逆向工程范文10篇

逆向工程范文篇1

逆向设计程序有三个基本步骤。一是概念设计，由设计师绘制效果图。二是模型阶段。效果图只是设计的初步概念，必须根据效果图制作油泥模型来反复验证设计的可行性。三是基于模型的数据采集与重构阶段。这一阶段通过采集油泥模型上的数据，进行数据重构来制作样机，最后用样机测试设计成果。从以上逆向设计程序不难看出，构建油泥模型衔接了创意设计与数据建构环节。油泥模型是根据设计图完成的，又是下一步工作数据采集与重构的基础。此阶段牵涉到产品设计实物化的造型、结构与功能表达，决定了产品实物化的效果。

二、油泥模型的制作程序

油泥模型是逆向设计中的关键环节。下面以重庆比阳产品设计公司的实际项目KB904小型发电机设计的油泥模型制作程序为例，分析逆向设计中油泥模型的具体应用，进而优化产品设计。(一)准备工作。1.搭建模型平台。逆向工程中油泥模型制作的第一步是搭建一个模型平台。此阶段，设计师必须全程参与，以确保模型能反映出设计想法。设计师需要制作1:1准确尺寸的网格图作为模型制作的形态参考。同时，工程师需要进行结构及位置验证，以确保零件之间不会发生干涉，确保产品内部的尺寸和结构件的位置，使产品结构能顺利实现。在该项目中，KB904机芯系统的尺寸、框架为基本固定，可以用原有机芯加代木等填充材料搭建模型平台。2.工具准备与烘烤油泥。油泥模型制作常用的工具有刮刀、刮片、测量仪器等。油泥需要烘烤变软后才能开始制作。软化油泥一般是将油泥放在烤箱里均匀加热到60℃左右，使之到达合适的软度便可使用。(二)确定模型外形——填敷与刮制成型。1.填敷油泥确定外轮廓。准备工作做好后，就可以在初胚上开始填敷油泥了。此阶段需要模型师与设计师沟通，主要探讨模型的形态表达是否符合设计师的形态诉求。填敷的具体过程是一层接一层地贴泥。在填敷时，第一层油泥不要敷得太厚，以免敷得不紧凑而脱落。为了更好地敷填，可以在填充材料上用刀具掏些小孔，然后按照面的关系用推压的方式上泥。这样有利于挤出油泥里的空气。填敷油泥的主要方法是用大拇指和手掌缘向前推进填敷，每次可敷2～5mm厚。填敷到大形与设计图基本差不多时，根据1:1的网格图用手将多余形态处的油泥抠掉，形态不足的填敷，直到基本达到较理想位置。初步成形阶段主要确定的是外轮廓的最高高度，不追求形态的细节变化。2.油泥模型粗刮。模型初步成形后，模型师要根据1:1的效果图把大体的形态用刮制的方式找出来，使形态更加准确。此阶段追求形态的细节变化准确，主要有粗刮与精刮的过程。在刮制的过程中，按照先大面、后局部的步骤进行，从确定了的基本部位开始造型，细节在整体成形基本完成后制作。粗刮油泥，根据模板或图纸，去掉凸出的多余部分，将凹陷的地方填补起来，塑造模型的基准面以确定大形。在粗刮油泥的过程中，模型师头脑中要始终保持完整的形状，需要多次测量图纸，直到刮出基本形状，就可以开始精刮了。3.精刮完成图纸的实物化。精刮阶段除了要确定形态的准确外，还应使模型表面光滑。此阶段一定要多次对比图纸，分析特征线、参考点，以确定准确的形态。在制作时，模型师还可以用1:1的网格图纸配合测量工具随时检测外形的准确性。此阶段基本上是用胶条配合各式刮刀进行刮切，使模型形态与设计图纸一致。最后，模型师要用薄刮片修整模型，使其表面光滑。刮除的油泥冷却后很快就会硬化。这些使用过的油泥也可以回收后再反复使用。经过精刮后，油泥模型就完成了最初设计图纸的实物化表现。(三)形态的修改与验证。油泥模型制作完成后，需要进行形态验证。此阶段，模型师、设计师、结构师需要共同到场，反复沟通，验证设计的可行性。模型师主要与设计师、结构师一起评审设计中结构、功能需要完善与修改的地方。需要确定的内容有外观造型的分模与脱模情况，结构、加工的可实现性等问题。经过多次评审验证后，油泥模型需要根据评审验证要求进行修改与调节，直至甲方确认。在本案的油泥模型制作中，操作面板、拉环位置以及顶部油箱盖等经过了多次修改，一些局部造型也和原效果图设计方案产生了一定的变化，才达到最终的油泥模型状态。

三、结论

油泥模型制作环节是逆向程序中对设计创意概念进行实物化体现的第一步，是产品开发中产品实物化的检验探索阶段，也是设计师与工程师沟通的桥梁。逆向工程在油泥模型制作过程中对产品的形态、结构、功能的不断推敲与修改，是使最终形成产品更加完善的重要因素。设计师和工程师在此阶段能有效地解决设计和制造之间的矛盾。因为造型设计与工程设计在设计思维上存在较大差别[2]，所以，对油泥模型制作的意义与程序进行分析、研究是非常有必要的。对油泥模型制作的剖析能使之更符合产品开发的目的，为产品设计服务。

参考文献：

[1]丁松阳.软件逆向工程技术与应用[M].北京:经济管理出版社,2013.

逆向工程范文篇2

关键词：逆向工程；车门；数字化处理；UG软件；三维重建

1前言

传统的产品设计是从概念设计到产生工程图纸，通过工程图纸指导加工制造出产品，它是一个正向或顺向的设计过程。而逆向工程是相对于传统的产品设计流程提出的，它是先有实物模型（产品原型或油泥模型），通过相关的数字化技术采集到实物表面的点云数据，经过相关逆向软件处理后导入三维几何造型软件建立CAD数字模型，然后根据CAD模型仿造出相同的实物产品或在原有设计基础上制作出功能相近，但又不完全一样的新产品。随着计算机技术在制造领域的广泛应用，逆向工程技术在航天、汽车、电子产品、工艺品行业及医学等方面得到了较大程度的应用，特别适合具有复杂形状的零部件产品设计，它在提高产品设计的精度、修复还原损坏或磨损零件、检测产品、缩短新产品设计周期、加快产品的更新换代速度及减少企业设计开发新产品的成本等方面起到了举足轻重的作用。逆向工程技术被企业接受已有近十年左右的时间，历史虽短，但是它具有广阔的应用前景和抢占市场先机的优势，特别是对提高企业产品竞争力方面具有巨大的推动作用，已经引起了国内外众多企业的关注和应用。在产品开发过程中，逆向工程技术常被企业认为是消化、吸收先进技术的重要方法之一，是企业推进自身快速发展的一条捷径，更是企业实现新产品快速开发并迅速推向市场的一种技术手段。本文以某企业项目中的车门零件开发为例，通过对其产品原型进行数据采集、预处理、CAD模型重建及优化设计，详细分析了逆向工程在产品设计中的应用。

