快速制造技术3D编辑技术逆向工程测量技术概述.pdf

第 1 章逆向工程测量技术简介第 1 章逆向工程测量技术简介 在当今信息化的社会，制造业的竞争日趋激烈，产品更新速度不断加快，生产方式趋于小批 量、多品种，因此产品开发的速度和制造技术的柔性显得特别重要。在实际应用中，经常需要由 实物快速制造模具或在它的基础上改进设计。 在此背景下， 由实物直接获得三维 CAD （Computer Aided Design）模型的技术即逆向工程（Reverse Engineering，RE）应运而生并得到快速发展。 逆向工程技术是测量技术、 数据处理技术、 图形处理技术和加工技术相结合的一门结合性技 术。 随着计算机技术的飞速发展和上述单元技术的逐渐成熟， 近年来在新产品设计开发中愈来愈 多的被得到应用，因为在产品开发过程中需要以实物(样件)作为设计依据参考模型或作为最终验 证依据时尤其需要应用该项技术，所以在汽车、摩托车的外形覆盖件和内装饰件的设计、家电产 品外形设计、艺术品复制中对逆向工程技术的应用需求尤为迫切。 所谓逆向工程是将数据采集设备获取的实物样件表面或表面及内腔数据， 输入专门的数据处 理软件或带有数据处理能力的三维 CAD 软件中进行处理和三维重构，在计算机上复现实物样件 的几何形状，并在此基础上进行原样复制、修改或再设计，该方法主要用于对难以精确表达的曲 面形状或未知设计方法的构件形状进行三维重构和再设计。 1.1. 逆向工程测量技术的产生和发展逆向工程测量技术的产生和发展 1.1.1. 逆向工程测量技术出现和发展的时代背景1.1.1. 逆向工程测量技术出现和发展的时代背景 二次大战中，几十个国家卷入战祸，饱受战争创伤。特别是战败国，在二战结束后，急于恢 复和振兴经济。日本在 20 世纪 60 年代初提出科技立国方针： “一代引进，二代国产化，三代改 进出口，四代占领国际市场” ，其中在汽车、电子、光学设备和家电等行业上最为突出。为了要 国产化的改进，迫切需要对别国产品进行消化、吸收、改进和挖潜。这就是反求设计(Reverse Design)或逆向工程(ReverseEngineering)，这两者是同一内涵，仅是不同国家的不同提法。发展 到现在， 己成为世界各国在发展经济中不可缺少的手段或重要对策， 逆向工程的大量采用为日本 的经济振兴、进而创造和开发各种新产品奠定了良好基础。 实际上，任何产品问世，包括创新、改进和仿制的，都蕴含着对已有科学、技术的继承和应 用借鉴。因而反求思维在工程中的应用已源远流长，而提出这种术语并作为一门学问去研究，则 是 20 世纪 60 年代初出现的。 市场经济竞争机制已渗透到各个领域，如何发展科技和经济，世界各国都在研究对策。从共 性特征可概括为以下 4 个方面对策： (1)大力提倡创造性。包括新的思维方式、新原理、新理论、新方案、新结构、新技术、新 材料、新工艺、新仪器等等。对于发展一个国家的国民经济来说，创造性是永恒主题。 (2)研究和应用新的设计理论、方法去改造和完善传统的方法，以便能既快又好地设计出新 型产品。 (3)把计算机应用广泛地引入产品设计、开发的全过程(预测、决策、管理、设计制造、试验、 销售服务等)中，以期达到这些过程的一体化、智能化和自动化。 (4)研究和应用逆向工程，以便能在高的起点去创造新产品。 1.1.2. 逆向工程测量技术的发展和深化1.1.2. 逆向工程测量技术的发展和深化 现代设计理论和方法包括通用的(不针对具体工程专业)和专用的(针对工程专业)的两大范 畴。科技发展日新月异，如果说早期的反求活动偏于模仿性、经验性、粗略近似的技术活动，用 传统的、常规的方法基本可以胜任，那么对现代产品中高新技术和复杂多样的技术就无能为力。 例如用断裂力学设计的产品，使用中出现裂纹是正常的，要想用经典力学去反求是无法解释的； 高次方组合曲线或曲面的零件断面， 不掌握优化技术就难以消化； 引进产品中的某些零件寿命可 精确地给出多少小时多少分，如不掌握疲劳和可靠性设计方法，该零件的寿命就会是个谜。 逆向工程包含的内容和知识面很广， 不同专业产品又有不同的领域。 诸如原理、 方案、 功能、 性能、参数、材质、结构、表面状况、精度和公差、工艺过程、油品、试验和检测、使用规范、 维修、运输、可靠性、经济性、贮存等等都要寻究“为什么”的答案，要找出其先进科学的和落 后不足的细节。引进产品不一定都先进，盲目吸收掩盖了落后，不适合国情是虚假的先进，最后 都要吃大亏，都不是真正的反求的目标。反求过程中，如何用现代设计理论、方法和技术去寻求 符合国情的适用技术， 是提高国产化零件质量的核心问题。 