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1、第六章 逆向工程与快速原型,6.1 逆向工程概述6.2 逆向工程系统组成及工作原理6.3 逆向工程应用实例6.4 快速原型与快速模具本章小结,6.1 逆向工程概述1.正向工程一般工业产品的开发是从确定预期功能与规格目标构思产品结构进行每个零部件的设计制造检验装配性能测试等程序完成整个开发过程，每个零部件都有设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive Model)，此类开发工作称为正向工程(Forward Engineering)或正向设计。产品正向开发的流程如图6-1所示。,图6-1 正向工程开发流程图,2.逆向工程随着计算机和网络技术的发展，信息高速公
2、路加快了科技信息的传播速度，产品的生命周期越来越短，人们追求完美与个性化的消费需求使产品品种越来越多，批量越来越小，企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争，而更重要的是时间的竞争。以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的一条设计理念。如何博采众家之长，充分吸收和利用先进的设计制造成果，使产品设计立足于更高的起点，是世界各国都十分关注的问题。逆向工程技术在此背景下受到人们的关注。,逆向工程，也称为反求工程，英文是reverse engineering 逆向技术包括影像逆向、软件逆向及实物逆向等三方面。目前相对最多人研究的是实物逆向技术。它是研究实物CAD模型的重建和最终产品的制造。狭义来说，三维
3、逆向技术是将实物模型数据化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。,(1)实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。(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。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。(3)影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去
4、构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。,逆向工程通常是对某一实物样件或模型(称为零件原型，如汽车的外形、鞋楦模等)进行仿制和创新。目前，针对已有样件(尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件)，可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向软件中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统作进一步编辑、修改，由CAM生成刀具NC代码(加工路径)，送至数控机床(CNC)制作所需模具，或者由快速成型机(RP)将样品模型制作出来。其流程如图6-2所示。,逆向工程主要包括以下四个步骤：(1)零件
5、原型的数字化：利用三坐标测量机或激光扫描仪等测量装置获取零件原型表面各点的三维坐标值。(2)零件原型的特征识别与提取：按测量数据的几何属性进行分割，采用几何特征匹配的方法获取零件原型所具有的设计与加工特征。,(3)零件原型CAD模型的重建：将三维测量数据在CAD系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交、裁剪和拼接，获取零件原型的CAD模型。(4)CAD模型的检验与修正：根据重构的CAD模型重新测量或加工出样品等方法，检验构建的CAD模型是否满足精度要求，对不满足要求者，重复以上的模型重建过程，直至达到零件的设计要求。,实物测量反求技术起始于用油泥模型设计汽车、摩托车外形，现已成为模具制
6、造业、玩具业、游戏业、电子业、制鞋业、医学工程等行业产品造型设计的重要工具，广泛地用于产品改进、创新设计，特别适合具有复杂曲面外形的产品。该技术极大地缩短了产品的开发周期，提高了产品精度。据国外产品设计统计，正向设计仅占40%以内，而逆向工程已占60%以上。,承 载 式 车 身,逆向工程产品开发模式 逆向设计将实现从概念设计或样机到产品完整设计信息的快速获取。(1)逆向设计 在实际的设计工程中，设计师对所设计产品的构思，往往难于直接在计算机或图纸上表达。此时首先可做成理想外形的泥模或术模，然后利用二维测量系统进行快速测量，把模型的尺寸、形状数据转化为二维CAD数据。,(2)仿真制造 在解剖和仿
