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1、第三章 逆向工程设计,2023/8/2,机电工程系 李晓芳,逆向工程（又称逆向技术），是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标产品进行逆向分析及研究，从而演绎并得出该产品的处理流程、组织结构、功能特性及技术规格等设计要素，以制作出功能相近，但又不完全一样的产品。逆向工程源于商业及军事领域中的硬件分析。其主要目的是，在不能轻易获得必要的生产信息下，直接从成品的分析，推导出产品的设计原理。逆向工程可能会被误认为是对知识产权的严重侵害，但是在实际应用上，反而可能会保护知识产权所有者。例如在集成电路领域，如果怀疑某公司侵犯知识产权，可以用逆向工程技术来寻找证据。,什么是逆向工程,？,逆向工程是由高速三
2、维激光扫描机对已有的样品或模型进行准确、高速的扫描，得到其三维轮廓数据，配合逆向软件进行曲向重构，并对重构的曲面进行在线精度分析、评价构造效果，最终生成IGES(初始化图形交换规范)或STL(标准模块库)数据，据此就能进行快速成型或CNC（计算机数字控制机床）数控加工。,样品数据产品,模型曲面分析,确定扫描方案,进行实体点云扫描,进行实体建模,进行点云数据处理,建立需要的曲线,建立曲面,逆向建模的一般流程图,逆向工程的工作流程示意图,测量前分析,采集数据,数据预处理,模型分析,数据分块,曲面重构（二次曲面、自由曲面、规则曲面）,模型内涵的设计思想,数据分块,目标模型,待测模型,1.接口设计。由
3、于互操作性，逆向工程被用来找出系统之间的协作协议。2.军事或商业机密。窃取敌人或竞争对手的最新研究或产品原型。3.改善文档。当原有的文档有不充分处，又当系统被更新而原设计人员不在时，逆向工程被用来获取所需数据，以补充说明或了解系统的最新状态。4.软件升级或更新。出于功能、合规、安全等需求更改，逆向工程被用来了解现有或遗留软件系统，以评估更新或移植系统所需的工作。,逆向工程产生的动机,？,5.制造没有许可/未授权的副本。6.学术/学习目的。7.去除复制保护和伪装的登录权限。8.文件丢失：采取逆向工程的情况往往是在某一个特殊设备的文件已经丢失了（或者根本就没有），同时又找不到工程的负责人。完整的系
4、统时常需要基于陈旧的系统上进行再设计，这就意味着想要集成原有的功能进行项目的唯一方法，便是采用逆向工程的方法，分析已有的碎片进行再设计。9.产品分析：用于调查产品的运作方式，部件构成，估计预算，识别潜在的侵权行为。,逆向工程应用领域,1.工业产品的检测与测量、产品及模具的逆向工程(汽车，航空，家电工业)2.零部件形状变形检测、形状测量、研究测量、工业在线检测3.模具设计与检测领域4.人体数字化、服装CAD、人体建模、人体数字雕塑、三维面容识别5.医学仿生、医学测量与模拟、整形美容及正畸的模拟与评价6.三维彩色数字化、数字博物馆、有形文物及档案的管理、鉴定与复制7.三维动画影片的制作、3D游戏建
5、模、三维游戏中三维模型的输入与建立,逆向工程的作用,？,逆向工程被广泛地应用到新产品开发和产品改型设计、产品仿制、质量分析检测等领域，它的作用是：1、缩短产品的设计、开发周期，加快产品的更新换代速度；2、降低企业开发新产品的成本与风险；3、加快产品的造型和系列化的设计；4、适合单件、小批量的零件制造，特别是模具的制造，可分为直接制模与间接制模法。直接制模法：基于RP技术的快速直接制模法是将模具CAD的结果由RP（快速成形技术）系统直接制造成型。该法既不需用RP（RPM(快速原型制造)：Rapid Prototyping Manufacturing）系统制作样件，也不依赖传统的模具制造工艺，对金
