产品的逆向设计与逆向工程

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第四章产品的逆向设计与逆向工程随着科学技术的高速发展，世界范围内新的科技成果层出不穷。这些高科技成果为发展生产力、推动社会进步做出了贡献。同时，市场全球化使企业面临的竞争对手不断增多，面临的竞争压力日益加重，市场经济竞争机制已渗透到各个领域。如何充分合理地利用高科技成果，快速发展经济，从而获得最佳的技术经济效益，是世界各国都在认真研究的问题。实际上，在设计制造领域，任何产品的问世，都蕴含着对已有科学技术的应用和借鉴，并在此基础上进一步提高与发展。引进、消化、提高及创新之路是我国机电产品设计、制造行之有效的方法之一。在信息化制造中这一思路就体现为逆向工程，它是消化吸收并改进国内外先进技术并在此基础上使其达到更高的境界，实现创新为其最终目的，逆向工程所追求的不应是简单的仿制，而是再提高.引进国外先进技术一般划分为引进、消化和创新三个阶段。引进阶段一般只考虑购买国外的技术专利或先进的机器设备，其主要目的是利用这些先进技术和设备改造、提高现行的生产过程，创造更大的经济效益；消化阶段则是对引进国外先进的技术和机器设备进行深入的分析研究，结合我国生产实际情况，明确哪些可为我所用，哪些经过改造后可为我所用，通过引进、消化以带动行业的发展；而创新阶段是在综合消化引进技术的基础上，利用各种设计制造手段，对原有技术进行改进、创新，以求设计制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品，做到青出于蓝而胜于蓝。因而世界各国在经济技术发展中都非常重视应用引进国外先进技术一般划分为引进、消化和创新三个阶段。引进阶段一般只考虑购买国外的技术专利或先进的机器设备，其主要目的是利用这些先进技术和设备改造、提高现行的生产过程，创造更大的经济效益；消化阶段则是对引进国外先进的技术和机器设备进行深入的分析研究，结合我国生产实际情况，明确哪些可为我所用，哪些经过改造后可为我所用，通过引进、消化以带动行业的发展；而创新阶段是在综合消化引进技术的基础上，利用各种设计制造手段，对原有技术进行改进、创新，以求设计制造出在技术、性能等方面更好、市场竞争能力更强的产品，做到青出于蓝而胜于蓝。因而世界各国在经济技术发展中都非常重视应用逆向工程对国外先进技术进行引进、吸引、消化及提高的研究工作。这方面日本是一个成功的范例。战后的日本把旨在引进国外先进技术的“吸收性战略”作为坚定不移的国策来推行的同时，十128 分注意逆向工程的研究，对先进技术进行消化、吸收和国产化，并采用移植、组合、改造等方法开发出许多新产品。他们的口号是“第一台引进，第二台国产化，第三台出口”。积极地应用逆向工程给二战后的日本国民经济注入了活力，推动了日本经济的高速发展，使日本一跃成为世界经济强国。重视逆向工作研究的不仅是日本，其他国家也是如此。据有关资料表明，各国百分之七十以上的技术都来自国外，要掌握这些技术，正常的途径都是通过逆向工程。因此逆向工程技术的应用对于加快我国科技进步，推动经济建设有着重要的意义，在我们推行逆向工程时，一定要明确逆向工程决不是简单的复制。本章将简单介绍逆向工程的基本原理、发展过程和应用要点。第一节逆向工程的概念、内容和发展概况一、逆向工程的含义逆向工程（ReverseEngineering）又称为反求工程或逆工程，是近年发展起来的引进、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。它以已有的产品或技术为研究对象，以现代设计理论、生产工程学、材料学、计量学、计算机技术及计算机图形学和有关专业知识为基础，以解剖、掌握对象的关键技术为目的，最终实现对研究对象的认识、再现及创造性地开发。