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1、本课程内容,1、逆向工程概述2、逆向工程系统3、Imageware 逆向工程设计4、UG 逆向工程设计,课程总学时36学时，其中：课堂教学18学时，教学实践：18学时，（实验）2学时，（上机）16学时。,第一章 逆向工程概述,1、产品的开发、制造流程2、逆向工程的含义 3、逆向工程的应用 4、逆向工程的局限性,1-1 产品的开发、制造流程,产品设计开发的发展过程：,1、手工设计,2、计算机辅助二维设计,3、计算机辅助三维设计,4、集成辅助设计系统（CAD/CAM/CAE）,1-2 逆向工程的含义,正向产品开发流程,1-2 逆向工程的含义,逆向工程与正向工程设计完全相反，逆向工程技术是根据已经存
2、在的产品或模型，用一定的测量设备对实物或模型进行测量，获得三维轮廓点数据，再根据测量得到的数据通过三维几何建模的方法重新构建实物的CAD模型，反向推出产品的设计数据的过程。,1-2 逆向工程的含义,逆向工程流程,1-2 逆向工程的含义,逆向工程流程,1-2 逆向工程的含义,逆向工程流程,1-2 逆向工程的含义,逆向工程流程,1-3 逆向工程的应用,1、新产品设计，主要用于产品的改型或新型设计。2、在对产品外形的美学有特别要求的领域。3、在设计需要通过实验测试才能定型的产品模型。4、已有零件的复制，再现原产品的设计意图。5、损坏或磨损零件的还原。6、代替难用基本几何来表达的产品。7、数字化模型的
3、检测。,1-4 逆向工程的局限性,逆向工程最突出的问题是客观模型与CAD模型之间的造型误差。影响误差的原因可分为以下4个主要因素。1、从测量设备来说，不管是接触式还是非接触式的，测量设备都会有一定的误差。2、CAD曲面重建会有误差。3、在产品加工中会产生误差，因为加工是从参数模型到实际模型的又一次近似。4、从采集点数据到加工成品的过程中有不同的操作者和设计人员参与，在整个产品的设计制造过程中会产生人员的主观误差。,1-4 逆向工程的局限性,逆向工程其他的局限性还有：1、如何从点数据资料进行分割曲面和规划曲面，需要工程技术人员的判断，无法参数化，或以数值量化；2、曲面构建完成后，需要再对比确认，
4、若点数据和曲面的误差超过允许范围，则需要微调曲面，所化时间较多；3、目前的CAD/CAM/CAE软件仍无法以参数化的方式构建曲面CAD模型，因此在修改、变动曲面时，相邻的曲面也需要修改。,第二章 逆向工程系统,1、逆向工程测量系统2、数据处理系统3、模型重建系统 4、产品制造系统,2-1 逆向工程测量系统,一、概述：数据测量，又称产品表面数字化，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。,2-1 逆向工程测量系统,目前用来采集物体表面数据的测量设备和方法多种多样，其原理也各不相同。,根据测量探头是否和零
5、件表面接触，逆向工程中物体表面三维数据的获取方法基本上可以分为两大类：即接触式和非接触式。根据测头的不同，接触式又可分为触发式和连续式；非接触式按其原理不同，又可分为光学式和非光学式。,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：在接触式测量方法中，三坐标测量机是应用最为广泛的一种测量设备。测量时可根据实物的特征和测量的要求选择侧头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量路径。,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：1、三坐标测量机的组成,主机机械系统侧头系统电气控制系统数据处理软件系统,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：2、三坐标测量机的原理,将被测物体置于三坐标测量机的工作台
6、上，通过手动或自动对物体进行逐点检测，将物体测量点的坐标位置经计算机处理成被测物体的几何尺寸和空间的的相互位置关系。,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：3、三坐标测量机的使用步骤,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：4、三坐标测量机的分类,根据测量机上测头安置的方位垂直式水平式便携式,2-1 逆向工程测量系统,二、接触式测量：5、接触式三坐标测量机的优缺点,缺点：（1）测量速度较慢。（2）测量探头容易磨损。（3）操作不当，会损坏工件表面或测量机。（4）对一些小尺寸的内部结构测量存在着局限性。（5）需要做测头补正动作。（6）测头一定时，由于惯性造成测量误差。,2-1 逆向工程测量系