6、属模具制造而言尤为快捷，是一种极具开发前景的制模方法；间接制模法：间接制模法是利用RP技术制造产品零件原型，以原型作为母模、模芯或制模工具(研磨模)，再与传统的制模工艺相结合，制造出所需模具。,随着计算机辅助设计的流行，逆向工程变成了一种能根据现有的物理部件通过CAD、CAM、CAE（计算机辅助工程）或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。逆向工程的过程采用了通过丈量实际物体的尺寸并将其制作成3D模型的方法，真实的对象可以通过如激光扫描仪，结构光源转换仪或者X射线断层成像这些3D扫描技术进行尺寸测量。逆向工程能在拥有现有物理部件之上，利用激光扫描仪、结构光源转换仪或X射线断层成像之类3D扫描仪技术进
7、行尺寸测量，再通过CAD、CAM、CAE或其他软件构筑3D虚拟模型的方法。,逆向工程的设备,三维扫描技术分类,声学式,三角形法,轮廓投影法,成像法,光学式,磁学式,触发式,扫描式,接触式,非接触式,三维扫描技术,从三维数据的采集方法上来看，非接触式的方法由于同时拥有速度和精度的特点，因而在逆向工程中应用最为广泛。,一、工业级数控三坐标测量机,一、工业级数控三坐标测量机,1、测量原理三坐标测量机是测量和获得尺寸数据的最有效的方法之一，因为它可以代替多种表面测量工具及昂贵的组合量规，并把复杂的测量任务所需时间从小时减到分钟。三坐标测量机的功能是快速准确地评价尺寸数据，为操作者提供关于生产过程状况的
8、有用信息，这与所有的手动测量设备有很大的区别。将被测物体置于三坐标测量空间，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，经计算求出被测物体的几何尺寸，形状和位置。,2023/8/2,演示视频1,演示视频2,2023/8/2,2、应用主要用于机械、汽车、航空、军工、家具、工具原型、机器等中小型配件、模具等行业中的箱体、机架、齿轮、凸轮、蜗轮、蜗杆、叶片、曲线、曲面等的测量，还可用于电子、五金、塑胶等行业中，可以对工件的尺寸、形状和形位公差进行精密检测，从而完成零件检测、外形测量、过程控制等任务。3、特点单边活动桥式结构，显著提高运动性能，确保测量精度及稳定性。三轴导轨均采用高精密天
9、然花岗岩，具有相同的温度特性及刚性。三轴导轨均采用自洁式预载荷高精度空气轴承，运动更平稳，导轨永不受磨损。RENISHAW自粘开放式金属光栅尺，更接近花岗岩基本的热膨胀系数，提高了设备的稳定性。,一、工业级数控三坐标测量机,二、绝对关节臂测量机,二、绝对关节臂测量机,1、主要功能对零件进行测量、检查和验证逆向工程产品比较/产品分析快速原型设计：对示例部分或物理模型进行扫描，并转换为CAD模型，如同三维打印机。仿形铣：由扫描点云数据直接复制生产产品。2、应用钣金件、冲压件、模型配件、模具、结构和装饰五金、复合材料、机加工件、管件及其组件、车身和底盘、玻璃纤维结构。应用领域：汽车及其零部件制造商、
10、汽车内饰、航空航天零部件制造商、重型设备及其零部件制造商、船舶和造船、机械制造、家具制造业、土木工程、新能源及其零部件制造商、轨道交通。,2023/8/2,三、三维激光扫描仪,三维激光扫描技术是近年来出现的新技术，在国内越来越引起研究领域的关注。它是利用激光测距的原理，通过记录被测物体表面大量的密集的点的三维坐标、反射率和纹理等信息，可快速复建出被测目标的三维模型及线、面、体等各种图件数据。由于三维激光扫描系统可以密集地大量获取目标对象的数据点，因此相对于传统的单点测量，三维激光扫描技术也被称为从单点测量进化到面测量的革命性技术突破。,2023/8/2,三维激光扫描技术在文物古迹保护、建筑、规