7、真制造国内外先进样机或失去供货渠道的关键零件时，由于形状复杂、精度很高，很难用人工精确测绘，可先用逆工程技术对零件进行精确测量，然后输出CNC代码，即可仿制出该零件。(3)设计检验 使用逆向工程技术可以对零件进行整体测量，并将测量数据转换成CAD数据，在计算机内可以对测量数据和设计数据进行检验分析。,逆向工程设计开发系统的基本方法 逆向工程主要通过以下步骤来实现:数据采样，数据分析，数据恢复及修补，原始部件的分解，模型信息处理及CAD模型的建立，部件装配，产品功能模拟，再设计等。(1)数据采样 数据采样是逆工程的最基木的步骤，它从己有的实物获取产品数据。通常采用二维激光扫描仪，二维数字化仪，物
8、体多角度照片等数字化办法来快速、准确地获取数据。通过二维图形处理技术将采样数据以二维图形的方式显示出来，得到直观简略的产品结构外形。,(2)数据分析 分析原来物体的结构。物体结构包括物体的逻辑结构、物体的功能结构、物体包含的标准件、材料构成、物体表面的颜色分布、各个部件的几何尺寸、不同部件之间的装配方式及不同部件之问的几何尺寸约束等。为此，要建立产品几何特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系统。(3)数据的恢复和修补 在采样过程中，丢失物体的某些细节是不可避免的。通过对采样数据的二维显示及结构分析，能够发现哪些数据可能被丢失因此，数据修复是逆工程的一个必不可少的步骤数据。,(4)
9、原始部件的分解 分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在分解过程中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间的连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。(5)模型信息处理及CAD模型的建立 构造物体的二维CAD模型，这个模型是最基本的创新设计模型平台。在此基本平台上，设计人员可交互构造特征线，自动识别产品，过渡圆角、尖边等特征，提供多种物体表面编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现CAD模型动态修改。,(6)标准化部件库的建立 分析所涉及的各类产品结构的基础上，研究产品的基本组成单元，包括它们的形状尺寸，建立标准件库。有了标准件库以后，产品设计过程就可简化为将已有的物体分解至最小的单元，
10、然后用标准部件来替换这些基本单元。为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对物体进行重新组装。(7)产品功能模拟 在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟在这个过程中，可以事先建立产品评价系统，让计算机自动判断产品设计的优劣；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察局部细节，可以知道物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以及物体外表面的颜色纹理是否满足设计的要求。,(8)再设计 逆向工程的最终目的是设计新产品，通过以上步骤获取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识，基本上再现原有的产品，为了在此基础上设计新产品，设计人员可以在一个包含产品逆向工程及创新设计软件环境中，对原有的模型进行适当
11、的调整和修改。这些修改主要包括功能上的，布局上的，以及外形方面的修改。在修改过程中加入设计人员新的设计思想，以完成新的设计方案。,逆工程技术的评价标准(1)采样数据的完整性(2)尽可能短的设计周期(3)尽可能低的设计成本(4)标准部件的利用率(5)产品质量优良,逆向工程的应用途径：(1)尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要，还存在许多使用油泥或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。(2)外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这
12、些比例模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。,(3)由于各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，因此往往需要通过实验来最终确定零件的形状，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。若将最终符合要求的模具测量并反求出其 CAD 模型，在下次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，便可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。(4)艺术品、考古文物的复制。,(5)人体中的骨头和关节等的复制及假肢制造。(6)特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。
