逆向工程关键技术的研究**:***学号:**********班级:10级5班专业:车辆工程沈阳理工大学研究生学院2011年3月摘要逆向工程技术能够降低成本、缩短交货时间、提高产品质量，提高企业在市场中的竞争力，在产品开发中具有重要的作用。
本文对逆向工程中的关键技术进行了深入的研究和探讨。
本文主要研究了逆向工程技术的三个关键环节:数据采集、数据处理和曲面重构。
依据样件模型的外形特征，总结归纳了规划测量路径的策略，在对各种测量方法研究、对比和分析的基础上提出了数据采集方法选择的原则;结合实例研究了数据重定位、噪声去除、数据精简、数据光顺和数据分割五种数据处理技术，探讨了不同形状点云数据应采取的具体处理方法，提出了点云数据处理的原则;通过对比分析Bezier曲线曲面、B一Spline曲线曲面、NURBS曲线曲面三种曲面的数学模型，得出NURBS曲线曲面具有诸多优点，己成为当前曲线曲面模型的主流，合理的规划路径、恰当的选择数据采集方法和数据处理方法能够构建高品质的曲面，而且能量光顺算法也能够提高曲面的光顺程度。
该论文的研究工作丰富了工业产品造型设计的理论和方法，将促进逆向工程在工业设计中的应用和推广。
关键词:逆向工程点云数据 NURBS曲线曲面重构曲面光顺1.1逆向工程概述“逆向工程”(Reverse Engineering，RE)，也称反求工程、反向工程等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[1]传统的产品实现通常是从概念设计到图样，再制造出产品，最后通过检测和性能测试，这种开发模式的前提是已完成了产品的蓝图设计或CAD造型，称为预定模式(Prescriptive Model)，我们也称之为正向工程(或顺向工程)。
正向工程流程如图1-1所示。
图1-1正向工程开发流程图Fig.1-1 Forward engineering flow chart产品的逆向工程是根据零件(或原型)生成图样，再制造出产品。
它是一种以先进产品设备的实物、样件、软件(包括图样、程序、技术文件等)或影像(图像、照片等)作为研究平台，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术，是针对消化吸收先进技术采取的一系列分析方法和应用技术的结合[2]。
逆向工程的流程如图1-2所示。
广义的逆向工程包括形状(几何)逆向、工艺逆向和材料逆向等诸多方面，是一个复杂的系统过程。
目前，大多数有关“逆向工程”技术的研究和应用都集中在几何形状，即重建产品实物的CAD模型和最终产品的制造方面，称为“实物逆向工程”。
这是因为一方面，作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另一方面，在产品开发和制造过程中，虽已广泛使用了计算机几何造型技术，但是仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。
为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，以期利用计算机辅助制造(Computer Aided Manufacture，CAM)、快速成型制造和快速模具(Rapid Prototyping Manufacture／Rapid Tooling，RPM／RT)、产品数据管理(Product Data Management，PDM)及计算机集成制造系统(Computer Integrate Manufacture System，CIMS)等先进技术对其进行处理或管理。
同时，随着现代测试技术的发展，快速、精确地获取实物的几何信息已变成现实。
目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域。
在这一意义下，“实物逆向工程”(简称逆向工程)可定义为：逆向工程是将实物转变为CAD模型数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
图1-2逆向工程开发流程图Fig.1-2 Reverse engineering flow chart1.1.1逆向工程在实际中的应用在制造业领域逆向工程有广泛的应用背景。
在下列情形下，需要将实物模型转换为CAD模型：(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，还存在许多使用粘土或泡沫模型代替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，例如汽车外形设计广泛采用真实比例的木制或泥塑模型，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，往往需要通过试验来最终确定零件的形状，如在模具制造中经常需要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，在再次制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，就可大大减少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。
(4)目前在国内，由于CAD/CAM技术运用发展的不平衡，普遍存在这样的情况：在模具制造中，制造者得到的原始资料为实物零件，这时为了能利用CAD/CAM 技术来加工模具，必须首先将实物零件转换为CAD模型，继而在CAD模型基础上设计模具。
