逆向技术
数字化设计——逆向技术 数字化设计——逆向技术 ——
北京航空航天大学机械学院 席平
2011年4月 年 月
逆向工程背景
逆向技术
逆向工程（ 逆向工程（Reverse Engineering, RE）,也称反求工 ） 也称反求工 反向工程等。 程、反向工程等。 逆向工程起源于精密测量和质量检验， 逆向工程起源于精密测量和质量检验，它是设计下游 向设计上游反馈信息的回路。 向设计上游反馈信息的回路。 20世纪90年代以来， 20世纪90年代以来，逆向工程技术被放到大幅度缩短 世纪90年代以来 新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 新产品开发周期和增强企业竞争能力的主要位置上。 逆向工程所需硬软件： 逆向工程所需硬软件： • 测量设备 • 逆向设计软件
逆向工程流程图
二维图样、技 术文档
逆向技术
实物样件 数字化测量
仿制改制产品
CAD模型重构 快速成型RP 产品样件
CAD/CAE系统
CAM系统 模具
PD M 系 统
新产品
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
逆向技术
产品 实物
数字 测量
测量数据预处理— 测量数据预处理— 数据平滑
逆向技术
由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响， 由于在数据测量过程中受到各种人为和随机因素的影响，使得测量结果 包含噪声，为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响， 包含噪声 ， 为了降低或消除噪声对后续建模质量的影响 ， 需要对数据进行 平滑滤波。数据平滑主要针对扫描线数据，如果数据点是无序的， 平滑滤波 。 数据平滑主要针对扫描线数据 ， 如果数据点是无序的 ， 将影响 平滑的效果。 平滑的效果。 通常采用的滤波算法： 通常采用的滤波算法： 1. 标准高斯(Gaussian)法 标准高斯 法 2. 平均 平均(Averaging)法 法 3. 中值(Median) 法， 中值
测量路径规划
逆向技术
测量路径是测头的运动轨迹， 测量路径是测头的运动轨迹，在逆向工程的测量流程中是极其重要 的一环， 的一环，其数据规划的效果将直接影响到整个产品模型逆向工程时间 的长短和重构质量。 的长短和重构质量。 特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时， 特别是在使用三坐标测量机进行数据测量时，为保证测量精度和 运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。 运行安全，提高三坐标测量机的测量效率的关键。 设计测量路径的基本原则： 设计测量路径的基本原则： 1）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中，测头不与工件发 ）安全，即从本测量点移到下一测量点的途中， 生干涉； 生干涉； 2）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性，测头能以最快 ）路径短、速度快，即根据坐标机的加减速特性， 的速度到达下一测量点； 的速度到达下一测量点； 3）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。 ）行走路线自然，减少测头运转的空行程和测头的旋转测量。
逆向工程背景
逆向技术
接触式三坐标测量仪
非触式三坐标测量仪
工业CT测量机 工业 测量机
逆向工程软件： 逆向工程软件：Imageware、Raindrop、Geomagic Studio、Paraform、 、 、 、 、 ICEM Surf、Copy CAD 等 、 CAD/CAM系统类似模块，UG—Unigrahics、 ProE—Pro/SCAM、 系统类似模块， 系统类似模块 、 、 Cimatron90—PointCloud等 等
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
测量数据预处理
逆向技术
产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，一方面， 产品外形数据是通过坐标测量机来获取的，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， 式的数控测量机还是非接触式的激光扫描机，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， 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。另外， 坏点，可能使该点及其周围的曲面片偏离原曲面。另外，由于激光 扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点， 扫描的应用，曲面测量会产生海量的数据点，这样在造型之前应对 数据进行精简。 数据进行精简。 主要包括以下内容： 主要包括以下内容： 坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑， 坏点去除，点云精简，数据插补，数据平滑，数据分割
测量数据预处理— 测量数据预处理— 坏点去除
逆向技术
坏点又称跳点， 坏点又称跳点，通常由于测量设备的标定参数发生改变和测量环 境突然变化造成的，对于手动人工测量， 境突然变化造成的，对于手动人工测量，还会由于误操作是测量数 据失真。 据失真。 坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大， 坏点对曲线、曲面的光顺性影响较大，因此测量数据预处理首先 就是要去除数据点集中的坏点。 就是要去除数据点集中的坏点。 常用方法如下： 常用方法如下： 1. 直观检查法 2. 曲线检查法 3. 弦高差法
