1、汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型第六章第六章 逆向工程與快速原型逆向工程與快速原型6.1 逆向工程概述6.2 逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理6.3 逆向工程應(yīng)用實例6.4 快速原型與快速模具本章小結(jié)汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 6.1 逆向工程概述1. 正向工程一般工業(yè)產(chǎn)品的開發(fā)是從確定預(yù)期功能與規(guī)格目標(biāo)構(gòu)思產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行每個零部件的設(shè)計制造檢驗裝配性能測試等程序完成整個開發(fā)過程，每個零部件都有設(shè)計圖紙，按確定的工藝文件加工。這種開發(fā)模式稱為預(yù)定模式(Prescriptive Model)，此

2、類開發(fā)工作稱為正向工程(Forward Engineering)或正向設(shè)計。產(chǎn)品正向開發(fā)的流程如圖6-1所示。圖6-1 正向工程開發(fā)流程圖汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型2. 逆向工程隨著計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，信息高速公路加快了科技信息的傳播速度，產(chǎn)品的生命周期越來越短，人們追求完美與個性化的消費需求使產(chǎn)品品種越來越多，批量越來越小，企業(yè)間的競爭不再只是質(zhì)量與成本上的競爭，而更重要的是時間的競爭。以已有產(chǎn)品為基準(zhǔn)點進(jìn)行設(shè)計已經(jīng)成為當(dāng)今的一條設(shè)計理念。如何博采眾家之長，充分吸收和利用先進(jìn)的設(shè)計制造成果，使產(chǎn)品設(shè)計立足于更高的起點，是世界各國都

3、十分關(guān)注的問題。逆向工程技術(shù)在此背景下受到人們的關(guān)注。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 逆向工程，也稱為反求工程，英文是reverse engineering 逆向技術(shù)逆向技術(shù)包括影像逆向、軟件逆向及實物逆向等三方面。 目前相對最多人研究的是實物逆向技術(shù)。它是研究實物CAD模型的重建和最終產(chǎn)品的制造。 狹義來說，三維逆向技術(shù)是將實物模型數(shù)據(jù)化成設(shè)計、概念模型，并在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行分析、修改及優(yōu)化等技術(shù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(1)實物逆向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分

4、析，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機(jī)、零部件和組件。(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術(shù)軟件；只有實物而無技術(shù)軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。(3)影像逆向：設(shè)計者既無產(chǎn)品實物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。 目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。汽車產(chǎn)

5、品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆向工程通常是對某一實物樣件或模型(稱為零件原型，如汽車的外形、鞋楦模等)進(jìn)行仿制和創(chuàng)新。 目前，針對已有樣件(尤其是包含有復(fù)雜不規(guī)則自由曲面的樣件)，可利用三維數(shù)字化測量儀器準(zhǔn)確、快速地測量出產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)，在逆向軟件中構(gòu)建曲面模型，再輸入CAD/CAM系統(tǒng)作進(jìn)一步編輯、修改，由CAM生成刀具NC代碼(加工路徑)，送至數(shù)控機(jī)床(CNC)制作所需模具，或者由快速成型機(jī)(RP)將樣品模型制作出來。其流程如圖6-2所示。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆向工程主要包括以下

6、四個步驟四個步驟：(1) 零件原型的數(shù)字化：利用三坐標(biāo)測量機(jī)或激光掃描儀等測量裝置獲取零件原型表面各點的三維坐標(biāo)值。(2) 零件原型的特征識別與提?。喊礈y量數(shù)據(jù)的幾何屬性進(jìn)行分割，采用幾何特征匹配的方法獲取零件原型所具有的設(shè)計與加工特征。 (3) 零件原型CAD模型的重建：將三維測量數(shù)據(jù)在CAD系統(tǒng)中分別做表面模型的擬合，并通過各表面片的求交、裁剪和拼接，獲取零件原型的CAD模型。(4) CAD模型的檢驗與修正：根據(jù)重構(gòu)的CAD模型重新測量或加工出樣品等方法，檢驗構(gòu)建的CAD模型是否滿足精度要求，對不滿足要求者，重復(fù)以上的模型重建過程，直至達(dá)到零件的設(shè)計要求。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)

7、計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型實物測量反求技術(shù)起始于用油泥模型設(shè)計汽車、摩托車外形，現(xiàn)已成為模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子業(yè)、制鞋業(yè)、醫(yī)學(xué)工程等行業(yè)產(chǎn)品造型設(shè)計的重要工具，廣泛地用于產(chǎn)品改進(jìn)、創(chuàng)新設(shè)計，特別適合具有復(fù)雜曲面外形的產(chǎn)品。該技術(shù)極大地縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品精度。據(jù)國外產(chǎn)品設(shè)計統(tǒng)計，正向設(shè)計僅占40%以內(nèi)，而逆向工程已占60%以上。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型承承 載載 式式 車車 身身汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆向工程產(chǎn)品開發(fā)模式逆向工程

8、產(chǎn)品開發(fā)模式 逆向設(shè)計將實現(xiàn)從概念設(shè)計或樣機(jī)到產(chǎn)品完整設(shè)計信息的快速獲取。(1)逆向設(shè)計 在實際的設(shè)計工程中，設(shè)計師對所設(shè)計產(chǎn)品的構(gòu)思，往往難于直接在計算機(jī)或圖紙上表達(dá)。此時首先可做成理想外形的泥?；蛐g(shù)模，然后利用二維測量系統(tǒng)進(jìn)行快速測量，把模型的尺寸、形狀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維CAD數(shù)據(jù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(2)仿真制造 在解剖和仿真制造國內(nèi)外先進(jìn)樣機(jī)或失去供貨渠道的關(guān)鍵零件時，由于形狀復(fù)雜、精度很高，很難用人工精確測繪，可先用逆工程技術(shù)對零件進(jìn)行精確測量，然后輸出CNC代碼，即可仿制出該零件。(3)設(shè)計檢驗 使用逆向工程技術(shù)可以對零

