机械CAD /CAM 逆向工程技术与应用研究姓名：李倩学号：S2*******专业：机械设计及理论逆向工程技术与应用研究摘要：随着社会的迅速发展，传统意义上的正向产品开发设计和制造模式已经不能满足企业的需要。
逆向工程以产品开发周期大大缩短这一特点而在现代企业中的地位日益重要。
随着逆向工程技术的不断发展，其应用领域也日益广泛。
本文阐述了逆向工程的基本概念，介绍了主要的逆向工程硬件及商用软件，并重点介绍了数据测量、数据处理、模型重建等逆向工程中的关键技术，最后对逆向工程的发展前景进行了展望。
关键词：逆向工程；硬件；软件；关键技术；发展前景1引言由于零件形状十分复杂，很难准确地在CAD软件上设计出实体模型，而通过手绘或手工捏塑来设计产品，其原型很难完全在CAD软件中体现。
在没有图样和参数情况下，用传统方法仿制产品较困难也不够准确，计算机模型比实体模型缺少“真实感”和可“触摸性”，市场上的许多三维CAD软件可能对某些产品造型设计而言，并不十分适用，况且计算机模型本身也需要检验。
针对上述问题，提出逆向工程技术。
逆向工程（Reverse Engineering，RE）产生于20世纪80年代末至90年代初，广泛应用于精密测量和质量检验领域，是设计下游向设计上游反馈信息的回路。
目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造，称为“实物逆向工程”（简称逆向工程）。
2逆向工程概述1980年始欧美国家许多学校及工业界开始注意逆向工程这块领域。
1990年初期包括台湾在内，各国学术界团队大量投入逆向工程的研究并发表成果。
逆向工程，也称反向工程、反求工程，广义的讲它是在已知某种产品的有关信息（包括硬件、软件、照片、广告、情报等）的条件下，以方法学为指导，以现代设计理论、方法、技术为基础，运用各种专业人员的工程设计经验、知识和创新思维，回溯这些信息的科学依据，即寻求这些信息的先进性、积极性、合理性、改进的可能性等，达到充分消化和吸收，然后在此基础上改进、挖潜进行再创造；狭义的讲就是根据实物模型的坐标测量数据，构造实物的数字化模型（CAD模型），使得能利用CAD/CAM、RPM、PDM及CIMS等先进技术对其进行处理或管理，主要指几何形状的反求。
逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。
其中快速反求是从实物原型到三维数字模型的转换，是反求工程技术实现的关键技术，它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分，其计算机辅助质量系统体系结构如图1所示。
图1 运用逆向工程技术的计算机辅助质量系统体系结构逆向工程的硬件最早是运用仿制加工设备，制作出来的成品品质粗糙。
后来有接触式扫瞄设备，运用探针接触工件取得产品外型。
再来进一步开发非接触式设备，运用照相或激光技术，计算光线反射回来的时间取得距离，目前应用较广泛的硬件设备有接触式三坐标测量仪、非接触式三坐标测量仪、工业CT测量机等。
图2逆向工程硬件设备逆向软件的演进约略可区分为三个阶段。
十一年前在逆向工程上，只能运用CATIA等CAD/CAM高阶曲面系统。
市场后来发展出两套主流产品约在七、八年前技术成熟，广为业界引用。
到最近四年来，发展出不同以往的逆向工程数学逻辑运算，速度快。
逆向工程在台湾的发展轨迹持续在进行，工研院曾写过一套逆向工程软件，学术界不少研究团队也将逆向工程领域作为研究主题，开发出具不同功能的系统软件，但是最后这些软件都没有真正落实到产业界应用。
工研院的团队后来也结束逆向工程研究，转而开发其它主题。
原有的研发成果后继无人，殊为可惜。
1998年，NEWPOWER启动了逆向工程的一些项目，要求是把客户的现有设计转变成源代码，如果需要的话，进一步转化成产品需求规约。
这恰恰与类似于V 模型的标准开发过程模型相逆。
这样一来，客户就可以容易地维护他们的产品（需求，设计，源代码等等），而不需要想以前那样，每次改动产品都需要直接修改源代码。
是指从实物上采集大量的三维坐标点，并由此建立该物体的几何模型，进而开发出同类产品的先进技术。
逆向工程与一般的设计制造过程相反，是先有实物后有模型。
仿形加工就是一种典型的逆向工程应用。
目前，逆向工程，逆向工程的应用已从单纯的技巧性手工操作，发展到采用先进的计算机及测量设备，进行设计、分析、制造等活动，如获取修模后的模具形状、分析实物模型、基于现有产品的创新设计、快速仿形制造等。
目前，较知名的商用逆向工程软件有EDS公司的Imageware、RaindropGeomagic公司的Geomagic、DEL-CAM公司的Copy-cad、INUS公司的Rapidform。
较知名的CAD逆向模块有Pro/E的Scan2Tool模块、PTC公司的ICEMSurf、CATIA的DSE、QSR模块以及Paraform公司的Paraform等。
国内在逆向工程软件方面的研究，主要集中在高校，如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学。
软件产品主要有高华CAD、CAXA系列、GS-CAD98、金银花系统、开目CAD、Re-soft和Quick-Form等。
其中，QuickForm是国内开发的较好的逆向工程软件。
