《roE逆向工程》PPT课件.ppt

Pro/ENGINEER wildfire4.0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/Engin eer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/Enginee r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（ Reverse Engineering） 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 C A D 工 程 图 C A E 分 析 C A M / C A P P 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C A D 模 型 重 构 二 维 图 形 、 技 术 文 档 仿 制 改 进 产 品 C A D / C A E 系 统 C A M 系 统 模 具 设 计 新 产 品 P D M 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 C A D 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 C A D 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 CA D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。 C A D 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 C A D 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，庞大的数据不但包含了全面的的实测物体的信息， 同时冗余数据也占有很大比例，对后续处理以及存储、显示、传输等 极为不利，处理时占用大量计算机资源。所以对测量的海量点云数据 进行数据精简是十分必要的。 常用数据精简方法有 散乱数据的包围法 、 散乱数据的精确法 、 扫描线数据精确法 等 方 格 序 号 数 据 点 E h 1 1 C D 2 3 C 4 B 5 A D C B A E 半 径 为 最 小 距 离 应 删 除 点 包围盒法原理图 最小距离法原理图 数据平滑 为了更好的降低或消除噪声对后续建模质量的影响，有必要对测量数 据点进行平滑滤波。常采用的数据平滑方法有高斯滤波、均值滤波和 中值滤波等 高 斯 滤 波 均 值 滤 波 中 值 滤 波 原始数据 特征提取 利用数学方法对点云数据进行特征提取后构造成特征线，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。在逆向工程中 引入特征提取技术，对发展逆向工程理论具有重要的意义和价值，主 要体现在三个方面： （ 1）提高反求工程建模效率，实现产品的快速反求； （ 2）提高反求工程建模精度，实现产品的精确建模； （ 3）提高反求模型的修改能力，实现产品的创新设计。 圆柱点云 提取特征 计算参数 点云分割 实物的曲面模型往往具有多个曲面特征，通常是由多张曲面组成的。 如果利用点云数据直接进行曲面的拟合重构，则会加大曲面模型的数 学表示和拟合算法处理的难度。因此，目前逆向工程中一般是将数据 点划分成具有单一几何特征的拓扑结构区域进行曲面重构，也叫数据 分割。关于测量数据的区域分割方法，国内外许多学者对此都进行了 研究。区域分割主要有基于边、基于边以及聚类分割法。 基于神经网络的数据点聚类 曲面重构 在整个逆向工程中，产品的三维几何模型 CAD重建是最关键、最复杂 的环节。因为只有获得了产品的 CAD模型我们才能够在此基础上进行 后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再 设计等。在计算机辅助设计和制造中，微分几何中的许多知识是基础。 曲线曲面的矢函数表示，曲线曲面上的切矢、法矢、二阶导矢、曲率、 切线（平面）、法线（平面）、等距线（面）等都是计算机辅助设计制造（ CAD/CAM）技术中经常遇到的问题。在参数化曲面造型中，根 据拓扑结构的不同，曲面重构的方法也有所不同，主要分为以下两大类： （ 1）以三角 Bezier曲面为基础的曲面重构方法； （ 2）以 B样条曲线曲面为基础的自由曲面重构方法。 Pro/ENGINEER逆向模块 Pro/ENGINEER是位于美国波斯顿的 PTC公司于 198 8年开发出参数化建模软件系统，并于 2008年 1月 全球发布推出 Pro/ENGINEER 野火 4.0版本。广泛 应用于机械、电子、航天、通讯、模具、工业设计、 汽车、自行车、家电、玩具等行业。其所提供的独 立几何、小平面特征和重新造型等模块都可完成逆 向反求工作。 Pro/E逆向工程实现流程 点云数据 数据分析 独立几何 小平面特征 重新造型 其它 扫描曲线 型曲线 型曲面 CAD模型 创 建 修改 数据处理 包络处理 小平面处理 创建曲线 创建曲面 修改 独立几何模块 Pro/SCANTOOLS（独立几何）是一个完全集成于 Pro/ENGINEER实体 建模中的逆向曲面构建模块，它可以接受有序点 (扫描线数据 )，也可以 接受散乱点云数据，且可以用来构造非 A级的自由曲面 , 一般应用于电 器产品、汽车内饰件、塑料件等行业。 