9、件進(jìn)行整體測量，并將測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成CAD數(shù)據(jù)，在計算機(jī)內(nèi)可以對測量數(shù)據(jù)和設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗分析。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆向工程設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)的基本方法逆向工程設(shè)計開發(fā)系統(tǒng)的基本方法 逆向工程主要通過以下步驟來實現(xiàn): 數(shù)據(jù)采樣，數(shù)據(jù)分析，數(shù)據(jù)恢復(fù)及修補，原始部件的分解，模型信息處理及CAD模型的建立，部件裝配，產(chǎn)品功能模擬，再設(shè)計等。 (1)數(shù)據(jù)采樣 數(shù)據(jù)采樣是逆工程的最基木的步驟，它從己有的實物獲取產(chǎn)品數(shù)據(jù)。通常采用二維激光掃描儀，二維數(shù)字化儀，物體多角度照片等數(shù)字化辦法來快速、準(zhǔn)確地獲取數(shù)據(jù)。通過二維圖形處理技術(shù)將采樣數(shù)據(jù)以二維圖形的

10、方式顯示出來，得到直觀簡略的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)外形。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 (2)數(shù)據(jù)分析 分析原來物體的結(jié)構(gòu)。物體結(jié)構(gòu)包括物體的邏輯結(jié)構(gòu)、物體的功能結(jié)構(gòu)、物體包含的標(biāo)準(zhǔn)件、材料構(gòu)成、物體表面的顏色分布、各個部件的幾何尺寸、不同部件之間的裝配方式及不同部件之問的幾何尺寸約束等。為此，要建立產(chǎn)品幾何特征識別及產(chǎn)品組件結(jié)構(gòu)的自動識別分解或交互識別分解系統(tǒng)。 (3)數(shù)據(jù)的恢復(fù)和修補 在采樣過程中，丟失物體的某些細(xì)節(jié)是不可避免的。通過對采樣數(shù)據(jù)的二維顯示及結(jié)構(gòu)分析，能夠發(fā)現(xiàn)哪些數(shù)據(jù)可能被丟失因此，數(shù)據(jù)修復(fù)是逆工程的一個必不可少的步驟數(shù)據(jù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字

11、化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(4)原始部件的分解 分解是將一個物體分解成若干個標(biāo)準(zhǔn)部件的過程。在分解過程中，必須區(qū)分每一部件的尺寸位置，不同部件之間的連接關(guān)系及連接方式，以及物體表面該如何分割。 (5)模型信息處理及CAD模型的建立 構(gòu)造物體的二維CAD模型，這個模型是最基本的創(chuàng)新設(shè)計模型平臺。在此基本平臺上，設(shè)計人員可交互構(gòu)造特征線，自動識別產(chǎn)品，過渡圓角、尖邊等特征，提供多種物體表面編輯技術(shù)，研究曲面整體變形技術(shù)，實現(xiàn)CAD模型動態(tài)修改。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(6)標(biāo)準(zhǔn)化部件庫的建立

12、分析所涉及的各類產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究產(chǎn)品的基本組成單元，包括它們的形狀尺寸，建立標(biāo)準(zhǔn)件庫。有了標(biāo)準(zhǔn)件庫以后，產(chǎn)品設(shè)計過程就可簡化為將已有的物體分解至最小的單元，然后用標(biāo)準(zhǔn)部件來替換這些基本單元。 為了對設(shè)計進(jìn)行修改，只需要在計算機(jī)虛擬環(huán)境中對物體進(jìn)行重新組裝。(7)產(chǎn)品功能模擬 在虛擬環(huán)境中對產(chǎn)品的各項功能進(jìn)行模擬在這個過程中，可以事先建立產(chǎn)品評價系統(tǒng)，讓計算機(jī)自動判斷產(chǎn)品設(shè)計的優(yōu)劣；或通過交互方式，以設(shè)計師的經(jīng)驗，通過觀察局部細(xì)節(jié)，可以知道物體的尺寸大小是否協(xié)調(diào)，物體的表面是否光順，以及物體外表面的顏色紋理是否滿足設(shè)計的要求。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六

13、章逆向工程與快速原型 (8)再設(shè)計 逆向工程的最終目的是設(shè)計新產(chǎn)品設(shè)計新產(chǎn)品，通過以上步驟獲取的產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)及產(chǎn)品的功能、結(jié)構(gòu)知識，基本上再現(xiàn)原有的產(chǎn)品，為了在此基礎(chǔ)上設(shè)計新產(chǎn)品，設(shè)計人員可以在一個包含產(chǎn)品逆向工程及創(chuàng)新設(shè)計軟件環(huán)境中，對原有的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整和修改。 這些修改主要包括功能上的，布局上的，以及外形方面的修改。在修改過程中加入設(shè)計人員新的設(shè)計思想，以完成新的設(shè)計方案。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆工程技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)逆工程技術(shù)的評價標(biāo)準(zhǔn)(1) 采樣數(shù)據(jù)的完整性采樣數(shù)據(jù)的完整性(2) 盡可能短的設(shè)計周期盡可能短的設(shè)計周期(3

14、) 盡可能低的設(shè)計成本盡可能低的設(shè)計成本(4) 標(biāo)準(zhǔn)部件的利用率標(biāo)準(zhǔn)部件的利用率(5) 產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良產(chǎn)品質(zhì)量優(yōu)良汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型l逆向工程的應(yīng)用途徑：逆向工程的應(yīng)用途徑：(1) 盡管計算機(jī)輔助設(shè)計技術(shù)(CAD)發(fā)展迅速，各種商業(yè)軟件的功能日益強(qiáng)大，但目前還無法滿足一些復(fù)雜曲面零件的設(shè)計需要，還存在許多使用油泥或泡沫模型代替CAD設(shè)計的情況，最終需要運用逆向工程將這些實物模型轉(zhuǎn)換為CAD模型。(2) 外形設(shè)計師傾向使用產(chǎn)品的比例模型，以便于產(chǎn)品外形的美學(xué)評價，最終可通過運用逆向工程技術(shù)將這些比例模型用數(shù)學(xué)模型表達(dá)，通過比例運算得