逆向工程的设计过程与传统的设计过程是完全不同的。传统的设计过程如图a所示，是通过工程师的创造性劳动，一个事先并不知道的事物变为人类需求的喜爱的产品，即根据产品的总的功能要求，通过概念设计，以工程图或CAD模型表示，并制定出加工方案，经检查满意后，利用各种设备和手段制造出产品来。而逆向工程的设计过程则是从已知事物的有关信息（包括实物、技术资料文件、照片、广告、情报等）出发，去寻求这些信息的科学性、技术性、先进性、经济性、合理性等等，要回溯这些信息的科学依据，即充分消化和吸收，而更重要本质是在此基础上要改进、挖潜进行再创造。图4-1所示为传统设计及逆向设计过程示意图。图a传统设计过程129 图b逆向工程的设计过程图4-1传统设计及逆向设计过程示意图二、逆向工程技术的研究对象及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：通常实物逆向指在机械制造业领域的实物逆向，是指在没有设计图样或者设计图样不完整以及没有CAD模型的情况下，对现有实物产品利用各种测量技术采集数据及采用多学科综合技术重构零件原型的CAD模型，并在此基础上进行再设计的过程。与传统的产品设计、制造过程相比，逆向工程具有截然不同的设计流程。如图4-2所示。图4-2逆向工程流程图如果将传统的设计、制造过程看作是前向制造方式，即由高层次的抽象概念设计出发，到最终生产出产品，而逆向工程则是在实物原型再现基础上，对现有产品或产品零部件进行分析，明确其工作原理、结构特点及其相互关系等等的一系列的分析过程，对已有产品进行再设计。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。它是对实物进行三维数字化处理,数字化手段包括传统测绘和各种先进测量方法,将获得的三维离散数据130 作为初始素材,借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM系统构造实物的CAD模型,输出NC加工指令或用STL文件驱动CNC或用快速成型机制造出产品或原型。逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程。逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统，最终与产品数据管理系统（PDM系统）融合的过程。因此，逆向工程是一个多领域、多学科的系统工程，逆向工程的实施需要人员和技术的高度协同和融合。2．软件类：依据产品样本、产品标准、设计说明书、使用说明书、产品图纸、操作与管理规范和质量保证手册等技术软件设计新产品的过程，称为软件逆向。与实物逆向相比，软件逆向应用于技术引进的软件模式中，以增强国家“创新能力”为目的，具有更高层次。通过软件逆向一般可知产品的功能、原理方案和结构组成，若有产品图纸则还可以详细了解零件的材料、尺寸、精度。3．影像类：既无实物，又无技术软件，仅有产品照片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，设计信息最少，基于这些信息来构思、想象开发新产品，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的并最富有创新性的逆向设计。影像逆向本身就是创新过程。影像逆向目前还未形成成熟的技术，一般要利用透视变换和透视投影，形成不同透视图从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构，并要求设计者具有较丰富的设计实践经验。在21世纪知识经济时代，企业产品的开发创新能力是决定其能否长期占有市场，在激烈的市场竞争中生存、发展的重要因素。