逆向工程的数据采集及建模技术.doc

在计算机技术飞速发展的今天，三维的几何造型技术已被制造业广泛应用于产品及工模具的设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。我们的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但是，由于各种原因，我们所面对的可能并非CAD的模型，而是实实在在的实物样件，有时，甚至可能连一张可以参考的图纸也不存在，这就为我们在后续的工作中采用先进的设计手段和先进的制造技术带来了很大的障碍，我们必须通过各种测量手段及三维几何建模方法，将原有实物（产品原型或油泥模型）转化为计算机上的三维数字模型，在CAID与CAD领域，这就是所谓的逆向工程 (Reverse Engineering)。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎rJrwlWN0y8
逆向工程可以简单的定义为“理解原始的设计意图和机制”，包括形状、材料、工艺等各个方面，目前有关逆向工程的研究和应用大多数针对实物模型的几何形状反求，在这个意义下，逆向工程是根据已有实物模型的坐标测量数据，重新建立实物的数字化模型，而后进行分析、加工等处理。◎一：逆向工程的应用◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎swLneol45C
1.由于某些原因，在只有产品或产品的工装，没有图纸和CAD模型的情况下，却需要对产品进行有限元分析、加工、模具制造或者需要对产品进行修改等等，这时就需要利用逆向工程手段将实物转化为CAD模型。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎I9p3wLsD87
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2.逆向工程的另一类重要应用是对外形美学要求较高的零部件设计，例如在汽车的外形设计阶段是很难用现有的CAD软件完成的。通常都需要制作外形的油泥模型，再用逆向工程的方法生成CAD模型。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎LnQYGCN5fq
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3.将逆向工程和快速原型制造（RPM）相结合，组成产品设计、制造、检测、修改的闭环系统，实现快速的测、设计、制造、再测量修改的反复迭代，高效率完成产品的初始设计。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ktUC0R2R53
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4.逆向工程的另一个重要应用就是计算机辅助检测。企业在进行质量控制时，对于外形复杂的产品检测往往非常困难，这时使用逆向工程的方法对产品进行测量，并把测量到的大量数据点与理论数模进行比较，从而分析产品的制造误差。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎FHtL6ktVyK
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5.逆向工程在医学、地理信息和影视业等领域都有很广泛的应用。比如：影视特技制作者需要将演员、道具等的立体模型输入计算机,才能用动画软件对其进行三维动画特技处理。◎
二、逆向工程中的数据采集技术◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎zAVkFErrTO
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坐标数据采集是逆向工程中的第一个环节，是数据处理、模型重建的基础。现有的数据采集方法大概可以分为下面几类：◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎MehQbqvSQH
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①简单工具的手工测量◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎yHO8xQ43Nh
②机械三坐标测量机测量的有序点数据◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ZjWDjsoOQo
③激光、数字成像的三坐标测量数据，既大批量、无序的点云数据◎C
1. 三坐标划线测量机◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎0NvxPOdPZG
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三坐标划线测量机是由地轨，立柱和水平臂及计算机等组成的综合测量系统，它可对金属、木质、粘土、塑料等模具，汽车覆盖件及汽车整体外形的相关位置进行三维尺寸测量，并具有划线功能。◎C
2. 侧面开放式三坐标划线测量机◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎AfE0wmxOsa
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侧面开放式结构及其加强设计的刚性，由于其具有高度的滑动响应性能通过微调手轮，三个轴可以快速和精确地定位。可以选择的附件十分丰富，比如用于划线，对心钻孔或者轻铣削的附件。◎AD/AD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎qCQ4dsrZbd
3. 2.三坐标测量机◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎AWUsCFKNGC
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测量高精度的零件；◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎t1nDAIQixl
测量和检验复杂形状的机械零件；◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎3fTja2zdCh
自由曲面检验；◎
4. 重量轻并且刚度高的移动部件，高性能运动系统的研究，数控系统高速运算。测量机的移动部件（如：桥，Y轴和Z轴）都是用轻合金制造的。测量机的工作台是黑色花岗石材料，下面有减震垫。自动温度补偿功能增强了测量机的整体机械性能。

大尺寸零件的测量，需要大型高精度的测量机。通常大型的测量机都采用龙门式结构。特别适合于汽车工业，模具制造，造型，特别是在航空和各种机械制造中的零件设计。 与大型的数控机床不同的是，这种测量机的外形尺寸虽然较大，重量却相对较轻。可以以较高的速度进行测量。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎0

.数控加工机床◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎UJJrgm7d4z
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某些数控系统如(FIDIA)的数控加工机床本身是带有仿型功能的，很多国内厂家的逆向工程实践都是从机床的仿型开始的。◎CAD/CAM之
.关节式测量机 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ypYWfBEDrG
便携式测量单元，自由移动； ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎dQ1UNZ2zvs
6个旋转轴，具有最大的自由度； ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎KqJX23ppIa
丰富的配件。◎CAD/CAM之家 版权

