第1章 逆向的要求及准备工作
1.1 主 要 内 容
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逆向工程的定义 逆向工程技术的优点 三维扫描技术
测量的关键环节与技术
接触式与非接触式测量的优缺点 逆向工程设计的准备工作 UG逆向造型设计遵循的原则
1.2 逆向工程的定义
在工程技术人员的一般概念中，产品设计过程是一个从无到有的过程：设计人员首先构思产品的外形、性能和大致的技术参数等，然后利用CAD技术建立产品的三维数字化模型，最终将这个模型转入制造流程，完成产品的整个设计制造周期。这样的产品设计过程可以称之为“正向设计”。逆向工程RE（Reverse Engineering）也称几何逆向，逆向工程则是一个“从有到无”的过程，是指在没有设计图纸或者设计图纸不完整的情况下，根据已经存在的产品模型的测量、数据处理，并在此基础上构造出产品的三维CAD模型进行再设计的过程。
随着计算机技术在制造领域的广泛应用，特别是数字化测量技术的迅猛发展，基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象。通过数字化测量设备（如坐标测量机、光学测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要经过逆向工程技术的处理才能获得产品的数字模型，进而输送到CAM系统完成产品的制造。因此，逆向工程技术可
以认为是“将产品样件转化为CAD模型的相关数字化技术和几何模型重建技术”的总称。
逆向工程及其应用的一般过程如图1-1所示。由该图可知，3D扫描和特征提取曲面重构是逆向工程的主要研究内容。逆向工程所建立的几何模型，通过3D扫描的IGS、VDA、DXF及STL等可输入到相应的应用系统。
图1-1 逆向工程及其应用的一般过程
1.3 逆向工程技术的优点
因为逆向工程是在已有实物的基础上进行再设计的，相对于传统的正向设计，具有以下一些优点：
? 产品设计周期更短。正向设计是一个“从无到有”的过程，需要预先构思好产品
的功能结构，这往往需要灵感和慎密思考的时间。而逆向设计是以已有实物为参照物，比较直观，在此基础上进行复制和改进设计，可以节省很多的产品构思时间。 ? 产品设计更成熟可靠。正向设计具有一定的局限性和不可预见性，即使是经验丰
富的设计师，也不可能考虑得面面俱到。而逆向设计是在已有成熟产品上进行改进设计，风险会小很多，设计出来的产品也会更成熟、可靠。
? 产品设计成本更低。正向设计出来的产品一般都需要经过很多的实验来测试其可
靠性，无论是功能、装配、耐久性等都需要经过检验，不仅时间周期长，而且成本也比较高。逆向设计的产品是在原有产品上进行改进的，产品相对比较成熟，在试验的时间和频率上可适当减少，从而降低成本。
? 产品的传承性更好。参照已有的产品进行逆向设计，可以更好地继承原有产品的
优点，改进其缺点，使设计的产品不断获得改进与提高。
w1.4 三维扫描技术
三维扫描就是测量有形物体表面的三维坐标数据，而每一个数据（点）都带有相应的X、Y、Z坐标数值，这些数据（点）集合起来形成的点云（Point Cloud），就能构成物体表面的特征。
下面以如表1-1所示的形式对三维扫描发展历程进行说明。
表1-1 三维扫描发展历程
第一代 点测量 代表系统：三坐标测量仪、点激光测量仪、关节臂扫描仪（精度不高），通过每一次的测量点反映物体表面特征。优点是精度高，但速度慢，如果要做逆向工程，只能在测量较规则物体上有优势 第二代 线测量 代表系统：三维台式激光扫描仪、三维手持式激光扫描仪、关节臂+激光扫描头、通过一段（一般为几公分，激光线过长会发散）有效的激光线照射物体表面，再通过传感器得到物体表面数据信息 定义：适合扫描中小件物体，扫描景深小（一般只有5cm），精度较低，此代系统是过渡性产品 定义：适合做物体表面误差检测用 第三代 面扫描 代表系统：三维扫描仪（结构光、光栅式扫描仪）、三维摄影测量系统等、通过一组（一面）光栅的位移，再同时经过传感器而采集到物体表面的数据信息 定义：适合大中小物体的扫描，精度较高，扫描速度极快（华朗三维扫描仪单面400mm×300mm面积，时间≤5秒），测量景深很大，一般为300mm～500mm，甚至更大 1.5 测量的关键环节与技术
1．数据采集
在逆向工程中，获取物体表面的三维数据是关键的第一步，这样才能进行后面的三维建模及误差检测，测量数据的质量及精度也将会直接影响后期建模的品质。
2．测量前的准备工作
在测量模型之前，一般都需要做好以下几项准备工作：
（1）挑选缺陷最少、实际状态最好的产品来作为测量的产品原型。
（2）仔细了解被测产品的关键部位，以确保采集到的数据是足够的和有效的。 （3）对设备进行标定，确保设备本身的测量精度。
（4）准备好测量场地。测量设备对测量环境是有一定要求的，环境的光线明暗和场地
