了广泛的应用，如飞机、汽车等行业。

逆向工程一般包括以下几个阶段:数据采集、数据处理、曲面重构。其一般流程如图1所示。其中数据采集是前提，数据处理和曲面重构是逆向工程的关键，曲面重构尤为重要。

图1基于实物模型重建的逆向工程技术流程图

2 数据采集

数据采集又称模型数字化，即指通过坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，简称CMM)或激光扫描仪等测量装置获取实物表面特征点三维坐标值的过程。数据采集是逆向工程的第一环节，也是非常重要的一个环节，数据采集的质量和效率直接影响着后期的模型重建的进程，关系着整个逆向工程的成败。数据采集的流程如图2所示。

图2 数据采集流程图

随着科学技术的不断进步，数据采集出现了多种方法，如图3所示。 3 数据处理

三维测量系统可采集到复杂曲面上大量密集的原始测量数据，这些数据是物体表面各点坐标，这些数据之间通常没有相应的显式拓扑关系，其中还包含大量无用的数据，同时由于环境的影响如噪声、振动等会出现一些误差数据，因此在进行曲面重构前必须进行数据处理。

图3 数据采集方法分类

数据处理一般包括以下几个方面:数据重定位、噪声去除、数据精简、数据插补、数据分割。

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位置公差及其他几何量数据。　

接触式三坐标测量机的测头属机械式，根据其　

工作方式的不同又可分为开关式（触发式或动态发　

信式）和扫描式（比例式或静态发信式）两类。坐　

标测量机可达到很高的测量精度，测头体积小、通　

用性较强，适于无复杂内部型腔、只有少量特殊曲　

面的空间箱体类工件的测量。测量机工作处于迅速　

直线低速运动状态，狈４量机的动态性能对测量精度　

的影响较小，但它有一定的局限性，如不能测量到　

细节之处、不能测易碎和易变形的零件、测量速度　

慢、测头半径需要补偿及数据量较小等。　

在非接触式技术中较成熟且应用最广泛的是　

光学测量法。其中，基于三角形法的激光扫描和基　

于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的　

三维形状测量方法。　

激光三角形法以激光作为光源，根据光学三角　

形测量原理，将光源（可分为光点、单光条、多光　

条等）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。这种　

方法ｉ贝４量如果采用线光源，可以达到很高的测量速　

度，此方法已经成熟。其缺点是对被测表面的粗糙　

度、漫反射率和倾角过于敏感，限制了测头的使用　

范围。　

基于投影光栅的结构光投影测量法被认为是　

目前三维形状’？贝４量中最好的方法，它的原理是将具　

有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，　

然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处　

理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。此法的　

主要优点是对实物的测量范围大、速度快、成本　

低。缺点是精度低，在陡峭处会发生相位突变，影　

响精度，适于测量表面起伏不大的较平坦物体。目　

前，分区测量技术的进步使光栅投影范围不断增　

大，结构光法测量设备成为现在逆向测量系统领域　

中使用最广泛且最成熟的系统。　

非光学测量方法由于其成本较高、应用上有