逆向工程作为近几年发展起来的一种消化、吸收原有产品技术、提高产品品质的一种设计方法，已引起人们的广泛重视，也是产品创新设计途径之一。产品的创新主要有两种方式：1)创造发明一种全新的技术与产品；2)在原有技术、产品的基础上进行再设计和再创造。这两种方式互为补充，缺一不可。以已有的产品为基础进行再设计和再创造。这两种方式互为补充，缺一不可。以已有的产品为基础进行再设计已经成为一个快捷设计理念，其实现的方法就是利用逆向工程技术，在吸收已有技术基础上提高自己产品的各种性能。三、逆向工程技术的发展状况该技术是20世纪80年代末期由美国3M公司、日本名古屋工业研究所以及美国UVP公司提出并研制开发成功的。进入90年代以来,随着全球市场竞争加剧，逆向工程技术被放到大幅度缩短新产品开发周期和增强企业竞争能力的重要地位上来。目131 前，该技术已广泛用于家电、汽车、玩具、轻工、医疗、航空、航天、国防等行业，并取得了巨大的经济效益。例如TEXASINSTRMENT公司采用该技术后,在一个零件中就平均节约了30美元的开支。如图4-3所示。图4-3TEXASINSTRMENT公司采用的逆向工程技术CHRYSLOR汽车公司采用该技术开发新的发动机机体，节约了6个月的开发时间.美国PRATTSCWHITNCY公司快速制造了2000个铸件，按常规方法约需700万美元，而用此技术只用了60多万美元，生产时间节约了70%～90%.截止到1999年底,全球逆向工程RP系统装机台数已超过5000台，其中一部分在大企业集团，如美国通用、福特汽车公司都有数十台RP系统分布在公司的不同部门，更为重要的是有大部分此类系统在以服务中心的模式运行,为中小企业应用该技术提供服务。在经过了初期50%的高速增长后，世界快速制造业步入稳定增长时期,年增长率在17%左右，相比之下,亚洲则显示了强劲的活力,以47%的年增长率迅速发展。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、激光测量设备等）获取的物体表面的空间数据，需要利用逆向工程CAD技术获得产品的CAD数学模型，进而利用CAM系统完成产品的制造。出于市场的需要,逆向工程的研究日益引人注目,从对逆向工程几何造型研究工作全面总结至今,在数据处理、曲面片拟合、规则特征识别、专用商业软件和三维扫描仪的开发上已取得较为明显的进步,但在实际应用中,整个过程仍需大量的人工交互,操作者的经验和素质影响着产品的质量,自动重建曲面的光顺性难以保证,因此逆向工程技术依然是目前CAD/CAM领域一个十分活跃的研究方向。132 第二节逆向工程的关键技术现代意义的逆向工程，是包含多种学科知识在内的新兴学科。本文将从三维数据测量、数据处理、三维模型重构、原始设计参数还原和精度设计与分析、性能分析与虚拟仿真等方面介绍逆向工程的关键技术。一、数据采集数据采集是指用某种测量方法和设备测量出实物原型各表面的点的几何坐标，又称零件数字化，是逆向工程中最基本、最不可少的步骤。物体三维几何形状的测量方法基本可分为接触式和非接触式，而测量系统与物体的作用不外乎光、声、机、电、磁等方式，采用哪一种数据采集方法要注意测量方法、测量精度、采集点的分布和数目及测量过程对后续CAD模型重构的影响。测量方法如图4-4所示。图4-4测量方法的分类1.测量方法1）接触式测量方法接触式测量方法通过传感测量头与样件的接触而记录样件表面的坐标位置,由图4-4所示,接触式测量方法有机械手和坐标测量机两种。机械手方法是用机械手来接触物体表面,然后通过安装在手关节上的传感设备来确定相关点的坐标位置,是一种获取数据速度最慢的测量方法。