一症脂、逆向工程簡(jiǎn)介

　　逆向工程（Reverse Engineering）也稱反求工程，是指用一定的測(cè)量手段對(duì)實(shí)物或模型進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法垃桨，重構(gòu)實(shí)物的CAD模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造的過程翰倡。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法不同器赦，逆向工程是在沒有設(shè)計(jì)圖紙或圖紙不完整，而有樣品的情況下吹似，利用三維掃描測(cè)量?jī)x刚垦，準(zhǔn)確快速地測(cè)量樣品表面數(shù)據(jù)或輪廓外形，加以點(diǎn)數(shù)據(jù)處理喷楣、曲面創(chuàng)建趟大、三維實(shí)體模型重構(gòu)，然后通過CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程铣焊，直至利用CNC加工機(jī)床或快速成型機(jī)來制造產(chǎn)品护昧。

　　逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個(gè)方面粗截，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中惋耙，主要包括以下幾個(gè)內(nèi)容：

　　(1)新零件的設(shè)計(jì)，主要用于產(chǎn)品的改型或仿形設(shè)計(jì)熊昌。

　　(2)現(xiàn)成零件測(cè)量及復(fù)制绽榛，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖及重構(gòu)三維數(shù)字化模型。

　　(3)損壞或磨損零件的還原婿屹，以便修復(fù)或重制灭美。

　　(4)產(chǎn)品的檢測(cè)，例如檢測(cè)分析產(chǎn)品的變形昂利，檢測(cè)焊接質(zhì)量等届腐，以及對(duì)加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模型之間的誤差進(jìn)行分析。

　　逆向工程技術(shù)為快速制造提供了很好的技術(shù)支持榕哩，它已經(jīng)成為消化吸收和二次開發(fā)的重要途徑之一仪荞。逆向工程技術(shù)主要包括兩方面內(nèi)容：數(shù)字化技術(shù)和曲面重構(gòu)技術(shù)。數(shù)字化技術(shù)是利用三維掃描測(cè)量?jī)x采集實(shí)物或模型表面數(shù)據(jù)督近。曲面重建技術(shù)是根據(jù)測(cè)量所得到的幾何表面的一系列點(diǎn)數(shù)據(jù)江构，構(gòu)造出型體曲線、曲面笋途，最終重構(gòu)三維模型在缆。

　　逆向工程作為對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量擬合、分析隅凡、改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一種重要手段茫失，有效地加快了新產(chǎn)品響應(yīng)市場(chǎng)的速度精柒。逆向工程可以輸出快速原型制作及模具加工的多種數(shù)據(jù)格式，并支持不同用途真王。

　　二探九、水泵葉輪的三維數(shù)據(jù)測(cè)量

　　1．?dāng)?shù)據(jù)采集實(shí)施條件

　　隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)盖呼、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展儒鹿，出現(xiàn)了各種各樣的物體表面幾何數(shù)據(jù)獲取方法，檢測(cè)設(shè)備為產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)的獲取提供了硬件條件几晤。目前约炎，使用較多的有德國、英國蟹瘾、意大利圾浅、美國等國家生產(chǎn)的三維掃描儀和三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。從測(cè)頭結(jié)構(gòu)原理來說憾朴，可分為接觸式和非接觸式兩種狸捕。其中，接觸式測(cè)量又可分為硬測(cè)頭和軟測(cè)頭众雷，這種測(cè)頭與被測(cè)物體直接接觸灸拍，獲取數(shù)據(jù)信息，比較常用的是三座標(biāo)測(cè)量機(jī)（CMM）砾省。非接觸式測(cè)量可分為光學(xué)法鸡岗、工業(yè)ＣＴ、超聲波法和磁共振(MRI)等编兄。在逆向工程中咕烟，光學(xué)測(cè)量法應(yīng)用最為廣泛。典型的光測(cè)頭是運(yùn)用光學(xué)與激光的原理淀祟，包括激光掃描憎对、光學(xué)掃描。

　　2．光學(xué)掃描儀在曲面掃描中的優(yōu)勢(shì)

　　實(shí)物的三維離散采樣速度及數(shù)據(jù)質(zhì)量是影響逆向工程技術(shù)應(yīng)用的重要因素之一酌铺。三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(ＣＭＭ)是一種較為成熟的接觸式測(cè)量設(shè)備散岩。它具有噪聲低、精度高（可達(dá)±0.5μｍ）述逾、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)盹清。它的缺點(diǎn)包括測(cè)量速度慢、效率低殴客；對(duì)軟體對(duì)象難以做精密測(cè)量；需要對(duì)測(cè)頭表面損傷和測(cè)頭半徑進(jìn)行補(bǔ)償?shù)刃剖拧y(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是高精度低密度傀铃。