2数据采集与预处理

2.1数据采集

在逆向工程技术设计时，需要从样件中提取三维数据信息。样件表面的空间数据采集是逆向工程中的重要阶段，它是用一定的设备对样件进行测量来获取物体的空间表面数据，目前常用的采集方法主要分为接触式测量和非接触式测量两种。其中，接触式测量常用的设备有三坐标测量机和机械手等，主要依靠测头与模型表面相接触进行扫描获取零件的表面数据，其测量精度高、成本低，缺点是测量速度慢，接触扫描过程中因摩擦力和弹性变形的存在易引起模型产生变形从而导致测量误差，对细微部分的测量也受到限制，因此适合扫描材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体。非接触式测量方法有激光扫描、照片扫描和断层扫描，其中激光测量速度快、精度高，不会产生由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，获得的点云信息量大，精度高，能最大限度地反映被测表面的真实形状，适用于各种软硬材料的各种复杂曲面模型的三维高速测量。本文采用GOM公司生产的ATOS光学扫描仪来进行扫描，该系统采用的是结构光投影测量法，它被认为是目前三维形状测量中最好的方法之一。它拥有扫描速度较快，对于大曲面的扫描精度较高。由于测量设备有一定的测量范围限制，数据采集过程中不可能通过一次定位获取待测模型所有表面的数据点信息，必须经过仔细分析选择尽可能少的装夹次数进行装夹，分块测量。由于扫描是采用光学原理，为了反光，扫描前在可在模型表面均匀喷涂一层显影剂，并在平缓的样件表上上粘贴上参考点。参考点的布置应保证被测物转到任意角度后系统在此位置上能找到多于4个以上的参照点，保证测量系统在任意位置随机扫描时各次所扫得的数据能重合成一整体，保证测量坐标系的准确定位及分部分扫描的合并数据能构成整个样件的数值模型。对于大件物体，结合GOM公司的TRITOP照相技术，能够轻易扫描完整的零件表面。

2.2数据预处理

Imageware和Geomagic是著名的专用逆向工程软件，其中Imageware软件具有强大的点云处理和NURBS曲面重构功能，被广泛应用于汽车、航空和消费家电等领域，Geomagic软件具有NURBS曲面重构功能，人工参与较少，主要应用于玩具和工艺品等领域。根据软件的特点，本文选择Imageware软件对点云数据进行处理，具体步骤如下：（1）首先导入由扫描仪处理后的数据。合并点云，删除多余点云，删除零件体外的杂点。（2)本次扫描是车门内外板一起进行扫描，所以需要对点云进行分割。其中内板、外板的点云需分开单独进行存放，方便后续的模型重构。（3）由于整个扫描数据是由一张张图像拼接而成，且在扫描过程中不可避免受到振动、镜面反射或零件粗糙的表面等因素的影响，测量中会产生数据噪声，噪声不仅会增加曲率或法矢的估算误差，影响数据分块，而且还会破坏曲面模型的光顺性，需对点云进行数据除噪。（4）降噪后的点云有可能存在大量的冗余数据，过密的点云不但存在计算工作量大，而且可能影响其光顺性。因此，在曲面造型前需要按一定要求进行数据采样，减少测量点的数量，以便后续建模的需要。

3实体造型重构和检查

3.1实体造型重构

实体造型重构是逆向工程的最关键、最复杂的环节，因为后续的产品加工制造、快速成型与虚拟仿真都需要CAD模型的支持。实体造型重构不仅需要设计师能熟练应用软件，还要尽可能地了解到原有产品的设计思想，分析模型的类型、品质与建模思路。好的逆向设计，需要对产品有足够的理解，需要了解零件及零件特征的使用功能、判断零件是否存在变形等多方面因素。比如，零件在焊接成总成后，原来是平面的地方会变形为曲面，因此就需要多方面评估此处是按照曲面构建还是按照平面构建。这样做出的逆向模型，才能符合原设计者的设计意图。在逆向设计时，首先了解其曲面是自由或初等解析曲面（如平面、圆柱面或圆锥面等），对自由曲面考虑具有方便调整曲线和曲面的模块，对初等解析曲面件则考虑直接利用旋转、拉伸、扫描、混合等简单的建模命令完成。其次了解样件曲面是A级曲面（如汽车、摩托车的车身外表件）、B级曲面（不重要的表面，比如汽车的内饰件表面）或其他要求更低的曲面，对于A级曲面考虑对曲面调整的同时动态更新检测结果。最后结合样件的特点选择合理的建模方法，必要时再进行改进实现创新设计，工作中尽可能地做到提高建模的质量与效率。常用的实体建模软件有Pro/E、UG、CATIA等，本案例主要采用UG软件创建三维实体造型。打开UG软件，选择“导入”——“STL”，将之前处理好的STL文件导入UG软件，使用软件中的“建模”模块进行逆向设计，可以方便而快速地创建曲面和特征。首先重构特征线并调整其光顺度，通过“扫掠”和“网格曲面”构建出产品的大体外观轮廓，其次构建细部特征，比如窗框等，最后进行适当的倒圆、裁剪，并将曲面进行加厚和实体化，得到车门零件的实体造型.

3.2模型检查

车门的造型曲面是由点云数据经过曲线提取、曲面构建、特征构建等逐步完成的，在各步骤中不可避免的会产生一些误差。所以利用点云分析功能，将最终逆向而得的产品表面与点云数据进行比较是很有必要的。通过云图将偏差显示出来，可直观地看到三维模型与点云之间的差别，如图5所示，最后由设计师根据设计经验并结合产品的特性，针对误差较大的区域进行分析，决定是否有必要进行修正和优化。

4结语

本文通过ATOS扫描仪对车门零件进行数据采集，利用Im-ageware软件对所获取的表面点云数据进行降噪和压缩处理，并利用UG软件强大的曲面造型和特征设计功能完成实体建模，整个设计过程需要多种设备和多种软件配合完成，软件集成化程度低，需要大量的人机交互工作，专业性很强，因此提高软件的智能化水平是今后逆向工程的一个发展趋势。其次，逆向工程技术与设计师的经验与水平有着密切的关系，但由于其蕴含着对已有科学、技术的继承和应用的借鉴，所设计的产品具有起点高、周期短、成效快、成本低等的优势。因此，在市场经济竞争机制日益激烈的未来，逆向工程将在制造业中必将得到更广泛的应用。

作者:林胜梁 金玲 朱向丽 张方磊 单位:广西机电职业技术学院 柳州五菱汽车工业有限公司

参考文献:

[1]王宵.逆向工程技术及其应用[M].北京:化学工业出版社,2004.

[2]UGS.ImagewareComponentsHelp[K].美国:UGS,2004.

逆向工程范文篇3

逆向工程(ReverseEngineering)作为一项新的先进制造技术被提出是在上世纪八十年代末至九十年代初。当时首先由美国汽车龙头—福特汽车公司倡导的汽车“2毫米工程”对传统的制造业提出了前所未有的挑战。它要求将质量控制从最终产品的检验和检测，提前到产品的开发设计阶段。减小开发风险，降低开发成本，加快产品成功开发的周期。九十年代初在世界范围内掀起了所谓“先进制造技术及设备”的研究、开发热潮。

在计算机高度发展的今天，三维立体的几何造型技术已被制造业广泛应用于工模具的设计、方案评审，自动化加工制造及管理维护等各方面。而往往我们都会遇到这样的难题，就是客户给你的只有一个实物样品或手扳模型，没有图纸CAD数据档案，工程人员没法得到准确的尺寸，制造模具就更为困难。用传统的雕刻方法，时间长而效果不佳，这时我们就需要采用各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物转化为计算机上的三维数字模型。这就是所谓逆向工程(ReverseEngineering)。

逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及多自由度数控加工等多个环节。其中作为快速反求的发展则是由传统的接触式测量向快速非接触式测量逐步发展，特别是承受着“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了反求工程的主流。而三维激光扫描从形式上又是从点扫描测量向线扫描测量、场测量发展的，其中线扫描测量与点扫描同样基于“三角法测量原理”，同时借助于高精度，高分辨率的面阵CCD图像采集系统，从而使其具有了与点扫描形式类似的高测量精度以及可与场测量方式媲美的高效率。另外，采用步进电机带动旋转平台，可以获取被测物体的全轮廓数据信息，能真正做到了采用三维扫描方式获取物体三维形状信息。