13、(7)在快速原型制造(RPM)中，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确地测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复迭代可使产品更趋完善。,逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计流程。在逆向工程中，按照现有的零件原型进行设计生产，零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中，而正向设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素进行从无到有的设计。因此，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、反复逼近的过程，具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。,3.逆向工程的关键技术零件的数
14、字化和计算机辅助反向建模(Computer Aided Reverse Modeling，CARM)是逆向工程的两项关键技术。零件的数字化是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数据。CARM通过对测量数据的处理，提取建模所需的有效数据，对零件进行曲面和实体造型，以得到原型的CAD模型。逆向设计是以产品为原型，通过大量的表面数据点来重构原型的，但由于不知道原来的设计意图，反向建模过程往往是被动的，设计的自由度较小，难度也就比正向设计大得多。,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
15、要用于产品的改型或仿型设计。(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。,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。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Surfa
16、cer、Delcam、Cimatron以及Strim等的。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，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ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。,总结：逆向工程是产品研发的有效途径。逆向工程把三坐标测量机、CAD/CAM/CAE软件、CNC机床有机而又高效地结合在一起，成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。逆向工程不仅仅是产品的仿制，它更肩负着数学模型的还原和再设计的优化等多项重任。当前，虽然逆向工程发展已取得了长足进展，逆向工程的概念已深入人心
17、，并被广泛应用于各个领域，不仅是机械产品的研发，许多企业纷纷采用逆向工程模式进行产品研发和生产。但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程，各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究，并没有非常完善的解决方案。,6.2 逆向工程系统组成及工作原理1.逆向工程系统组成2.逆向工程的测量技术 1)测量方式 2)测量设备 3)接触式测头及其工作原理 4)非接触式测头及其工作原理3.测量数据预处理技术 1)数据平滑 2)多视数据对齐定位 3)数据分割4.模型重建技术 1)曲线拟合造型 2)曲面拟合造型 3)曲面编辑 4)点数据网格化 5)模型精度的评价5.逆向工程软件,1.逆向工程系统组成逆向工程需要使用精密
