2013最新逆向工程大作業(yè)

1、逆向工程課程大作業(yè)題目：逆向工程關鍵技術的研究現(xiàn)狀姓 名：丁燁學 號： 1100801020授課教師： 王懋露得分哈爾濱工業(yè)大學航空宇航制造系2013年11月1日目錄1-引言-1、實物原型的數(shù)字化技術1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法 11.2 連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集方法 11.3 工業(yè)計算機斷層掃描成像法 21.4 激光三角測距法 2、數(shù)據(jù)點云的預處理技術 22.1 半徑補償 22.2 數(shù)據(jù)插補 22.3 點云數(shù)據(jù)精簡 22.4 不同坐標點云的歸一化 2三、三維重構的基本方法 23.1 多項式插值法 33.2 三邊Bezier曲面法33.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡法3NURBS法3四、逆向工程的誤差分析3五、結語

2、4參考文獻逆向工程關鍵技術的研究現(xiàn)狀丁燁 1008301 班 1100801020摘要 ：作為一種新產(chǎn)品開發(fā)和消化、 吸收先進技術的手段， 逆向工程的研究正受 到各國工業(yè)和學術界的高度重視 , 并且受到越來越廣泛的應用。在分析逆向工程 定義和借鑒國內(nèi)外一些論文的基礎上對逆向工程的工作流程做深刻的解剖 , 并 對逆向工程中的實物原型數(shù)字化、 三維重構、 光順、誤差分析和品質(zhì)分析等關鍵 技術進行深入、 詳細的闡述。 旨在加深對逆向工程的理解， 并且在以后的學習生 活中將逆向工程技術合理應用。關鍵詞 ：逆向工程，三坐標測量機，三維重構，光順，品質(zhì)分析Abstrac:t As a means to d

3、evelop and digest new products, reverse engineering is being attached much importance by industry and academic world of many countries and is being widely used nowadays. On the basis of analyzing the definition of reverse engineering and learning from treatises both at home and abroad, the working f

4、low of RE is anatomized in detail. And the RE technologies such as digitisation of object 、 3D reconstruction、fairing、analysis of error and quality are expatiated thoroughly and carefully . The thesis is aimed at deepening my understanding of RE and allowing me to apply it into future life.Keyword：R

5、everse Engineering, Coordinate Measuring Machine, 3D reconstruction, Fairing, Qualityanalysis引言：逆向工程技術，也稱反求工程、反向工程等，它的思想最初是來自從油泥 模型到產(chǎn)品實物的設計過程， 隨后發(fā)展形成一項以先進產(chǎn)品、 設備的實物、樣件、 軟件或圖像作為研究對象， 應用現(xiàn)代設計方法學、 生產(chǎn)工程學、 材料學和有關專 業(yè)知識進行系統(tǒng)分析和研究， 探索其關鍵技術， 進而開發(fā)出同類的更為先進的產(chǎn) 品的技術。目前 , 大多數(shù)有關逆向工程技術的研究和應用都集中在幾何形狀 , 即 重構產(chǎn)品CAD莫型和最終產(chǎn)品制

6、造方面，稱為實物逆向工程?；诖耍梢园?逆向工程定義為：逆向工程是和將實物轉變?yōu)镃AD莫型相關的數(shù)字化技術、幾何 莫型重建技術以及產(chǎn)品制造技術的總稱。 逆向工程技術的發(fā)展與技術引進有著緊 密的聯(lián)系 , 是技術引進的重要手段。技術引進 的應用和開發(fā)一般分 為三個 階 段： 仿制階段、消化階段和創(chuàng)新階段 , 與此相對應 , 也可把逆向工程分為兩個層 次，逆向工程I主要指產(chǎn)品的仿制，逆向工程u多指對產(chǎn)品的消化、吸收和創(chuàng)新 等 多個環(huán)節(jié)。一、 實物原型的數(shù)字化技術 實物樣件的數(shù)字化是通過特定的測量設備和測量方法 , 獲取零件表面離散點 的 幾何坐標數(shù)據(jù)的過程。 隨著傳感技術、控制技術、制造技術等相關