寻找适用技术就是再创造， 一旦突破， 成效显著，有时可使产品上水平、上档次。 顺便指出，开展逆向工程的研究和应用，有助于人才培养。人们需要通过学习、创造、发明 去发现新事物，而反求本身既是学习又可尽快掌握高新技术，缩小差距。发达国家重视反求，正 在发展中国家更要重视和掌握这种艺术和技术。要完成一项反求任务，进而再创造，需学习和掌 握众多知识和经验，促使人们不断去探讨“为什么这样做” ，进而深化提高到“应该怎样做” 。特 别是中外合资和技术引进后的国产化， 有大量反求工作。 国产化就要创新， 反求本质就是再创造， 没有相应技术的人才就很难胜任。 1.1.3. 应用展望1.1.3. 应用展望 近年来，快速成型（Rapid Prototyping，RP）技术同逆向工程结合，为逆向工程注入了新的 活力。借助逆向工程，快速成型制造技术不仅可以在原始设计的基础上快速生成实物，也可以用 来复制实物，包括放大、缩小、修改和复制等。还可以方便地对快速成型制造技术本身制得的产 品进行快速、准确的测量，用来验证由三维 CAD 设计制得的原型与原设计的吻合程度，找出产 品的不足，重新设计，使产品更加完善。可见，在快速成型技术中引入逆向工程技术，大大缩短 了产品的设计与制造周期， 从而形成了快速设计与制造的生产系统， 这被称之为快速逆向工程技 术（Rapid Reverse Engineering，简称 RRE） 。 逆向工程是一门开拓性、综合性和实用性很强的技术。尽管国内外已有大量成功经验，但目 前还很少有这方面系统的论著， 大多散见在各个行业的案例或设计资料中， 很多企业也不愿将其 反求技术公开。 应该看到，逆向工程有其独特的共性技术和内容，还是一门新兴的交叉学科分支，正如高新 技术层出不穷，解密技术亦要相应发展。在工程专业领域，需有设计、制造、试验、使用、维修、 检测等方面知识；在现代设计法领域，应有系统设计、优化、有限元、价值工程、可靠性、工业 设计、创新技法等知识；在计算机方面，需有硬件和软件的基本知识；等等。总之，现行产品中 的各种复杂、高新技术，在逆向工程中都会遇到如何消化吸收问题。 1.1.4. 逆向工程与知识产权1.1.4. 逆向工程与知识产权 任何一项新技术、新产品，应该受到有关保护法(如专利法、知识产权法、商标法等)的法律 保护，这是国际性的共同行为规范，这才能引导正常的市场竞争和贸易。逆向工程绝不等于偷技 术，它是在科技道德和法律制约下，从学术、工程、技术方面来促进科技的发展。这是因为： (1)任何产品的设计、开发，总要借鉴、继承已有的知识和技术，市场上的产品总要被别人 借鉴，关键要划清产权的界限。 (2)青出于蓝而胜于蓝是发展规律，通过反求来发展新产品，起点高，周期短，成效快，决 非照抄照搬。 (3)科学的反求，有助于促进技术革新，扩大眼界，有助于尽快培养新人。 但应该强调，作为一个国家、民族，为发展科技和振兴经济，不能全靠反求来生存；鼓励独 立的创造性永远是主旋律或主题。 1.2. 逆向工程的具体内容逆向工程的具体内容 1.2.1. 含义1.2.1. 含义 反求技术包括影像反求、 软件反求及实物反求等三方面。 目前相对最多人研究的是实物反求 技术。它是研究实物 CAD 模型的重建和最终产品的制造。 狭义来说，三维反求技术是将实物模型数据转化成设计、概念模型，并在此基础上对产品进 行分析、修改及优化等技术。 传统的产品开发过程通常是从收集市场信息入手， 按照 “产品功能描述产品概念设计产 品总体设计及零部件详细设计制定生产工艺流程设计工装零部件加工及装配产品检验 及性能测试”的步骤，是从未知到已知、从抽象到具体的过程，我们称之为正向工程（或顺向工 程） 。而逆向工程则是按照产品引进、消化、吸收与创新的思路，根据零件（或原型）生成图样， 再制造产品。 其最主要的任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型， 即从一 个存在的零件或原型入手， 首先对进行其数字化处理 （将整个零件或原型用一个庞大的三维点的 数据集合来表示） ，然后是构造 CAD 模型，CAD 模型经创新设计后输入数控机床或快速成型设 备，最后制造产品。一方面，为提高工程设计、加工、分析的质量和效率提供充足的信息，另一 方面为充分利用先进的 CAD/CAE/CAM 等技术对已有的产品进行再创新设计服务。从发展的角 度看，只有支持进一步的创新功能的逆向工程技术才具有更加广阔的应用前景，包含了“逆向测 量数据的三维重构”与“基于原型或重建数字化模型的再设计”的逆向工程，才真正体现了逆向 工程的核心和实质。图 1-1 为正向工程和逆向工程的工作过程示意图。