15、到美觀的真實尺寸的CAD模型。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(3) 由于各相關(guān)學(xué)科發(fā)展水平的限制，對零件的功能和性能分析還不能完全由CAE來完成，因此往往需要通過實驗來最終確定零件的形狀，如在模具制造中，經(jīng)常需要通過反復(fù)試沖和修改模具型面，方可得到最終符合要求的模具。若將最終符合要求的模具測量并反求出其 CAD 模型，在下次制造該模具時就可運用這一模型生成加工程序，便可大大減少修模量，提高模具生產(chǎn)效率，降低模具制造成本。(4) 藝術(shù)品、考古文物的復(fù)制。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(5)

16、 人體中的骨頭和關(guān)節(jié)等的復(fù)制及假肢制造。(6) 特種服裝、頭盔的制造要以使用者的身體為原始設(shè)計依據(jù)，此時，需首先建立人體的幾何模型。(7) 在快速原型制造(RPM)中，可以方便地對快速原型制造的原型產(chǎn)品進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地測量，找出產(chǎn)品設(shè)計的不足，進(jìn)行重新設(shè)計，經(jīng)過反復(fù)迭代可使產(chǎn)品更趨完善。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型逆向工程與傳統(tǒng)正向設(shè)計制造過程是截然不同的設(shè)計流程。在逆向工程中，按照現(xiàn)有的零件原型進(jìn)行設(shè)計生產(chǎn)，零件具有的幾何特征與技術(shù)要求都包含在原型中，而正向設(shè)計是根據(jù)零件最終所承擔(dān)的功能以及各方面的影響因素進(jìn)行從無到有的設(shè)計。因此，從概

17、念設(shè)計出發(fā)到最終形成CAD模型的傳統(tǒng)設(shè)計是一個確定的明晰過程，而通過對現(xiàn)有零件原型數(shù)字化后再形成CAD模型的逆向工程是一個推理、反復(fù)逼近的過程，具有功能導(dǎo)向、描述模式、系統(tǒng)仿造等特性。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型3. 逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)零件的數(shù)字化零件的數(shù)字化和計算機(jī)輔助反向建模計算機(jī)輔助反向建模(Computer Aided Reverse Modeling，CARM)是逆向工程的兩項關(guān)鍵技術(shù)。 零件的數(shù)字化是指通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取零件表面離散點的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。 CARM通過對測量數(shù)據(jù)的處理，提取建模所需的有效數(shù)據(jù)，對零件進(jìn)

18、行曲面和實體造型，以得到原型的CAD模型。逆向設(shè)計是以產(chǎn)品為原型，通過大量的表面數(shù)據(jù)點來重構(gòu)原型的，但由于不知道原來的設(shè)計意圖，反向建模過程往往是被動的，設(shè)計的自由度較小，難度也就比正向設(shè)計大得多。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，主要包括以下幾個內(nèi)容： (1) 新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或仿型設(shè)計。 (2) 已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖。 (3) 損壞或磨損零件的還原。 (4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)行

19、模型的比較。 逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 逆向工程技術(shù)實施的條件逆向工程技術(shù)實施的條件1.逆向工程技術(shù)實施的硬件條件 在逆向工程技術(shù)設(shè)計時，需要從設(shè)計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，國內(nèi)廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標(biāo)測量機(jī)和三維掃描儀。2.逆向工程技術(shù)實施的軟件條件 目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim等的。這

20、些系統(tǒng)對逆向設(shè)計中的實際問題進(jìn)行處理，極大地方便了設(shè)計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設(shè)計模塊。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點云數(shù)據(jù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型總結(jié)：逆向工程是產(chǎn)品研發(fā)的有效途徑。逆向工程把三坐標(biāo)測量機(jī)、CAD/CAM/CAE軟件、CNC機(jī)床有機(jī)而又高效地結(jié)合在一起，成為產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)的一個高效、便捷的途徑。 逆向工程不僅僅是產(chǎn)品的仿制，它更肩負(fù)著數(shù)學(xué)模型的還原和再設(shè)計的優(yōu)化等多項重任。 當(dāng)前，雖然逆向工程發(fā)展已取得了長足進(jìn)展

21、，逆向工程的概念已深入人心，并被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，不僅是機(jī)械產(chǎn)品的研發(fā)，許多企業(yè)紛紛采用逆向工程模式進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)和生產(chǎn)。但產(chǎn)品逆向工程還是一個不完全成熟的過程，各個環(huán)節(jié)仍有待于進(jìn)一步完善、探索和研究，并沒有非常完善的解決方案。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 6.2 逆向工程系統(tǒng)組成及工作原理1. 逆向工程系統(tǒng)組成逆向工程系統(tǒng)組成2. 逆向工程的測量技術(shù)逆向工程的測量技術(shù) 1) 測量方式 2) 測量設(shè)備 3) 接觸式測頭及其工作原理 4) 非接觸式測頭及其工作原理3. 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 1) 數(shù)據(jù)平滑 2) 多視數(shù)據(jù)對齊

22、定位 3) 數(shù)據(jù)分割4. 模型重建技術(shù)模型重建技術(shù) 1) 曲線擬合造型 2) 曲面擬合造型 3) 曲面編輯 4) 點數(shù)據(jù)網(wǎng)格化 5) 模型精度的評價5. 逆向工程軟件逆向工程軟件汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 1. 逆向工程系統(tǒng)組成逆向工程系統(tǒng)組成逆向工程需要使用精密的測量系統(tǒng)來測量樣件輪廓三維尺寸，再對取得的各點數(shù)據(jù)作曲面重建、分析及加工成型。逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成：產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD模型重建和產(chǎn)品(或模具)制造。所以，一套完整的逆向工程系統(tǒng)應(yīng)包括下列基本配備：汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字

