逆向工程技術(shù)92296

1、第一節(jié) 概述1.1 逆向工程的發(fā)展背景逆向工程的發(fā)展背景 1.隨著工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，在消費(fèi)者高質(zhì)量的要求下，功能上的需求已不再是贏得市場(chǎng)的唯一條件。產(chǎn)品不僅要具有先進(jìn)的功能，還要有流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀，以吸引消費(fèi)者的注意。流暢、造型富有個(gè)性的產(chǎn)品外觀要求必然會(huì)使得產(chǎn)品外觀由復(fù)雜的自由曲面組成。然而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式（即正向工程）很難用嚴(yán)密、然而傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)模式（即正向工程）很難用嚴(yán)密、統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述這些自由曲面。統(tǒng)一的數(shù)學(xué)語(yǔ)言來(lái)描述這些自由曲面。 2.隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的加劇，為了快速的響應(yīng)市場(chǎng)，產(chǎn)品的周期越來(lái)越短，企業(yè)界對(duì)新產(chǎn)品開發(fā)力度也得到不斷地加強(qiáng) 。傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)

2、模式受到挑戰(zhàn)。 為此，為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需要將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)（RP）、計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)(CAM)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理（PDM)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)其進(jìn)行處理和管理，并進(jìn)行進(jìn)一步的修改和再設(shè)計(jì)優(yōu)化。此時(shí)，就需要一個(gè)一體化的解決手段：樣品樣品 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 樣品。樣品。 逆向工程就專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何模型的直接轉(zhuǎn)換。作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的一種手段，在20世紀(jì)90年代初，逆向工程技術(shù)開始引起各國(guó)工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的高度重視。1.2 逆向工程的定義 逆向工程（Reverse engineering，簡(jiǎn)稱RE）,也稱反求工程、反向

3、工程等。逆向工程起源于精密測(cè)量和質(zhì)量檢測(cè)，是80年代發(fā)展起來(lái)的反向的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思想，是消化和吸收先進(jìn)技術(shù)的一系列分析方法和應(yīng)用技術(shù)的組合，它以已有的產(chǎn)品或技術(shù)為研究對(duì)象，將已存在的產(chǎn)品模型或?qū)嵨锬Ｐ娃D(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)模型和概念模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已存在的產(chǎn)品進(jìn)行解剖、深化和再創(chuàng)造，是在已有設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上的再設(shè)計(jì)。逆向工程是集測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、現(xiàn)代產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的綜合應(yīng)用技術(shù)2 ，是設(shè)計(jì)下游向設(shè)計(jì)上游反饋信息的回路 。 傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)流程是一種預(yù)定模式，即從市場(chǎng)需求出發(fā)，分析產(chǎn)品的功能描述、規(guī)格及預(yù)定指標(biāo)。然后再進(jìn)行概念設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)，制定工藝流程、設(shè)計(jì)工裝夾具，依據(jù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)藍(lán)圖

4、完成加工制造。這種設(shè)計(jì)方法稱為正向設(shè)計(jì)或順向設(shè)計(jì)。產(chǎn)品的逆向工程則與之相反，它是從產(chǎn)品的實(shí)物樣件出發(fā)，通過(guò)各種測(cè)繪技術(shù)和幾何造型技術(shù)將其轉(zhuǎn)化成CAD 模型和圖樣，再制造產(chǎn)品。它改變了CAD系統(tǒng)從圖紙到實(shí)物的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)模式，為產(chǎn)品的快速開發(fā)及原形化設(shè)計(jì)提供了一條新的途徑。 1.與正向工程的區(qū)別與正向工程的區(qū)別1.3 逆向工程的工作流程 逆向工程由離散數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理與曲面重構(gòu)、快速制造三大部分組成（其體系結(jié)構(gòu)如圖1.1所示）。包含三維數(shù)據(jù)測(cè)量、數(shù)據(jù)預(yù)處理和曲線曲面重構(gòu)三大關(guān)鍵技術(shù)。 逆向工程的一般過(guò)程分為樣件三維數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理、原形CAD模型重建 、模型評(píng)價(jià)與修正和快速制造五個(gè)階段。數(shù)據(jù)處理

5、建構(gòu)曲線曲面三維重構(gòu)點(diǎn)數(shù)據(jù)體素幾何模型NC編程CAN加工STL 分層RP 制造 實(shí)物樣件三維測(cè)量圖1.1 逆向工程體系結(jié)構(gòu)圖1.3 逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域 1.在產(chǎn)品外形的美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，為方便評(píng)價(jià)其美學(xué)效果，設(shè)計(jì)師廣泛利用油泥、黏土或木頭等材料進(jìn)行快速且大量的模型制作，將所要表達(dá)的意圖以實(shí)體的方式呈現(xiàn)出來(lái)，而不是采用計(jì)算機(jī)屏幕上縮小比例的物體投視圖的方法。此時(shí)如何根據(jù)造型師制作出來(lái)的模型，快速建立三維CAD模型，就必須引入逆向工程技術(shù)。 2.當(dāng)設(shè)計(jì)需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空、汽車制造領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，首先要在實(shí)體模型、縮