7、技術的發(fā)展 , 出 現(xiàn)了各種各樣的數(shù)字化技術 , 下面將舉例介紹 ：1.1 觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法當測量頭的探針接觸到樣件的表面時 , 探針尖因受力產(chǎn)生微小的變形 ,觸發(fā)采樣 頭中的開關 , 使數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄下探針 （測球中心點 ）的坐標。不斷移動測量頭 , 就能采集到樣件表面輪廓的坐標數(shù)據(jù)。1.2 連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集方法該方法采用莫擬量開關測量頭 , 利用懸掛在三維彈簧系統(tǒng)中的探針的位置 偏移 所產(chǎn)生的電感或電容的變化 , 通過模數(shù)轉換進行數(shù)據(jù)的采集。 當測量頭的探針沿 樣件表面移動時 , 就發(fā)出對應坐標位置偏移量的電流或電壓信號。 由于數(shù)據(jù)采集 過程是連續(xù)進行的 , 因此測量速度比觸發(fā)式測量

8、快許多倍 , 而且采樣精度較高。 此外 , 由于接觸力較小 , 允 許用小直徑的探針去掃描具有細微部 分或由較軟 材質(zhì)制作的模型。1.3 工業(yè)計算機斷層掃描成像法 工業(yè)計算機斷層掃描成像法是 指對實物樣件經(jīng)過掃描 , 獲得一系列截面圖像切 片和數(shù)據(jù) , 這些切片和數(shù)據(jù)提供 了工件截面輪廓及其內(nèi)部結構的完整信息，可 以據(jù)此重構樣件的三維幾何模型。 其最大優(yōu)點在于它能測量樣件內(nèi)部斷面的信息 因而適用于任意的復雜形狀 , 但測量精度較低。1.4 激光三角測距法激光三角測距法是利用光源和光敏 設備之間的位置和角度關系來推斷表面點的 具體位置。三角測距法可高速地采集數(shù)據(jù) , 其精度由光敏設備的分辨率和表

9、面與 掃描儀間的距離共同決定。二、 數(shù)據(jù)點云的預處理技術 以上獲得的數(shù)據(jù)一般不能直接用于曲面重構 , 因為對于接觸式測量 , 由于測頭半 徑的影響 , 必須對數(shù)據(jù)點云進行半徑補償，在測量過程中 , 不可避免帶進噪聲、 誤差等 , 必須去除這些點，對于海量點數(shù)據(jù) , 對其進行精簡也是必要的。2.1 半徑補償對于接觸式測量 , 由于設計的局限性 , 得到的坐標數(shù)據(jù)不是接觸點本身 , 而是測 頭球心數(shù)據(jù) ,必須對其進行半徑補償。 補償量為探頭的半徑 ,補償方向為表面接觸 點的法矢量。由于表面接觸點法矢量未知 , 半徑補償一般會比較繁瑣。2.2 數(shù)據(jù)插補 由于實物拓撲結構以及測量設備的限制 , 在實物

10、數(shù)字化的過程中 , 有時會存在 一些設備無法測到的區(qū)域 , 另外由于實物樣件中經(jīng)常存在經(jīng)剪裁或布爾運算生 成的外形特征 , 如表面凹邊、孔及槽等 , 使曲面出現(xiàn)缺口 , 這樣獲得的數(shù)據(jù)就會 出現(xiàn)缺失的現(xiàn)象 , 使逆向建模變得困難。 解決方法是通過數(shù)據(jù)插補來補齊缺失的 數(shù)據(jù) , 最大限度地重獲實物剪裁前的信息。2.3 點云數(shù)據(jù)精簡 為提高高密度數(shù)據(jù)點云在曲面重構時的效率和質(zhì)量 , 需要按一定要求精簡測量 點的數(shù)量。不同類型的點云可以采用不同的精簡方式 , 散亂數(shù)據(jù)點云可以通過隨 機采樣的方法來精簡 ; 對于掃描線點云和多邊形點云 , 可采用等間距精簡、 倍率 精簡、 等量精簡和弦偏差等方法 ;