23、化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(1) 測量測頭：分接觸式接觸式(如觸發(fā)測頭、掃描測頭)和非接觸式非接觸式(包括激光位移測頭、激光干涉儀測頭、線結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭、面結(jié)構(gòu)光及CCD掃描測頭等)兩大類。(2) 測量機(jī)：有三坐標(biāo)測量機(jī)、多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂及激光追蹤站等。(3) 數(shù)據(jù)處理軟件：由坐標(biāo)測量機(jī)得到的外形點數(shù)據(jù)在進(jìn)行CAD模型重建以前，必須進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等數(shù)據(jù)處理。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(4) 模型重建軟件(CAD/CAM)，包括三類： 一是用于正向設(shè)計的

24、CAD/CAE/CAM軟件，如Solidworks、I-Deas、GRADE等，但數(shù)據(jù)處理和逆向造型功能有限； 二是集成有逆向功能模塊的正向CAD/CAE/CAM軟件，如集成有SCAN-TOOLS模塊的Pro/ENGINEER，集成有點云處理和曲線/曲面擬合、快速造型功能的UGII和STRIM100等； 三是專用的逆向工程軟件，如Imageware、Paraform、Geomagic等。除此之外，有較高要求的還包括產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理(PDM)等軟件。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(5) CAE軟件：完成計算機(jī)輔助工程分析，包括機(jī)構(gòu)運動分析、結(jié)構(gòu)仿

25、真、流場及溫度場分析等，可提高設(shè)計成功率。目前較流行的分析軟件有Ansys、Nastran、I-Deas、Moldf1ow、ADMAS等。(6) 數(shù)控加工設(shè)備：進(jìn)行原型制作或模具制作。(7) 快速原型機(jī)：快速產(chǎn)生模型(有立體印刷成型、層合實體制造、選域激光燒結(jié)、熔融沉積造型、三維噴涂粘結(jié)、焊接成型和數(shù)碼累積造型等方法)。(8) 產(chǎn)品批量生產(chǎn)設(shè)備：包括注射成型機(jī)、沖床、鈑金成型機(jī)等。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型2. 逆向工程的測量技術(shù)逆向工程的測量技術(shù)在產(chǎn)品開發(fā)中，采用逆向工程方式處理的產(chǎn)品往往具有尺寸不易掌握的特性，如自由曲面的外觀造型等

26、。因此，逆向工程的首要任務(wù)就是取得所需的點數(shù)據(jù)逆向工程的首要任務(wù)就是取得所需的點數(shù)據(jù)，用于后續(xù)的模型構(gòu)建?，F(xiàn)介紹逆向工程的數(shù)據(jù)測量技術(shù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型1) 測量方式一個物體可用游標(biāo)卡尺、測微儀等作一維長度測量，也可用投影機(jī)、工具顯微鏡等在X、Y方向作二維平面測量。逆向工程多用三維立體測量，具體有接觸式測量與非接觸式測量。接觸式測量設(shè)備主要是三坐標(biāo)測量機(jī)；非接觸式測量主要包括光學(xué)測量、超聲波測量、電磁測量等方法。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(1) 接觸式測量。接觸式測量將

27、被測物體固定在三坐標(biāo)測量機(jī)上，可獲得被測物體上各測點的坐標(biāo)位置，根據(jù)這些點的空間坐標(biāo)值，經(jīng)計算可求出被測物體的幾何尺寸、形狀和位置。三坐標(biāo)測量機(jī)汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型接觸式測量的優(yōu)點有： 接觸式測量不受樣件表面的反射特性、顏色及曲率影響，配合測量軟件可快速準(zhǔn)確地測量出物體的基本幾何形狀，如面、圓柱、圓錐、圓球等。 接觸式測量的機(jī)械結(jié)構(gòu)及電子系統(tǒng)已相當(dāng)成熟，有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。 汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型接觸式測量的缺點有： 為了確定測量基準(zhǔn)點，需使用特殊的夾具，測量費用較

28、高。 測量系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)存在靜態(tài)及動態(tài)誤差。 檢測某些輪廓時，可能會有先天的限制。如測量內(nèi)圓直徑，觸發(fā)測頭的直徑必定要小于被測內(nèi)圓直徑。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 接觸式觸發(fā)測頭以逐點進(jìn)出方式進(jìn)行測量，測量速度慢。 接觸測頭測量時，測頭尖端部分與被測件之間發(fā)生的局部變形將影響測量值的實際讀數(shù)。 不當(dāng)?shù)牟僮魅菀讚p害樣件某些重要部位的表面精度，也會使測頭磨耗、損壞；為了維持一定的精度，需要經(jīng)常校正測頭的直徑。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型采用接觸式測頭測量時，由于測頭半徑的影響，得到的坐

29、標(biāo)數(shù)據(jù)并不是測頭所觸及的表面點的坐標(biāo)，而是測頭球心的坐標(biāo)，當(dāng)被測點的表面法矢方向和測軸方向一致時，測點坐標(biāo)和測頭中心相差一個測頭半徑值。通常的測頭半徑在0.251.5 mm之間，如果忽略測頭半徑，即測量得到的數(shù)據(jù)不進(jìn)行半徑補償處理，就會帶來數(shù)據(jù)測量誤差。如圖6-3(a)所示，測量點連線為平面曲線，當(dāng)測頭的壓力矢(表面法矢)和測量截面不在一個平面時，測量點連線為空間曲線。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-3 測頭半徑補償汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型如要求得物體真實外形，則需要對測頭半徑

30、進(jìn)行補償。圖6-3(b)所示是測頭半徑補償原理圖。當(dāng)測量某一曲面時，測頭尖端與被測件之間的接觸點為A，A點至球心C點有一偏差量。所以，必須沿法線負(fù)方向補正一個測頭半徑值。這將使整個曲面補正計算繁雜、冗長，還可能導(dǎo)致修正誤差。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(2) 非接觸式測量。隨著光電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使得光學(xué)在測量領(lǐng)域中的應(yīng)用有了重大突破，開啟了逆向工程中數(shù)據(jù)測量的非接觸式測量時代。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型非接觸式光學(xué)測量有如下優(yōu)點： 沒有測量力，可以用來測量