二、Laser-RE推出后的短短两年时间内，仅就珠江三角洲地区，Laser-RE就已销售近百余台，国内一些大型的企事业单位均先购了该设备，如：浙江大学、哈尔滨理工大学、重庆工学院、五邑大学、东莞理工学院、江苏金鼎集团等。销售量在国内名列前茅。所以说三维激光扫描机这个“旧时王谢堂前燕”，到今天才真正“飞入寻常百姓家”。在深圳、广州、东莞、顺德、宁波、温州、义乌、泉州、重庆等地涌现出很多以Laser-RE为革本设备的专业对外进行逆向工程反求处理的国营、个体设计服务中心。“对外激光抄数”、“对外激光三维测绘”在国内制造业内达到前所未有的热度，极大地推动了当地企业产品开发、设计的水平和减少开发周期，取得了很好的经济效益和社会效益。

三、Laser-RE三维激光扫描原理及应用：

三角法测量原理是目前光学测量应用最广泛，技术最成熟的方法之一。首先光源发生器发出测量学源泉(一般为激光点光源或激光线光源)探测到被测工件的待测表面，通过光学系统投影到线阵CCD或面阵CCD上位置，而作为基准面的用来标定系统的点，其投影位置为点，所以通过它三角关系，CCD上的长度即可计算得到工件的高度尺寸。

通过测量系统的测量运动(即扫描运动)就能将工件的全部外形尺寸得到。

三维激光扫描光源采用半导体激光器，它具有寿命长、功耗小且光刀窄等一系列优点。成像系统采用进口分辨率，高精度面阵CCD摄像机。

测量系统的扫描测试平台，采用三直角坐标直线运动和一维旋转运动的四坐标方案，实现对物体3600范围的三维形貌扫描测量。

Laser-RE三维激光扫描机已广泛地应用于机械设计与制造模具加工，电子与电器、家用电器、汽车、摩托车、玩具、医疗修复工程、艺术装饰品设计加工等。

逆向工程范文篇4

随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程(ReverseEngineering).所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。

逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。而逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。

一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容:

(1)新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计。

(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

(3)损坏或磨损零件的还原。

(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。

而传统的产品造型设计，一般是在市场调研，制定需求表之后，先展开平面简图的构思，形成稍微完整的方案之后，开始绘制三维简图，完全定型后再根据需要绘制效果图、三视图或制作简易的模型。在造型设计的过程中，需要工程技术人员、产品造型人员与工人的通力合作，用样品实物模型来表达设计者的构思，但对每一种方案都制作实物样品，要付出大量的劳动，还存在着精度低、修改调整困难、设计周期长及成本费用高等问题。

2CAD技术应用于产品设计

计算机技术的发展，带来第三次技术革命浪潮，计算机辅助设计(computeraideddesign,简称CAD)技术则是计算机在工业领域应用中最为活跃的一支。它集数值计算、仿真模拟、几何模型处理、图形学、数据库管理系统等方面的技术为一体，把抽象的、平面的、分离的设计对象具体化、形象化，它能够通过“虚拟现实”技术把产品的形状、材质、色彩，甚至加工过程淋漓尽致地表现出来，并能把产品的设计过程，通过数据管理，实现系统化、规范化，这正是工业设计与CAD技术必然结合的基础所在。

逆向工程技术实施的软件条件

目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer,Delcam.Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个:Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统;Dvorak开发的仿制旧零件的逆向工程系统:H.H.DanzdeCNCCMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。而这些软件相对与尽管目前一些高端的设计软件，已经具备了产品复杂造型的设计与渲染功能，但要艺术类的设计师掌握并运用这类软件，至今还不是一件容易的事。所以从事结构设计的设计师们大都是机械工程师出身，设计的思维与方式完全不同于造型设计师，他们思维是一种完全符合机械设计标准的设计思维方式。

那么，两种设计将如何在产品的设计中得到结合，且得到较好的结合，并且更好地完成从设计到加工程序的转换成为我们进行产品设计所要考虑的问题。

3产品设计一逆向工程CAD技术

(1)Pro/E参数化设计在工程中的应用

参数化设计(Parametric)(也叫尺寸驱动Dimension-Driven)是CAD技术在实际应用中提出的课题，它不仅可使CAD系统具有交互式绘图功能，还具有自动绘图的功能。目前它是CAD技术应用领域内的一个重要的、且待进一步研究的课题。利用参数化设计手段开发的专用产品设计系统，可使设计人员从大量繁重而琐碎的绘图工作中解脱出来，可以大大提高设计速度，并减少信息的存储量。参数化设计的关键是几何约束关系的提取和表达、约束求解以及参数化几何模型的构造。1988年，美国参数技术公司首先推出参数化设计CAD系统Pro/Engineer(简称Pro/E)，充分体现出其在许多通用件、零部件设计上存在的简便易行的优势。它的主要特点就是:基于特征、全尺寸约束、全数据相关、尺寸驱动设计修

改。

这样我们可以采用PTC公司的工业设计软件Pro/Designer(简称Pro/D)进行曲面设计，由于Pro/D与Pro/E采用的是同一数据库，两者之间是

无缝连接的，因而在设计中造型设计师和结构工程师可以更好的协作

(2)Pro/D的曲面设计能力

对于工业设计人员和那些想构建曲面模型的工程人员来说，Pro/D正是他们需要的工具，Pro/D可以构建高质量的自由曲面模型，并且可以很容易的转换到其它基于制造工程的CAD系统中。Pro/D能够创建真实而精确的几何体，利用它可以更加容易的创建模型，缩短设计周期。利用Pro/D可以把视觉上的美学要求和模具制造过程中的工程要求很好的结合起来，这一点在创建自由曲面模型的过程中现得尤其显着

(3)Pro/D与Pro/E之间的致据传抽

Pro/Designer与Pro/Engineer之间交换数据有两种方式:一种是与Pro/Engineer直接交换数据，另外还有一种就是以文件的方式与Pro/Engineer交换数据。

(4)造型复杂产品三维设计的CAD应用

对于造型装饰性强，特别是包含复杂曲面的产品，可以使用Pro/D与Pro/E组合起来进行，造型设计师在Pro/D里面做ID、做曲面建模，直接从Pro/D里启动Pro/E，把数据导到Pro/E由结构设计师进行结构设计，在整个设计过程中甚至结构设计全部做完了，由于客户的要求或设计师对方案的局部要进行更改，这时只须在Pro/D里面改动，改好后存好再原名称送给Pro/E，那么Pro/E里也得到改变，而结构不用重做(当然修改要使结构有存在的条件，即它的父特征不会有问题)。

逆向工程范文篇5

关键词逆向工程；双目立体视觉；立体匹配；彩色点云

1引言

通过二十年的发展，逆向工程已经取得了很大的进展，在模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、鞋业、艺术业、医学工程及产品造型设计等方面发挥了重要作用[1]。但是，随着网络技术的蓬勃发展，在多媒体、游戏业、动画业、医学以及古文物和艺术品的数字化等方面，目前的单色三维逆向技术已不能满足需求，在这种情况下，彩色三维数字化和数据处理系统开始蓬勃发展，三维彩色逆向工程技术成为逆向工程研究中非常活跃的一个分支。

2系统组成

逆向工程中的测量系统分为接触式测量和非接触式测量，由于非接触式测量有着众多优点，是现在逆向工程测量系统研究的重点，目前普遍使用的是单色结构光测量系统，它采用两个黑白CCD摄像机，从不同角度得到待测物体的二维图像，利用双目视差原理，获得待测物体的深度信息。由此得到物体表面各个点的三维坐标[2]。