从中可以看出，正向工程 中从抽象的概念到产品数字化模型建立是一个计算机辅助的产品“物化”过程；而逆向工程是对 一个“物化”的产品再设计，强调数字化模型建立的快捷性和效率，以满足产品更新换代和快速 响应市场的要求。 逆向工程中， 由离散的数字化点或点云到产品数字化模型的建立是一个复杂的 设计意图理解、数据加工和编辑的过程。 （a）正向工程流程）正向工程流程 (b) 逆向工程流程 图 逆向工程流程 图 1-1 正向工程和逆向工程的流程示意图正向工程和逆向工程的流程示意图 广义的逆向工程研究内容十分广泛， 概括起来主要包括产品设计意图与原理的逆向， 美学审 视和外观逆向、几何形状与结构逆向、材料逆向、制造工艺逆向和管理逆向等等，是一个复杂的 系统工程。本文所指的“逆向工程”是指“实物逆向工程” ，即狭义的逆向工程。 1.2.2. 研究内容1.2.2. 研究内容 逆向工程技术的研究对象多种多样，所包含的内容也比较多，主要可以分为以下三大类： （1）实物类：主要是指先进产品设备的实物本身； （2）软件类：包括先进产品设备的图样、程序、技术文件等； （3）影像类：包括先进产品设备的图片、照片或以影像形式出现的资料。 逆向工程包含对产品的研究与发展、 生产制造过程、 管理和市场组成的完整系统的分析和研 究。主要包括以下几个方面： （1）探索原产品设计的指导思想 掌握原产品设计的指导思想是分析了解整个产品设计的前提， 如微型汽车的消费群体是普通 百姓，其设计的指导思想是在满足一般功能的前提下，尽可能降低成本，所以结构上通常是较简 化的。 （2）探索原产品原理方案的设计 各种产品都是按定的使用要求设计的，而满足同样要求的产品，可能有多种不同的形式，所 以产品的功能目标是产品设计的核心问题。 产品的功能概括而论是能量， 物料信号的转换。 例如： 一般动力机构的功能通常是能量转换，工作机通常是物料转换，仪器仪表通常是信号转换。不同 的功能目标可引出不同的原理方案，设计一个夹紧装置时，把功能目标定在机械手段上，则可能 设计出斜楔夹紧、螺旋夹紧、偏心夹紧、定心夹紧、联动夹紧等原理方案；如把功能目标确定扩 大，则可设计出液动、气动、电磁夹紧等原理方案。探索原产品原理方案的设计，可以了解功能 目标的确定原则，这对产品的改进设计有极大帮助。 （3）研究产品的结构设计 产品中零部件的具体结构是实现产品功能目标是保证，对产品的性能、工作能力、经济性、 寿命和可靠性有着密切关系。 （4）确定产品的零部件形体尺寸 分解产品实物，由外至内，由部件至零件，通过测绘与计算确定零部件形体尺寸，并用图样 及技术文件方式表达出来。 它是反求设计中工作量很大的一部分工作， 为更好地进行形体尺寸的 分析与测绘，应总结箱体类、轴类、盘套类、齿轮、弹簧、曲线曲面及其它特殊形体的测量方法， 并合理标注尺寸。 （5）确定产品中零件的精度 确定零件的精度(即公差设计)是反求设计中的难点之一。通过测量，只能得到零件的加工尺 寸，而不能获得几何精度的分配。精度是衡量反求对象性能的重要指标，是评价反求设计产品质 量的主要技术参数之一。 科学合理地进行精度分配， 对提高产品的装配精度和力学性能至关重要。 （6）确定产品中零件的材料 通过零件的外观比较、重量测量、力学性能测定、化学分析、光谱分析、金相分析等试验方 法，对材料的物理性能、化学成分、热处理等情况进行全面鉴定，在此基础上，遵循立足国内的 方针，考虑资源及成本，选择合用的国产材料，或参照同类产品的材料牌号，选择满足力学性能 及化学性能的国有材料代用。 （7）确定产品的工作性能 针对产品的工作特点、机器的主要性能进行试验测定、反计算和深入地分析，了解产品的设 计准则和设计规范，并提出改进措施。 （8）确定产品的造型 对产品的外形构型、色彩设计等进行分析，从美学原则、顾客需求心里、商品价值等角度进 行构型设计和色彩设计。 （9）确定产品的维护与管理 分析产品的维护和管理方式， 了解重要零部件及易损零部件， 有助于维修及设计的改进和创 新。 目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在产品几何形状以及与功能要素相关的结构反 求，即重建产品原型的数字化模型方面，是将实物转变为 CAD 模型的相关的数字化技术、几何 模型重建技术和产品制造技术的总称，是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模 型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。 1.2.3. 逆向工程测量技术的应用1.2.3. 