它是一种非参数化环境工具， 属于超级特征，与其它特征没有父子关系。其可使用户专注于模型的 特定区域，并结合各种造型方法和工具来获得期望的形状和属性。 独 立 几 何 工 作 界 面 小平面特征 小平面建模 (FacetFeature)是 Pro/E逆向工程模块的一部分，其基本原 理是利用模型样件的扫面点云中的每一点与其相邻的两点构成一个小 三角形平面，用大量的小三角面表示曲面的大致形状。在小平面特征 环境中，可对原始点云进行噪音点过滤、数据精简、数据平滑以及特 征点的提取等 “ 点 ” 处理工作。而后的包络定义以及相关的小平面操 作可以完成对 “ 面 ” 的操作处理。 小 平 面 特 征 工 作 界 面 重新造型 重新造型是一个逆向工程模式，用来在多面 (小三角形平面 )数据的顶部 重建或构造曲面 CAD模型。重新造型多用于小平面特征之后，在小平 面模型的基础上进行构造并调整曲面。 小平面特征 重新造型 曲面模型 独立几何实例 （视频见光盘 3-6.avi） 创建曲面 创建其它曲线 修改后生成型曲线 生成扫描曲线 独立几何（剖面） 点云数据 重 构 完 成 小平面特征实例 （视频见光盘 4-2.avi） 点 云 数 据 点处理后 包 络 处 理 删 除 腹 板 破洞修补 小 平 面 精 整 小平面处理完成 重新造型实例 （视频见光盘 5-1.avi） 小平面特征 重新造型（自动曲面） 剖面曲线 曲线编辑 曲线完成 创建曲面 曲面完成 生成实体模型 实例操作 回转面模型重构 回转曲面是指平面曲线 c绕平面上一定直线旋转一定角度所扫掠区域， 称定直线为轴线，曲线为母线。据此可知回转面重构的关键在于从扫描线数据中提取回转面的轴线位置及方向，以及母线数据点。 x y z 0 ),0( 111 zyMMC 轴线 母线 扫描线数据点 （视频见光盘 6-1.avi） 扫描线数据点 测量 创建基准面 创建回转轴 独立几何创建扫描曲线 创建型曲线 创建并分析曲面 重构完成 散乱点云 （视频见光盘 6-2.avi） 散 乱 点 云 小平面观察 析 出 母 线 母 线 修 改 创建型曲线 型曲线分析 提取轴线 创 建 曲 面 维纳斯石膏像模型重构 （视频见光盘 7-1.avi） 散乱点云 删除界外值 修补破洞 抽 样 处 理 包 络 处 理 小平面粗调 小平面精调、处理 重 新 造 型 曲 面 片 编 辑 重 构 完 成 红茶饮料瓶 扫描线点数据 创建曲线 曲 线 完 成 创建曲面 曲面合并 创建小特征 曲面镜像 重构完成 足球模型重构 （视频见光盘 9-1.avi、 9-2.avi） 点云数据 提取足球参数 创建五边形 创建六边形 创建混合曲面 创建球面 曲面偏移 曲面修剪 模 型 装 配 模 型 渲 染 中国印模型重构 （视频见光盘 10-1.avi、 10-2.avi） 图片 插入跟踪草绘 勾勒曲线 创 建 实 体 创建拉伸特征 创建混合特征 渲 染 特 征 印 章 完 成 电熨斗模型重构 （视频见光盘 11-1.avi、 11-2.avi、 11-3.avi） 小平面特征 创建基准 重新造型创建曲线 曲线创建完成 创建造型曲面 曲 面 合 并 曲面修剪 曲面创建完成 图片 创建实体 逆向工程发展趋势 目前数据获取中测量手段的应用过程仍是一 个孤立的行为，测量过程中对后续的数据处 理和模型建立，甚至快速加工的要求很少考 虑。根据几何外形或者后续处理的要求进行 特定方式的扫描是逆向工程很重要的发展趋 势。 高精度化、自动化 (计算机数据化 )、非接触 测量、使用现场化：这类技术将是三坐标测 量设备的主要发展趋势。关键部件将更多采 用具有小膨胀系数、高弹性模量等特性的新 材料。三坐标测量正在逐渐成为制造系统的 重要组成单元。从而在计算机控制下参与到 各种测量、计算、数据交换等各个生产制造 环节。 大规模散乱数据处理过程的高精确性和智能化：这 也是数据预处理技术发展的主要方向，特别是特征 提取技术的应用。根据规则设定参数，通过程序控 制，自动根据曲率进行特征识别，从散乱点云中提 取出关键的点数据，通过对关键点的处理完成模型 重构，将大大提高数据处理效率。由于特征提取技 术是根据规则对数据进行聚类，所以一些先进的智 能化算法将被应用到逆向工程的数据处理中来，比 如蚁群算法、遗传算法和神经网络等。 曲面重构的速度和精度一直是阻碍逆向工程进步的 难题：以后的研究中，曲面重构技术将有以下发展 趋势：曲面重构智能化，通过散乱数据直接进行曲 面重构，并自动补偿残缺数据，使重构曲面逼近真 实曲面；对测量数据中包含的几何特征的智能识别 和智能提取，以达到对对象模型更高层次的结构特 征信息的表达 ;特征几何的自动分离、拼接。通过 点云数据直接计算生成多面体模型的 NC加工代码， 将是逆向工程发展的重要方向，其过程省去繁琐的 数据处理和曲面重构，但计算精度和对硬件要求将 是一大考验。 逆向工程与网络的协同设计和数字化技术的 集成：在现有网络带宽下，实现上百万测量 点的快速重建和传输曲面模型。近年迅速发 展起来的 PBR（ Point-based rendering， 基于点的绘制）和 PBM（ Point-based mod eling，基于点的造型）技术为大规模数据的 实时绘制与造型开辟了新途径同，大大推动 了逆向工程的集成化进程。 望各位读者有所收获， 并提出宝贵意见，以此 勉励作者， 谢谢！