11、划、土木工程、工厂改造、室内设计、建筑监测、交通事故处理、法律证据收集、灾害评估、船舶设计、数字城市、军事分析等领域也有了很多的尝试、应用和探索。,三、三维激光扫描仪,2023/8/2,四、照相式扫描仪,“照相式”扫描仪是针对工业产品涉及领域的新一代扫描仪，与传统的激光扫描仪和三座标测量系统比较，其测量速度提高了数十倍。由于有效的控制了整合误差，整体测量精度也大大提高。,2023/8/2,其采用可见光将特定的光栅条纹投影到测量工作表面，借助两个高分辨率CCD数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅测量原理，可在极短时间内获得复杂工作表面的完整点云。其独特的流动式设计和不同视角
12、点云的自动拼合技术使扫描不需要借助于机床的驱动，扫描范围可达12M，而扫描大型工件则变得高效、轻松和容易。其高质量的完美扫描点云可用于汽车制造业中的产品开发、逆向工程、快速成型、质量控制，甚至可实现直接加工。,四、照相式扫描仪,2023/8/2,非接触光学三维扫描仪，其结构主要由光栅投影设备及两个工业级的CCD Camera所构成，由光栅投影在待测物上，并加以粗细变化及位移，配合CCD Camera将所撷取的数字影像透过计算机运算处理，即可得知待测物的实际3D外型。,四、照相式扫描仪,2023/8/2,照相式三维扫描仪采用非接触白光技术,避免对物体表面的接触,可以测量各种材料的模型,测量过程中
13、被测物体可以任意翻转和移动,对物件进行多个视角的测量,系统进行全自动拼接,轻松实现物体360高精度测量。并且能够在获取表面三维数据的同时,迅速的获取纹理信息,得到逼真的物体外形,能快速的应用于模具制造行业的扫描。,四、照相式扫描仪,2023/8/2,三维扫描仪工作流程,测量数据展示,Imageware：主要用于曲面造型。将STL模型作为参考数据进行逆向造型设计。Geomagic Studio：主要用于点云的前期处理。噪声去除，平滑，修补，封装成STL模型等。CopyCAD：能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。RapidF
14、orm：RapidForm 是韩国 INUS 公司出品的全球四大逆向工程软件之一，RapidForm 提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为 3D Scan 后处理之最佳化的接口。RapidForm 也将使您的工作效率提升，使 3D 扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。,逆向工程的软件,我国制造业进入了一个蓬勃发展的新时期，这必然对掌握现代制造技术的技术人才形成了巨大需求，目前国内大部分的高校未涉足“逆向工程设计”专业，在广东江苏等沿海城市，出现十万年薪难请“逆向工程”设计师的现状。,逆向工程应用前景,2023/8/2,光栅三维扫描仪操作步骤,一、软件安装,
15、二、硬件安装,三、主显示分辨率设置与光栅分辨率设置,四、校准,五、扫描,2023/8/2,光栅三维扫描仪操作手册,一、软件安装,三维扫描软件FlexScan3D 的安装采用普通的向导安装方式，与其他软件的安装方式相同。既可以完全傻瓜化安装，也可以采用定制式安装方式。,安装完成后，桌面上会自动创建三维扫描软件图标，在电脑USB端口插入软件狗后，双击 FlexScan3D 图标即可进入扫描软件界面。,注：软件狗为无驱动型，第一次插入电脑USB端口后，会自动识别并安装驱动，稍候几分钟，系统提示安装成功即可。,2023/8/2,1。三维扫描仪光栅主机身，与金属结构件联在一起；2。两只高精度工业视觉相机