7、统,三、非接触式测量：,非接触式设备是利用某种与物体表面发生相互作用的物理现象，如声、光、电磁等，来获取物体表面的三维坐标信息。其中以应用光学原理发展气流的测量方法应用最为广泛。随着“光机电一体化”技术的发展，结合了计算机、图像处理、激光技术以及精密机械的三维激光扫描机逐渐成为逆向工程中测量设备的主流。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：1、三维激光扫描机的组成,光源发生器CCD图像采集系统扫描测试平台数据处理系统,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：2、三维激光扫描机的工作原理,利用光源与光敏元件之间的位置和角度关系来计算零件表
8、面点的坐标数据。其基本原理是：利用具有规则几何形状的激光，投影到被测量表面，形成的漫光反射光点（光带）的图像，被安置于某一空间位置的图像传感器吸收，根据光点（光带）在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系，按三角几何原理即可测量出被测物体的空间坐标。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：2、三维激光扫描机的工作原理,根据入射光的不同，以三角法为原理的测量方法可分为点光测量、线光测量和面光测量三种.,（1）点光源测量法。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：2、三维激光扫描机的工作原理,根据入射光的不同，以三角法为原理的测量方法可分为点光测量、线光测量和面光
9、测量三种.,（2）线光源测量法。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：2、三维激光扫描机的工作原理,根据入射光的不同，以三角法为原理的测量方法可分为点光测量、线光测量和面光测量三种.,（3）面光源测量法。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：3、三维激光扫描机的操作过程,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：4、三维激光扫描机的优缺点,优点：（1）不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。（2）测量速度非常快，不必像接触触发探头那样逐点进行测量。（3）可之间测量材质较软的产品，如塑胶薄件、不可接触等高精密物件。,2-1 逆向工程测量系统,三、非接触式测量：4
10、、三维激光扫描机的优缺点,缺点：（1）测量精度较差。（2）因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性的影响，（3）测量时易受环境光源影响，所以一般尽量在不受光源影响的环境下测量。（4）非接触式测量只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较困难。（5）测量角度必须要尽量垂直于被测表面，当角度过大时，误差会增大。,2-1 逆向工程测量系统,四、测量方式的选择：,数据采集的方式应满足下面这些要求：（1）采集精度应满足工程的实际需要，如汽车工业，其最终的整体符合精度不能低于0.1mm/m；（2）采集速度要快，尽量减少测量在整个逆向工程中所占有
11、的时间；（3）数据采集要完整，不能有缺漏，以免给后期的曲面重构带来障碍；（4）数据采集过程中不能破坏原形；（5）降低测量成本；,2-2 逆向工程数据预处理系统,非接触式测量方法的应用越来越广，这种测量方法测得的数据非常庞大，并常常带有许多的杂点、噪声点，影响后续曲线、曲面的重构。因此，需要在曲面重构前，对点云进行一些必要的处理，以获得满意的数据，即为点云的预处理。,2-2 逆向工程数据预处理系统,数据预处理流程,点云的预处理：点云的拼合点云的过滤数据精简点云分块,2-2 逆向工程数据预处理系统,一、点云的对齐：,2-2 逆向工程数据预处理系统,一、点云的对齐：,从各个视觉分块测量得到多个独立的