31、各種柔軟的和易變形的物體，也無摩擦。 可以快速對物體進(jìn)行掃描測量，測量速度和采樣頻率較高。 不必進(jìn)行測頭半徑的補償。 不少光學(xué)測頭具有大的量程，如十毫米乃至數(shù)十毫米，這是一般接觸測頭難以達(dá)到的。 同時探測的信息豐富。例如，CCD攝像機(jī)可以同時探測到視場內(nèi)大量的二維信息(接觸式只能一點一點探測)，還能測得物體的光學(xué)特性。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型非接觸式測量也還存在如下缺點： 測量精度較差，非接觸式測頭大多使用光敏位置探測器(Position Sensitive Detector，PSD)來檢測光點位置，目前PSD的精度仍不夠高，誤差一般

32、在20 m以上。 使用CCD作探測器時，成像鏡頭的焦距會影響測量精度，當(dāng)工件幾何外形變化大時，成像可能失焦，導(dǎo)致成像模糊。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 非接觸式測頭是通過接收工件表面的反射光或散射光來測量物體的，測量結(jié)果易受環(huán)境光線及工件表面的反射特性的影響，噪聲較高，噪聲信號的處理比較麻煩，工件表面的粗糙度、顏色、斜率等均影響測量結(jié)果。為避免CCD攝像頭在取像時受外界雜散光的干擾，可在CCD鏡頭前加帶通濾光鏡，限制攝取的光線波長。因此，非接觸式測量適合做工件輪廓坐標(biāo)點的大量取樣，對邊線處理、凹孔處理以及不連續(xù)形狀的處理比較困難。表6-1

33、對比了非接觸激光掃描測量和三坐標(biāo)測量機(jī)接觸測量的技術(shù)特點。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型表6-1 非接觸激光掃描測量和三坐標(biāo)測量機(jī)接觸測量的技術(shù)特點比較汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型 續(xù)表汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型2) 測量設(shè)備(1) 坐標(biāo)測量機(jī)。坐標(biāo)測量機(jī)(Coordinate Measuring Machine，CMM)是一種精密的三坐標(biāo)測量儀器。三坐標(biāo)測量機(jī)可分為主機(jī)、測頭、電氣系統(tǒng)三大部分，如圖6-4所示。主機(jī)結(jié)構(gòu)如圖6-

34、5所示。三坐標(biāo)測量機(jī)通過在三個相互垂直的導(dǎo)軌上移動測量頭，來測量具有復(fù)雜形狀工件的空間尺寸。三個方向的位移由測量系統(tǒng)(如光柵尺)經(jīng)計算機(jī)(或數(shù)據(jù)處理器)計算，得出工件的各點坐標(biāo)(x，y，z)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-4 三坐標(biāo)測量機(jī)的組成汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型在逐點式掃描測量時，通常是將測頭在橫向以等速或等間距逐點移動，再以等時間或等間隔位置量取工件在Z軸的坐標(biāo)。當(dāng)工件輪廓有明顯起伏變化時，需要增加測量點來提高分辨率，最簡單的方式是取( X+Z)為常數(shù)，X和Z分別是X

35、軸和Z軸的分辨率。當(dāng) Z變大時，X相應(yīng)變小，測量點將更加密集。也就是說，當(dāng)工件斜率變大時，測量速度減慢，此方法稱為速度追蹤。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型CMM是典型的接觸式測量系統(tǒng)，一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標(biāo)值。英國RENISHAW公司研制了一種三維力-位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，掃描速度可達(dá)8米/秒，數(shù)字化速度最高可達(dá)500點/秒，精度約為0.03 mm。這種測頭價格昂貴，未在CMM上廣泛使用。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章

36、逆向工程與快速原型使用CMM時必須設(shè)定較多參數(shù)，包括測頭形狀、大小、掃描間隔、誤差允許量、步進(jìn)距離、掃描速度、掃描方向等。一般來說，掃描方向與模型陡峭面成正交為佳。由于工件表面形狀不一，因此常常要將工件分成不同的區(qū)域，使用不同的參數(shù)掃描。若測量復(fù)雜形狀的工件，則比較耗時。CMM的主要優(yōu)點是測量精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，但一般測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進(jìn)行測量?，F(xiàn)在的三坐標(biāo)測量機(jī)也有使用非接觸式測頭的。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(2) 多軸關(guān)節(jié)式機(jī)械臂。機(jī)械臂(Robot)也屬于接觸式測量儀。機(jī)械臂為一關(guān)節(jié)式機(jī)構(gòu)，具有多自由度，可用作彈性

37、坐標(biāo)測量機(jī)，傳感器裝置在其爪部，各關(guān)節(jié)的旋轉(zhuǎn)角度可由旋轉(zhuǎn)編碼器獲取，由機(jī)構(gòu)學(xué)原理可求得傳感器在空間的坐標(biāo)位置。這種測量機(jī)幾乎不受方向限制，可在工作空間做任意方向的測量。精度不高為其主要缺點，一般常用于大型鈑金件模具的逆向工程測量。2022-5-27汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(3) 激光掃描測量儀。激光掃描測量儀用于非接觸式測量。四自由度激光掃描測量儀工作臺具有線性位移及旋轉(zhuǎn)的功能，可帶動CCD測頭做逐線掃描，并配合工件的旋轉(zhuǎn)完成多角度掃描的功能。掃描過程中只要解決點的密度、掃描范圍即可。若遇到不感光或是全反射的表面，則必須噴漆或另外處理

38、。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(4) 激光跟蹤測量系統(tǒng)。激光跟蹤測量系統(tǒng)屬球坐標(biāo)式測量儀器，徑向使用激光干涉儀，可做位移測量，角度測量是由兩個伺服馬達(dá)及旋轉(zhuǎn)編碼器完成的，工作原理如圖6-6所示。測量時，將反射鏡沿著工件表面移動，根據(jù)四象限位置探測器輸出的光電位移信號來驅(qū)動兩旋轉(zhuǎn)伺服馬達(dá)，從而保持光線跟蹤反射鏡，反射鏡的逐點移動位置(，)由球坐標(biāo)的探針可得知。此類設(shè)備較適合做大型物體輪廓的測量，如飛機(jī)或汽車外型等。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-6 激光跟蹤測量系統(tǒng)原理圖汽車產(chǎn)品數(shù)字

