逆向工程技术及其应用

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1、逆向工程技术及其应用开始什么是逆向工程一、逆向工程技术l1、l2、l3、l4、逆向工程流程 逆向工程软件介绍 逆向工程实例逆向工程定义l正向工程是泛指按常规的从概念(草图)设计到具体模型 设计再到成品的生产制造过程。正向工程与逆向工程 的本质区别在于设计是从哪里开始的。概念设计详细设计CAD数模模具成品数据获取CAD数模模具成品a)正向工程b)逆向工程实物样件逆向工程定义逆向工程(Reverse Engineering , RE)也称反求工程， 是相对于传统的产品设计流程即所谓的正向工程(Forward Engineering , FE)而提出的。逆向工程常指从现有模型(产 品样件、实物模型等

2、)经过一定的手段转化为概念模型和工程 设计模型，如利用三坐标测量机的测量数据对产品进行数学 模型重构，或者直接将这些离散数据转化成NC程序进行数控 加工而获取成品的过程，是对已有产品的再设计、再创造的 过程。逆向工程工作流程图实物样件数据采集数据预处理曲面重构数据采集l数据采集是逆向工程建模的第一步，它是用一定的设 备对实物进行测量来获取实物的表面数据(有时也包括 内部数据)。测量的方法有很多，如图所示：测 量 设 备接触式非接触式机械手CMM基于光学基于磁学基于声学三角几何测量法干涉法图像分析法光速测距法结构化光照法机械手优点：具有携带方便，测量精度高等特点。三坐标测量机(CMM)优点：测量

3、精度较高，价格低廉。 缺点：测量速度慢，对于柔性材料会出现变形而产生测量误差，在进行半径补偿时也会出现误差。采用三角几何法的扫描仪优点：能快速采集物体的表面点数据信息。 缺点：采集精度受目标物体表面质量和扫描仪与目标物体之间的距离和环境因素等影响。三维激光扫描仪工作流程l1、 对要扫描的零件做好表面处理,如喷漆或喷砂 处理。l2、规化扫描方法，如果是大的板金件采取平面扫 描方式，如果是回转体可选择旋转扫描方式。尽 量以最少的次数采集最多的数据。l3、将零件固定在工作台上，保证稳定。l4、确定扫描范围，调整激光强度及步进大小。l5、开始扫描数据。l6、保存数据文件，扫描完毕。采用结构化光照法的扫

4、描仪优点：这种扫描仪具有测量速度快、测量范围大、携带方 便等优点 缺点：价格十分昂贵。数据预处理l在数据采集阶段，几乎所有的测量方式、测量系统在 测量过程中都不可避免地存在误差。对于大型或复杂 的零件我们也不得不进行多次扫描。这样就需要对采 集后的数据进行拼合处理。由光学方法得到的极为密 集的测量数据称为“点云”，对于点云我们也要做必要 的精简处理。数据的预处理是十分必要的。对于点云 的预处理主要包括以下几个方面：去除杂点数据拼合数据精简去除杂点l受扫描设备和环境因素的影响，扫描以后得 到的点云会存在大量的无用点，这些无用点 会干扰我们后继工作的展开，所以在进行曲 面重构之前要把这些杂点去除。

5、数据拼合l受激光扫描仪的限制，很多零件是不能一次就 采集全所有数据的，多次扫描后每块点云的坐 标都发生了变化，数据拼合就是把它们统一在 一个坐标系下。数据精简l在不损失模型特 征的情况下对点 云进行有效的精 简可以大大的提 高工作效率l数据精简前点云 数为323315点l数据精简后点云 数为104748点精简前精简后曲面重构的基本思路l1、点云预处理l2、提取特征线l3、将特征线导 入三维造型软 件l4、构造自由曲 面并裁剪等处 理l5、生成过渡曲 面l6、加厚生成实 体曲面重构l曲面重构时要考虑的关键问题有两个：一是用有比较简单的几何元素对模型进行表达； 二是怎样找到原设计者的造型思路或痕迹

6、，并以相类 似（最好是相同）的几何元素构造CAD模型。曲面重构过程一般是由数据点拟合出样条曲线， 然后利用样条线拟合出曲面，曲面之间还可以进一步 逢合或者加厚以得到实体模型。逆向工程实例l这是一个具体的应用实 例，主要步骤如下：l1、根据客户要求制定 相应的数据采集方案。 本案例采用激光扫描仪 一次扫描完成数据采集 。l2、对点数据进行去除 杂点、过滤精简等处理 。逆向工程实例l3、根据样件的特点提取 特征线，本案例按照一条 曲线取截面线。l4、对拟合曲线进行误差 分析，确定在允许范围内 ，可进行下面的工作，否 则要重新以更多的控制点 进行拟合，直到把误差控 制在允许范围之内。控制 点不宜过多

7、，这样会影响 曲线质量。逆向工程实例l5、取好后的特征线。l6、对曲线进行曲率分 析，对于不符合要求 的曲线做光顺处理。逆向工程实例l7、利用特征线生成 自由曲面。l8、生成过渡曲面。 注意曲面之间要保 证曲率(G2)连续。逆向工程实例l9、对生成的曲面进行光 照反射分析。l10、误差分析逆向工程实例l在UG中生成实体，装配 。逆向工程软件介绍lSDRC公司的 ImageWare surfacerlRaindrop Geomagic公司的GeomagiclEDS公司的Unigraphics NXlPTC公司的Pro EngineerImageWare surfacerlImageware是著名