16、（也可为一只或多只，依据型号配置有差异）；3。两只高精度工业视觉镜头（也可为一只或多只，依据型号配置有差异）并与工业相机联接在一体；4。三脚架一套5。5mm/10mm/15mm玻璃标准校准板两件，并附一次性标准校准纸若干张；6。FlexScan3D pro专用授权软件狗一只；7。USB 2.0或3.0工业线缆两条；8。光栅VGA电脑信号线缆一付（2m加3m延长线），电源线缆一付（2m加3m延长线）。,二、硬件安装,2.1三维扫描仪包含的组件,2023/8/2,二、硬件安装,2023/8/2,二、硬件安装,2.2三维扫描仪硬件的安装,第一步：三脚架的组装,打开随新机配备的三脚架包装包，取出三脚架
17、主体一付，三脚滚轮三只，松开对应部位的锁紧螺丝，可以调整三脚架的各个部位，调整至适当角度，以方便后面的使用。,将光栅主机背面的快装卡扣，安装到三角架快装板上，将工业相机安装到支架上。,2023/8/2,二、硬件安装,2.2三维扫描仪硬件的安装,安装完成图：,2023/8/2,二、硬件安装,2.2三维扫描仪硬件的安装,第二步:与电脑联接,确认显卡接口，联接光栅；设置光栅分辨率通过USB2.0接口联接至工业相机（严禁将工业相机USB线插接到电脑前面板上。）分配镜头,电脑显卡：确保独立电脑显卡的信号输出口至少为两个，如图所示。一般显卡主显示信号1#为DVI接口（白色宽口），兰色2#VGA口为光栅信号
18、。,第二步：与电脑的联接,2023/8/2,二、硬件安装,2.2三维扫描仪硬件的安装,将光栅仪连接到电脑显卡：,2023/8/2,2.2三维扫描仪硬件的安装,三、主显示分辨率设置与光栅分辨率设置,电脑首次连接扫描仪，需设定显示器和扫描仪的分辨率，方法如下：,1.确认扫描仪连线正确后，在屏幕桌面上点击鼠标右键点击“屏幕分辨率”，会弹出下图对话框，点击“检测”。,2023/8/2,2.系统会检测到有两个显示器，然后点击“识别”按钮。,2023/8/2,3.按照下图所示，选择显示器，设定“分辨率”为主显示器最佳分辨率，建议使用19寸以上的宽屏液晶显示器，分辨率在1440X900以上为好，点选“使它成
19、为我的主显示器”左侧的方框。,2023/8/2,4.用鼠标左键选中显示器，设定光栅的最佳分辨率为1024X768，点击鼠标右键“属性”弹出如图对话框：点击“列出所有模式”。,2023/8/2,5.选择“1024768 真彩色(32位)60赫兹”，点击“确定”和“应用”，完成显示器和扫描仪光栅机的分辨率设置。,2023/8/2,四、校准,光栅式三维扫描仪是一种使用2D成角拍照方式获得3D空间图形的工具。由于搬运过程中会出现拆装情况，使得光栅与工业相机的固定位置和角度发生变化，所以在正确使用前，必须做校准工作。校准工作是处理扫描数据的基准，只有基准精确了，扫描所得数据才会准确。,注：这一步是扫描仪
20、正常工作的基础，非常重要！校准完成后，请勿调整相机、镜头和光栅镜。如果进行了调整，则需重新校准！,2023/8/2,1.扫描仪工作的类型,依照不同的校准方式“精睿”光栅式三维扫描仪可以进行不同的工作方式。其中校准方式中有：单镜头扫描（Single）双镜头扫描（Duo）多镜头阵列式扫描（Multi）。,2023/8/2,单镜头扫描使用一只工业相机与一个光栅机一起协同工作。扫描时通过比对镜头拍摄图像与光栅投射图像之间的对比关系，计算测量出扫描仪与目标物之间的距离，从而获得物体的三维空间位置，形成3D模型。单镜头扫描，可以获得物体的最大有效面积，扫描结果比较完整。,Single单镜头扫描,双镜头扫描