在当前单色非接触式结构光测量系统的基础上，采用彩色CCD摄像机，运用彩色信息提取技术，得到三维物体的彩色信息(R，G，B分量)，再与物体表面点的空间坐标匹配，从而得到物体表面点的六维信息(X，Y，Z，R，G，B)，生成彩色点云文件，为三维彩色模型重构提供数据基础。

系统主要组成部分(参见图1)：

①彩色CCD摄像机；②三维标定靶；③编码光栅投射装置；④图像采集卡；⑤PC机。

测量系统的采集部分由一个编码光栅投射器和两个彩色CCD摄像机组成，投射器固定于中央，两台摄像机分布于两侧。首先，投射器直接投射面结构光栅到测量物体表面，两侧的彩色CCD摄像机摄取物体的二维图像，接着，关闭投射器，在自然光照明情况下，由左右摄像机摄取测量物体二维彩色图像。摄像机采集的信号经采集卡转换后进入PC机进行后续处理。

其中：，f为摄像机的有效焦距，dX，dY为像素之间水平和垂直方向的距离，(u0，v0)为主点在计算机图像坐标系中的坐标，R为3×3旋转矩阵，t=(tx，ty，tz)T为平移矩阵，标定的结果就是得到上述几个参数。

对于摄像机标定的方法，现在研究的比较成熟，其中Tsai(1986)提出的基于径向约束的两步法[4]是研究的重点，本文基于Tsai的RAC两步法完成摄像机的标定，设左摄像机位于世界坐标系原点，且无旋转，右摄像机相对世界坐标系的旋转矩阵，平移矩阵T=(Tx，Ty，Tz)T，通过RAC两步法求出左右摄像机的内外参数。

3.2采集表面点六维信息(XwYwZwRGB)

在左右CCD摄像机分别获得三维物体的二维彩色图像后，关键是如何通过匹配得到物体的三维信息和彩色信息。

1)三维信息的获取

目前，立体匹配的算法主要分为两大类：区域匹配和特征匹配[5]。区域匹配对图像中各像素点周围的图像子区域进行灰度相关运算，通过相关值来确定匹配关系，这种匹配可以得到密集的视差图，但这种算法存在①计算量大，速度慢。②匹配窗口大小选择困难。③对仿射畸变和辐射畸变敏感等缺陷。特征匹配通常选择边缘、角点等特征点作为匹配点，因此特征匹配算法①匹配速度较快。②特征匹配精度较高(亚像素级)。但这种算法只能得到稀疏视差图。综合上述两种方法的优缺点，本文采用混合算法，即分步利用特征匹配和区域匹配两种方法进行匹配。

基本步骤是：

(1)对左右两个彩色CCD摄像机获得彩色二维图像(BMP)进行灰度化处理，并进行必要的图像预处理[6](均值滤波、高斯滤波、直方图均衡化、拉普拉斯锐化)消除噪声。(2)特征匹配需要特征点，采用如图3所示的Sobel算子对左右图像进行卷积运算[7]，把图像像素点梯度▽f(x，y)大于某一选定阈值的点作为边缘特征点，得到待测物体的左右边缘特征点图。

(3)采用双向匹配法[8]对左右边缘特征图中的边缘特征点进行匹配，首先选取左图中的边缘特征点，根据灰度、梯度、方向、极线等约束条件，和右图中的特征点匹配，然后再选取右图中的边缘特征点和左图中的特征点匹配，最后选择双向都是最优匹配点的点对作为最终匹配点，得到边缘特征点的视差图。

(4)上一步骤只是得到边缘点的稀疏视差图，为了得到密集的视差图，需要对大量非边缘点进行区域匹配，步骤⑶得到边缘特征点实际上把左右图像分割成许多小区域，这就大大缩小了区域匹配的搜索空间，从而提高了匹配的效率和准确程度。左图中一点m(i，j)，在右图中找其对应的匹配点，使用M×N的相关窗口，使窗口位于m处，在右图中，在同一条水平线搜寻匹配点n，使用协方差系数[9]来衡量m，n之间的相似程度，最终找到最佳匹配点。

(5)通过上面四个步骤，可以得到待测物体表面各个点P在左右摄像机图像上映射点(Pl，Pr)的对应关系，以及左右两个映射点的图像坐标Pl(Xl，Yl)，Pr(Xr，Yr)，由标定得到的有效焦距fl，fr以及旋转矩阵R和平移矩阵T进行计算，可以得到待测物体表面各个点的三维坐标(Xw，Yw，Zw)。

计算公式如下：

2)彩色信息获取

本系统采集的二维彩色图像为24位的BMP文件，位图文件头BITMAPFILEHEADER为14字节，位图信息头BITMAPINFOHEADER为40字节，不具有调色板，参见图4。对于BMP文件，实际位图数据区每三个字节表示一个像素点的RGB信息(按BGR顺序排列)数据是从下到上，从左到右排列的，且图像每一行像素所占的字节数必须是4的整倍数(如不足，需补齐)[10]。

图4BMP文件结构示意图

设BMP文件的大小(字节)为SIZE，图像上某点p(u，v)。点在文件中的字节位置为POS，则：

已经得到物体表面点P的三维坐标(Xw，Yw，Zw)，以及点P在左右摄像机图像上映射点Pl(ul，vl)和Pr(ur，vr)的对应关系。使用VC中的三个宏，GetRValue、GetGValue和GetBValue，从左右图像中读取像素点Pl，Pr的RGB分量。

综合两者(点Pl，Pr)的颜色信息，就是物体表面点P的颜色信息(RGB)，至此，可以确定物体表面测量点的六维信息(XwYwZwRGB)。此外，标记出左右彩色图像的颜色边缘点，作为后续数据精简时的约束条件(颜色边界点不能精简掉，否则重构模型的颜色边界模糊)。

3)彩色点云的生成

由被测物体表面测量点的六维信息，生成ASCII格式的彩色点云数据文件，格式如下：

点数

65536

序号XYZRGB

020304025500

130405002550

……

最终，ASCII格式的彩色点云文件经数据接口转换，生成逆向工程软件支持格式的文件，完成三维彩色模型重构。

4结束语

目前，三维彩色逆向技术正在蓬勃发展，本文在单色非接触结构光测量系统的基础上，采用彩色CCD摄像机获取测量物体的彩色图像，综合运用机器视觉和图像处理技术，为获得测量物体的彩色点云数据提供了一种方法，也是对三维彩色逆向工程技术研究的一种有益尝试。

参考文献

[1]金涛，童水光.逆向工程技术[M].北京：机械工业出版社，2003：26-65

[2]徐红兵，任乃飞.ATOS流动式光学扫描仪的工作原理与系统标定[J].工具技术，2006年第40卷

[3]张广军.机器视觉[M].北京：科学出版社，2005：24-17

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[5]徐奕，周军，周源华.立体视觉匹配技术[J].计算机工程与应用，2003.15

[6]李弼程、彭天强，彭波等.智能图像处理技术[M].北京：电子工业出版社，2004：61-95

[7]周长发.VisualC++图像处理编程[M].北京：电子工业出版社，2006：290-293

[8]刘正东，孙权森，杨静宇.基于特征约束及区域相关的体视匹配方法[J].计算机工程与应用，2003.34

逆向工程范文篇6

关键词：数控雕刻；玉石；逆向工程技术；应用研究

现以一个较为复杂的手工雕刻的工艺品为例子，通过逆向工程技术对其进行逆向建模，逆向出对应的3D数字模型，再通过CAM数控编程软件进行加工轨迹的编辑，生成对应的数控机床加工代码，导入数控五轴机床进行实践加工。