5. 点状激光式◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎flcS3j6HBD
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用极细的激光光束在物体上形成照射点，用三角测量法得到物体在此点的空间坐标。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎MPUQvXiCVN
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物体固定于旋转工作台上，绕Z轴360度自由旋转(随物体截面轮廓形状而变动，以尽量保证激光与物体截面轮廓的垂直状态)。激光头沿水平方向逐层取数，每次取得物体一层的三维数据（相当于每次得到物体的一个Z轴横截面形状），然后逐层上升，直至取得物体的全部数据。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎3TeRS2zPNO
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扫描操作简便，自动化程度高，数据质量较好，有较好的结构性。可以通过一次扫描得到较为完整的数据（当然物体应在扫描范围内）。另外,由于其属于点扫描，扫描速度受到一定限制，一般一个鼠标大小的零件，需扫描2小时左右。不过，好在其扫描过程是全自动的，并不需要人工干预。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎UOq5BnGMj9
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扫描绝对精度为：0.05mm;扫描点的密度现已能达到：层与层之间0.1mm；每层中点距0.2mm。◎
6. .线状激光式◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎OtFCLbstwt
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激光光束为线状投出，线状光束在物体上随物体形状产生变形，由数码像机得到截面形状直至整体数据。◎3DScanner公司主要产品——Reversa扫描头。可装配在如CNC、机器人手臂等装置上。◎Kreon3d；◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎3NZcHpvRe2
        与Reversa在扫描原理、功能方面类似。◎Geometrix公司3Scan；◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎JhCKXbNt1C
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物体放置在计算机控制的旋转台上，由数码相机取得多侧面数据。价格适中。◎
7. 6.光栅投影式◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎QMtJp07ar4
        将多条光栅投影到物体表面，形成一块待测区域；用数码摄像机获取物体形状（光栅变形）信息。此类代表为GOM公司。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ZvuwQn2ZNG
        图中工程师操作的即为GOM公司产品ATOS。中间红色部分为一投影装置，将光栅影像投射到待测物体上；两侧白色部分为两个数码摄像头，综合分析以得到精确数据。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎5gxo6iMwx6
        每次投射得到一个面的数据；通过预先放置的标志点，将多次扫描后的数据进行拼合，来得到待测物体的完整数据。◎

.数码影像合成◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ykr6isuNCe
        Avatar_Me公司扫描屋。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎7bSJG4H6xQ
        其主要应用于“人体扫描”。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎mXVwFgMfvZ
        人走进扫描屋后，从前后左右四面取像得到三维信息，同时可识别人体关节，便于后续动画制作。◎
逆向工程中的专业软件

1. Imageware◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎X1tTsP078o
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Imageware是逆向工程、计算机辅助曲面检测、曲面造型及快速样件软件。它用来设 计、创造和检查自由形式曲面产品 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎Ig5SrOeJyz
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Surfacer 逆向工程工具和class 1曲面生成工具。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎dZxjVnZpnB
Verdict 对测量数据和CAD数据进行对比评估。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎i0rsFQLuZz
Build it 提供实时测量能力，验证产品的制造性。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎pQxXqZh5C6
RPM 生成快速成型数据。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎oeYex5AZrK
View 功能与Verdict相似，主要用于提供三维报告◎

. Geomagic Studio◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎QuqS7UMyNS
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由美国Raindrop Geomagic出品的逆向工程和三维检测软件Studio可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面。该软件主要包括Qualify，Shape，Wrap，Decimate，Capture等五个模块

主要功能包括： ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎u0UWMuaXk8
1、自动将点云数据转换为多边形（Polygons） ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎iwV3yVe6rf
2、快速减少多边形数目（Decimate） ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎skW0aMiQh1
3、把多边形转换为NURBS区面 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎VxzSAaEPNM
4、曲面分析（公差分析等） ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎DH85i8JZbs
5、输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式（IGS，STL，DXF等）◎
3.DelCAM公司的CopyCAD◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎S1u7XUtyaE
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(1)数字化点的输入与处理，包括数据输入与数字化点数据的变换与处理。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎9BiMMXW3rd
(2)三角形划分，可以根据用户定义的允差三角化数字化模型。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ByZq8rlhOK
(3)特征曲线的生成，以交互手动或自动的方式从三角形模型中提取特征线，或直接从外部输入特征线。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎dnPmLZ5k60
(4)利用特征线构成的网格构造曲面片，然后通过指定曲面片之间的连续性要求，来实现曲面片之间的光滑拼接。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎jndgwqk4Wm
(5)曲面模型精度、品质分析。?◎
4. PTC公司的ICEM Surf、Pro/DESIGNER (CDRS)、Pro/SCANTOOLS◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎alRX8F9iNi
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ICEM Surf 是一个A 级自由曲面的构造工具，它的最主要特点是直接构造曲面（无须先构造曲线）和曲面质量的动态评价（曲面调整中的曲面诊断结果动态更新），汽车、摩托车外覆盖件，内饰件等自由曲面用它来构造是游刃有余。但最好有比较完整的测量数据，当然ICEM Surf 也可以用于构造曲面的设计。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎P8ULWQKq9O
ICEM Surf 还能把点云数据自动转换成三角形面片模型，可以用它来求任意截面线、边界线和特征线，也可以用它来做快速成型或NC加工编程。但这个面并不是一个传统意义上的曲面模型。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎sJ48naWIJ7
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Pro/DESIGNER (CDRS) 是一个工业设计的造型模块，主要用于概念设计，其特点是可以非常方便的调整各条型线，从而得到设计师想要得到的结果。用于逆向时，可以用在测量数据比较少，仅有主要型线和边界线的情况，这实际上是一个部分的逆向，操作者逆向的主要是产品的造型思想。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎Kn31FBSCI5
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Pro/SCANTOOLS 是一个完全集成于Pro/ENGINEER 实体建模中的逆向曲面构建包，新版中的功能有很大的提高。可以接受有序点（测量线），也可以接受点云数据，可以用来构建非A 级的自由曲面，一般的工业产品如电器产品、一般的塑料件、汽车内饰件等均能应用该模块得到圆满的解决。◎
逆向工程中的模型类型