三坐标测量法(又称探针扫描法)是典型的接触式测量方法,也是当前应用最广泛的三维样件模型数字化方法之一,它是利用三坐标测量机(有各种不同直径和形状的探头)的接触探头逐点地捕捉样件表面的坐标133 数据。当探头上的探针沿样件表面运动时,样件表面的反作用力使探针发生形变,这种形变由连接在探针上的三坐标方向的弹簧产生的位移反映出来,并通过传感器测出其大小和方向,再通过数模转换,由计算机显示、记录所测的点数据。接触式测量方法的技术比较成熟,突出的优点是可以达到很高的测量精度(±0.5μm),另外对样件的材质、色泽无特殊要求,还可以人工对样件进行测量规划以减小数据处理的难度和工作量。缺点是测量效率低,不适宜测量具有复杂内部型腔、特征几何尺寸少及特征曲面较多的样件模型。2）非接触式测量方法非接触式测量方法主要是基于光学、声学及磁学等领域中的基本原理,将一定的物理模拟量通过一定的算法转化为样件表面的坐标点。在工程实际中常用的方法有坐标测量，激光测量，立体视觉，断层扫描。2．数据采集方法1）坐标测量机。坐标测量机（CoordinateMeasuringMachine，CMM）是一种大型精密的三维坐标测量仪器。整个测量系统由三坐标测量机、电气控制单元、计算机以及测量软件等组成，属于接触式测量，由于传统的坐标测量机多采用触发式测量头，每次仅能获取被测物体表面上一个点的三维坐标值，因此测量速度较慢，且很难获得整个被测物体表面的全部信息。尽管20世纪90年代初英国RENISHAW公司和意大利DEA公司等著名坐标测量机生产厂家先后研制出了三维含力和位移传感器的扫描探头，该探头可在被测物体上滑动连续测量，其最高速度可达8m/min，数字化速度可达500点/s，测量精度也很高，但由于该测头价格极为昂贵，所以目前还没有在坐标测量机上广泛使用，并且对于一些不可触及的表面，它也是无能为力的。目前坐标测量机的三维测头仍然存在接触压力对被测对象的干扰问题。对于没有复杂内部型腔、特征几何尺寸多、只有少量特征曲面的零件，使用坐标测量机进行三维数字化测量是非常有效可靠的手段。另一方面，坐标测量机的不足之处在于由于使用接触式测量，导致测量死角的存在，且不能测量软物体，而测量路径的规划较为复杂，测量过程需要较多的人工干预，加之坐标测量机价格昂贵，对使用环境要求高，测量数据密度较低等等。如图4-5所示。134 龙门式三坐标测量机便携式/移动式三坐标测量机计算机电器控制单元测量机三坐标测量机的测量系统图图4-5三坐标测量机135 2）激光线结构光扫描.。激光测量技术在逆向工程中应用日益广泛，其中以基于三角测量原理主动式结构光编码测量技术的激光线结构光扫描测量技术最为常见，该法亦称为光切法。其测量原理为：将具有规则几何形状的激光线结构光投射到被测表面上，且将形成的漫反射光带在空间某一位置上的CCD摄像机图传感器上成像，由成像位移e及三角形原理，即可计算出被测面相对于参考面的高度s。因为成像位移e=bssini/[ssin(i+k)asink]式中a,b分别为透镜前后焦距。如图4-6所示。图4-6激光三角法原理图三维扫描仪136 扫描水轮机涡轮扫描NASA航天飞船图4-7用扫描仪扫描实体由于物体的高度计算是由物体基平面、像点及像距所组成的三角关系决定的，因而又称之为三角测量法或结构光测量法。测量过程中，激光光刀投射到物体表面后受被测物体表面形状调制发生变形，拍摄其图像，通过提取激光光刀灰度图像中心坐标在CCD摄像机成像面上的偏移量，可以得到一个物体一个截面的二维数据，每个测量周期可获取一条扫描线，物体的全轮廓测量是通过多轴可控机械运动辅助实现的。基于激光三角测量原理的激光线扫描法的测量速度是点扫描的数十倍，而且同时具有激光点扫描的非接触、高精度、结构简单经济、易于实现、工作距离长、测量范围大和容易满足实际应用要求等优点，已成为目前最成熟，应用最为广泛的激光测量技术。