1手工玉石雕刻

先准备好玉石毛坯及手工雕刻用的工具，其雕刻流程大体分为四部分：1）设计：根据材料的大小及质地构思好需要雕刻模型的形状。2）粗雕：用笔画好大致轮廓，去除大部分材料，粗雕出其大致形状轮廓。3）细雕：对粗雕完成的坯料进一步的刻画，细雕其细节特征。4）抛光：将其表面进行打磨，使玉器表面光滑而细腻。经过雕刻后，一块粗糙的玉石毛坯变成了一件有价值的工艺品（如图1所示），其加工的时间大概需要一天左右。

2模型逆向建模

逆向工程通常指利用已存在的实物，通过三维数字化测量仪器，准确测量出其轮廓坐标，将其坐标点构造出其3D数字模型。2.1数据采集手工玉石雕刻的工艺品形状曲面较复杂，采用非接触式的扫描测量方法，利用WinDD单目扫描仪（如图2）对其进行数字化数据采集，对其扫描的系统软件获取点云数据保存导出。2.2数据处理保存的点云数据为asc文件，需要利用Geomag⁃icStudio软件进行处理，不然会以点的形式存在，造成无法清晰显示模型并进行后续的CAM编程。先将点云数据导入GeomagicStudio软件后，去除其多余存在的点云数据，使用软件的封装指令，其设置的参数为默认参数，将点云数据转换为曲面片体形式，将其另存为stl格式文件，得到的模型如图3所示。

3数控编程加工

3.1模型工艺分析。此次的材料选用青田石作为材料，材料大小为20mm×20mm×50mm。根据其材料特性，选用带打磨头的玉石雕刻刀，采用高速磨削的方式去除其多余的材料。加工方式分为开粗和精加工两种，先去除大余量后，再精加工直接到位。根据其模型形状大小，装夹的方式选用平口钳装夹固定（如图4），一次装夹加工完成。3.2加工设备选择。根据模型的加工需求，此次选用数控系统为华中818数控系统的五轴机床（如图5），其主轴转速为30000r/min，满足其加工转速的要求，其结构为BC摇篮式结构，并能进行五轴五联动铣削加工。3.3加工轨迹编辑。选用CAM数控编程软件AutodeskPowerMillUltimate2020对其加工模型进行编程，先将模型的stl格式文件导入软件內，设置其加工刀具，选用直径为6mm带打磨头的锥度雕刻刀进行开粗，直径为4mm带打磨头的锥度雕刻刀进行精加工，根据其开粗和精加工的磨削方式，设置其对应的主轴转速、切削进给率及加工余量（如表1所示）。1）开粗部分使用四轴策略进行加工，磨削其大部分余量，使模型剩余的余量分布均匀，让精加工不会产生振刀情况，如图6所示分别为加工路径和仿真加工效果。2）精加工部分使用五轴联动加工策略，刀具根据曲面的变化而进行刀轴的运动，使其每个部位都能加工到位。如图7为模型在实际机床加工的情况。3.4程序后处理。编辑好的刀路通过软件后处理，得到了数控机床对应的加工G代码，导入五轴数控机床进行实际加工，其整体实际加工时间需要2小时左右，实现自动化加工。如图8为对应的加工玉石工艺品。

4结束语

通过本项目的实践加工，通过数据对比我们可以知道逆向工程技术在手工玉石雕刻中，提高了效率，降低了成本，可以实现自动化生产。

参考文献：

[1]李敏芳.数控技术在玉雕中的应用研究[J].职业技术，2015（12）：90-92.

[2]袁园.数控雕刻软件及加工技术概述[J].科技创新导报，2009（31）：172.

[3]石从继，亓剑.多边形凹球面体的三维造型与五轴数控加工[J].机床与液压，2013，41（22）：21-23.

[4]赵玉刚，江士成，邢建国.文字、图案数控凹凸雕刻加工计算机辅助编程系统[J].机械科学与技术，1999（5）：855-857.

逆向工程范文篇7

关键词：逆向工程；复杂曲面；数控加工技术

利用逆向工程对复杂曲面进行数控加工，主要利用CAD系统生产的CAD模型与NC加工程序等，是当前一种比较成熟且应用范围较为广泛的复杂曲面加工技术。该项技术主要是利用三维数据扫描，在扫描过实物之后，在计算机设备中进行建模和完善，生成NC程序，并与数控加工机床产生通讯，从而快速的完成产品模式的制造。在加工复杂曲面过程中使用此种方法，不仅可以提高曲面的制作速度，还能够对CAD模型进行再次创新。因此，对该项加工技术进行具体研究，对于推动制作和模型设计行业的发展具有重要作用。

1数字化的扫描技术

一般情况下，主要通过接触式与非接触式方法来采集三维数据，其中，接触式测量方法包括连续式的数据采集和点位触发式的采集数据方式。在接触式采集中，电位触发式采集方式的采集速度比较慢，只适用于需要数据量少的表面数字化或者是检测零部件表面形状等场合；连续式采集法的采集速度比较快，可以应用在一些需要大规模采集数据的场合。从效果上来看，接触式测量具有精确度高、操作简便、采集成本低以及抗干扰能力强等优势，但由于该方法在测量过程中存在接触压力，所以在测量一些质地比较柔软的零件时，容易产生误差较大的测量结果；并且，该方法的测头半径还存在着三维补偿的问题。非接触式的测量方式由于测头不需要与其测量物体的表面直接接触，主要依靠激光、电磁场和声波等方式来传播数据，所以不会产生接触压力。目前，常见的测量方式主要有：以激光作为传播媒介的断层扫描测量和激光三角形测量法。与此同时，非接触测量还拥有测量速度快、测量过程中不会损坏零件表面、测量距离远、对测量环境要求低、不存在三维补偿问题以及适用于测量弹性较大或者是质地较为柔软的零部件等优势，这也使得该项测量技术在近些年得到了快速的发展[1]。

2数据预处理

受设备自身缺陷或者是零件表面质量等方面因素的影响，使得获取测量数据的过程中经常会出现坏点或者是跳点，而为了保证数据结果的精确性，需要在重构CAD模型前，对获得的数据进行预处理[2]。数据预处理主要包括以下几个方面：一是消除掉测量数据中存在的噪声点；二是对数据中缺失的信息进行插补；插补数据中缺失的信息；三是优化数据信息，除掉多余的数据；四是对在不同定位点得到的测量数据进行归类和统一处理，并且，对于接触式测量得到的数据还需要消除掉测头半径产生的影响因素，保证数据的光整性。

3重构CAD模型

当CAD模型曲面被数字化之后，就会在空间范围内形成一系列的离散点，而重构CAD模型，就是要以这些离散点为基础，将计算机设备作为辅助，利用与几何模型设计的相关基础对CAD模型的曲面进行重新构建。一般情况下，如果重构的是复杂曲面，不可以只利用一张曲面来拟合全部数据点，而是要以曲面原型具有的全部特点为依据，将测量的数据点划分成几块不同的区域，并在各个区域内拟合出不同种类的曲面，再利用曲面过渡或者是求交的方式将不同的曲面连接成一个整体[3]。在逆向工程技术中，重构CAD模型曲面的方式有三种：第一，以NURBS或者是B-spline曲线为基础的方法；第二，以三角Bezi-er曲面为基础的方法；第三，以多面体来描述曲面物体的方法。其中，由于以NURBS曲面为基础的方法能够通过权因子和控制点改变曲面的形状，且具有较高控制局部形状的能力，所以，此种方式是当前一种比较先进的CAD模型重构法。