39、化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型3) 接觸式測頭及其工作原理接觸式測頭分為硬式測頭(Hard Probe或Mechanical Probe)、觸發(fā)式測頭(Touch Trigger Probe)及模擬式測頭(Analog Probe)等三種。其工作原理如圖6-7所示。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-7 接觸式測頭工作原理汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(1) 硬式測頭。硬式測頭即機(jī)械測頭，是最早使用的測頭，主要用于人工直接操作的手動測量，部分也可

40、用于自動測量。硬式測頭多用于精度要求不太高的小型測量機(jī)中，成本較低，操作簡單。(2) 觸發(fā)式測頭。觸發(fā)式測頭采用電子開關(guān)機(jī)構(gòu)，當(dāng)測頭碰觸到工件表面時，開關(guān)變化，將電子信號由On轉(zhuǎn)成Off，即將此時的坐標(biāo)鎖住處理。圖6-8為RENISHAW公司的專利產(chǎn)品三點接觸觸發(fā)式測頭，任意方向碰觸到工件表面都會造成至少一點的機(jī)構(gòu)開關(guān)產(chǎn)生變化，使得原先串聯(lián)的電子通路轉(zhuǎn)換成斷路。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-8 三點接觸觸發(fā)式測頭汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型觸發(fā)式測頭的觸發(fā)信號由電子開關(guān)控制，其重

41、復(fù)性、準(zhǔn)確性均較高，可在1 m以內(nèi)，不受人為因素影響，是現(xiàn)代三維坐標(biāo)測量機(jī)最常用的測頭。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(3) 模擬式測頭。模擬式測頭接觸工件時會有側(cè)向位移，光柵尺被感應(yīng)，產(chǎn)生電壓變化，此模擬電壓信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入處理器被記錄下來，這種測量方式稱為模擬式測量。圖6-9所示為德國Zeiss廠生產(chǎn)的雙片簧層疊式三維電感測頭結(jié)構(gòu)。在轉(zhuǎn)接器上布置有五個探針，可以進(jìn)行探針互換，其中，X向有兩個、Y向有兩個、Z向有一個，可方便地對工件進(jìn)行觸測。通過更換探針，使Z方向除能進(jìn)行上端面的測量外，還可以進(jìn)行下端面的測量。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車

42、產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-9 Zeiss三維電感測頭汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型使用模擬式測頭時，須保持測頭與工件的接觸，位移量超出測頭測量范圍時，須控制機(jī)臺的移動，以使測頭回到其測量范圍內(nèi)。因模擬式測量為連續(xù)測量，無絕對坐標(biāo)，故不能中途離開工件表面。這種測量適用于曲率平滑的曲面，不適用于曲率大的工件表面。這種測頭常用于數(shù)控機(jī)床上做在線檢測。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型4) 非接觸式測頭及其工作原理非接觸式測頭一般用于不規(guī)則曲面的測量。非接觸

43、式測頭主要以光學(xué)測頭為主，隨著光電子技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)測頭已是探測技術(shù)的一個重要發(fā)展方向。光學(xué)測頭一般基于三角法測量原理，以激光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可分為點測量、線測量及面測量三種，如圖6-10所示。激光照射到被測物體表面，光電敏感元件在另一位置接收激光的反射光，根據(jù)光點或光條在物體上成像的偏移，由被測物體基平面、像點、像距等之間的關(guān)系計算物體的深度信息。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-10 非接觸式三角法測量模式汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型視覺測量基本原理視覺測量基本原理 隨著CC

44、D等光電器件的快速發(fā)展，以三角法測量技術(shù)為基礎(chǔ)的快速輪廓視覺測量技術(shù)得到應(yīng)用。視覺測量一般也使用三種激光光源：點結(jié)構(gòu)光、線結(jié)構(gòu)光和面條紋結(jié)構(gòu)光。圖6-12所示為使用線結(jié)構(gòu)光測量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖。為增加測量速度，常將點結(jié)構(gòu)光改成掃描式線結(jié)構(gòu)光，這也是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。用激光穿過平行等距直線的振幅光柵組件，或使用干涉儀形成直線干涉條紋，即面條紋結(jié)構(gòu)光，將此面條紋結(jié)構(gòu)光投射到工件表面，由于表面曲率或深度的變化使條紋變形，利用CCD攝像機(jī)攝取此變形條紋的圖像，即可分析物體表面輪廓的變化。使用面條紋結(jié)構(gòu)光測量工件輪廓，可省去掃描機(jī)構(gòu)，測量速度快，但分辨率受到限制，表面曲率過大時，會出現(xiàn)斷

45、線現(xiàn)象。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-12 線結(jié)構(gòu)光測量物體表面輪廓的結(jié)構(gòu)示意圖汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型視覺測量中使用的CCD(Charge Coupled Device)是一種數(shù)組式的光電耦合檢像器，稱為電荷耦合器件，攝取圖像時類似傳統(tǒng)相機(jī)底片的感光作用，是視覺系統(tǒng)獲取三維信息最直接的來源。CCD 攝像機(jī)將視頻信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，經(jīng)過信號線傳輸?shù)接嬎銠C(jī)的圖像處理卡上，圖像卡再把模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。圖像數(shù)字化之后，計算機(jī)上所得到的圖像數(shù)據(jù)是由多個像素組成的，每個像素都有其

46、特定的坐標(biāo)，且對應(yīng)于物體上的每一個點。每個像素的值一般稱為灰度值，若圖像卡采用8位的A/D轉(zhuǎn)換，則灰度值可從0變化到255。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型將CCD攝像機(jī)所攝取的圖像按像素作圖像處理，便可將圖像轉(zhuǎn)換成三維輪廓圖像。數(shù)字化的圖像質(zhì)量好壞與其分辨率有密切的關(guān)系，分辨率越高，圖像的質(zhì)量越好。分辨率有空間分辨率和亮度分辨率兩種?？臻g分辨率越高，表示一張圖像被分割成越多的像素，圖像的質(zhì)量自然越好，但是要付出大量的存儲空間和處理時間。亮度分辨率指一個像素所能表示亮度變化的范圍，即像素的灰度值的變化范圍。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計