自由曲面，汽车、摩托车的外覆盖件，其它冲压件，玩具等 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎0M1Q6BRtGu
初等解析曲面 ── 平面、圆柱面、圆锥面等组成的零件 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎RzHtd1HpnX
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模型的类型直接关系到我们建模时所选用的模块或软件，对于自由曲面件必须采用具有方便调整曲线和曲面的模块，而对于初等解析曲面件，我们没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎B4hgM9tPB5
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A级曲面，如汽车、摩托车的外覆盖件 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎VqqgBPd5ar
B级曲面，如汽车的内饰件，大部分的塑料件◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎v7KhnZ7U3Z
其他要求更低的曲面 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎Zt4ebeKMYX
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模型要求的品质也关系到对软件的选用，比如对于A 级曲面，就要求选用软件必须具备方便和直接的曲面调整手段，强大的曲面检测功能，而且检测结果必须是动态的，即曲面调整的同时检测结果动态更新。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎lyCQhtMc5T
逆向工程中的模型重建

点过程◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎Tcpfr0h3RG
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读入点阵数据。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎a1mz7lh8P4
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将分离的点阵对齐在一起（如果需要）。有时候由于零件形状复杂，一次扫描无法获得全部的数据，或是零件较大无法一次扫描完成，这就需要移动或旋转零件，这样会得到很多单独的点阵。这时就需要将点阵准确对齐。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ulFE6tKg6a
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对点阵进行判断，去除噪音点（即测量误差点）。由于测量工具及测量方式的限制，有时会出现一些噪音点，对点阵进行判断，去掉噪音点，以保证结果的准确性。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎zqWN8JrRvj
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通过可视化点阵观察和判断，规划如何创建曲面。一个零件，是由很多单独的曲面构成，对于每一个曲面，可根据特性判断用用什么方式来构成，例如，如果曲面可以直接由点的网格生成，就可以考虑直接采用这一片点阵；如果曲面需要采用多段曲线蒙皮，就可以考虑截取点的分段。提前作出规划可以避免以后走弯路。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎HS01Udz6yy
根据需要创建点的网格或点的分段。◎
曲线创造过程 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎EgW1USR48t
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判断和决定生成哪种类型的曲线。曲线可以是精确通过点阵的、也可以是很光顺的（捕捉点阵代表的曲线主要形状）、或介于两者之间。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎BtFm1ZT4b7
创建曲线。根据需要创建曲线，可以改变控制点的数目来调整曲线。控制点增多则形状吻合度好，控制点减少则曲线较为光顺。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎SxUDN2aMBl
诊断和修改曲线。可以通过曲线的曲率来判断曲线的光顺性，可以检查曲线与点阵的吻合性，还可以改变曲线与其他曲线的连续性（连接、相切、曲率连续）。Surfacer提供很多工具来调整和修改曲线。◎
曲面创建过程 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎xYh8eR1KDl
◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎3m035xIeyh
决定生成那种曲面。同曲线一样，可以考虑生成更准确的曲面、更光顺的曲面（例如class 1曲面），或两者兼顾。根据产品设计需要来决定。◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎ifdF4Ar0Ln
创建曲面。创建曲面的方法很多，可以用点阵直接生成曲面（Fit free form），可以用曲线通过蒙皮、扫掠、四个边界线等方法生成曲面，也可以结合点阵和曲线的信息来创建曲面。还可以通过其他例如园角、过桥面等省城曲面。 ◎CAD/CAM之家 版权所有，拒绝转载◎BNdHi38kUj
诊断和修改曲面。比较曲面与点阵的吻合程度，检查曲面的光顺性及与其他曲面的连续性，同时可以进行修改，例如可以让曲面与点阵对齐，可以调整曲面的控制点让曲面更光顺，或对曲面进行重构等处理。◎