8、的逆向工 程软件，广泛应用于汽车 、航空、航天、家电、模 具、计算机零部件领域。lSurfacer是Imageware的主 要产品，主要用来做逆向 工程，它处理数据的流程 遵循点-曲线-曲面原则 。Geomagic StudiolGeomagic Studio是美国 Raindrop Geomagic(雨滴)软件 公司推出的逆向工程软件。该 软件是目前市面上对点云处理 及三维曲面构建功能最强大的 软件，从点云处理到三维曲面 重建的时间通常只有同类产品 的三分之一。利用Geomagic Studio可轻易地从扫描所得的 点云数据创建出完美的多边形 模型和网格。并可自动转换为 NURBS曲面。Un

9、igraphics NX lUnigraphics(UG),是美国 EDS公司 推出的CAD/CAE/CAM一体化软 件，广泛应用于航空、汽车、机 械、家电等各行各业。lUG具有独特的复合建模方法，这 使它在建模方面更加灵活，在产 品设计初期可以将主要精力放在设计思想和设计方案上，可以提高设计效率。Pro EngineerlPro/E是美国参数技术 公司(PTC)推出的3D CAD/CAE/CAM软件， 它采用参数化行为建模 技术，在实体造型方面 功能更强大，因此在制 造业尤其是机械制造业 获得了广泛的应用。l由于采用“全尺寸”约束 ，所以约束尺寸不能漏 注也不能多注，从而设 计过程过于呆板。

10、二、逆向工程的应用l1、l2、l3、l4、从油泥模型开始的产品设计 产品的仿制及改进艺术品的复制在模具制造中的应用从油泥模型开始的产品设计油泥，雕塑家经常用它来创作一些 艺术作品，近些年来，油泥也广泛应用 于工业设计领域，尤其是汽车、航空、 航天、摩托车等行业。在汽车的设计初 期，设计师将设计方案用油泥模型表达 出来，然后对它进行风阻实验，逐渐完 善确定最终方案，再把这时的模型通过 逆向工程技术转化为CAD模型。逆向工 程在汽车领域的应用大大提高了汽车整 车开发的周期。产品的仿制及改进逆向工程的思想最初是来自从油 泥模型到产品实物的设计过程，除此 之外，目前基于实物的逆向工程应用 最广的还是进

11、行产品复制和仿制，尤 其是外观设计产品。逆向工程在产品 开发领域的应用，大大提高了产品开 发的速度，对现有产品进行数字化扫 描，完成实物的3D重建后，通过NC加 工就能快速地制造出模具，最终注塑 得到所需的产品，这个过程已经成为 我国沿海地区许多企业的产品开发及 生产模式。在模具制造中的应用由于相关学科发展水平的限制，对零件的功能和性 能分析还不能完全由CAE来完成，往往需要通过实验来最 终确定零件形状，如在模具制造中经常需要通过反复试 冲和修改模具型面方可得到最终符合要求的模具。其将 最终符合要求的模具测量并反求出其CAD模型在再次制造 该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减 少修

12、模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。艺术品的复制对有价值的艺术品进行复制，特别是那些考 古文物进行复制有着深远的意义。三、我们的成功案例l1、奥迪汽车挡泥板的逆向设计l2、汽车轮毂l3、防水面罩的模具翻新l4、汽车发动机隔热板l5、医疗设备的仿制奥迪汽车挡泥板的逆向设计l该客户为奥迪汽车做配套挡泥板， 创意和设计都开始于油泥模型，我 们对油泥模型进行扫描，重构CAD 数模，并对其进行了结构设计。然 后做出快速样件装车实验，对发现 的问题做出及时的修改，满意后将 CAD数模交给客户，客户对于这个 设计非常满意。汽车轮毂l这是韩国现代汽车的轮毂，厂方交给模具厂时只有这个 实物，没有CAD数模

13、。我们知道要想加工这样的型面是 非用CNC不可的，可是没有CAD数模这一切都是空谈。 我们对其进行了扫描、曲面重构，并做出它的五分之一 样件进行了验证，客户利用该CAD数模完成了模具加工 。防水面罩的模具翻新l该模具为60年代生产的模具，经过 长年使用已经磨损严重，因为当时不 可能有计算机数模，所以给模具翻新 工作带来了难度，我们利用激光三维 扫描仪对其进行了测量，重构CAD 模型并用快速成型进行了验证，使模 具翻新得以实现。汽车发动机隔热板l客户委托给我们这两个件的 时候提出：他们只负责这两 个件的落料和冲孔任务。也 就是说上游单位给我们的客 户提供的是冲好形的件，我 们要为客户做的就是找准

14、孔 的位置和边界的轮廓，对面 的精度要求不高，这样我们 就可以省下许多时间，把精 力放到关键的问题上来,既 满足了客户的要求也为客户 争取了时间。医疗设备的仿制l这两个件是国外某医疗设备的外壳，客户委托给我们 时提出对外形要做进一步的修改，在曲面重构阶段并 没有完全按照点云数据来做，所以这已经不是严格意 义上的仿制了，而是在借鉴的基础上加入了创新，使 其融入我们自己的智慧，变成了我们自己的东西。结束语l逆向工程技术在许多领域都有着广泛的应用， 虽着人们对它认识的不断加深，它必将在更多 领域内得到应用和发展。我们也一直在做这方 面的探索，也希望在座的各位朋友加入到我们 的行列中来，咱们共同交流，一起探讨，将逆 向工程技术进一步推广开来，为我们国家制造 业的发展做出自己的一点力量。 谢 谢 ！