逆向工程测量技术的应用 逆向工程（逆向工程）是近年来发展起来的消化，吸收和提高先进技术的一系列分析方法和 应用技术的组合，其主要目的是为了改善技术水平，提高生产率，增强经济竞争力。世界各国在 经济技术发展中，应用逆向工程消化吸收先进技术经验，给人们有益的启示。据统计，各国百分 之七十以上的技术源于国外， 逆向工程作为掌握技术的一种手段， 可使产品研制周期缩短百分之 四十以上，极大提高了生产率。因此研究逆向工程技术，对我国国民经济的发展和科学技术水平 的提高，具有重大的意义。 逆向工程（逆向工程）的应用领域大致可分为以下几种情况： （1）在飞机、汽车、摩托车、家用电器等产品开发中，产品的美学设计和空气动力学性能 尤为重要。尽管计算机辅助设计（CAD）技术发展迅速，各种商业软件的功能日益增强，但是 目前还无法满足一些复杂曲面零件的设计需要， 设计人员习惯于依赖三维实物模型对产品设计进 行评估，而不是依赖高分辨率二维屏幕上的缩比模型彩色图像。因此，产品几何外形通常不是应 用 CAD 软件直接设计，而是采用粘土或泡沫模型代替 CAD 设计，制作出全尺寸或比例模型， 然后运用逆向工程技术将这些实物模型转换为产品数字化模型。 （2）由于各相关学科发展水平的限制，对零件功能和性能的分析，还不能完全由 CAE 来完 成，往往需要通过实验来最终确定零件的形状。例如，在模具制造中经常需要通过反复试冲和修 改模具型面方可得到最终的、符合要求的模具。若将最终符合要求的模具测量并逆向其 CAD 模 型，在再次制造该模具时就可以运用这一模型生成加工程序，就可以大大减少修模量，提高模具 生成效率，降低模具制造成本。 （3）由于工艺、美观、使用效果等方面的原因，通常需要对已有零件进行局部的修改。在 没有原始三维产品数字化模型的情况下， 对实物零件进行逆向测量与处理， 生成产品数字化模型， 对模型进行修改再加工，可以显著提高生产效率。因此，逆向工程技术在改型设计方面发挥了不 可替代的作用。 （4）以已有产品为基准点进行产品的创新设计已成为当今的一条设计理念。目前，我国在 设计制造方面与发达国家还有一定的差距， 利用逆向工程技术可以充分吸收国外先进的设计制造 成果，使我国的产品设计立于最高的起点，同时加快一些产品的国产化速度。 （5）在一些特殊领域，如艺术品、考古文物的复制与保护，医学领域中人体骨骼、关节等 的复制，假肢制造，以及特种服装，头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，需首先建立 人体的几何模型。这些情况下都必须从实物模型出发得到产品的三维数字化模型。 （6）在 RPM 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，经过多次迭代可 使产品完善。 （7） 用于生产线产品质量控制和形位尺寸在线或离线快速检测， 特别适合复杂曲面的检测。 该技术基本不受产品重量、尺寸、材质、温度的限制，可检测不宜搬运、高温、封闭环境下的产 品。 （8）借助于层析 X 射线摄像法（CT 技术） ，逆向工程不仅可以产生物体的外部形态，而且 可以快速发现、度量和定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤的重要手段。 如同计算机技术经多年摸索目前已在各行业广泛使用一样， 每一种新技术都需要在各行业实 际应用中发展、成熟、壮大，这个过程中需要各行业内专家能手和一线使用者不懈寻找新技术与 本行业应用的结合点，才能真正发掘出该技术的潜力。 例如，经实践发现，在汽车模具行业逆向工程测量技术可有如下应用： （1）产品检测：可以检测铸件、锻件、冲压件、模具等产品。 a）可快速检测铸造用大型泡沫实型的质量。 泡沫实体长度过长以及在加工过程中的水分流失，易造成变形，因而可能造成铸件加 工余量不均匀、甚至无加工量导致铸件报废。 b）快速检测大型铸件的质量，NC 加工程序优化。 通过扫描数字化铸件毛坯，准确的发现实型编程和加工以及手工修整遗漏的无加工量 问题，提高数控加工的效率，避免刀具损坏，还可实现型面的粗加工无人化编程 （2）模具的复制与备份 （3）变形分析：变形分析分为静态和动态变形分析，可以应用在钣金变形等领域。对冲压 产品各工序零件及最终产品件进行全尺寸数据扫描， 通过制件实际回弹和 CAE 模拟的理论回弹， 分析零件工序间的回弹变形规律， 并提供模具整改所需详细数据与原有三维数据模型比较确定差 异。通过快速的三维钣金变形分析，可提高模具 CAE 系统的效率和准确性，使传统的开环 CAE 系统，变为闭环 CAE 系统，实现了模具 CAE 的重大变革。 （4）数字化研合：用逆向工程测量技术代替传统的模具研合工艺，实现数字化研合，解决 模具的回弹和不稳定问题。 （5）虚拟装配和制造：通过将各个制件实体的三维数字化，实现虚拟装配、虚拟制造。 总之，逆向工程作为消化吸收先进技术、高起点支持产品再创新、在线和离线快速检测的重 要技术手段，是解决产品快速开发和创新设计、质量检测重要技术途径之一，有着广泛的应用前 景。 1.2.4. 逆向工程的关键技术1.2.4. 逆向工程的关键技术 逆向工程（逆向工程）具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在逆向工程中，按照 现有的零件原形进行设计生产， 零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中； 在传统的设计 制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素，进行从无到有的设计。此外，从 概念设计出发到最终形成 CAD 模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形 数字化后再形成 CAD 模型的逆向工程是一个推理，逼近的过程。 逆向工程（逆向工程）一般可分为四个阶段： (1) 零件原形的数字化 通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标 值。 (2)从测量数据中提取零件原形的几何特征 按测量数据的几何属性对其进行分割， 采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具 有的设计与加工特征。 (3)零件原形 CAD 模型的重建 将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交与拼接 获取零件原形表面的 CAD 模型。 (4)重建 CAD 模型的检验并修正 采用根据获得的 CAD 模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的 CAD 模型是否满足 精度或其他试验性能指标的要求，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的设计要求。 从逆向工程的流程可以看出， 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 （逆向测量） 、CAD 模型重建（数据重构）和产品制造。逆向工程与传统正向工程的主要区别在 于 CAD 模型的产生过程，由实物产生 CAD 系统模型的过程称为逆向工程几何建模，是逆向工 程最基本、最关键的功能，也是逆向工程的研究重点。此过程有两个关键技术：一是样件表面数 据获取技术，即数字化技术；二是曲面重构技术。 1.2.4.1.样件表面数字化技术1.2.4.1.样件表面数字化技术 样件表面的数字化是指通过特定的测量设备和测量方法获取零件表面离散点的几何坐标数 据。该技术的好坏直接影响到对原型或零件的描述的精确、完整程度，进而影响到重构的 CAD 曲面、 实体模型的质量， 并最终影响到快速成型得到的产品是否真实或在一定程度上反映了原始 的物体模型。因此，如何高效率、高精度地实现对样件表面的数据采集，一直是逆向工程的主要 研究内容之一。一般说来，样件表面数字化技术可分为逐层扫描测量方法、接触式测量方法和非 接触式测量方法等，如图 1-2 所示。 图图 1-2 数字化技术分类数字化技术分类 逐层扫描测量方法是 RP 生长成型的逆过程，主要有工业 CT（Industrial Computer Tomography，ICT）扫描、核磁共振（Magnetic Resonance Imaging，MRI）和自动断层扫描。工 业 CT 扫描和核磁共振技术用 CT 和核磁共振对产品实物进行层析扫描，获得一系列断面图像切 片和数据， 这些切片和数据提供了工件截面轮廓及其内部结构的完整信息。 它们的优点在于能够 测量工件内部断面的信息，因而适用于任意的形状结构，但测量精度较低，并且核磁共振技术对 于金属物体不适用，目前主要应用于医学三维测量。自动断层扫描法（Automatic Cross Section Scanning，ACSS）是美国 CGI 公司的一种专利技术，该技术采用材料逐层去除和逐层光扫描相 结合的方法， 能快速、 准确、 自动地获取样件表面和内部轮廓数据， 其片层厚度最小可达 0.013mm， 测量不准确度为 0.025mm。