• 对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置，欲求得物体 对三维曲面的测量，探头测量到的点是探头的球心位置， 真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差。 真实外型需要对探头半径进行补偿，因而可能引入修正误差。 接触式测量
数字化测量— 数字化测量—测量方法比较
逆向技术
不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 优点 • 不必作半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 • 测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。 测量数度非常快，不必像接触式探头那样逐点进出测量。 • 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 软工件、薄工件、不可接触的高精密工件可直接测量。 测量精度较差， 缺点 • 测量精度较差，因接触式探头大多使用光敏位置探测器来检测光点 位置，目前其精度仍不够，约为20以上。 20以上 位置，目前其精度仍不够，约为20以上。 • 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光，易受工件 因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或折射光， 表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。 表面反射特性的影响，如颜色、曲率等。 • 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 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、 处理以及不连续形状的处理较困难。 处理以及不连续形状的处理较困难。 非接触式测量
逆向技术
接触式测量
非接触式测量
数字化测量— 数字化测量— 测量设备
逆向技术
基于平板探测器X射线成像系统 基于平板探测器 射线成像系统
医学CT测量 医学 测量
数字化测量— 数字化测量—测量方法比较
优点
逆向技术
• 接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟，故 接触式探头发展已有几十年，其机械结构和电子系统已相当成熟， 有较高的准确性和可靠性。 有较高的准确性和可靠性。 • 接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、颜色及 接触式测量探头直接接触工作表面，与工件表面的反射特性、 曲率关系不大。 曲率关系不大。
测量数据预处理— 测量数据预处理— 数据插补
逆向技术
由于实物拓扑结构以及测量机的限制， 由于实物拓扑结构以及测量机的限制，一方面在实物数字化时会 存在一些探头无法测到的区域， 存在一些探头无法测到的区域，另一种情况则是实物零件中存在表 面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口， 面凹边、孔及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据 空白现象，影响曲面的逆向建模。 空白现象，影响曲面的逆向建模。 目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有 1. 实物填充法 2. 造型设计法 3. 曲线、曲面插值补充法 曲线、
逆向工程关键技术
1. 数字化测量 2. 测量数据预处理 3. 三维重构 4. 坐标配准 5. 误差分析
逆向技术
产品 实物
数字 测量
数据 处理
三维 重构
坐标 配准
误差 分析
设计 数据
CAD 模型
三维重构
逆向技术
在逆向工程中，实物的三维CAD模型重构是整个过程最关键、 CAD模型重构是整个过程最关键 在逆向工程中，实物的三维CAD模型重构是整个过程最关键、最 复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、 复杂的一环，因为后续的产品加工制造、快速原型制造、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。 CAD数学模型的支持 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构的CAD模型能准确还原实物样件。 CAD模型能准确还原实物样件 这些应用都不同程度地要求重构的CAD模型能准确还原实物样件。整 个环节具有工作量大、技术性强的特点， 个环节具有工作量大、技术性强的特点，同时工作的进行受设备硬 件和操作者两个因素的影响。 件和操作者两个因素的影响。
3
保留每个子立方体中距中心点 最近的点。 最近的点。
测量数据预处理— 测量数据预处理—数据精简实例
逆向技术
测量数据（ 测量数据（24500个） ）
处理后的数据（ 处理后的数据（ 4607个） 个
精简原则：精简距离为2mm，精简后的点云在空间分布均匀，适合 精简原则：精简距离为 ，精简后的点云在空间分布均匀， 数据的后续处理。 数据的后续处理。
缺点
• 为了确定测量基准点而使用特殊的夹具，不同形状的产品可能会要求 为了确定测量基准点而使用特殊的夹具， 不同的夹具，因此导致测量费用较高。 不同的夹具，因此导致测量费用较高。 • 球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度，需要经常校正 球形的探头易因接触力造成磨损，为了维持测量精度， 探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。 探头的直径，不当的操作还会损坏工件表面和探头。 • 测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。 测量数度较慢，对于工件表面的内形检测受到触发探头直径的限制。