21、使用两只工业相机与一个光栅机一起协同工作。校准时两只镜头同时工作，所拍摄的图像通过软件比对，计算测量出扫描仪与目标物体之间的距离，从而得出三维物体的空间位置，形成3D模型。这种方式扫描出的结果精度最高。,Duo双镜头扫描,2023/8/2,多镜头阵列式扫描，可以使用多组单镜头扫描或多级双镜头扫描，或单镜头与双镜头组合方式进行扫描，它可以同时使多个扫描装置协同工作，在同一物体的不同角度同时进行多角度扫描，提高扫描效率，并具备瞬间抓取物体的多个角度。这种工作方式同具备以上两方式的工作特点。,Multi多镜头阵列式扫描,2023/8/2,扫描校准类型对比,2023/8/2,2.校准前的准备工作（以双
22、镜头校准为例）,2.1 双击三维扫描桌面主程序，,2.2 点击“Settings”(设置)栏，修改默认项目路径和默认校准路径，默认项目路径和默认校准路径的文件名不要修改，如下图。,，进入扫描程序界面。,2023/8/2,2.3 设置完成后，退出扫描程序，即可进行下一步工作。,注意：扫描软件不支持中文目录，请不要设置在任何含中文字符的目录里，否则扫描仪无法正常工作！,2.4 双击三维扫描桌面主程序，,进入扫描程序界面，点击校准（Calibration）,进入校准界面。,2023/8/2,2.5 点击新建（New Calibration）,注：校准项目名称，必须使用字母或数字，目前不识别中文,20
23、23/8/2,扫描仪的左右位置关系，以操作者站在扫描后部位置，并向镜头朝向的方向看去，扫描仪自身的左边为镜头的“左镜头”，在镜头选择上为第一个镜头；扫描仪自身的右边为镜头的“右镜头”，在镜头选择上为第二个镜头。,2.6 点击“确认”后开始选择镜头ID身份，以确保两只镜头的左右分布。,2023/8/2,说明：工业相机本身具有唯一的序列号，软件系统对于相机的识别也是通过这个唯一的设备ID号进行身份的确认。目前我们使用的工业相机类型为原装德国UEYE系列，因此相机只能选择它。,2023/8/2,2.7 依次选定“Camera1”“Camera2”点击“OK”,2.8 在“Projector”栏选择光
24、栅仪。在“Calibration Board Square Size”(校正板方格尺寸)下的Size对话框输入标定板尺寸。点击右侧齿轮状按钮，显示/隐藏镜头图像如图所示,2023/8/2,2.9 如图所示，在图样“Pattern”栏，调整投影图样成聚焦“Focusing”,2023/8/2,2.10 把校准板放置在扫描仪前方，确定扫描距离。精睿系列三维扫描仪最近距离可调节至25cm。,注：扫描距离可根据被扫描样品的大小、精细度等来调节。扫描小而精细度高的模型可以调近距离。反之，大尺寸模型可适当调远距离。,2023/8/2,2.11 旋转镜头焦距调节环，调节焦距，使投影到校准板上的光栅至最清晰状
25、态。,旋转调节焦距,2023/8/2,2.12 如图所示，将鼠标移动到镜头显示图像的位置，点击上方的按钮调整成直方图显示“line”模式。,调节曝光延时,2023/8/2,根据波浪线调节相机的光圈，使波浪线基本位于四分之三位置，并趋于平稳状态。如调节相机光圈不能调节好曝光度，可调节曝光延时。,注：两只相机的曝光延时时间，建议采用16.667毫秒或33.3333毫秒。,2023/8/2,2.13 如下图所示，把曝光曲线改成图像检视（放大镜）图像模式，将镜头焦距调节至最清晰状态。,、,2023/8/2,2.14 如下图所示，旋转相机球台把镜头显示的红色十字线移动到黑色十字中心位置。,2023/8/
26、2,点击自动估算“Estimate”，估算投影延时。,2023/8/2,3.校准,3.1 数据采集。将校准板安放在镜头前，观察电脑屏幕上的两个窗口，能显示出校正板上的所有方块时，点击采集“capture image”进行采集数据。,3.2 变换校准板的位置，可以上下、左右、前后移动，多次、多角度进行数据采集（建议采集30-40次），以确保更佳校正效果。,2023/8/2,校准板推荐摆放位置，为其在相机显示窗口的左上，中上，右上；左中，中中，右中；左下，中下，右下的极限位置，以校准板的可视范围不超出两个镜头图像为原则。在下图九个极限位置分别前、中、后移动校准板，依次进行数据采集。,2023/8/