4使用CAM生成曲面数控加工的刀具轨迹

该方法既是当前加工复杂曲面零件技术中最重要的一种，也是研究深度最广的一种，其加工的质量、效率和可能性主要是由是否可以形成有效刀具轨迹所决定的。就目前来看，应用范围比较广泛的CAD软件类型相对较多，但无论哪一种方法，其生产刀具轨迹的方式大致相同。其中，常用的方法有：第一，截面线加工。该加工法是采用在一种平行的平面或者是一组曲面上去掉或者是切掉被加工的表面，截出一系列需要应用到的交线，然后让被加工曲面和刀具的接触点沿着交线运动，来完成曲面加工的。但由于求取曲面和曲面的交线比较困难，所以一般都在平面上选取截面。第二，等残留高度加工。主要是通过讨论在对球头刀进行三轴加工是采用等残留高度的计算方法来计算步距，在保证相邻的两个轨迹之间残留的高度值都等于最大的残留高度的基础上，以增加加工步距的方式来缩短轨迹的长度，从而达到节约加工时间，提高复杂曲面加工效率的目的。

5结论

作为当前产品开发设计和制造技术中的一种核心技术，逆向工程是模型设计与制造领域专业人员的一个重点研究方向。以逆向工程技术为基础，在CAD集成技术和计算机网络技术的支持下重构复杂曲面，不仅可以减少产品开发花费的时间，还能够提高产品的生产质量，有效解决产品在复杂曲面设计方面的相关问题，从而使得相关企业的生产效率和核心竞争力得到极大的提升。因此，基于逆向工程技术，对复杂曲面的数控加工技术进行研究，对于推动社会经济发展进步具有极高的现实意义。

作者:聂迪 赵彦如 单位:河南理工大学机械与动力工程学院

参考文献：

[1]黄斌达,王琦,陈发威.复杂曲面零件的逆向建模及数控加工仿真的研究[J].组合机床与自动化加工技术,2010,12(12):97～100.

逆向工程范文篇8

关键词:逆向工程技术;机械制造领域;应用

目前，逆向造型、精密测量与检验等岗位具有越来越重要的地位。通过将逆向工程技术与CAD、CAM等先进的制造技术相结合，能够为计算机辅助设计系统的发展提供一个新的发展思路。对逆向工程技术进行研究和分析，能够有效地提高工业产品的设计水平。

1逆向工程技术概述

1．1逆向工程技术的基本概念

逆向工程又名反向工程，简称RE，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生产信息的情况下，直接从成品分析推导出产品的设计原理。逆向设计与正向设计相对应，正向设计是一个“从无到有”的过程，设计人员需要对产品的外观、结构、功能以及一些相关的技术参数进行构思，使用CAD技术构建产品的三维模型，最后把三维模型引入实际的生产制造中，完成设计制造的全部周期。而逆向工程则是一个“从有到无”的过程，首先需要根据现有的产品模型，反向推出产品设计的图纸以及相关的数据，之后再进入产品的制造阶段。

1．2逆向工程技术的分类

逆向工程技术根据所求的数据可以划分为几何反求、工艺反求以及材料反求等。几何反求就是根据实物样品的几何轮廓中的数字化信息来反求出样件的CAD模型。通过利用三维扫描仪能够对实物进行专业化的精准扫描，进而将搜集到的产品三维数据进行处理，在软件中实现对数据模型的CAD重构，从而得到样件的三维实体模型。通过三维实体模型能够对产品或者模具进行制作，也可以对原有的产品进行不同程度的改型以及仿型，实现产品设计的创新。工艺反求和材料反求则是对产品的制作工艺和使用流程进行推理，从而得出产品的实际制作方法。

2逆向工程中的关键技术

2．1常用的测量技术

在逆向工程中常用的有3种测量方法，分别是接触式测量、非接触式测量以及逐层扫描式测量。①接触式测量，一般在物理模型上打点时使用这种方法，通过利用三坐标测量机提取三维坐标打点的相关信息，接触式测量精度高，但测量效率较低。②非接触式测量，这种方法所能获得的测量数据较多，信息的密度较大，测量进度也好，因此在实际逆向开发的过程中得到了广泛地应用，在一定程度上提高了工作的效率。③逐层扫描式测量，这种方法不仅能够得到产品外形的相关数据信息，还能对产品的内部形状数据等进行逐层扫描和分析，能解决前面两种无法测量物体内部轮廓的问题。以上测量方法都有各自的特点和应用范围，选用那种测量方法应根据被测物体的形体特征和应用的场合来决定。

2．2数据处理技术

数据分割就是根据组成实物外形曲面的子曲面类型，将属于同一子曲面类型的数据分为一组，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，先分别拟合单个曲面片，再通过曲面的过渡、相交、裁减、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，对模型进行重建。数据分割可以分为自动分割和基于测量的分割两种方式，自动分割又包括了基于面和基于边的两种基本方法。①基于面的数据分割是以曲面光滑连续为前提，对具有相同曲面性质的点进行推断，并根据相应参数的性质来对相同面的点进行判断，由于实际生活中的物体并不是完全光滑和连续的，因此使用这种方式推断出的参数也存在一定的误差;基于边的数据分割是要先将数据点集中起来，根据各种特征对具有相同类型的曲面片的边界点进行判断，从而实现数据的分割，这种方式的缺点在于尖锐边上的测量数据准确性较低。②基于测量的分割是在测量的过程中，有关工作人员将实物的外形特征进行分类，具有不同的外形特征的曲面被分成不同的子曲面，将其结果导入到CAD中，能够对不同的数据类型进行高效地处理和分析，为之后的造型提供一定的便利，这种方式在测量曲面特征明显的实物外形时最为适用，也可用于接触式的测量中。需要注意的是，使用这种方式时操作人员的经验和技术水平将会对测量的结果产生极大的影响。在测量数据时很容易产生一些噪音，通过数据平滑的方式能够尽可能地降低噪音、提高测量结果的准确性，如采用高斯滤波、均值滤波和中值滤波的计算方法。由于测量系统的不同，最终得到的数据格式也是不完全一致的，需要对数据进行进一步地处理，保证后续CAD模型重建的顺利进行。8312．3曲面重构技术在逆向工程中曲面重构技术是一项关键的技术，在开始进行工作前，应对相关的零件进行检查和分析。一方面，需要形成一套完善的设计方案，在设计时考虑到前后的流程和具体的措施，之后再对模型的特征区域进行划分，最后对整体的设计思路进行整合，制定出更加完善的设计方案。另一方面，需要确定构成设计模型的曲面类型，在进行曲面重构的过程中选择合适的方法和工具来促进曲面重构技术的顺利进行。

3逆向工程技术在机械制造领域的应用

3．1损坏或磨损零件的还原

对于一些损坏或者磨损的零件，能够利用逆向工程技术对特征参数进行提取，之后对其进行还原和修补。由于零件表面已经发生磨损，这就容易在测量时出现误差，因此逆向工程系统需要具有一定的推理和判断能力。

3．2新产品开发领域的应用

逆向工程能够为机械制造领域提供一个高效的模型重构全新手段，帮助该领域完成从实物到三维模型的直接转换。在工业设计的过程中，存在一些产品对于外观的设计有特殊的要求，必须在设计中充分地考虑到产品外形的艺术性和美观性。如汽车、飞机等产品的设计，这些产品都是需要相关的设计师先结合产品的美观性和艺术性来建立一个比例模型，之后再进行一系列的实验，对模型产品进行必要的评估，逐步地完善设计方案，最后利用逆向工程技术将三维的CAD模型转化成实物，这不仅能够减少产品开发设计的周期，也能提高生产效率。

3．3模具制作领域的应用

在传统的模具制造过程中，需要对模具进行反复地试模和修改，最终得到满足要求的模具。逆向工程技术能够将样本模具作为产品的对象，对满足要求的模具进行测量，在重建数字化模型的基础上生成加工程序，提高模具的生成效率，降低模具的生产成本。除此之外，逆向工程技术还可以将实物的零件作为产品的对象，通过逆向推理的方式求得CAD模型，之后再对模具进行后续的设计，这种方式能够在一定程度上减少修模量。