　　由于近年在分區(qū)域測(cè)量技術(shù)上的突破糕米，使得投影光柵法的測(cè)量精度得到進(jìn)一步的提高。比如說德國ＧＯＭ公司的ATOS流動(dòng)光學(xué)三維掃描儀茫经，測(cè)量速度大于43000點(diǎn)/ｓ巷波，單幅照片可掃描點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)400,000個(gè)點(diǎn)，單幅照片精度為±0.03ｍｍ卸伞，整體測(cè)量精度小于0.1ｍｍ/ｍ抹镊。光學(xué)掃描儀尤其便于復(fù)雜曲面的掃描，而CMM只能測(cè)量復(fù)雜曲面上有限的點(diǎn)荤傲，不能完整反映出曲面的形狀垮耳。雖然其測(cè)量單點(diǎn)精度較高，但用有限的點(diǎn)去描述復(fù)雜曲面反而使整體精度大大降低遂黍，而光學(xué)掃描儀則恰恰相反终佛。另外，光學(xué)掃描儀還具有測(cè)量范圍大雾家、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)铃彰。ATOS光學(xué)掃描儀配合高分辨率數(shù)碼照相系統(tǒng)使掃描范圍可達(dá)8m×8m甚至更大，并且可以很方便地移動(dòng)到實(shí)物現(xiàn)場(chǎng)工作芯咧。它不僅適于復(fù)雜輪廓的掃描牙捉，而且常用于汽車、摩托車內(nèi)外飾件的逆向造型工作妆吱。

　　采用德國GOM公司的ATOS光學(xué)掃描儀（ATOS I 600 EU）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集橘凿，測(cè)量精度為0.1mm/0.5m。掃描方式：光柵原理及GPS定位原理奈炕。ATOS掃描儀在測(cè)量時(shí)禽忧，可隨意圍繞被測(cè)物體移動(dòng)，利用十一幅不同寬度的光柵反射信息书尚，再經(jīng)數(shù)據(jù)影像處理系統(tǒng)計(jì)算處理衙乡，即可得到實(shí)物表面點(diǎn)數(shù)據(jù)。

　　3．水泵葉輪掃描的前期準(zhǔn)備工作

　　為了方便葉輪掃描和保證掃描的精確性沐刷，需對(duì)葉輪做必要的前期準(zhǔn)備箱歪，如貼參考點(diǎn)、物體表面噴涂顯像劑和儀器與軟件校準(zhǔn)等验柴。

　　4．水泵葉輪掃描過程

　　葉輪的整個(gè)外形都需要掃描揽膏，因此無法完成對(duì)葉輪的一次性掃描。根據(jù)葉輪的形狀姊宗，把零件分成上歹朵、下兩部分，分別進(jìn)行掃描。然后再在ATOS軟件中挠说，通過公共參考點(diǎn)把分別掃描所得的兩個(gè)文件合并為一個(gè)整體澡谭。

　　葉輪外形大致尺寸為φ370×85。在對(duì)ATOS掃描系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后损俭，就可以對(duì)水泵葉輪上下部分多個(gè)角度的不同方位進(jìn)行掃描蛙奖。掃描軟件依據(jù)參考點(diǎn)，把每幅掃描照片自動(dòng)進(jìn)行拼合杆兵，最終完成整個(gè)葉輪外形的掃描雁仲。

　　三、用Imageware和UG NX對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理及三維重構(gòu)

　　首先要確定葉輪基本形狀的曲面類型琐脏，然后采用 Imageware軟件來做逆向處理攒砖，處理數(shù)據(jù)的流程遵循“點(diǎn)——曲線——曲面”的原則。

　　1．用Imageware軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理

　　Imageware軟件調(diào)入掃描所得點(diǎn)云文件骆膝，并依據(jù)點(diǎn)云的特征祭衩，做出一些輔助的基準(zhǔn)，以便把葉輪點(diǎn)云進(jìn)行方位對(duì)齊阅签，為提取截面線做準(zhǔn)備掐暮。

　　葉輪的點(diǎn)云數(shù)據(jù)中含有許多雜點(diǎn)，因此需把雜點(diǎn)過濾掉列序。并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化碧爬，刪除不必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。適當(dāng)降低點(diǎn)云的密度睹肝，可以加快計(jì)算機(jī)處理的速度旺胳。

　　(1)特征線的提取

　　特征線的提取是整個(gè)曲面重構(gòu)的關(guān)鍵。根據(jù)葉輪外形特點(diǎn)画柜，劃分出二次曲面的區(qū)域捞蹈，如：平面、圓柱面围杉、球面等钧鸳。并對(duì)葉輪點(diǎn)云進(jìn)行分割，把這些二次曲面擬合構(gòu)造平面乖粘、圓柱面或球面搓睦，或直接做出特征。平面可以用三點(diǎn)或兩相交直線來確定砌熬，圓柱面則以截面線和矢量來確定傍念。對(duì)于自由曲面，需構(gòu)造出曲面的特征線葛闷。先對(duì)葉輪點(diǎn)云做出必要截面線憋槐，然后剔除截面點(diǎn)云的雜點(diǎn)進(jìn)行必要的光順，最后把截面點(diǎn)云擬合成曲線，以便構(gòu)造自由曲面秦陋。

