逆向工程补充第一章

补充逆向CAD建模技术0逆向CAD建模技术概述逆向CAD建模是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD模型的过程，包含物体离散数据点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整个逆向过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD/CAM。领域广泛关注的热点和难点问题。逆向CAD模型重建的一般步骤：1.根据几何特征对点云数据进行分割，2.分别对各个曲面片进行拟合3.通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的CAD模型。1逆向工程CAD系统的分类根据CAD系统提供的方式分类以测量数据点为研究对象的逆向工程技术，其逆向软件的开发经历了两个阶段：第一阶段：一些商品化的CAD/CAM软件集成进专用的逆向模块，典型的如PTC的Pro/Scan-tools模块、CATIA的QSR/GSD/DSE/FS模块及UG的Pointcloudy功能等。第二阶段：专用的逆向软件开发，目前面试的产品类型已达数十种之多，典型的如Imageware,Geomagic,Polyworks,CopyCAD,ICEMSurf和RE-Soft等。根据CAD系统建模特点与策略分类各种专用逆向软件建模的侧重点不一样，从而实现特征提取与处理的功能也有很大的不同，列如Imageware主要功能齐全，具有多种多样的曲线曲面创建和编辑方法，但是它对点云进行区域分割主要还是通过建模人员根据其特征识别的经验手动来完成，不能有系统自动实现；Geomagic区域分割自动能力很强，并可以完全自动地实现曲面的重建，但是创建特征线的方式又很单一，且重建的曲面片之间的连续程度不高。依据逆向建模系统实现曲面重建的特点，可以将曲面重建的方式划分为两类：传统曲面造型方式传统曲面造型方式在实现模型重建上通常有两种方法：A、曲线拟合法，该方法先将测量点拟合成曲线，再通过曲面造型的方式将曲线构建成曲面(曲面片)，最后对个曲面片直接添加过渡约束和拼接操作完成曲面模型的重建。B、曲面片拟合法，该方法直接对测量数据进行拟合，生成曲面（曲面片），最后对曲面片进行过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作，构成曲面模型的重建。快速曲面造型方式与传统曲面造型方式相比，快速曲面造型方式通常是将点云模型进行多边形化，随后通过多边形模型进行NURBS曲面拟合操作来实现曲面模型的重建。传统曲面造型方式主要表现为由点一线一面的经典逆向建模流程，他使用NURBS曲面直接由曲线或测量点来创建曲面，其代表有IMAGEWARE,ICEMSurf和CopyCAD等。该方式下提供了两种基本建模思路：1、由点直接到曲面的建模方法，这种方法是在对点云进行区域分割后，直接应用参数曲面片对各个特征点云进行拟合，以获得相应特征的区面基元，进而对各曲面基元进行处理，获得目标重建曲面；2、由点到曲线再到曲面的建模方法，这种方法是在用户根据经验构建的特征曲线的基础上实现曲面造型，而后通过相应的处理以获得目标重建曲面的建模过程。快速曲面造型方式是通过对点云的网格化处理，建立多面体化表面来实现，其代表有GeomagicStudio和Re-soft等。一个完整的网格化处理过程通常包括以下步骤：1、从点云中重建三角网格曲面；2、对这个三角网格曲面分片，得到一系列有四条边界的子网格曲面；3、对这些子网格逐一参数化4、用NURBS曲面片拟合每一片子网格曲面，得到保持一定连续性的曲面样条，由此得到用NURBS曲面表示的CAD模型，可以用CAD软件进行后续处理。两类逆向建模技术的比较两类曲面造型方式的差异主要表现在处理对象、重建对象及建模质量等方面处理对象的异同在传统曲面造型方式的逆向系统中，所处理的点云涵盖了对从低密度、较差质量到高质量、密度适中，再到高密度整个范围。并且没有点云密度和数据量大小的限制。知识在实际建模过程中，往往会先对密度较大的点云进行采样处理，以改善计算机内存的使用。而对于快速曲面造型方式，为了获取较好的建模精度，往往要求用于曲面重建的点云具有一定的点云密度和比较好的点云质量。重建对象的异同对于具有丰富特征模型的曲面重建（如工艺品、雕塑、人体设计等），使用传统曲面造型的方法就显得非常困难，而快速曲面造型的方法则能轻易胜任。在实际的产品开发过程中，在产品的概念设计阶段，需要根据相应的手工雕刻模型进行最初的快速建模时，快速曲面造型方式便是一种最佳的选择。对于多由常规曲面构成的典型机械产品，如汽车车体和内饰件造型等这些往往对曲面造型的质量要求很高的场合，目前采用的主要还是传统曲面造型方式的逆向系统。建模质量的比较逆向建模的质量表现在曲面的光顺性和曲面重建的精度两个方面。从曲面的光顺性角度看，目前，快速曲面造型方式重建的各个区面片之间往往只能实现G1连续，难以实现G2连续，从而无法构建高质量的曲面，这也限制了在产品制造上的应用。相比而言，传统曲面造型方式提供了结合视觉与数学的检测工具和高效率的连续性管理工具，能及时且同步地对构建的曲线、曲面进行检测，提供及时的分析结果，从而容易实现高品质的曲面构建。