12、点云，称为多视点云。由于在测量不同的区域时，都是在测量位置对应的局部坐标系下进行的，多次测量所对应的局部坐标系是不一致的，必须把各次测量对应的局部坐标系统一到同一坐标系，并消除两次测量间的重叠部分，以得到被测物体表面的完整数据，这个处理过程即为多视数据的对齐。,2-2 逆向工程数据预处理系统,一、点云的对齐：1、对齐的方法,一般采用三个基准点对齐法。测量时，在零件上设立基准点，取不同位置的三个点，用记号标记，在测量零件表面数据时，如果需变动零件位置，每次变动必须重复测量基准点；模型要求装配建模的，应分别测量零件状态和装配状态下的基准点。在不同测量坐标下得到的数据，通过将三个基准点移动对齐，就能
13、将数据统一在一个造型坐标下。,2-2 逆向工程数据预处理系统,一、点云的对齐：2、精度分析,基准点的选择及测量应遵循下列原则：（1）当误差相同时，三点构成的三角形的面积越大，相对误差越小，即基准点的选择距离越远，测量误差对数据对齐的影响越小；（2）为使各个点的影响相同，相对误差趋于相等，基准点的选取应尽量接近等边三角形；（3）基准点的位置应尽量选择在探头容易接触和不会产生变形的地方，位置标记记号应尽可能小，这样可以使每次探头的触点落在相同的位置，减小视觉误差；（4）同一基准点的测量，探头应尽量在同一方向接触，按相同方式补偿；同时，应反复测量几次，取几次测量的平均值；多次测量应经历在相同的环境中
14、完成。,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：1、误差点的识别和去除,采用不同测量方式，得到的点云数据会成呈现出不同的分布特征。在工程实现中常见的有扫描线点云和散乱点云两种。,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：1、误差点的识别和去除,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：1、误差点的识别和去除,（1）扫描线点云 直观检查法。通过观察点云图形，用肉眼直接将与截面数据点集偏离较大的点，或存在于屏幕上的孤点剔除。曲线检查法。通过截面数据的首末数据点，用最小二乘法拟合一条样条曲线，曲线的阶次可根据
15、曲面截面的形状设定，通常为34阶，然后分别计算中间数据点到样条曲线的欧式距离，如果，则认为Pi是坏点，应予剔除。,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：1、误差点的识别和去除,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：1、误差点的识别和去除,（2）散乱点云 对于散乱点云，点与点之间不存在拓扑关系，必须首先在点与点之间建立拓扑关系。一般借助于三角网格模型来建立散乱点云数据的拓扑关系。根据两个简单的判断法则来识别：三角面片的纵横比；局部顶点方向曲率。三角面片的纵横比定义为最长边和最短边的长度比值。假定点云所描述的是光顺曲面，方向曲率定
16、义为与该顶点相交的三角面片的单位法相矢量沿x、y方向的投影变化。,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：2、数据平滑,平滑处理的方法：平均法、五点三次平滑法、样条函数法。,2-2 逆向工程数据预处理系统,二、数据平滑、精简及误差点的识别和去除：3、数据精简,目前激光扫描机在逆向工程数据测量方面有取代三坐标测量机的趋势，但激光扫描测量每分钟会产生成千上万个数据点，如何处理这样大批量的数据点云成为基于激光扫描测量造型的主要问题。不同类型的点云可采取不同的精简方式，散乱点云可通过随机采用的方法来精简；对于扫描线点云可采用等间距缩减、倍率缩减、等量缩减等方法。,2-2
17、 逆向工程数据预处理系统,三、数据分块：,逆向工程中，在造型之前，还要进行一个重要工作数据分割。实际产品只由一张曲面构成的情况不多，产品形面往往由多张曲面混合而成。数据分割是根据组成实物外形曲面想子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据成组，将全部数据划分成代表不同曲面类型的数据域，后续的曲面模型重建时，线分别拟合单个曲面片，在通过曲面的过渡、相交、裁减、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，及重建模型。,2-2 逆向工程数据预处理系统,三、数据分块：数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种。,1、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，