11、網(wǎng)格化點云可采用等分布密度法和最小包圍 區(qū)域法等進行數(shù)據(jù)精簡。2.4 不同坐標點云的歸一化 在實物樣件數(shù)字化過程中 , 由于產(chǎn)品尺寸超出測量機的行程、 測量頭受被測實 物幾何形狀的干涉 , 需要在不同的定位狀態(tài)下測量其各個部分 , 從而導致點云 的坐標系不統(tǒng)一。 為了實現(xiàn)坐標系的統(tǒng)一 , 解決方法是將數(shù)據(jù)點云看作一個剛體 把兩個數(shù)據(jù)點云的對齊視為空間剛體的移動 , 即空間剛體的坐標變換 , 使問題歸 結為求解相應的變換矩陣。三維重構的基本方法復雜曲面的 CAD 重構是逆向工程研究的重點。而對于復雜曲面產(chǎn)品來說 , 其實 體模型可由曲面模型經(jīng)過一定的計算演變而來 , 因此曲面重構是復雜產(chǎn)品 逆向

12、工程的關鍵。3.1 多項式插值法 多項式函數(shù)表達 形式簡單 , 并且無窮次可微 , 因而足夠光滑。但當需要滿足的 插值條件太多時 , 將導致多項式插值曲線的階數(shù)太高 , 而隨著階數(shù)升高 , 曲線 出現(xiàn)過多擺動的可能性越大 , 這將造成在計算上的不穩(wěn)定 , 局部修改能力差 , 因此對較復雜的空間曲線曲面 , 較少用此方法。3.2 三邊 Bezier 曲面法 該方法是嚴格定義在三角形域上的。 三邊曲面片可適應不規(guī)則與散亂數(shù)據(jù)點的幾 何造型。它具有構造靈活、 適應性好等特點 , 在散亂數(shù)據(jù)點曲面擬合中能有效應 用。3.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡法該方法是利用BP算法的訓練和學習建立一個神經(jīng)網(wǎng)絡模型來解決曲面反

13、求問題。BP算法是神經(jīng)網(wǎng)絡學習中一種被廣泛采用的學習算法 ，具有簡單、有效和易于實 現(xiàn)等優(yōu)點, 并且算法的收斂速度較快。但由于算法本身的特點 ,對算法參數(shù)的選 擇有很大的盲目性和難度 , 可能會導致擬合結果達不到最優(yōu)。3.4 NURBS法NURBS方法是建立在普通的Bezier方法和Bspline方法基礎上的,它較好地實現(xiàn) 了解析幾何與自由曲線或曲面的統(tǒng)一 , 成為當今 CAD /C A M 軟件中曲面數(shù)學表 示的主流。NURBS不但具有局部可控性、變差減少性等優(yōu)良性質(zhì)，還有如下一些 優(yōu)點: 為標準曲線或曲面的解析形狀和自由曲線或曲面的精確表示與設計提供 了一個公共的數(shù)學形式 , 無論是解析形

14、狀還是自由形狀均有統(tǒng)一的數(shù)學表示 , 便于工程數(shù)據(jù)庫的存取和應用 ; 由于引入了權因子及操縱控制頂點 , 為各種形 狀設提供了充分的靈活性 , 并保證了強的凸包性 ; 具有明顯的幾何解釋以及幾 何不變性 , 有豐富的幾何配套算法 , 適用于設計分析各環(huán)節(jié) ; 具有映射與透視變 換下的不變性。然而,NURBS法會遇到非有理方法中未出現(xiàn)的一些問題,從而導 致計算過程的復雜化 , 如權因子選擇不當會導致參數(shù)化效果很差 , 甚至破壞隨 后的曲面結構。另外 , NURBS 的曲線和曲面的幾何連續(xù)性問題還有待進一步深 化解決 , 特別是曲面求交問題。四、逆向工程的誤差分析現(xiàn)階段逆向工程所構造的CAD莫型,