在精度方面，两种方法均可获得较高精度的重建结果，但相对来说，快速曲面造型遵循相对固定的操作步骤，而传统曲面造型方式则更依赖于操作人员的经验。目前，虽然商用的逆向工程软件类型很多，但是在实际设计中，专门的逆向工程设计软件还存在较大的局限性，列如，Imageware软件在读取点云数据时，系统工作速度较快，能较容易地进行海量点数据的处理，但进行面拟合时，Imageware所提供的工具及面的质量去不如其他CAD软件（如Pro/E、UG等）。但是用Pro/E、UG等软件读取海量点云数据时，却存在由于数据庞大而造成系统运行速度太慢等问题。在机械设计领域中，逆向工程软件集中表现为智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。在具体工程设计中，一般采取几种软件配套使用、取长补短的方式。因此，在实际建模过程中，建模人员往往采用“正向+逆向”的建模模式，也称为混合建模，即在正向CAD软件的基础上，配备专用的逆向造型软件（如Imageware、Geomagic等）。在逆向软件中先构建出模型的特征线，再将这些线导入到正向CAD系统中，由正向CAD系统来完成曲面的重建。第一章概论产品制造任务：通过相应的制造工艺加工制造出合格的产品成果：合格的产品制造中的几个概念：见书5逆向工程的研究内容：广义逆向工程的研究内容十分广泛，概括起来主要包括产品设计意图与原理的反求、美学审视和外观反求、几何形状与结构反求、材料反求、制造工艺反求、管理反求等。目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在产品的几何形状以及与“功能”要素相关的结构反求，及集中在重建产品原型的数字化模型方面。逆向工程是一门涉及光学、电子、自动控制、机械、计算机视觉、计算机图形学、计算机图像处理、微分几何，计算几何、数理统计、软件工程等多门学科的综合性CAD技术。逆向工程的特点逆向工程的分类反求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类：实物反求：主要指先进产品设备的实物本身软件反求：包括先进产品设备的图样、程序和技术文件影像反求：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的特点：1）产品设计周期短2）产品设计更成熟可靠3）产品设计成本更低4）产品的传承性更好分类：实物反求：实物本身软件反求：图样、程序、技术文件影像反求：图片、照片、影像逆向工程中存在的问题数据滤波技术在实际的测量过程中受到人为或随机因素的影响，不可避免会引入大量的噪声点。噪声点是影响曲面重构质量的重要因素，在逆向反求过程中必须将其踢除。目前噪声点的过滤技术仍然是学术界研究的热点。坐标变换由于激光扫描测量机或三坐标测量机（CMM）自身结构的不完善以及数据处理过程的需要，在某些情况下需要对数据点云进行坐标变换。特征提取常用的逆向工程CAD建模软件都不能精确地再现曲面模型的全部特征或追加模型的局部特征，缺乏对特征有效的运算和操作。在由NURBS表示的曲面重构理论中，同样缺乏对特征曲面的辨识能力。曲面重构由于B样条曲面市长量积曲面，具有四边形拓扑性质，因而往往不能用一张B样条曲面去描述复杂的自由曲面，通常需要采用分区重建曲面的方法，然后再进行曲面连接和过渡，已形成整块曲面。因此在曲面精度和光顺性上会有较大的难度。逆向工程设计过程中的注意事项在进行逆向工程设计前，设计人员应能充分了解以下的一些要求：（1）对重构产品数模型面的品质要求型面品质主要分为A级曲面、B级曲面及其他一些要求更低的曲面：A级曲面要求曲面之间的过渡必须达到曲率连续，主要是一些对外观要求比较高的产品，如汽车车身的外覆盖件、家电产品的外观表面等；B级曲面要求达到相切连续，一般可满足多数产品对型面的要求，如汽车内饰件、汽车底盘的钣金件等；其他一些要求更低的曲面则多用于进行误差分析。(2)产品功能要求在进行逆向设计之前，设计人员有必要根据自己的经验或者掌握的有关产品信息来分析产品的功能和结构，做到知己知彼。(3)产品的配合要求在逆向设计的过程中，一定要保证配合面的精度，以保证装配要求。(4)产品的工艺要求设计人员对上产工艺有一定的了解。在逆向设计过程能更好的理解和吸收产品样件的加工工艺，避免由于细节遗漏而造成模型重构失败。7.逆向工程的发展趋势(1)高精度化、自动化（计算机数据化）、非接触测量、使用现场化(2)大规模散乱数据处理过程的高精度性和智能化(3)曲面重构的速速和精度一直是阻碍逆向工程进步的难题。在以后的研究中，新的曲面重构技术的发掘(4)逆向工程与网络的协同设计的数字化技术的集成。1.6逆向工程与新产品开发1.6.1逆向工程的应用应用范围包括以下几个方面：(1)新产品研发方面：书上特点1，特点2，特点5，特点6(2)产品仿制和改形设计：书上特点3，特点9(3)破损零件的还原：书上特点7(4)模具制造方面：特点4(5)医学领域的应用：特点8及第28页最下一段后句话。1.6.2逆向工程实现流程1.解决问题的案例(1)沿袭正向建模思路，从点到线再到面(2)完成逆向工程的做法(3)反向提取与正向设计相结合2.解决方案的流程