27、2,3.3 采集完成后点击校正“CALIBRATE”开始校准。,校正,采集,2023/8/2,校准结果如下图所示。提示：覆盖率尽量超过75%，标准点间距越小越好。点击“OK”，校准操作完成。,图中，左右黑白图块分别表示Camera1、Camera2左右镜头的数据采集分布情况，分布越均匀，扫描结果越好。黑色部分为校准板的方格没有放置采集的区域，建议将校准板放置到这个位置，进行补充扫描。下方的黑白分布图为Z值也就是目标物体距离扫描仪位置的距离范围，物体的最佳成像状态，就在这个范围内；出了这个范围，则成像效果差，扫描精度会打折扣。,2023/8/2,完成以上校准操作后，扫描仪进入扫描工作状态。,再次
28、强调：校准工作是扫描仪正常工作的基础，非常重要！校准完成后，可随意调整三角架的位置、角度和高度进行样品扫描，但扫描过程中切勿调整相机、镜头和光栅镜。如果进行了调整，则需重新校准！,2023/8/2,五、扫描操作,1.扫描前工作准备：,对于表面过于灰暗或光亮的物体，应对样品的表面进行处理后再实施扫描，以便获得更好的扫描数据。建议使用现像剂，其优点是：1.颗粒小不影响模型特征 2.易清洗 3.不损坏模型,使用方法：喷嘴距样品20-25cm，均匀喷涂样品表面。,2023/8/2,2.样品扫描工作开始,2.1 点击“project”进入扫描操作界面。2.2 设定扫描参数，选择扫描数据的格式。下图红圈中
29、，由上至下依次为“Mesh(网格)”，“Points(点云)”“Capture Only(仅平面图片)”。,2023/8/2,选择对齐方法，下图红圈中由上至下依次为：“None(不对齐)”，“MeshGeometry(曲面特征)”，“Marker(标记点)”，“Rotary(旋转对齐)”。,2023/8/2,2.3 调整被扫描物体与镜头的距离和角度，距离是根据校正距离而定。,2.4 点击“SCAN”开始样品扫描。,2.5 在之前的对齐方法里选择“Marker”可自动对其拼接。,2023/8/2,如在选择对齐方法时，点选了“None(不对齐)”，在扫描完成后可进行手动对齐操作，方法如下：用鼠标旋
30、转第二片扫描的数据模型，旋转到与第一片扫描模型相近角度后，拖动第二片扫描模型使两片数据接近重合，点击下图红圈内的“Alignment”右下角的三角符号，弹出子菜单选择物体体征对齐“Meshg Geometry”再点击”Align”系统会计算两片数据的重合点，并自动拼接对齐。,2023/8/2,鼠标操作方法见下图：,按住左键拖旋转模型,按住右键拖动放大缩小模型,左键+ctrl+shft选择模型,左右键Alt平移模型,左右键平移,左键+Crl选择点云,左键+Alt转曲面,2023/8/2,2.6 全部曲面对齐后，选中全部扫描数据，点击下图红圈内的“Alignment”右下角的三角符号，弹出子菜单选择物优化对齐，点击下图中的“Fine Alignment”进行优化对齐。,2023/8/2,2.7 合并模型：点击Combine 向下箭头选择Apply Fine Alignment 然后点击 Combine。等待计算合并。,计算完成后点击“Finalize”封装模型 操作如右图,2023/8/2,2.8 导出模型：点击“Export(导出)”图标下方的下拉箭头，选择模型的导出格式（本程序可导出“STL、OBJ”等格式），导出模型。,2.9 将样品的三维扫描模型导出后，可调入到相关三维逆向软件中，进行模型的修整优化处理。,2023/8/2,