18、的测量系统来测量样件轮廓三维尺寸，再对取得的各点数据作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建和产品(或模具)制造。所以，一套完整的逆向工程系统应包括下列基本配备：,(1)测量测头：分接触式(如触发测头、扫描测头)和非接触式(包括激光位移测头、激光干涉仪测头、线结构光及CCD扫描测头、面结构光及CCD扫描测头等)两大类。(2)测量机：有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等。(3)数据处理软件：由坐标测量机得到的外形点数据在进行CAD模型重建以前，必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等数据处理。,(4
19、)模型重建软件(CAD/CAM)，包括三类：一是用于正向设计的CAD/CAE/CAM软件，如Solidworks、I-Deas、GRADE等，但数据处理和逆向造型功能有限；二是集成有逆向功能模块的正向CAD/CAE/CAM软件，如集成有SCAN-TOOLS模块的Pro/ENGINEER，集成有点云处理和曲线/曲面拟合、快速造型功能的UGII和STRIM100等；三是专用的逆向工程软件，如Imageware、Paraform、Geomagic等。除此之外，有较高要求的还包括产品数据管理(PDM)等软件。,(5)CAE软件：完成计算机辅助工程分析，包括机构运动分析、结构仿真、流场及温度场分析等，可
20、提高设计成功率。目前较流行的分析软件有Ansys、Nastran、I-Deas、Moldf1ow、ADMAS等。(6)数控加工设备：进行原型制作或模具制作。(7)快速原型机：快速产生模型(有立体印刷成型、层合实体制造、选域激光烧结、熔融沉积造型、三维喷涂粘结、焊接成型和数码累积造型等方法)。(8)产品批量生产设备：包括注射成型机、冲床、钣金成型机等。,2.逆向工程的测量技术在产品开发中，采用逆向工程方式处理的产品往往具有尺寸不易掌握的特性，如自由曲面的外观造型等。因此，逆向工程的首要任务就是取得所需的点数据，用于后续的模型构建。现介绍逆向工程的数据测量技术。,1)测量方式一个物体可用游标卡尺、
21、测微仪等作一维长度测量，也可用投影机、工具显微镜等在X、Y方向作二维平面测量。逆向工程多用三维立体测量，具体有接触式测量与非接触式测量。接触式测量设备主要是三坐标测量机；非接触式测量主要包括光学测量、超声波测量、电磁测量等方法。,(1)接触式测量。接触式测量将被测物体固定在三坐标测量机上，可获得被测物体上各测点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经计算可求出被测物体的几何尺寸、形状和位置。,三坐标测量机,接触式测量的优点有：接触式测量不受样件表面的反射特性、颜色及曲率影响，配合测量软件可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆柱、圆锥、圆球等。接触式测量的机械结构及电子系统已相当成熟，有较
22、高的准确性和可靠性。,接触式测量的缺点有：为了确定测量基准点，需使用特殊的夹具，测量费用较高。测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。检测某些轮廓时，可能会有先天的限制。如测量内圆直径，触发测头的直径必定要小于被测内圆直径。,接触式触发测头以逐点进出方式进行测量，测量速度慢。接触测头测量时，测头尖端部分与被测件之间发生的局部变形将影响测量值的实际读数。不当的操作容易损害样件某些重要部位的表面精度，也会使测头磨耗、损坏；为了维持一定的精度，需要经常校正测头的直径。,采用接触式测头测量时，由于测头半径的影响，得到的坐标数据并不是测头所触及的表面点的坐标，而是测头球心的坐标，当被测点的表面法矢方向和测
23、轴方向一致时，测点坐标和测头中心相差一个测头半径值。通常的测头半径在0.251.5 mm之间，如果忽略测头半径，即测量得到的数据不进行半径补偿处理，就会带来数据测量误差。如图6-3(a)所示，测量点连线为平面曲线，当测头的压力矢(表面法矢)和测量截面不在一个平面时，测量点连线为空间曲线。,图6-3 测头半径补偿,如要求得物体真实外形，则需要对测头半径进行补偿。图6-3(b)所示是测头半径补偿原理图。当测量某一曲面时，测头尖端与被测件之间的接触点为A，A点至球心C点有一偏差量。所以，必须沿法线负方向补正一个测头半径值。这将使整个曲面补正计算繁杂、冗长，还可能导致修正误差。,(2)非接触式测量。随
24、着光电子技术、微电子技术以及计算机技术的发展，使得光学在测量领域中的应用有了重大突破，开启了逆向工程中数据测量的非接触式测量时代。,非接触式光学测量有如下优点：没有测量力，可以用来测量各种柔软的和易变形的物体，也无摩擦。可以快速对物体进行扫描测量，测量速度和采样频率较高。不必进行测头半径的补偿。不少光学测头具有大的量程，如十毫米乃至数十毫米，这是一般接触测头难以达到的。同时探测的信息丰富。例如，CCD摄像机可以同时探测到视场内大量的二维信息(接触式只能一点一点探测)，还能测得物体的光学特性。,非接触式测量也还存在如下缺点：测量精度较差，非接触式测头大多使用光敏位置探测器(Position Se