(5)艺术品、考古文物的复制。
(6)人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。
(7)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，须首先建立人体的几何模型。
(8)在RPM的应用中，逆向工程的最主要表现为：通过逆向工程，可以方便地对快速原型制造的原型产品进行快速、准确的测量，找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完善。
1.1.2逆向工程与技术引进市场全球化使国家、企业面临的竞争日趋激烈，市场经济竞争机制已渗透到各个领域，随着科学技术的高度发展，科技成果的应用已成为推动生产力发展和社会进步的重要手段。
如何更快、更好的发展科技和经济，世界各国都在研究对策，充分利用别国的科技成就加以消化与创新，进而发展自己的技术已成为普遍的手段。
事实证明，技术引进是吸收国外先进技术，促进民族经济高速度增长的战略措施，据有关统计资料表明，各国百分之七十以上的技术都是来自外国，要掌握这些技术，正常途径就是通过逆向工程。
实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承、应用和借鉴。
引进技术的应用和开发一般分为三个阶段：(1)使用阶段对引进的生产设备等硬件技术会操作、使用、维修，在生产中发挥作用。
对图样、生产工艺等软件应通过加工和生产实践的应用了解其特点及不足之处，即做到“知其然”(2)消化阶段对引进产品或设备的设计原理、结构、材料、工艺、生产管理方法等进行深入的分析研究，用科学的设计理论和测试对其性能进行计算测定，了解其原料配方、工艺流程、技术标准、质量控制、安全保护等技术，即做到“知其所以然”。
(3)创新阶段对引进技术消化综合，博采众家之长，结合深入的科学研究，通过移植、综合、改造等手段，开发具有本国特色的创新技术，并争取进一步实现某些技术从输入到输出的转化。
由于技术保密，除非购买转让，否则要获得产品的图样、技术文档、工艺等技术资料几乎是不可能实现的，而产品实物作为商品和最终的消费品，是最容易获得的一类“研究”对象。
在只有产品原型或实物模型条件下，可以基于产品实物逆向工程对产品零件进行生产制造，除实现对原型的仿制外，通过重构产品零件的CAD模型，在探询和了解原设计技术的基础上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目的。
对于其他具有复杂曲面外形的零部件，逆向工程更成为其主要的设计方式，如汽车、摩托车的外形覆盖件，通常由艺术家制作1：1的木或油泥模型，然后测量表面数据输入计算机，进行造型、修改、完善，最后经CAM完成模具。
1.2数字化方法与技术实物零件的数字化是通过特定的测量设备和测量方法获取零件散点的几何坐标数据[3]。
只有获得了样件的表面三维信息，才能实曲面的建模、评价、改进和制造。
因而，如何高效、高精度地实现面的数据采集，一直是逆向工程的主要研究内容之一。
一般来说，面数据采集方法可分为接触式数据采集和非接触式数据采集两大类式有基于力-变形原理的触发式和连续扫描式数据采集，基于磁场、的数据采集等。
而非接触式主要由激光三角测量法、激光测距法、法、结构光学法、图像分析法等，见图1-3。
另外，随着工业CT技展，断层扫描技术也在逆向工程中取得了应用。
图1-3实物数字化方法Fig.1-3 Practicality digitized method1.2.1接触式数据采集方法接触式数据采集方法包括使用基于力触发原理的触发式数据采集和连续扫描数据采集、磁场法、超声波法等。
(1)触发式数据采集方法触发式数据采集采用触发探头，当探头的探针接触到样件的表面时，由于探针尖受力变形触发采样中的开关，这样通过数据采集系统记下探针尖(测球中心点)的当时坐标，逐点移动，就能采集到样件表面轮廓的坐标数据。
在触发式数据采集过程中，由于探针必须偏移一个固定数值才会触发开关，而且一旦接触到样件的表面后，探针需要法向退出以避免过量而折断，因此数据采集速度较低。
(2)连续式数据采集方法连续式数据采集采用模拟量开关采样头，由于数据采集过程是连续进行的，速度比点接触触发式采样头快许多倍，采样精度也较高。
此外，由于接触力较小，允许用小直径的探针去扫描具有细微部分或由较软材料制造的模型。
由于采样速度快，连续式数据采集可以用来采集大规模的数据。
(3)磁场法该方法是将被测物体置于被磁场包围的工作台上，手持触针在物体表面上运动，通过触针上的传感器感知磁场的变化来检测触针位置，实现对样件表面的数字化，其优点是不需要像坐标测量机一类的设备，但不适宜于导磁的样件。
1.2.2非接触式数据采集方法非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采样，它有激光三角法、激光测距法(Laser Triangulation Methods)、结构光法(Structured Methods)以及图像分析法(Image Analysis Methods)等。
(1)激光三角测距法激光三角测距法是逆向工程中曲面数据采集运用最广泛的方法，具有以下特点：探针不与样件接触，因而能对松软材料的表面进行数据采集，并能很好的测量到表面尖角、凹位等复杂轮廓。