6、小模型的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)各種性能測(cè)試。建立符合產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終確認(rèn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅仨毥柚嫦蚬こ?，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。 3.在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或者設(shè)計(jì)圖紙不完整以及沒(méi)有CAD模型的情況下，在對(duì)零件模型進(jìn)行測(cè)量的基礎(chǔ)上，形成零件的設(shè)計(jì)圖紙或CAD模型，并以此為依據(jù)生成數(shù)控加工的NC代碼或快速原型加工所需的數(shù)據(jù)，復(fù)制一個(gè)相同的零件。 4.很多物品很難用基本幾何來(lái)表現(xiàn)與定義，例如流線型產(chǎn)品、藝術(shù)浮雕及不規(guī)則線條等。 5.逆向工程在新產(chǎn)品開發(fā)、創(chuàng)新設(shè)計(jì)上同樣具有相當(dāng)高的應(yīng)用價(jià)值。 6.廣發(fā)應(yīng)用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品，或缺乏供應(yīng)的損壞零件等 7.特種服裝、頭盔的

7、制造以使用者的身體為原始依據(jù)。 8.應(yīng)用于RPM技術(shù)。第二節(jié) 逆向工程的測(cè)量系統(tǒng)2.1 三維測(cè)量方法的概述 實(shí)物樣件的三維數(shù)字化是通過(guò)特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲取樣件表面立三點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。只有獲取樣件的表面三維信息，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的采集、評(píng)價(jià)、改進(jìn)、制造。因此，如何高效、高精度的獲取樣件表面的三維數(shù)據(jù)，一直是逆向工程研究的內(nèi)容之一。目前，已出現(xiàn)了多種測(cè)量方法 。根據(jù)測(cè)量時(shí)測(cè)頭和被測(cè)表面之間的位置關(guān)系，樣件的三維數(shù)據(jù)采集方法可分為接觸式和非接觸式兩大類，接觸式有基于力變形原理的觸發(fā)式和連續(xù)掃描式數(shù)據(jù)采集和基于磁場(chǎng)、超聲波的數(shù)據(jù)采集等。非接觸式有激光三角測(cè)量法、立體視覺(jué)法、激光測(cè)距法、光干涉

8、法、結(jié)構(gòu)光學(xué)法、圖像分析法、CT法等 。1.接觸式測(cè)量法 接觸式數(shù)據(jù)采集方法是用機(jī)械探頭接觸表面，機(jī)械臂關(guān)節(jié)處的傳感器確定相對(duì)坐標(biāo)位置。用于接觸式數(shù)據(jù)采集的機(jī)器人裝置有很多種。最常見的接觸式數(shù)據(jù)采集方法是坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM），通常是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)使其接觸探頭沿被測(cè)表面經(jīng)過(guò)編程的路徑逐點(diǎn)捕捉表面數(shù)據(jù)。測(cè)量時(shí)，可根據(jù)實(shí)物的特征選擇測(cè)量位置及方向，測(cè)得特征點(diǎn)數(shù)據(jù)。接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)：接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)： 接觸式探頭發(fā)展已有幾十年，其機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。 接觸式測(cè)量的探頭直接接觸工件表面，與工件表面的反射特性、顏色及曲率關(guān)系不大。 被測(cè)物體固定在三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上，

9、并配合測(cè)量軟件，可快速準(zhǔn)確地測(cè)量出物體的基本幾何形狀，如面、圓、圓柱、圓錐、圓球等。接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)：接觸式測(cè)量的缺點(diǎn)： 球形探頭很容易因?yàn)榻佑|力而造成磨耗，所以，為維持一定精度，需經(jīng)常校正探頭的直徑。 不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害工件某些重要部位的表面精度，也會(huì)使探頭損壞。 接觸式觸發(fā)探頭是以逐點(diǎn)方式進(jìn)行測(cè)量的，所以測(cè)量速度慢。 檢測(cè)一些內(nèi)部元件受到限制，如測(cè)量?jī)?nèi)圓直徑，觸發(fā)探頭的直徑必定要小于被測(cè)內(nèi)圓直徑。 非接觸式數(shù)據(jù)采集方法利用光、聲、磁場(chǎng)等。應(yīng)用光學(xué)原理的方法采集數(shù)據(jù)，細(xì)分有三角形法、結(jié)構(gòu)光法、測(cè)距法、干涉法、結(jié)構(gòu)光法、圖像分析法和逐層掃描數(shù)據(jù)法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測(cè)量摩擦力和接觸壓力造成的測(cè)量誤差，避免了接觸式測(cè)頭與被測(cè)表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)問(wèn)題。獲得的密集點(diǎn)云信息量大，精度高，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)形狀。非接觸式測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)： 不必做探頭半徑補(bǔ)償，因?yàn)榧す夤恻c(diǎn)位置就是所采集到點(diǎn)的位置。 測(cè)量速度非常快，不必像接觸觸發(fā)探頭那樣逐點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量。 軟工件、薄工件、不可接觸的高精密工件可直接測(cè)量。非接觸式測(cè)量缺點(diǎn)： 測(cè)量精度較差，因非接觸式探頭大多使用光敏位置探測(cè)來(lái)檢測(cè)光點(diǎn)位置，目前的精度仍不夠，約為20um以上。 因非接觸