25、nsitive Detector，PSD)来检测光点位置，目前PSD的精度仍不够高，误差一般在20 m以上。使用CCD作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度，当工件几何外形变化大时，成像可能失焦，导致成像模糊。,非接触式测头是通过接收工件表面的反射光或散射光来测量物体的，测量结果易受环境光线及工件表面的反射特性的影响，噪声较高，噪声信号的处理比较麻烦，工件表面的粗糙度、颜色、斜率等均影响测量结果。为避免CCD摄像头在取像时受外界杂散光的干扰，可在CCD镜头前加带通滤光镜，限制摄取的光线波长。因此，非接触式测量适合做工件轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理比较困难。表
26、6-1对比了非接触激光扫描测量和三坐标测量机接触测量的技术特点。,表6-1 非接触激光扫描测量和三坐标测量机接触测量的技术特点比较,续表,2)测量设备(1)坐标测量机。坐标测量机(Coordinate Measuring Machine，CMM)是一种精密的三坐标测量仪器。三坐标测量机可分为主机、测头、电气系统三大部分，如图6-4所示。主机结构如图6-5所示。三坐标测量机通过在三个相互垂直的导轨上移动测量头，来测量具有复杂形状工件的空间尺寸。三个方向的位移由测量系统(如光栅尺)经计算机(或数据处理器)计算，得出工件的各点坐标(x，y，z)。,图6-4 三坐标测量机的组成,在逐点式扫描测量时，通
27、常是将测头在横向以等速或等间距逐点移动，再以等时间或等间隔位置量取工件在Z轴的坐标。当工件轮廓有明显起伏变化时，需要增加测量点来提高分辨率，最简单的方式是取(X+Z)为常数，X和Z分别是X轴和Z轴的分辨率。当 Z变大时，X相应变小，测量点将更加密集。也就是说，当工件斜率变大时，测量速度减慢，此方法称为速度追踪。,CMM是典型的接触式测量系统，一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。英国RENISHAW公司研制了一种三维力-位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03 mm。
28、这种测头价格昂贵，未在CMM上广泛使用。,使用CMM时必须设定较多参数，包括测头形状、大小、扫描间隔、误差允许量、步进距离、扫描速度、扫描方向等。一般来说，扫描方向与模型陡峭面成正交为佳。由于工件表面形状不一，因此常常要将工件分成不同的区域，使用不同的参数扫描。若测量复杂形状的工件，则比较耗时。CMM的主要优点是测量精度高，适应性强，但一般测量效率低，而且对一些软质表面无法进行测量。现在的三坐标测量机也有使用非接触式测头的。,(2)多轴关节式机械臂。机械臂(Robot)也属于接触式测量仪。机械臂为一关节式机构，具有多自由度，可用作弹性坐标测量机，传感器装置在其爪部，各关节的旋转角度可由旋转编码
29、器获取，由机构学原理可求得传感器在空间的坐标位置。这种测量机几乎不受方向限制，可在工作空间做任意方向的测量。精度不高为其主要缺点，一般常用于大型钣金件模具的逆向工程测量。,2023/3/24,(3)激光扫描测量仪。激光扫描测量仪用于非接触式测量。四自由度激光扫描测量仪工作台具有线性位移及旋转的功能，可带动CCD测头做逐线扫描，并配合工件的旋转完成多角度扫描的功能。扫描过程中只要解决点的密度、扫描范围即可。若遇到不感光或是全反射的表面，则必须喷漆或另外处理。,(4)激光跟踪测量系统。激光跟踪测量系统属球坐标式测量仪器，径向使用激光干涉仪，可做位移测量，角度测量是由两个伺服马达及旋转编码器完成的，
30、工作原理如图6-6所示。测量时，将反射镜沿着工件表面移动，根据四象限位置探测器输出的光电位移信号来驱动两旋转伺服马达，从而保持光线跟踪反射镜，反射镜的逐点移动位置(，)由球坐标的探针可得知。此类设备较适合做大型物体轮廓的测量，如飞机或汽车外型等。,图6-6 激光跟踪测量系统原理图,3)接触式测头及其工作原理接触式测头分为硬式测头(Hard Probe或Mechanical Probe)、触发式测头(Touch Trigger Probe)及模拟式测头(Analog Probe)等三种。其工作原理如图6-7所示。,图6-7 接触式测头工作原理,(1)硬式测头。硬式测头即机械测头，是最早使用的测头
31、，主要用于人工直接操作的手动测量，部分也可用于自动测量。硬式测头多用于精度要求不太高的小型测量机中，成本较低，操作简单。(2)触发式测头。触发式测头采用电子开关机构，当测头碰触到工件表面时，开关变化，将电子信号由On转成Off，即将此时的坐标锁住处理。图6-8为RENISHAW公司的专利产品三点接触触发式测头，任意方向碰触到工件表面都会造成至少一点的机构开关产生变化，使得原先串联的电子通路转换成断路。,图6-8 三点接触触发式测头,触发式测头的触发信号由电子开关控制，其重复性、准确性均较高，可在1 m以内，不受人为因素影响，是现代三维坐标测量机最常用的测头。,(3)模拟式测头。模拟式测头接触工