如图4-7所示。但该测量方法只能测量物体的外表面，不能测量物体内腔，并且由于是基于光学反射原理测量，对被测物体表面的粗糙度、漫反射率和倾角都比较敏感，这些都限制了它的使用。3）投影光栅法。这是一类主动式全场三角测量技术，通常采用普通白光将正弦光栅或矩形光栅投影与被测物体表面上，用CCD摄取变形光栅图像，根据变形光栅图像中条纹像素的灰度值变化，解算出被测物体表面的空间坐标。该类测量方法具有很高测量速度和较高的精度，是近年来发展起来的较好的三维传感技术。其原理如图4-8所示，射到参考平面上的A点，放上被测物体后，P照射到被测物体上的D点，此时从图示方向观察，A点就移到新的位置C点，距离AC就携带了高度信息z=h(x,y)。近年来，由于在分区域测量技术上的进步，使得投影光栅法的测量范围增大，精度得到进一步的提高，现已有较为实用的系统面世。如德国GOM公司的Atos流动光学三坐标测量系统，它采用矩形光栅投影，测量数据的加密是通过一组空间频率为整倍数的矩形光栅的分时投影测量实现的，其测量速度大于43000点/s，单帧137 精度为0.03mm，整体测量精度好于0.1mm/m。光栅法要优点是测量范围大，速度快，成本低，易于实现，缺点是精度较低，而且只能测量起伏不大得较平坦的物体，对于表面变化剧烈的物体，在陡峭处往往会发生相位突变，使测量精度大大降低。图4-8投影光栅法原理图、投影光栅4）立体视觉。有相当长一段时间，许多三维非接触测量工作都涉及被动式三角测量方式，三维信息的获取是基于图像的分析方法，主要的领域是航空测量、卫星遥感、机器人视觉等。军事方面的三维场景分析也对被动法有较大的需求，因为这种场合下采用主动式测量是不现实的。典型的被动法即是立体视觉法。计算机立体视觉测量又称为三维场景分析。它模仿人类的眼睛，从二维的图像和图像序列中去解释三维场景中存在哪些物体、这些物体是以什么空间位置或相互关系存在的。特别是CCD摄像机的广泛使用，使得计算机测量发展迅速。计算机视觉测量基本原理是：用摄像机从不同的角度对物体摄像，通过多幅图像中同名特征点的提取与匹138 配，得出同名特征点在多个图像平面上的坐标，再利用成像公式，计算出被测点的空间坐标，如图4-9所示。需要指出的是，“盲区”问题是光学三角测量的共性问题，激光扫描法和光栅投影法及立体视觉法都无法回避这个问题。根据双目视觉互补及光路可逆原理，引入双CCD对称姿态摆放测量方案和多视测量，能够在较大程度上消除测量“盲区”，但对物体内腔的测量仍无能为力。图4-9平行轴立体视觉模型5）断层测量技术。为了解决物体内腔测量的问题，出现了断层测量技术。各种断层测量技术都以获取被测物体的截面图形作为测量结果，物体的测量精度主要受断层图形成像质量和图形处理技术的影响。其主要特点是能够测量复杂物体的内部结构表面信息，不受物体形状的影响，是很有前途的逆向测量技术。断层测量技术分破坏性测量和非破坏性测量两种。非破坏性测量技术目前主要有超声波数字化法、工业计算机断层扫描法、MRI（MagneticResonanceImaging）法；破坏性测量技术主要为逐层切削扫描测量法。a）超声波测量法。当超声波脉冲到达被测物体时，在被测物体的两种介质交界表面会发生回波反射，通过测量回波与零点脉冲的时间间隔，可以计算出各表面到零点的距离。这种方法相对于CT或MRI而言其设备简单，成本较低，但测量速度较慢，且测量精度主要由探头的聚焦特性决定。由于各种回波比较杂乱，必须精确地测量出超声波在被测材料中的传播声速，利用数学模型的计算来定出每一层边缘的位置。特别是当物体中有缺陷时，受物体材料及表面特性的影响，测量出的数据可靠性较低。该法主要用于无损探伤及厚度检测，但由于超声波在高频下具有很好的方向性，即束射性，它在三维扫描测量中的应用前景正在日益受到重视。