15、多為幾何形狀重構,談不上滿足一定要求的 精度設計和精度制造 , 這極大地限制了逆向工程的應用范圍。為說明這一點首先 引入逆向工程所獨有的三個參數(shù)的概念 : 重構參數(shù)、 實物原型參數(shù)和原始設計 參數(shù)。逆向工程 b設計階段的結果是重構的 CAD三維模型,這種CAD模型自 然具有各種參數(shù) （ 主要是幾何形狀參數(shù) ）, 這些參數(shù)是逆向工程依據(jù)測量點數(shù)據(jù) 經(jīng)擬合運算得到的 , 體現(xiàn)在重構的 CAD 模型上, 故稱其為重構參數(shù)。逆向工程 的處理對象是零件或原型 , 它本身具有固定的形狀和參數(shù) , 這種體現(xiàn)在零件或 原型上的參數(shù)稱為實物原型參數(shù)。 零件或原型在被制造時 , 要依據(jù)圖樣上所標注 的參數(shù), 這種

16、體現(xiàn)在制造零件或原型的設計圖樣上的參數(shù)稱為原始設計參數(shù) , 這是制造原型的原始參數(shù)。 重構參數(shù)是逆向工程得到 的參數(shù),是可知的; 而逆向 工程并不直接測量實物原型參數(shù) , 故實物原型參數(shù)是未知的 ; 原始設計參數(shù)自 然也是未知的。目前的逆向工程均 用已知的重構后的模型參數(shù)作為制造產(chǎn)品的 原始參數(shù) , 亦即用重構參數(shù)去制造產(chǎn)品。 先來比較一下重構參數(shù)與原始設計參數(shù) 之間的誤差，設該誤差為重構誤差C構;在重構過程中，不可避免地會產(chǎn)生誤差 記其為計算誤差"十；在對零件或原型測量時,產(chǎn)生測量誤差C測；零件或原型本 身也帶有誤差，一種是制造原型時會產(chǎn) 生制造誤差C制;另一種是原型在使用 中的磨

17、損和破損誤差C損。重構誤差由這四種誤差所組成，一般取各項誤的均方 根作為重構誤差。單從仿制原型這一方面出發(fā) , 反求工程制造的產(chǎn)品 , 是被置于原型的工作環(huán) 境下 , 代替原型工作原型是用原始設計參數(shù)制造的 , 產(chǎn)品是用重構參數(shù)制造 的。由以上分析可知，這兩個參數(shù)之間存在重構誤差 C構。因此，用重構參數(shù)作為 原始參數(shù)去制造產(chǎn)品并將其置于原型的環(huán)境下工作 , 在某些情況下會達不到要 求, 這就是說, 由于重構誤差 的存在, 產(chǎn)品會出現(xiàn)廢品。 為了提高精度 , 目前的反 求工程技術采取了許多措施 , 如提高測量精度 , 提高擬合計算精度 , 但這些措施只 是使重構參數(shù)盡可能接近原型參數(shù) , 仍無法得到原始設計參數(shù)。五、結語實際上任何產(chǎn)品問世， 不管是創(chuàng)新、改進還是仿制， 都蘊含著對已有科學技術 的集成，應用和借鑒。逆向工程通過重構產(chǎn)品零件的 CAD莫型，為產(chǎn)品的再設計 及創(chuàng)新設計提供了數(shù)字原型盡管國內(nèi)外已有大量成功的經(jīng)驗 , 但目前還很少有 這方面的系統(tǒng)的專著 , 大多散見于各個行業(yè)的案例或設計資料中 , 可以說,現(xiàn)在 的逆向工程技術還未達到成熟。 逆向工程有其獨特的共性技術和內(nèi)容 , 它還是一 門新興的交叉學科分支 , 正如高新技術的層出不窮 , 逆向工程技術亦會不斷發(fā) 展。參考文獻 ：【1】 金濤, 童水光, 等. 逆向工程技術【 M】. 北京:機械工業(yè)出版社