　　葉輪與軸連接部位是內(nèi)螺旋槽蔓彩，在測(cè)量時(shí)十分困難治笨。在此驳概，關(guān)鍵是做出螺旋線，然后測(cè)量出螺距旷赖，最后在UG NX軟件中構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的螺旋線顺又。首先以孔的中心為圓點(diǎn)作一個(gè)圓并投影在螺旋面點(diǎn)云上，產(chǎn)生螺旋截面線點(diǎn)云等孵，擬合產(chǎn)生螺旋線稚照，最后通過裁剪螺旋線得到半圈的螺旋線，通過兩頭端點(diǎn)計(jì)算得出螺旋線的螺距為29.86mm俯萌。為了使求得的螺距更加精確果录，我們可多做幾個(gè)大小不同的圓，求其平均值轩苔。

　　(2)特征線分析

　　為了確保重構(gòu)特征線的精度咖雀，在任何一條特征線的構(gòu)建過程中，都要隨時(shí)檢測(cè)點(diǎn)云和曲線之間的偏差旅榨。確保特征線在偏差允許范圍內(nèi)亮购，以保證與原型的一致性。

　　2．用UG NX軟件構(gòu)建曲面模型

　　在UG NX軟件中直接讀取Image ware軟件的*.IMW格式的文件秃值，把在Imageware中構(gòu)建好的特征曲線導(dǎo)入到UG NX中岔爹，并且要保證坐標(biāo)系的一致性。對(duì)調(diào)入的曲線進(jìn)行分析哑逾，并對(duì)曲線進(jìn)行光順處理旧伺，或?qū)η€進(jìn)行重構(gòu)和編輯。使用UG NX的特征造型和曲面造型功能吹复，最終完成水泵葉輪的三維造型君祸。

　　完成水泵葉輪的三維造型后，反過來可以把利用UG NX軟件重構(gòu)的三維模型讀入Imageware軟件中紊徊，比較分析最終重構(gòu)的三維模型和掃描的點(diǎn)云之間的偏差肴熏。通過用彩色云圖將差異顯示出來，很直觀地就可以了解到曲面與點(diǎn)云之間的差異值顷窒，并且可以指定一個(gè)可接受的公差帶蛙吏，求出在公差帶內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量，從而檢測(cè)逆向掃描測(cè)量的精確性鞋吉。

　　四鸦做、利用逆向工程進(jìn)行產(chǎn)品檢驗(yàn)

　　不論用何種方法加工，都需要對(duì)其加工精度進(jìn)行檢驗(yàn)。利用傳統(tǒng)的檢測(cè)手段很難準(zhǔn)確檢測(cè)泼诱，因此同樣可利用逆向工程技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行準(zhǔn)確坛掠、高效率的檢測(cè)。

　　如同上述方法首先對(duì)加工零件進(jìn)行掃描治筒，然后把掃描所得的點(diǎn)云和原始設(shè)計(jì)的三維數(shù)字模型一起調(diào)入逆向工程軟件Imageware中屉栓，分析比較二個(gè)模型間的偏差，用彩色云圖將差異顯示出來耸袜，從而檢測(cè)零件的加工精度友多。逆向工程技術(shù)不但在單件加工上可以很方便地對(duì)復(fù)雜零件進(jìn)行檢測(cè)，而且在批量生產(chǎn)和流水化生產(chǎn)中對(duì)產(chǎn)品的抽檢也顯得十分方便妨宪。如注塑件手機(jī)的外殼锥约，就可以利用逆向工程技術(shù)很快地完成檢測(cè)工作。

　　五之灼、小結(jié)

　　逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品研究開發(fā)中是一項(xiàng)開拓性侮搭、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)的技術(shù)。利用光學(xué)掃描儀作為獲取空間三維數(shù)據(jù)的手段比紫，用逆向工程軟件Imageware對(duì)獲取的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理闭凡，其難點(diǎn)為曲線的構(gòu)建、檢測(cè)和修改号均。而只有滿足曲線光順怔惯，曲面才能光順。曲面與點(diǎn)云的吻合精度主要靠關(guān)鍵特征線的提取和構(gòu)建精度來保證易震。

　　采用逆向工程技術(shù)庞取，不僅能夠得到實(shí)物的精確數(shù)字模型和復(fù)制品，而且還可以進(jìn)一步修改并生成新的數(shù)學(xué)模型和產(chǎn)品工程圖烈瑰，從而使產(chǎn)品的消化吸收和二次開發(fā)工作準(zhǔn)確快捷鞍靴。不但縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率镶摘。

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