47、第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型立體視覺測量技術(shù)立體視覺測量技術(shù) 立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個(或多個)攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點的三維坐標(biāo)值。立體視覺測量方法可以對處于兩個(或多個)攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點進(jìn)行測量，而無需伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖像中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問題。近來出現(xiàn)了將具有空間編碼特征的結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面上制造測量特征的方法，有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數(shù)量上仍需改進(jìn)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化

48、設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型3. 3. 測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù)測量數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù) 產(chǎn)品外形數(shù)據(jù)是通過坐標(biāo)測量儀來獲取的，一方面，無論是接觸式的數(shù)控測量機(jī)，還是非接觸式的激光掃描機(jī)，都不可避免地會引入數(shù)據(jù)誤差，尤其是尖銳邊和產(chǎn)品邊界附近的測量數(shù)據(jù)，測量數(shù)據(jù)中的壞點，可能使該點及其周圍的曲面片偏離原曲面；另一方面，由于實物幾何和測量手段的制約，在數(shù)據(jù)測量時，會存在部分測量盲區(qū)和缺口，給后續(xù)的造型帶來影響。所以，需要對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，對不同方位測量的多視數(shù)據(jù)進(jìn)行對齊定位，對不同特征區(qū)域的數(shù)據(jù)進(jìn)行分割。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程

49、與快速原型1) 數(shù)據(jù)平滑數(shù)據(jù)平滑的目的是消除測量噪聲，以得到精確的模型和好的特征提取效果。數(shù)據(jù)平滑通常采用高斯(Gaussian)、平均(Averaging)或中值(Median)濾波算法，濾波效果如圖6-13所示。高斯濾波器在指定域內(nèi)的權(quán)重為高斯分布，其平均效果較小，故在濾波的同時能較好地保持原數(shù)據(jù)的形貌。平均濾波器采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計平均值。中值濾波器采樣點的值取濾波窗口內(nèi)各數(shù)據(jù)點的統(tǒng)計中值，這種濾波器消除數(shù)據(jù)毛刺的效果較好。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型圖6-13 三種常用的濾波方法汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計

50、第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型2) 多視數(shù)據(jù)對齊定位 在逆向工程過程中，對實物樣件進(jìn)行數(shù)字化時，往往不能在同一坐標(biāo)系下將產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)一次測出。其原因：一是產(chǎn)品尺寸超出測量機(jī)的行程；二是在部分區(qū)域測量探頭受被測實物幾何形狀的干涉阻礙以及不能觸及產(chǎn)品的反面。這時，就需要在不同的定位狀態(tài)(即不同的坐標(biāo)系)下測量產(chǎn)品的各個部分，這種情況多見于接觸式三坐標(biāo)測量機(jī)，得到的數(shù)據(jù)為多次測量數(shù)據(jù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型對激光掃描測量，需要從不同的角度對樣件的各個面及樣件局部進(jìn)行放大掃描，以獲取樣件的多視點云。通常為處理方便，將兩種

51、情況的數(shù)據(jù)都稱為多視數(shù)據(jù)或點云。由于在幾何模型構(gòu)建時必須將這些不同坐標(biāo)系下的多視數(shù)據(jù)變換或統(tǒng)一到同一個坐標(biāo)系中，因而這個數(shù)據(jù)處理過程稱為多視數(shù)據(jù)的對齊(Registration)，或稱數(shù)據(jù)拼合、重定位等。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型3) 數(shù)據(jù)分割在造型之前還要進(jìn)行的一個重要工作是數(shù)據(jù)分割(Points Data Segmentation)。數(shù)據(jù)分割是根據(jù)組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一子曲面類型的數(shù)據(jù)分成組，這樣，全部數(shù)據(jù)將劃分成代表不同曲面類型的數(shù)據(jù)域，為后續(xù)的曲面模型重建提供方便。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆

52、向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型數(shù)據(jù)分割方法分為基于測量的分割和自動分割兩種方法?；跍y量的分割是在測量過程中，操作人員根據(jù)實物的外形特征將外形曲面劃分成不同的子曲面，并對曲面的輪廓、孔、槽邊界及表面脊線等特征進(jìn)行標(biāo)記，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行測量路徑規(guī)劃。這樣，不同的曲面特征數(shù)據(jù)將保存在不同的文件中，輸入CAD 軟件時，可以實現(xiàn)對不同數(shù)據(jù)類型的分層處理及顯示，為造型提供極大的方便。這種方法適合于曲面特征比較明顯的實物外形和接觸式測量，操作者的水平和經(jīng)驗對結(jié)果將產(chǎn)生直接影響。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型自動分割方法有基于邊(Edge-Bas

53、ed)和基于面(Surface-Based)兩種基本方法?；谶叺姆指罘殖蓛刹剑哼呑R別和連接。邊識別是找出曲面間數(shù)據(jù)點表示的邊界，然后連接相關(guān)點形成連續(xù)邊?；诿娴姆椒ㄊ菄L試推斷出具有相同曲面性質(zhì)的點，然后進(jìn)一步?jīng)Q定所屬的曲面，最后由相鄰的曲面決定曲面間的邊界。對于包含二次曲面的實物外形，基于面是一種較好的分割方法，但不適用于自由曲面。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型4.模型重建技術(shù)在逆向工程中，實物的三維在逆向工程中，實物的三維CAD模型重建是整個過程模型重建是整個過程最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)最關(guān)鍵、最復(fù)雜的一個環(huán)節(jié)。這是因為，后續(xù)的產(chǎn)品加