32、件时会有侧向位移，光栅尺被感应，产生电压变化，此模拟电压信号转换成数字信号送入处理器被记录下来，这种测量方式称为模拟式测量。图6-9所示为德国Zeiss厂生产的双片簧层叠式三维电感测头结构。在转接器上布置有五个探针，可以进行探针互换，其中，X向有两个、Y向有两个、Z向有一个，可方便地对工件进行触测。通过更换探针，使Z方向除能进行上端面的测量外，还可以进行下端面的测量。,图6-9 Zeiss三维电感测头,使用模拟式测头时，须保持测头与工件的接触，位移量超出测头测量范围时，须控制机台的移动，以使测头回到其测量范围内。因模拟式测量为连续测量，无绝对坐标，故不能中途离开工件表面。这种测量适用于曲率平滑
33、的曲面，不适用于曲率大的工件表面。这种测头常用于数控机床上做在线检测。,4)非接触式测头及其工作原理非接触式测头一般用于不规则曲面的测量。非接触式测头主要以光学测头为主，随着光电子技术的发展，光学测头已是探测技术的一个重要发展方向。光学测头一般基于三角法测量原理，以激光作为光源，其结构模式可分为点测量、线测量及面测量三种，如图6-10所示。激光照射到被测物体表面，光电敏感元件在另一位置接收激光的反射光，根据光点或光条在物体上成像的偏移，由被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。,图6-10 非接触式三角法测量模式,视觉测量基本原理 随着CCD等光电器件的快速发展，以三角法测量
34、技术为基础的快速轮廓视觉测量技术得到应用。视觉测量一般也使用三种激光光源：点结构光、线结构光和面条纹结构光。图6-12所示为使用线结构光测量物体表面轮廓的结构示意图。为增加测量速度，常将点结构光改成扫描式线结构光，这也是目前应用最广泛的一种方法。用激光穿过平行等距直线的振幅光栅组件，或使用干涉仪形成直线干涉条纹，即面条纹结构光，将此面条纹结构光投射到工件表面，由于表面曲率或深度的变化使条纹变形，利用CCD摄像机摄取此变形条纹的图像，即可分析物体表面轮廓的变化。使用面条纹结构光测量工件轮廓，可省去扫描机构，测量速度快，但分辨率受到限制，表面曲率过大时，会出现断线现象。,图6-12 线结构光测量物
35、体表面轮廓的结构示意图,视觉测量中使用的CCD(Charge Coupled Device)是一种数组式的光电耦合检像器，称为电荷耦合器件，摄取图像时类似传统相机底片的感光作用，是视觉系统获取三维信息最直接的来源。CCD 摄像机将视频信号转换成模拟信号，经过信号线传输到计算机的图像处理卡上，图像卡再把模拟信号转换成数字信号。图像数字化之后，计算机上所得到的图像数据是由多个像素组成的，每个像素都有其特定的坐标，且对应于物体上的每一个点。每个像素的值一般称为灰度值，若图像卡采用8位的A/D转换，则灰度值可从0变化到255。,将CCD摄像机所摄取的图像按像素作图像处理，便可将图像转换成三维轮廓图像。
36、数字化的图像质量好坏与其分辨率有密切的关系，分辨率越高，图像的质量越好。分辨率有空间分辨率和亮度分辨率两种。空间分辨率越高，表示一张图像被分割成越多的像素，图像的质量自然越好，但是要付出大量的存储空间和处理时间。亮度分辨率指一个像素所能表示亮度变化的范围，即像素的灰度值的变化范围。,立体视觉测量技术 立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个(或多个)摄像机拍摄的图像中的视差，以及摄像机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个(或多个)摄像机共同视野内的目标特征点进行测量，而无需伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字
37、图像中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了将具有空间编码特征的结构光投射到被测物体表面上制造测量特征的方法，有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。,3.测量数据预处理技术 产品外形数据是通过坐标测量仪来获取的，一方面，无论是接触式的数控测量机，还是非接触式的激光扫描机，都不可避免地会引入数据误差，尤其是尖锐边和产品边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面；另一方面，由于实物几何和测量手段的制约，在数据测量时，会存在部分测量盲区和缺口，给后续的造型带来影响。所以，需要对测量数据进行平滑处理，对不同方位测量的多视数据进行对