CAD/CA空间的大小等都有可能会影响测量的效果和效率，因此需要根据相应设备的测量环境要求准备好测量场地。
3．测量方法
在目前的市场上，测量的方法主要有接触式和非接触式两种： （1）接触式测量方法。该测量方法是指利用接触式的测量仪器，如三坐标测量机CMM（Coordinate Measuring Machine），如图1-2所示。对物体进行测量，在测量材质为硬质、容易定位，只需测量孔位、平面、轮廓等指定特征的物体时，一般都采用接触式的测量方法，测量的精度可达0.02mm，多用于质量的检测。
提示：在接触式采集方法中常用的还有电磁感应法。该方法将被测物体放在一个带有电磁场的台面上，然后用手持的触头在物体表面上滑过。触头上装有一个磁力感应器，可检测到触头的位置和方向。该方法以每秒钟60个点的速率采集物体表面上的点，但只能用于非金属材料的物体上。
（2）非接触式测量方法。该测量方法一般都是应用光学和激光的原理进行的，如图1-3所示。非接触式测量方法近几年来发展速度很快，采用该测量方法获得的数据一般都是大量无序高密度的点云，适合于测量具有复杂曲面，对材质没有要求的物体。
图1-2 三坐标测量机
图1-3 非接触3D测量仪
在实际应用中，要逆向设计的物体的型面一般都是比较复杂的，这需要测量得到的点的数据足够多、足够密才能保证数模重构的精度，故在逆向工程中一般都采用非接触式的测量方法。
1.6 接触式与非接触式测量的优缺点
1．接触式测量的优点
（1）因接触式探头技术发展了几十年，其机械结构与电子系统已相当成熟，故有较高的准确性和可靠性。
（2）接触式测量可以直接接触工件表面，故与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。
（3）被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可精确测量出物体的几何形状，如面、圆、圆柱、圆锥、圆球。
2．接触式测量的缺点
（1）为了确定测量基准点而使用特殊夹具，会导致较高的测量费用。不同形状的产品会造成原来的夹具不适用而使成本大幅度增加。
（2）球形的探头容易因接触力造成磨损。为了维持一定的精度，需要经常校正探头的直径。
（3）不当的操作容易损害工件某些重要部位的表面精度，也会使探头损坏。
（4）逆向工程技术接触式触发探头是以逐点进出方式进行测量的，所以测量速度慢。
（5）检测一些内部元件有先天的限制，如测量内圆直径，触发头的直径必定要小于被测内圆直径。
（6）对三维曲面的测量，因传统接触触发式探头是感应元件，测量到的点是探头的球心位置，故欲求得物体真实外形则需要对探头半径进行补偿，因而可能会导致修正误差的问题。逆向工程技术测量某一曲面时，假设此时探头正好定位在此被测点的表面采用方向上，探头尖端与被测检之间的接触点为A，A点至其球心C点有一偏差量产生，而实际上要求的位置是接触点A。所以沿法线负方向必须补正一个探头半径值。整个曲面补正需繁杂的计算，同时这也是测量误差的来源之一。
（7）接触探头在测量时，接触探头的力将使探头尖端部分与被测件之间发生局部变形而影响测量值的实际读数。
（8）逆向工程技术测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。
（9）由于探头触发机构的惯性及时间延迟而使探头产生超越现象，速度趋近会产生动态误差。
（10）另外测量接触力量即使一定，而测量压力并不能保证一定，这是因为接触面积与工件表面纹路的几何形状有关，不能保证为一样。
3．非接触式测量的优点
（1）不必做探头半径补偿，因为激光光点位置就是工件表面的位置。 （2）测量速度非常快，不必像接触式触发探头那样逐点进出测量。 （3）软工件、薄工件、不可接触的高精度工件可直接测量。 4．非接触式测量的缺点
（1）测量精度不算太高，因非接触式探头大多使用光敏位置探测器PSD（Position Sensitive Detector）来检测光点位置，目前PSD的精度还不够高，约为20缪以上。
（2）因非接触式探头大多是接收工件表面的反射光或散射光，易受工件表面的反射特性影响，如颜色、斜率等。
（3）PSD易受环境光线及杂散光影响，故噪声较高，噪声信号的处理比较困难。 （4）非接触式测量只能做轮廓坐标点的大量取样，对边线处理、凹孔处理以及不连续形状的处理较难。
（5）使用CCD作探测器时成像镜头的焦距会影响测量精度，因工件几何外形变化大时成像会失焦，成像模糊。
（6）工件表面的粗糙度会影响测量结果。
下面以如表1-2所示的形式对接触式与非接触式扫描仪的技术对比进行说明。
表1-2 接触式与非接触式扫描仪的技术对比
测 量 仪 器 测量方式 测量精度 测量速度 非接触式 10～100缪 1000～12000点/秒 非接触式扫描仪 接触式 1缪 点采集速度较慢 接触式扫描仪
逆向的要求及准备工作
