逆向工程技术在工业设计中的应用

一、逆向工程技术的内容及其应用范围?随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具， 其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及 管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型 的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的 途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。?所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据 通过三维几何建模方法重构实物的 CAD 模型的过程。?逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。而逆向工程则是从产品原型出发， 进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技 术对其进行处理。不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。? 一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实 际应用中，主要包括以下几个内容：?(1) 新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。?For personal use only in study and research; not for commercial use(2) 已有零件的复制，再现原产品的设计意图。?(3) 损坏或磨损零件的还原。?(4) 数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传 递的重要而简洁途径之一。?二、逆向工程技术实施的条件?1. 逆向工程技术实施的硬件条件?在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为 产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国 日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接 触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接 触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备 有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCL0N2高速扫描仪，可实现激光测头和接触 式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可 对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时， 可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达 8mx8mo ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型 工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30网点接触式扫描仪，英国泰勒霍普森公司的 TALYSCAN150 多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等 特点。为实现从实物建立数学模型CAD/CAE/CAM 一体化提供了良好的硬件条件。 ?不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描 设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这 种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处 理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法， 它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。?2. 逆向工程技术实施的软件条件?目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Eva ns开发的针对机械零件识别的逆向工程系统； Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统；，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD 软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模 块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高， 逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。 ?三、逆向工程设计前的准备工作?做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一个产品之前， 首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的 缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前， 应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些要点： ?(1) 确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无 序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。这是应首先要周全地考虑好先做什 么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并 找到设计的难点，基本做到心中有数。 ?(2) 确定模型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定。对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般需要采用具有方便 调整曲线和曲面的模块；对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有 测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。四、逆向工程工作中应该注意的问题在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中， 集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计 精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速 度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供 的工具及面的质量却不如其它的CAD软件如Pro/E、UG等。在很多时候，在Surfacer里 做成的面，还需要到 UG 等软件中修改。但是，使用 Pro/E、 UG 等软件读取点云数据时， 却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。 ?在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。例如上海交通大学模具技术研究所承接的逆向工程项目，采用了 Surfacer与UG和Pro/E功能结合的方 法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和 Pro/E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro/E应用的模块主要有ICEMSurf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG 使用的模块主要是 UG/Modeling 和 UG/Surface 模块。这 几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。图3图6是上海交大模具技术研究所承接 的项目中完成的几个零件，值得注意的是，在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的， 因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细 化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来的。事实上，一些圆 柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量 选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。 ?五、曲线曲面的光顺处理?由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺。光顺是一个工程上的概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光 滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线；而顺眼是人 的主观感觉评价。对于平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线C?2连续；没有多余拐点; 曲率变化均匀。在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的。扫描或拟合得到的曲线一 般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原形值点序列，利用软件的 相关功能模块进行调节。目前采用的曲线光顺方法主要是能量法和圆率法。设计的准则是曲 线上曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。 ?曲面的光 顺往往归结为网格的光顺。所谓网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光 顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面是否满足上述条件的依据是高斯 曲率。在一般CAD软件中，可以到分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲 率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调 整P；逆向工程既要保证曲面质量，又要保证设计精度。除了对原始型值点进行光顺之外， 有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大，以保证设计部门 给出的指标不致受太大的影响。 ?六、结束语?逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用 到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修 改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大， 将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。 ?引言适应现代先进制造技术的发展。需将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用 快速成形系统、计算机辅助系统等对其进行处理。并进行修改和优化设计。逆向工程专门为 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建模的直接转换。逆向工 程技术涉及计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、概率统计等学科。是CAD领域最 活跃的分支之一。1 逆向工程技术定义逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。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 技术对已有的产品进行设计服务。2 逆向工程分类从广义讲，逆向工程可分以下三类。(1) 实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折。提出再创 造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的 逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。(2) 软件逆向：产品样本、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。软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全 套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向： 无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从其中 去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新 过程。目前还未形成成熟的技术。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、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。3 逆向工程测量系统根据测量探头是否和零件表面接触其测量方式可分两类。(1) 接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三座标测 量机是20世纪60年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。(2) 非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激 光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。4 逆向工程技术流程(1) 逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。(2) 点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。(3) 曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让 曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精 确度、平滑度与连续的相关性。(4) 曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光 滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面 或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。(5) 误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数 据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差 等方面。5 逆向工程技术的常用软件目前，比较著名的逆向工程软件如下：Geomagic（美国Rain Drop公司的）逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。（2）Imageware作为UG NX中提供的逆向工程造型软件。具有强大的测量数据处理、 曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的 A 级曲面（CLASS A）具有良好的品质和曲面连续性。Imageware的模型检测功能可以方便、 直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。（3）CopyCAD（英国DELCAM公司系列产品），主要处理测量数据的曲面造型DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、 PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM 等诸多软件产品。CopyCADM 系列中 的其它软件可以很好地集成。RapidForm（韩国INUS公司开发）逆向工程软件，主要用于处理测量、扫描数据的曲 面建模以及基于CT数据的医疗图像建模.还可完成艺术品的测景建模以及高级图形生成。 RapidForm 提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具用户可以方便地利用以前 构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。以上介绍的是常见逆向工程软件，均是国外的。国内在逆向工程软件方面的研究主 要集中在高等学校（如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学），也有软件产品出现，但是 由于系统稳定性、可操作性等原因，这些研究性软件还没具备与国外商业化软件竞争的条件。 由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件QuickForm是较好的一个：该系统 采用先进的几何引擎，运行稳定性好，并有良好的可操作性。由于开发人员具有丰富的逆向 工程实施经验因此系统的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这是国外软件所无法 具备的。QuickForm还具有价格优势，QuickForm的价格在同类软件中具有极强的竞争力； 采用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持。6 逆向工程技术的应用领域 逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进 技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：(1) 对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设 计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸 的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。(2) 当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、 汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品 模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的最终借助逆向工程，转换为产品的三 维 CAD 模型及其模具。(3) 在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处 理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因 此逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。(4) 逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。(5) 借助于工业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。考文献I姜元庆，刘佩军.UG / Imageware逆向工程培训教程M.北京：清华大学出版社20032金涛，童水光，等.逆向工程技术M.北京：北京工业出版札，2003.3王宵，等.逆向工程技术及其应用M.北京：化学工业出版礼，2004.来源：机电之家机电行业电子商务平台！-CAM产生NC档一模具加工 样品与模型-3D测量一资料处理-CAD曲面构建丨-RP快速成型一RP快速模具-模具成型-批量复制主要设备： 3DSS 三坐标照相测量仪HRP 快速成型机逆向工程软件(Gemagic StudioImageware CAD/CAM 软件 Alias studio)仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; 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