3．4工艺艺术品的复制

对于一些有价值的工艺品来说，复制也是一项具有重大意义的工作，如一些手工艺大师的作品大多都只有一件，但是如果需要对其进行推广应用，就需使用逆向工程技术得到工艺品的三维数据信息，建立实物的三维模型，有助于艺术品后续进行复制推广。

4结语

逆向工程技术在机械制造领域的应用十分广泛，具有成本低、研发周期短等优势，这项技术在后续的发展中将会具有更加明显的优势和更为广阔的应用空间，从而为现代工业设计师实现产品造型的设计提供全新的方式。

参考文献:

［1］刘雯．浅谈逆向工程与快速成型技术在机械制造领域中的应用———评《逆向工程与快速成型技术应用》［J］．材料保护，2020，53(4):175．

逆向工程范文篇9

逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。

从广义讲，逆向工程可分以下三类：

(1)实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。

(2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。

(3)影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。

目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。逆向工程与顺向工程如下图l所示：

2逆向工程数据测量技术

数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。

现有的数据采集方法主要分为两大类：

(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的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标测量机，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，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，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。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能测量到被测零件的一些细节之处，不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。

(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集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。

非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次／秒到23000次／秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响(颜色、光度、粗糙度、形状等)的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。

总之，在可以应用接触式测量的情况下，不要采用非接触式测量；在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离算点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。

3逆向工程数据处理技术

数据处理是逆向工程的一项重要的技术环节，它决定了后续CAD模型重建过程能否方便、准确地进行。根据测量点的数量，测量数据可以分为一般数据点和海量数据点；根据测量数据的规整性，测量数据又可以分为散乱数据点和规矩数据点；不同的测量系统所得到的测量数据的格式是不一致的，且几乎所有的测量方式和测量系统都不可避免地存在误差。因此，在利用测量数据进行CAD重建前必须对测量数据进行处理。数据处理工作主要包括：数据格式的转化、多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。

每个CAD／CAM系统都有自己的数据格式，目前流行的CAD／CAM软件的产品数据结构和格式各不相同，不仅影响了设计和制造之间的数据传输和程序衔接，而且直接影响了CMM与CAD／CAM系统的数据通讯。目前通行的办法是利用几种主要的数据交换标准(IGES、STEP、AutoCAD的DXF等)来实现数据通讯。

在逆向工程实际的过程中，由于坐标测量都有自己的测量范围，因此无论我们采用什么测量方法，都很难在同一坐标系下将产品的几何数据一次完全测出。产品的数字化不能在同一坐标系下完成，而在模型重建的时候又必须将这些不同坐标下的数据统一到一个坐标系里，这个数据处理过程就是多视数据定位对齐(多视点云的拼合)。多视数据的对齐主要可以分为两种：通过专用的测量软件装置实现测量数据的直接对齐；事后数据处理对齐。采用事后数据处理对齐又可以分为：对数据的直接对齐和基于图形的对齐。对数据的直接对齐研究研究中，出现了多种算法，如ICP算法；四元数法；SVD法；基于三个基准点的对齐方法等。

数据平滑的目的是消除测量数据的噪声，以得到精确的数据和好的特征提取效果。目前通常是采用标准高斯、平均或中值滤波算法。其中高斯滤波能较好地保持原数据的形貌，中值滤波消除数据毛刺的效果较好。因此在选用时应该根据数据质量和建模方法灵活选择滤波算法。

运用点云数据进行造型处理的过程中，由于海量数据点的存在，使存储和处理这些点云数据成了不可突破的瓶颈。实际上并不是所有的数据点都对模型的重建起作用，因此，可以在保证一定的精度的前提下减少数据量，对点云数据进行精简。•目前采用的方法有：利用均匀网格减少数据的方法；利用减少多变形三角形达到减少数据点的方法；利用误差带减少多面体数据点的方法。

数据分割是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型，将属于同一曲面类型的数据成组，划分为不同的数据域，为后续的模型重建提供方便。数据分割方法可以分为基于测量的分割和自动分割两种方法。目前的分割方法有：基于参数二次曲面逼近的数据分割方法；散乱数据点的自动分割方法；基于CT技术的数据分割方法。

4逆向模型重建技术

在整个逆向工程中，产品的三位几何模型CAD重建是最关键、最复杂的环节。因为只有获得了产品的CAD模型我们才能够在此基础上进行后续产品的加工制造、快速成型制造、虚拟仿真制造和进行产品的再设计等。在进行模型重建之前，设计者不仅需要了解产品的几何特征和数据的特点等前期信息，而且需要了解结构分析、加工制作模具、快速成型等后续应用问题。目前使用的造型方法主要有：

(1)曲线拟合造型：用一个多项式的函数通过插值去逼近原始的数据，最终得到足够光滑的曲面。曲线是构成曲面的基础，在逆向工程中常用的模型重建方法为，首先将数据点通过插值或逼近拟合成样条曲线，然后采用造型软件完成曲面片的重构造型。优点是原理比较简单，只要多项式的次数足够高就可以得到满意的曲面，但也容易造成计算的不稳定，同时边界的处理能力也比较差，一般用于拟合比较简单的曲面。

(2)曲面片直接拟合造型该方法直接对测量数据点进行曲面片拟合，获得曲面片经过过渡、混合、连接形成最终的曲面模型。曲面拟合造型既可以处理有序点，也可以处理散乱数据点。算法有：基于有序点的B样条曲面插值；B样条曲面插值；对任意测量点的B样条曲面逼近。

(3)点数据网格化网络化实体模型通常是将数据点连接成三角面片，形成多面体实体模型。目前已经形成两种简化方法：基于给定数据点在保证初始几何形状的基础上，反复排除节点和面片，构建新的三角形，最终达到指定的节点数；寻找具有最小的节点和面片的最小多面体。

5展望

逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作，操作者的经验和素质直接影响着产品的质量，自动重建曲面的光顺性难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面：

(1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、高精度的实现产品几何形状的三维数字化，并能进行自动测量和规划路径；

(2)数据的顶处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法；

逆向工程范文篇10

【关键词】逆向工程;快速采集;曲面拟合;三维测量技术

1、引言

作为一种新产品开发以及消化、吸收先进技术的重要手段,逆向工程和快速原型技术可以胜任消化外来技术成果的要求。它们的出现改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。

当今，各个行业越来越注重产品的外观设计，以此来吸引顾客，最终在商业上取得成功。这点在消费产品的设计中体现的尤为突出。特别是手机、数码相机、汽车等行业。

1.1逆向工程及其应用范围

在工业领域，往往会碰到根据模型或实物来构建其三维数字模型的需求。这就用到了逆向工程技术，逆向工程(ReverseEngineering)也称反求工程，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量即数字化采样，然后根据测量数据通过三维几何建模方法重建实物的CAD数字模型，从而实现产品设计与制造的过程。

逆向工程在工业制造领域的实际应用主要包括以下几个方面：

a)新零件的设计，主要用于产品改型或仿型设计；

b)已有零件的复制和仿制，再现原产品设计．复杂产品仿制等；

c)损坏或磨损零件的还原，以便修复或重制；

d)产品的检测，例如检测分析产品的变形，检测焊接质量等，以急对加工产品与三维数字化模型之间的误差进行分析。

在制造业中，逆向工程已成为消化吸收新技术和二次开发的重要建径之一。作为改进设计的一种重要手段，它有效地加快了新产品响应市场的速度。同时，逆向工程也为快速原型提供了很好的技术支持．成为制造业信息传递重要而简沽的途径之一。