3 逆向工程关键技术3.1数据测量技术逆向工程数据测量，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。
该技术关系到对物体描述的精确度和完整度，从而影响重构的CAD 曲面和实体模型的质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原始实物。
因此，数据测量是整个逆向工程的基础。
现有的数据测量方法分为两大类：(1) 接触式测量方法接触式测量方法是通过传感测量头与物体的接触而记录物体表面的坐标位置。
通常使用三坐标测量机进行测量，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径。
触发式数据采集方法采用触发探头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。
(2) 非接触式测量方法非接触式测量方法主要是基于光学、声学、磁学等进行数据的采集，将一定的物理模拟量通过适当的算法转化为样件表面的坐标点。
根据测量原理的不同，大致有光学测量、超声波测量、电磁测量等方式。
这种方法的一个应用是三维扫描技术，它是一种立体测量技术。
与传统的技术相比，能够完成复杂形体的点、面、形的三维测量，能进行高精度的快速无接触测量。
目前，采用基于视觉传感器的非接触式测量技术的数量在增加，因为这种技术在提高测量速度方面具有优势，而且计算与软件技术的发展，使得大量的数据能在若干秒钟内采集到并进行处理、而不是接触式方法那样需要花费若干几分钟，甚至若干小时。
然而，在视觉传感器的非接触测量中，周围光照效应与表面反射率会导致发生问题；还有，在垂直面上进行扫描会有困难，并且需要复杂的编程。
表1给出了激光扫描测量和机械接触测量技术特点的比较。
表1 激光扫描测量和机械接触测量技术特点比较激光扫描测量机械接触测量测量方式非接触式接触式测量精度10~100μm1μm传感器光电接收器件开关器件测量速度1000~1200点/s 人工控制（较慢）前期处理需喷漆，无基准点设定坐标系，校正基准面工件材料无限定硬质材质测量死角光学阴影处及光学焦距变化处工件内部不易测量误差随曲面变化达部分失真优点（1）测量速度快，曲面数据易获取；（2）不需要进行侧头半径补偿；（3）可测量柔软、易碎、不可接触、皮毛等物体；（4）无接触力，不会损伤精密表面（1）精度较高；（2）可直接测量工件的特定几何特征；缺点（1）测量精度差，无法判定特定的几何特征；（2）陡峭面不易测量，激光无法照射到的地方无法测量；（3）物体表面的阴暗程度影响测量精度（1）需逐点测量，速度慢；（2）测量前后需做半径补偿；（3）接触力大小会影响测量值；（4）倾斜面测量时，不易补偿半径，精度难测量3.2数据处理技术由于测量设备的缺陷、测量方法和被测物体表面特征的影响，通过测量所得的数据不可避免地引入了误差，尤其是尖锐边和边界附近的测量数据，测量数据中的坏点，可能是该点及其周围的曲面片偏离原曲面，所以要对原始点云数据进行预处理。
预处理的主要工作包括：异常点（误差点）处理、数据插补、数据平滑、数据精简、数据分割、多视数据对齐定位等。
3.2.1异常点（误差点）处理无论何种数据采集方式，获得的数据中均存在一定的异常点或误差点，统称为噪声点，通常是由于测量设备的标定参数或测量环境发生变化所造成。
常用的检查方法是将点云显示在图形终端上，或者生成曲线采用半交互半自动的光顺方法对点云数据进行检查调整，但对于数量较大的点云并不适宜。
此外，去除噪声点的方法还可以采用：（1）考虑两个连续点之间的角度，若某点与它前一点的角度超过某一规定值，则剔除该点；（2）将这些点移动到一个平均值；（3）将测量点沿给定的轴在规定的距离范围内向上或向下移动。
3.2.2数据插补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，另一种情况则是实物零件中经常存在经裁剪等生成的外形特征，如表面凹边、空及槽等，使曲面出现缺口，这样在造型时就会出现数据“空白”现象，这样的情况使逆向建模变得困难，需要通过数据插补的方法来补齐缺失数据，最大限度获得实物裁剪前的信息，这将有助于模型重建工作，并使恢复的模型更加准确。
目前应用于逆向工程的数据插补方法主要有实物填充法、造型设计法和曲线、曲面插值补充法。
3.2.3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。
数据平滑通常采用标准Gaussian（高斯）、平均（Averaging）或中值（Median）滤波算法。
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很好。
实际使用时，可根据点云质量和后续建模要求灵活选择滤波算法。
3.2.4数据精简在重构曲面时，过密的点云会导致计算机运行、存储和操作的效率降低，生成曲面模型需要消耗更多的时间，并且还要影响重构曲面的光顺性。
为了避免上述问题，就需要对扫描得到的点云进行数据简化。
Martin等在1996年提出了一种用均匀网格（Uniform Grid）进行数据精简的办法。
Fujimoto和Kariya在1993年提出的减少方法是保证减少数据点的误差范围处于给定的角度和距离公差范围内。
Veron和Leon在1997年提出用误差带（Error Zone）减少多面体数据点的方法。