与工业 CT 相比，价格便宜，测量准确度高，且能实现自动操作。但 这种方法为破坏性测量，对于贵重零件不易采用，且测量速度慢。 接触式测量方法有基于力变形原理的接触式和连续扫描式数据采集以及基于磁场、 超声波 的数据采集等，目前应用最广泛的测量工具是三坐标测量机（Coordinate Measuring Machine， CMM） 。CMM 采用触发测头， 当测头探针接触到样件表面时， 由于探针受力变形触发采样开关， 通过数据采集系统记录探针（测头中心点）坐标，逐点移动，采集到样件表面轮廓的三维坐标数 据。它应用于主要是由基本的几何形体，如平面、圆柱面、圆锥面以及球面等构成的零件的数字 化过程，适用于测量零件外部的几何形状。该技术可以达到很高的测量精度（可达0.5m） ，但 是由于采用接触式测量， 易于损伤测头和划伤被测零件表面， 不能对软质材料和超薄形物体进行 测量，对细微部分测量精度也受到影响，一般需要人工干预；另外，由于采用逐点测量法和测头 半径的三维补偿问题， 测量速度较慢， 测量时间长。 连续扫描式数据采集采用模拟量开关采样头， 采样速度快（可达 500 点/秒） ，采样精度较高（可达 30m） ，可以连续进行数据采集，因而可以 用来采集大规模数据。但其同样具有触发式测量的缺点，且采样头价格非常昂贵。 非接触式测量方法是以现代光学为基础，融合电子学、计算机图像学、信息处理、计算机视 觉等科学技术为一体的现代测量技术。非接触式测量方法主要有激光三角测量法、投影光栅法、 激光干涉法、激光衍射法、图像分析法等。非接触式方法主要以计算机图像处理为主要手段，它 适合于测量零件的外部几何信息， 是近来发展非常迅速的测量技术。 非接触式测量方法按距离获 取的方法可以分为两大类：一类是二维分析法，包括摩尔条纹法，聚焦法，纹理梯度法，光度法 等；另一类是三维模型法，包括三角法，飞行时间距离探测法等。 1.2.4.2. 曲面重构技术1.2.4.2. 曲面重构技术 曲面重构技术指由采集到的数据进行产品计算机模型的构造。 逆向工程的主要目的就是得到 产品的数据模型， 以用于产品制造和再设计。 这一工作主要研究如何在测量数据基础上进行各种 处理，由点云数据得到产品的曲面表示形式，并最终形成计算机模型。在逆向过程中，曲面重构 技术有其自身特点： （1）大规模的原始点云测量数据为曲面的重构提供了丰富的信息资源，但对 点云数据进行 CAD 建模中，还需要解决一些关键性问题，如噪声处理、数据压缩、区域分割、 特征提取等； （2）曲面型面数据散乱，且曲面对象边界和形状有时极其复杂，因而一般不便直接 运用常规的曲面重构方法； （3）曲面对象往往不是简单的由一张曲面构成，而是由多张曲面经过 延伸、过渡、裁减等混合而成，因而要分块构造； （4）由于数字化技术的限制，在逆向工程中还 存在一个“多视数据” （即从不同方向或位置测量的数据块） 问题； 而且为了保证数字化的完整性， 各视之间还有一定的重叠，这就引来一个“多视拼合”的问题。 根据点云数据的组织形式，可以分为散乱点云数据集（Scattered data）和规格数据点集 （Regular data）两类。前者主要来自随机取样或手工逐点取样。后者包括两种类型：按行、列 排列的点云数据，成为整列数据或图像型数据；利用断层扫描方法（如利用 CT，MRI 或层析法 等）沿等高线进行测量得到点云数据，称为断层扫描数据（或平面轮廓数据） 。在曲面重构中， 常将列阵数据作为散乱数据的特例来处理， 而断层扫描数据的曲面重构却有其自身的特点， 因此， 一般曲面重构分为两类： 散乱点云数据的曲面重构和断层扫描数据的曲面重构， 论文中主要以前 者为研究对象。 散乱点云数据在地质勘探，海洋、气象、医学以及计算机辅助设计等众多领域中都有非常重 要的应用价值， 历来受到人们的广泛关注， 目前已发表了大量的有关散乱点云数据三角剖分及曲 面拟合理论的论文。 根据所采用的曲面表达方式，曲面重构的方法有：函数曲面方法；多边形模型方法；三角 Bezier 方法；NURBS 方法；隐函数方法；细分曲面方法等。有时需要综合应用不同的曲面表达 方式。 （1）函数曲面方法 在 6080 年代，主要采用函数曲面对测量数据进行拟合，这是测量数据曲面造型的第一阶 段。采用函数曲面对测量数据进行拟合的方法有：反距离加权法、径向基函数法、给予三角剖分 的方法、样条函数拟合和二步逼近法等，最近还有一些学者将层次 B 样条和小波方法用于散乱 点云数据的曲面拟合，以提高曲面拟合的效率。 （2）隐函数曲面方法 隐函数曲面是指由方程 ( , )0F x y z 表示的曲面，可以表达球面、圆柱面、圆锥面等二次曲 面以及某些更为复杂的曲面。