另外．逆向工程在文化艺术、医学领域也有较好的应用，包括根据木制或泥塑模型进行艺术美学设计，数字文物和数字博物馆，虚拟手术等。

2、逆向工程的结构体系

逆向工程系统主要由三部分组成:产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造。逆向工程中的关键技术是据采集、数据处理和模型的重建。

(1)数据采集

数据采集是逆向工程的第一步,其方法的得当直接影响到是否能准确、快速、完整地获取实物的二维、三维几何数据,影响到重构的CAD实体模型的质量,并最终影响产品的质量。

(2)数据处理

对于获取的一系列点数据在进行CAD模型重建前,必须进行格式转换、噪声滤除、平滑、对齐、归并、测头半径补偿和插值补点等处理。

(3)模型重建

将处理过的测量数据导入CAD系统,依据前面创建的曲线、曲面构建出原型的CAD模型。

3、逆向工程研究及应用现状

3.1基础研究现状

在逆向工程的基础研究方面，国内外已做了大量的工作，主要集中在CAGD领域的曲面重构和实体重构算法研究。国际市场目前已出现了不少商用的逆向工程软件系统。国内有关逆向工程的基础研究也在不少单位内展开，如浙江大学、华中理工大学、西安交通大学、西北工业大学等，并取得了一定成果。

由于曲面重构的复杂性，逆向工程领域还有很多问题值得研究，包括曲面重建和体视化技术、曲面造型方法、特征检测等。

3.2应用研究现状

作为先进制造技术的重要组成部分，逆向工程的应用研究已成为国内外关注的热点之一。

逆向工程广泛应用于产品改型或仿型设计。西门子电气的逆向工程小组通过对涡轮叶片进行逆向设计，优化设计方案，在不到12天的时间内就开发出了用于其它方面的新型涡轮，目前该套系统已开始对外提供逆向工程应用服务。采用光学扫描仪对水泵叶轮进行数据采集，通过逆向设计完成水泵叶轮的三维造型。另外，在汽车的改型设计中奇瑞和通用都无一例外的应用了逆向工程技术。

在破旧零件的复原设计方面，2000年，波音公司应用逆向工程技术对波音747的尾翼进行了复原设计，并在一个工作日内制造出了零件，为老式飞机的维修和零件更换提供了快捷途径。

逆向工程在产品检测和误差分析方面也有较好的应用。早在90年代初．NASA就应用逆向工程技术开展了一项重要研究，就是研究X-38飞行器与其CAD设计模型之间的匹配精度和误差，以分析和验证CFD(计算流体力学)模拟的准确度。最近，AMT公司借助非接触的撒光扫描仪和CAI（计算机辅助检测)技术来提高零件检验的速度。扫描数据输入CAI软件，与CAD设计模型进行比较和误差分析并自动生成检验报告。之前，AMT检验一个零件需要半天时间设置和数小时运行；现在只需半小时设置，实际检测只要几分钟即可。

在医学领域的应用中，采用CT断层扫描技术获得二维图像，通过专用软件进行图像处理和模型重建．获得人体股骨的数字模型，用于人工关节定做式置换。国内外有人把逆向工程用于矫正牙套的设计中，通过对牙齿石膏模型进行扫描测量和三维重建，获得牙齿三维数字模型．然后基于该模型进行修改和矫正，制造出一系列矫正牙套。目前，该技术在国外已投入商用．在国内上海交通大学也开发出基于逆向工程的快速牙套设计和制造系统，并开始初步应用。

总的来说，国外在逆向工程研究和应用方面起步较早：国内逆向工程应用主要集中在复杂曲面零件的开发和模具设计上。在汽车、航空、玩具等行业应用比较广泛。

4、逆向工程中的关键技术

4.1实物数字化技术

即实物扫描的区域规划及精度保证技术,研究在扫描时影响测量精度的各种因素,保证精度而采用的方法和措施,检查和验证精度的方法;在进行扫描区域划时如何综合考虑扫描精度、扫描效率和曲面拟合重构时的拟合精度、曲面拼接光顺性问题;零件基准测量的精度保证问题。德立科技有限公司新推出的基于美国星科和普赛技术的柔性三坐标测量及激光扫描检测系统FlexME代表着新一代逆向工程(ReverseEngineering,RE)和计算机辅助检测(ComputerAidedInspection,CAI)系统已经开始进入中国。与传统的三坐标测量或激光扫描系统不同,星科的柔性三坐标测量关节臂,以及基于该关节臂和普赛公司的激光扫描测头的FlexME系统不仅测量精度高、速度快、柔性好、范围大,而且轻巧易搬、对使用环境无特殊要求,可以用于机械产品的逆向工程、模具制造的计算机辅助检测、产品加工装配的在线或离线检测。

4.2测量数据的预处理

即云状数据处理技术:研究高密度、大容量的点云数据的处理技术,包括多次扫描点云的拼接问题,扫描点云的数据简化问题、云状数据的特征提取问题等。

4.3曲面重建技术

研究如何选择合适的数学表示方法、拟合修改算法、控制参数及曲面重构方法。以得到高质量、高精度的曲面模型。基于神经网络技术的研究最近报道较多,曾建江等采用了一个神经网络模型和相应的快速学习算法应用于曲面重建。该模型可以有效地逼近曲面并剔除输入数据点中的“坏”点。张伟等提出基于神经网络的三角网格方法可在有效保持原数据点集的拓扑特征的同时实现期望规模和精度的三角网格剖逆向工程的关键技术及其研究。

4.4重构曲面的评价和检验问题

研究对曲面的评价指标、检验方法以及修正工具。在SURFACER和很多CAD软件中,都采用NURBS来表示曲面。它可以表示非常复杂形状的曲面,但曲面的表示、显示、操作都不能用很直观的方式进行,很难对曲面进行评价、检验和修改。利用图形的质心和最小惯性主轴作为定位基准,可实现被测自由曲面与标准CAD模型的自动对齐,为实现已知CAD模型的自由曲面的在线检测提供了理论依据。但这种方法实现自由曲面的在线检测还需克服一些因素的影响,如CMM实际测量系统的速度、实际测量路径的转换精度以及由于工件自身高度在工件处于视场中心以外的区域时给定位及测量精度带来的影响。

5、逆向工程中相关技术的研究重点

5.1三维数字化技术

目前大多数测量系统是针对具体的应用而开发,数据处理往往针对特定的测量设备、测量对象,通用性差。需发展面向逆向工程的通用测量系统,高速、高精度地实现三维物体表面的数字化,并能根据几何外形和后续应用选择测量方式及路径,能进行路径规划和自动测量。

5.2数据预处理

研究热点还将集中于扫描点云的数据简化问题云状数据的特征提取问题。

5.3曲面重建技术

基于神经网络技术的曲面重建技术的研究将会有很大前途,研究的重点是复杂的特征约束重建以及如何快速、准确地识别和还原出点云数据中的特征及约束,并且在保证有效约束的前提下如何提高特征模型重建的速度。

5.4重构曲面的评价和检验问题

这方面的研究还较少,相信随着逆向工程在工业生产中发挥越来越大的作用,在线检测的使用和重构曲面的评价会引起大家足够的重视的.

6、结论

产品的外观设计越来越复杂化、多元化，使得逆向工程技术在产品外观设计中的地位显得尤为重要。产品实物几何外形的数字化、CAD模型重建、产品或模具制造都非常需要逆向工程技术的支持。

随着科学技术的不断进步和研究工作的不断深入，逆向工程中技术中现有的瓶颈将会被一一解除，产品外观设计也会取得长足的发展.

参考文献：

[1]《逆向工程的关键技术及其研究》孙进航空精密制造技术2007.02第43卷1期

[2]关于对工业设计专业教学中《材料与工艺》课程的思考张公明设计与艺术2007.01