38、齐定位，对不同特征区域的数据进行分割。,1)数据平滑数据平滑的目的是消除测量噪声，以得到精确的模型和好的特征提取效果。数据平滑通常采用高斯(Gaussian)、平均(Averaging)或中值(Median)滤波算法，滤波效果如图6-13所示。高斯滤波器在指定域内的权重为高斯分布，其平均效果较小，故在滤波的同时能较好地保持原数据的形貌。平均滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计平均值。中值滤波器采样点的值取滤波窗口内各数据点的统计中值，这种滤波器消除数据毛刺的效果较好。,图6-13 三种常用的滤波方法,2)多视数据对齐定位 在逆向工程过程中，对实物样件进行数字化时，往往不能在同一坐标系下将
39、产品的几何数据一次测出。其原因：一是产品尺寸超出测量机的行程；二是在部分区域测量探头受被测实物几何形状的干涉阻碍以及不能触及产品的反面。这时，就需要在不同的定位状态(即不同的坐标系)下测量产品的各个部分，这种情况多见于接触式三坐标测量机，得到的数据为多次测量数据。,对激光扫描测量，需要从不同的角度对样件的各个面及样件局部进行放大扫描，以获取样件的多视点云。通常为处理方便，将两种情况的数据都称为多视数据或点云。由于在几何模型构建时必须将这些不同坐标系下的多视数据变换或统一到同一个坐标系中，因而这个数据处理过程称为多视数据的对齐(Registration)，或称数据拼合、重定位等。,3)数据分割在
40、造型之前还要进行的一个重要工作是数据分割(Points Data Segmentation)。数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一子曲面类型的数据分成组，这样，全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域，为后续的曲面模型重建提供方便。,数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种方法。基于测量的分割是在测量过程中，操作人员根据实物的外形特征将外形曲面划分成不同的子曲面，并对曲面的轮廓、孔、槽边界及表面脊线等特征进行标记，在此基础上进行测量路径规划。这样，不同的曲面特征数据将保存在不同的文件中，输入CAD 软件时，可以实现对不同数据类型的分层处理及显示，为造型提供极大的方便。这
41、种方法适合于曲面特征比较明显的实物外形和接触式测量，操作者的水平和经验对结果将产生直接影响。,自动分割方法有基于边(Edge-Based)和基于面(Surface-Based)两种基本方法。基于边的分割分成两步：边识别和连接。边识别是找出曲面间数据点表示的边界，然后连接相关点形成连续边。基于面的方法是尝试推断出具有相同曲面性质的点，然后进一步决定所属的曲面，最后由相邻的曲面决定曲面间的边界。对于包含二次曲面的实物外形，基于面是一种较好的分割方法，但不适用于自由曲面。,4.模型重建技术在逆向工程中，实物的三维CAD模型重建是整个过程最关键、最复杂的一个环节。这是因为，后续的产品加工制造、快速原型
42、制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品的再设计等应用都需要CAD数学模型的支持，这些应用都不同程度地要求重建的CAD模型能准确地还原实物样件。所以，点数据的处理、曲面的构建方式以及完整的修编和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建中相当重要的部分。,1)曲线拟合造型曲线是构建曲面的基础，在逆向工程中，一种常用的基于曲线的模型重建方法是：先将数据点通过插值(Interpolation)或逼近(Approximation)拟合成样条曲线(或参数曲线)，然后利用造型工具(如Sweep、Blend、Lofting等)完成曲面片造型，再通过延伸、剪裁和过渡等曲面编辑，得到完整的曲面模型。图6-14给出了基于曲线
43、的模型重建过程。,(1)曲线拟合(插值与逼近)。给定一组有序的数据点Pi(i=0，1，n)，这些点既可以是从实物测量得到的，也可以是设计人员给出的，要求构造一条曲线顺序通过这些数据点，称为对这些数据点进行插值，所构造的曲线称为插值曲线，所采用的数学方法称为曲线插值法。把曲线插值推广到曲面，类似地就有插值曲面与曲面插值法等。以插值方式来建立曲线，其优点是所得到的曲线能够通过所有测量的点数据，因此曲线与点数据的误差为零；缺点是当点数据过大时，曲线控制点也相对增多。插值法的过程如图6-15所示。,如果测量得到的数据点误差较大，构造一条曲线严格通过给定的一组数据点，则所建立的曲线将不平滑，尽管可以对数