函数曲面是隐函数曲面的特例。近年来，隐式曲面的研究受到了国 内外的重视。在国际会议上，先后组织了题为“几何造型及计算机图形学中的隐式曲面”的专题讨 论；1995 年，在法国的 Grenble 召开了第一次关于隐式曲面在计算机图形学中应用的学术会议。 在国内，浙江大学和中国科技大学等也开展了相关的研究工作，王强研究了平行轮廓线的 RBF 的隐函数曲面造型。 采用隐式曲面对二次曲面及超二次曲面（Superquadrics）进行重构，计算简单，求解容易， 是隐式曲面在逆向工程中的典型应用。 Faugeras 等均采用二次曲面的隐式进行曲面拟合和数据分 割，Solina 介绍了采用隐函数重构超二次曲面。此外，Sclarof 利用推广的隐式曲面（Generalized implicit surfaces）对散乱点云数据进行差值。采用隐式曲面很容易判断一点是否在曲面上，非常 适合逆向工程的曲面数据分割问题， 但其缺点是几何含义不明显、 曲面显示不方便以及与传统的 CAD 不兼容。 为了使隐式曲面在 CAD 中得到更广泛的应用， 需要妥善解决隐式曲面和参数曲面 间的转化问题。 （3）多边形模型法 多边形模型中最常用的是三角形模型。 在采用三角模型进行测量数据曲面重构中， 研究内容 主要包括：散乱数据的三角剖分；断层扫描数据的三角剖分；模型的简化（优化）和多层次分析； 特征识别及基于特征的三角剖分。 散乱数据的三角剖分可以分为平面区域中散乱数据的三角剖分和曲面区域中散乱数据中的 三角剖分。 平面区域散乱数据的三角剖分技术已很成熟， 关于曲面域上散乱数据的三角剖分和空 间散乱数据的四面体剖分，也取得了很多研究成果。 Hoppe 将散乱数据三角剖分转化等值面提取问题进行处理。Edelsbrunner 则利用 Alpha 形状 对散乱数据进行三角剖分。Hoppe 通过对三角网格的变换，使网格能量达到最小因而使三角网格 得到优化（网格能量是网格的节点数、误差项等的加权和） 。Gross 等则讨论了三角网格的分层 次和多分辨率分析。 曲面的多边形模型在计算机图形学、计算机动画、有限元分析、RPM 等领域具有非常广泛 的应用。多边形模型的缺点是相邻曲面片只能达到 C0 连续，数据量大。当要求的精度较高时， 即使对球面、圆柱、圆锥等简单的曲面，多边形模型也需要大量的多边形来近似表达该曲面，而 对复杂的曲面，则数据量更大。因此，在 CAD 领域，特别是在外形要求较高的产品设计中，仅 有产品的多边形模型是不够的。 （4）三角 Bezier 曲面方法 由于三角曲面具有构造灵活、 边界适应性好的特点， 在逆向工程曲面重构研究中一直受到重 视。三角曲面重构的一般方法为：首先根据原始数据的几何特征提取其特征线（如尖角、曲率极 值等） ，构造初始三角网格；型值点按曲率变化插值到网格中实现三角网格的细化；最后运用三 角 Bezier 曲面构造光滑曲面。在三角曲面的应用研究中，重点集中在如何提取特征线，如何进 行三角剖分和简化三角形网格的问题上。 三角曲面最初是由de Casteljau于20世纪50年代末提出的， 但其成果直至1975年才被Boehm 发现。20 世纪 70 至 80 年代，国外对三角曲面造型进行了系统深入的研究，代表性的学者有 Barnhill，Birkhoff，Gordon，Sabin 以及 Farin 等人。20 世纪 90 年代以来成果也很多，如 1994 年 Xin Chen 和 Francis Schmitt 提出将以特征线为基础建立初始的三角网格，再将型值数据插入 三角网格；1995 年，Hyungjun Pa K 和 Kwanqsookim 提出了一种自适应的光滑曲面逼近大规模 散乱点的方法，等等。 三角曲面重构方法常用于数据点为密集的散乱数据且曲面对象边界和形状极其复杂的情况， 它最适合表现像人脸等无规则复杂形面的自然物体。 但是目前已有的三角剖分算法仍然具有以下 缺陷：三角剖分算法的时间和空间代价很高，对系统的性能要求高；曲面内的点之间的特征信息 没有得到充分的考虑，因而在逼近曲面中不能很好的重构特征；曲面模型与通用的 CAD/CAM 系统集成困难，需要额外的数据模型转化模块。 （5）NURBS 曲面的方法 以 B 样条或 NURBS 既可表达复杂的自由曲线、曲面，又可精确表示圆锥曲线，又具有丰富 的计算工具（节点插入、删除、细化、升阶、分割等）因此，ISO 国际标准化组织已将 NURBS 作为产品几何数据交换的唯一标准。 在目前的 CAD/CAM 系统中， 大多采用 NURBS 曲面作为其 内部统一的几何表示形式，已形成了一套完整的算法。 