18、并对曲面的轮廓、孔、槽边界、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。,2-2 逆向工程数据预处理系统,三、数据分块：数据分割方法分为基于测量的分割和自动分割两种。,2、自动分割方法。分基于边和基于面两种方法。基于边的方法首先从数据点集中，根据组成曲面片的边界轮廓特征、两个曲面片之间的相交、过渡特征，以及形状表面曲面片之间存在的棱线或脊线特征，确定出相同类型曲面片的边界点，连接边界点形成边界环，判断点集是处
19、于环内还是环外，实现数据分割。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见的边界。,2-3 三维模型重构系统,三维CAD模型的重构是逆向工程的核心和目的，是后续产品制造、快速成型、工程 分析和产品再设计的基础。有了三维CAD模型，就可以利用现有的CAD/CAM/CAE技术对产品进行再设计和各种工程分析、进而生成出产品。因此，三维CAD模型的重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环。,2-3 三维模型重构系统,在逆向工程中，三维CAD模型的重构是利用产品表面的散乱点数据，通过插值或拟合，构建一个近似模型来逼近产品原型。目前逆向工程研究中，自
20、由曲面建模手段分为两大类：第一种是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方法；第二种是以NURBS（非均匀有理B样条）曲线、曲面为基础的矩形域参数曲面拟合方法。,2-3 三维模型重构系统,三角域Bezier曲面拟合法的优缺点：三角域Bezier曲面拟合具有构造灵活、适应性好等优点，因而在散乱数据点的曲面拟合中被广泛应用。但这种方法所构造的曲面模型不符合产品描述标准，与通用CAD/CAM系统数据交换困难，因此利用这种方法上传的曲面还必须转换为NURBS曲面。同时，这种方法还存在着对曲面的修改能力不足、可控性差等缺点，这些都限制了它在实践中的应用。,2-3 三维模型重构系统,矩形域参数曲面拟合方法
21、一直是曲面拟合方面的研究重点，应用对象主要是由复杂曲面组成的产品，如汽车、飞机、船舶等，这类产品既不是完全由简单的二次曲面组成，也不像人脸那样毫无规律而言。矩形域参数曲面拟合方法是目前研究和应用得最多的一类曲面重构方法。矩形域参数曲面拟合方法的曲面重构主要有两种方法：一是先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建成曲面；二是直接对测量点数据拟合，生成曲面，最终经过曲面片的过渡、拼合和裁减等曲面边界操作，完成曲面模型的构建。,2-3 三维模型重构系统,产品逆向曲面重构的过程,2-4 逆向工程软件介绍,对于逆向工程，可选用的软件有3种类型：第1种选择类型是基于正向的具有逆向功能的软件，如
22、UG、Pro/E、CATIA等；第2种选择类型是选用专用逆向工程软件，如Imageware；第3种选择是将专用逆向软件和正向的CAD软件相结合使用。,2-4 逆向工程软件介绍,对第1种选择类型，如UG、Pro/E、CATIA等，由于开发商的重点不是逆向工程，导致在利用他们进行逆向工程时有如下缺点：功能众多，操作复杂，逆向功能弱，学习困难；但由于他们具有功能齐全、对产品外形设计、结构设计、加工、管理到生产都有一套完整的体系，能很好地对产品实施生命周期管理等优点，很多应用单位还是选择了这种类型。,2-4 逆向工程软件介绍,对第2种选择类型，由于逆向软件针对性强，用途专一，在逆向工程领域不仅提供了强
23、大的逆向功能，而且学习简单，逆向设计效率高，但用途单一，对产品结构设计等方面不够灵活。,2-4 逆向工程软件介绍,一般单位会定位在第3种选择上，及利用高端CAD/CAM软件与逆向软件相结合，发挥各自的优势，如Imageware进行产品的点云及外形逆向处理，利用UG进行产品的参数化结构逆向处理。这样的选择会对产品的逆向设计带来前所未有的快捷，唯一的缺点是对使用者的要求较高，需要掌握两种不同工具软件。,2-4 逆向工程软件介绍,目前在逆向工程实践中，最著名、应用最多的是Imageware软件。被广泛应用于汽车、航空、航天、家电及模具等设计与制造领域。Imageware软件的原名叫Surfacer，是SDRC公司的产品，Surfacer软件被美国EDS公司收购后，将其改名为Imageware并对原理的Surfacer软件的截面及交互功能进行重大改进。Imageware在曲面上采用NURBS与Bezier混合技术，功能十分强大，易于应用，Imageware对硬件要求不高，可运行于各种配置的PC上。,