44、据进行平滑处理，但会丢失曲线或曲面的几何特征信息。这时，可构造一条曲线使之在某种意义下最为接近给定的数据点，称之为对这些数据点进行逼近，所构造的曲线称为逼近曲线，所采用的数学方法称为曲线逼近法。类似地，可将曲线逼近推广到曲面。,采用逼近法，首先指定一个允许的误差值，并设定控制点的数目(曲线的)，基于所有测量数据点用最小二乘法求出一条曲线后，计算测量点到曲线的距离。若最大的距离大于设定的误差值，则需增加控制点的数目，重新以最小二乘法拟合曲线，直到误差满足为止，如图6-16所示。,(2)曲线修编。当通过插值或逼近得到拟合曲线后，在进行曲面造型之前，应通过各种编辑功能对曲线进行修形操作，一方面是修补
45、由于测量数据的不完整带来的拟合曲线缺陷；另一方面，从曲面造型的角度出发，也要求曲线具有完整、连续、光滑的特点，以保证生成曲面的光顺性。曲线的编辑操作主要是依据CAD软件提供的各种编辑功能进行的。,(3)基于曲线的曲面重建。在曲线造型完成后，可以通过不同的曲面造型方法进行曲面模型的重建工作。主要的曲面造型方式有边界曲线、N边曲面、平行曲面、扫掠、混合、旋转、拉伸和直纹面等。,2)曲面拟合造型上面介绍的先根据数据点拟合成曲线，再由曲线进行曲面造型的方法通常适合于数据量不大且数据呈有序排列的情况。如果数据量较大(如点云数据)且数据呈无序排列，则可以采用曲面模型重建的另一种方法，即直接对测量数据点进行
46、曲面片拟合，获得曲面片后，经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。其过程如图6-17所示。曲面直接拟合造型既可处理有序点，也能处理点云数据。,3)曲面编辑逆向工程软件中的曲面编辑工具与一般CAD软件相似，主要有曲面延伸、曲面修剪、曲面参数重新定义等，较高级的软件则会提供用拖曳曲面控制点编辑曲面的工具，或曲面平滑化、曲面贴合点数据等。在曲面编辑之前，如能利用软件的分析功能来充分掌握各构建曲线的精度与控制点，则构建出高质量曲面的可能性较大。,4)点数据网格化目前多数的商品化CAD/CAM系统都是以实体模型为基础的，因为有限元分析、快速原型制造等应用都需要实体模型的支持。但逆向工程的模型重建一般是先
47、构建曲面，如果需要，再将曲面表示转换为实体模型，因此，模型也多采用曲面表示，造型系统也多为曲面造型系统。但在曲面转换为实体时，常常会出现一些问题，存在不能转换的区域和转换失败的现象。网格化实体模型表示物体形状能实现计算的自动化和少的冗余,多边形网格表示已取代曲面模型表示，快速原型技术和部分CAM系统也可用网格化实现加工。,5)模型精度的评价在逆向过程中，我们从产品的实物模型重建得到了产品的 CAD 模型，然而，重建得到的模型和实物样件的误差到底有多大，所建立的模型是否可以接受，根据模型制造的零件是否与数学模型相吻合等，回答这些问题还需要对模型进行精度评价。,(1)模型精度评价指标。精度反映逆向
48、工程重建模型和实物以及模型和产品之间差距的大小。评价指标分为整体指标和局部指标，还可分为量化指标和非量化指标。整体指标指的是实物或模型的总体性质，如整体几何尺寸、体积、面积(表面积)以及几何特征间的几何约束关系，如孔、槽之间的尺寸和定位关系。局部指标指的是曲面片与实物对应曲面的偏离程度。量化指标指精度的数值大小；非量化指标主要用于曲面模型的评价，如面的光顺性等，主要通过曲面的高斯曲率分布、光照效果、法矢和主曲率图检验光顺效果，并参照人的感官评价。,(2)模型精度评价方法。曲线和曲面品质分析方法主要是分析曲面的光顺性，尽管可以通过曲面的曲率变化来评价光顺效果，但并无具体的曲率值作依据，多数场合，
49、还是以人的眼光来判断曲面是否光顺(观察曲率图、矢量图和反射线图等)。因此，光顺性评价归入非量化指标。目前，商品化的CAD/CAM集成系统都具有曲线和曲面品质分析功能和多种分析方法，常用的如高斯曲率(Guassian Curvature)、截面曲率(Section Curvature)、切矢(Slope)、双向曲率(Porcupine)、法向矢量(Normals)等。利用这些分析方法，通过着色渲染来观察曲面曲率变化，以此来评估曲线和曲面的质量。,曲面的连续性大致分为位置连续、切线连续与曲率连续。位置连续(0阶连续)：表示曲线间或曲面间仅有边界上相接的关系。这种相接的关系可能形成一个尖锐的边界。切
50、线连续(1阶连续)：说明曲线间或曲面间的连续处有相同的切线角度。切线连续可以满足工业上大多数的需求。曲率连续(2阶连续)：要求曲线间或曲面间的连续处有相同的曲率。曲率连续曲面不太容易构建，一般用于流线外形的汽车等特殊产品。,5.逆向工程软件目前，逆向工程软件种类繁多，著名的有英国DelCAM公司的CopyCAD，美国Imageware公司的Surfacer，美国Raindrop公司的Geomagic，英国MDTV公司的STRIM。在一些流行的CAD/CAM集成系统中也开始集成了类似的功能模块，如Pro/ENGINEER中的Pro/Scantools和ICEM Surf模块，UGII 中的Poi