54、工制造、快速原型制造、虛擬制造仿真、工程分析和產(chǎn)品的再設(shè)計等應(yīng)用都需要CAD數(shù)學(xué)模型的支持，這些應(yīng)用都不同程度地要求重建的CAD模型能準(zhǔn)確地還原實物樣件。所以，點數(shù)據(jù)的處理、曲面的構(gòu)建方式以及完整的修編和分析等功能，是逆向工程曲面模型重建中相當(dāng)重要的部分。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型1) 曲線擬合造型曲線是構(gòu)建曲面的基礎(chǔ)，在逆向工程中，一種常用的基于曲線的模型重建方法是：先將數(shù)據(jù)點通過插值(Interpolation)或逼近(Approximation)擬合成樣條曲線(或參數(shù)曲線)，然后利用造型工具(如Sweep、Blend、Loftin

55、g等)完成曲面片造型，再通過延伸、剪裁和過渡等曲面編輯，得到完整的曲面模型。圖6-14給出了基于曲線的模型重建過程。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(1) 曲線擬合(插值與逼近)。給定一組有序的數(shù)據(jù)點Pi(i=0，1，n)，這些點既可以是從實物測量得到的，也可以是設(shè)計人員給出的，要求構(gòu)造一條曲線順序通過這些數(shù)據(jù)點，稱為對這些數(shù)據(jù)點進(jìn)行插值，所構(gòu)造的曲線稱為插值曲線，所采用的數(shù)學(xué)方法稱為曲線插值法。把曲線插值推廣到曲面，類似地就有插值曲面與曲面插值法等。以插值方式來建立曲線，其優(yōu)點是所得到的曲線能夠通過所有測量的點數(shù)據(jù)，因此曲線與點數(shù)據(jù)的誤差為

56、零；缺點是當(dāng)點數(shù)據(jù)過大時，曲線控制點也相對增多。插值法的過程如圖6-15所示。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型如果測量得到的數(shù)據(jù)點誤差較大，構(gòu)造一條曲線嚴(yán)格通過給定的一組數(shù)據(jù)點，則所建立的曲線將不平滑，盡管可以對數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑處理，但會丟失曲線或曲面的幾何特征信息。這時，可構(gòu)造一條曲線使之在某種意義下最為接近給定的數(shù)據(jù)點，稱之為對這些數(shù)據(jù)點進(jìn)行逼近，所構(gòu)造的曲線稱為逼近曲線，所采用的數(shù)學(xué)方法稱為曲線逼近法。類似地，可將曲線逼近推廣到曲面。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型采用逼近法，首先指定一個

57、允許的誤差值，并設(shè)定控制點的數(shù)目(曲線的)，基于所有測量數(shù)據(jù)點用最小二乘法求出一條曲線后，計算測量點到曲線的距離。若最大的距離大于設(shè)定的誤差值，則需增加控制點的數(shù)目，重新以最小二乘法擬合曲線，直到誤差滿足為止，如圖6-16所示。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(2) 曲線修編。當(dāng)通過插值或逼近得到擬合曲線后，在進(jìn)行曲面造型之前，應(yīng)通過各種編輯功能對曲線進(jìn)行修形操作，一方面是修補由于測量數(shù)據(jù)的不完整帶來的擬合曲線缺陷；另一方面，從曲面造型的角度出發(fā)，也要求曲線具有完整、連續(xù)、光滑的特點，以保證生成曲面的光順性。曲線的編輯操作主要是依據(jù)CAD軟件

58、提供的各種編輯功能進(jìn)行的。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型(3) 基于曲線的曲面重建。在曲線造型完成后，可以通過不同的曲面造型方法進(jìn)行曲面模型的重建工作。主要的曲面造型方式有邊界曲線、N邊曲面、平行曲面、掃掠、混合、旋轉(zhuǎn)、拉伸和直紋面等。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型2) 曲面擬合造型上面介紹的先根據(jù)數(shù)據(jù)點擬合成曲線，再由曲線進(jìn)行曲面造型的方法通常適合于數(shù)據(jù)量不大且數(shù)據(jù)呈有序排列的情況。如果數(shù)據(jù)量較大(如點云數(shù)據(jù))且數(shù)據(jù)呈無序排列，則可以采用曲面模型重建的另一種方法，即直接對測量數(shù)據(jù)點進(jìn)行

59、曲面片擬合，獲得曲面片后，經(jīng)過過渡、混合、連接形成最終的曲面模型。其過程如圖6-17所示。曲面直接擬合造型既可處理有序點，也能處理點云數(shù)據(jù)。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型3) 曲面編輯逆向工程軟件中的曲面編輯工具與一般CAD軟件相似，主要有曲面延伸、曲面修剪、曲面參數(shù)重新定義等，較高級的軟件則會提供用拖曳曲面控制點編輯曲面的工具，或曲面平滑化、曲面貼合點數(shù)據(jù)等。在曲面編輯之前，如能利用軟件的分析功能來充分掌握各構(gòu)建曲線的精度與控制點，則構(gòu)建出高質(zhì)量曲面的可能性較大。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與

60、快速原型4) 點數(shù)據(jù)網(wǎng)格化目前多數(shù)的商品化CAD/CAM系統(tǒng)都是以實體模型為基礎(chǔ)的，因為有限元分析、快速原型制造等應(yīng)用都需要實體模型的支持。但逆向工程的模型重建一般是先構(gòu)建曲面，如果需要，再將曲面表示轉(zhuǎn)換為實體模型，因此，模型也多采用曲面表示，造型系統(tǒng)也多為曲面造型系統(tǒng)。 但在曲面轉(zhuǎn)換為實體時，常常會出現(xiàn)一些問題，存在不能轉(zhuǎn)換的區(qū)域和轉(zhuǎn)換失敗的現(xiàn)象。 網(wǎng)格化實體模型表示物體形狀能實現(xiàn)計算的自動化和少的冗余,多邊形網(wǎng)格表示已取代曲面模型表示，快速原型技術(shù)和部分CAM系統(tǒng)也可用網(wǎng)格化實現(xiàn)加工。汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計汽車產(chǎn)品數(shù)字化設(shè)計第六章逆向工程與快速原型第六章逆向工程與快速原型5) 模型精度的評價在