NURBS 方法的研究与应用经历了很长的时间。20 世纪 70 年代初，Risenfeld 等人研究了非 均匀 B 样条；Versprille 完成了有关有理 B 样条的博士论文。20 世纪 80 年代初，LaneCohen 等提出了离散 B 样条和分割技术；Boehm 提出了 B 样条曲线的节点插入算法；波音公司的 Fuhr 和 Blomgren 实现了 NURBS 曲线曲面与 Bzier 曲线曲面的相应转换；Tiller 论述了有理 B 样条 曲线曲面的具体应用。随后，Piegl 等人系统的探索了有理 B 样条曲线曲面的构造和形态调整问 题，并系统的阐述了 NURBS 方法。 由于 NURBS 造型方法的各种优越性，它在逆向工程的曲面重构中得到了广泛的使用，特别 是在汽车、飞机、船舶等曲面零件的重构上。但是由于自由曲面的复杂性以及测量得到的数据点 复杂、 散乱且缺乏拓扑信息的特性使得各类研究的实用性受到了限制， 以致目前的商用软件仍然 停留在手动提取特征线，交互构造曲面片的阶段。另一方面，已有的研究都希望建立一种可以适 用于所有数据点情况的方法， 这一目的使其忽略了各类数据点的自身特性， 加重数据处理过程的 负担。 （6）细分曲面（Subdivision Surfaces）的方法 给定控制顶点网格， 按照一定的规则逐渐地加细控制顶点网格， 最后得到的曲面称为细分曲 面（或子分曲面） 。Catmull-Clark 最早提出细分曲面。由于其处理任意拓扑网格所表现出的简单 性和灵活性，以及潜在的多分辨结构，使它成为 CAGD 和计算机图形学中的一个重要的三维造 型方法。Hoppe 等人将细化曲面用于曲面重构，以便由三角网格得到光滑的曲面。 由于细分曲面是由控制点网格按照一定的规则得到的极限平面， 一般而言细分曲面没有具体 的曲面表达形式，甚至无法根据公式直接求出曲面上一点的法矢等信息，故不便于理论分析。目 前细分曲面主要用于计算机图形显示中，欲将其应用于产品设计中需做深入的研究。 1.3. 逆向工程常用的测量方法逆向工程常用的测量方法 逆向工程常用的测量方法可分成两类:接触式与非接触式。 1.3.1. 接触式测量方法1.3.1. 接触式测量方法 （1）坐标测量机 坐标测量机是一种大型精密的三坐标标测量仪器， 可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进 行逆向工程测量。 坐标测量机一般采用触发式接触测量头， 一次采样只能获取一个点的三维坐标 值。九十年代初，英国 Renishaw 公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以 在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达 8 米/秒，数字化速度最高可达 500 点/秒，精度约为 0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机 主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进 行逆向工程测量。 （2）层析法 层析法是近年来发展的一种逆向工程逆向工程技术， 将研究的零件原形填充后， 采用逐层铣 削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据， 并将其组合起来获得 零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式 是破坏性的。 1.3.2. 非接触式测量方法1.3.2. 非接触式测量方法 非接触式测量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。以下 仅将在逆向工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作一简要说明。 （1）基于光学三角型原理的逆向工程扫描法 这种测量方法根据光学三角型测量原理， 以光作为光源， 其结构模式可以分为光点、 单线条、 多光条等，将其投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根 据光点或光条在物体上成象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的 深度信息。如图 1-3 所示为激光线扫描三维轮廓测量设备，此测量系统是基于激光三角测量法， 采取线扫描测量方式。 图图 1-3 激光线扫