如图139 4-10所示。便携式X射线探伤机伽玛射线探伤仪图4-10两种探伤仪b）计算机断层扫描法。计算机断层扫描技术最具代表的是CT扫描机。通常，它用X射线或γ射线在某平面内从不同角度去扫描物体，并测量射线穿透物体衰减后的能量值，经过特定的算法后得到重建的二维断层图像，即层析数据。改变平面高度，可测出不同高度上的一系列二维图像，并由此构造出物体的三维实体原貌来。这种方法最早是应用于医疗领域，如图4-11所示。目前已经开始用于工业领域，特别是针对无备件的带有复杂内腔物体的无损三维测量。这种方法是目前最先进的非接触式的检测方法，它可针对物体的内部形状、壁厚，尤其是内部构造进行测量。但这种方法空间分辨率较低，获取数据需要较长的积分时间，重建图形计算量大，相对造价高，且具有只能获得一定厚度截面的平均轮廓等缺点。140 （a）人体扫描仪、医用CT扫描仪、核磁共振机（MRI）（b）工业CT扫描仪图4-11医学CT和工业CT141 c）核磁共振（MRI）测量法。核磁共振技术的理论基础是核物理学的磁共振理论，其基本原理是用磁场来标定物体某层面的空间位置，然后用射频脉冲序列照射，当被激发的核在驰豫过程中自动恢复到静态场的平衡态时，把吸收的能量发射出来，然后利用线圈来检测这种信号。由于这种技术具有深入物体内部且不破坏样品的优点，对生物体没有损害，在医疗领域有广泛的应用。这种方法的不足之处也是只能获得一定厚度的平均尺寸，目前最小厚度是1mm，在这种精度下无法作出实用的机械零件，此外造价高，目前对非生物组织材料不适用。d）逐层切削扫描测量法。针对上述断层测量方法的缺陷，近年来出现了逐层切削扫描测量法。这种方法的不足之处是其属于破坏性测量，但可对任意复杂零件内外表面进行测量。。将工件内外进行实体填充（要求填充物的颜色与工件的颜色对比度较大，以便于图像的识别与轮廓提取），然后用轴向进给高速铣削的加工方法进行逐层铣削，期间采用视觉扫描的方法逐层提取每个截面的轮廓信息，然后利用这些信息构造出样件的几何模型。e）针对上述方法的缺点,近年来出现了逐层去除物体进行测量的方法,这是对物体进行破坏性测量的方法,例如,美国CGI公司开发了层去扫描方法,逐层去除物体材料,逐层用扫描设备扫描截面,从截面图像获取物体轮廓尺寸。这种方法具有精度较高、可自动测量、适用于测量内腔形状与尺寸等特点,且可以远低于ICT机的成本制成专用设备。综合上述的各种测量方式，现就其测量精度、速度、形状和材料是否有限制及能否探测内腔等方面逐一进行比较，其结果如表4-1所示。表4-1数据采集方法的比较线性精度速度能否测形状限制材料限制成本内部轮廓三坐标高±0.5mm慢否无无高测量仪法投影光栅法较高快否表面变化不无低±20mm能过陡激光三较高±5mm快否表面不能过无较高角形法于光滑CT扫描和核低较慢能无有很高磁共振法0.1mm自动断层较低较慢能无无较高扫描仪法±25mm142 逐层去除较高较快能无无较低物体扫描法从表中可以看出，各种数据采集方法都有一定的局限性，对制造业领域的逆向工程而言，要求数据采集方法应满足以下要求：1．采集精度高，一般地，误差应在10μm以内。2．采集速度快，应能实现在线自动采集。3．可采集内外轮廓的数据。4．可采集各种复杂形状原型。5．尽可能不破坏原型。6．尽量降低成本。由于各种测量方法均有其优缺点及适用范围，因此应从集成角度出发，综合运用各种测量方式在时间、空间以及物理量上的互补，增加信息量，减少不确定性，以获取精度较高的三维测量数据。二、数据处理测量的结果是离散的海量数据（即实质上百兆个点），还存在着许多重复测量的数据系统的测量误差和随机误差等，必须进行预处理。例如，进行原始数据型面显示与评估，在CAD软件上多角度显示原始数据型面，设计人员及时发现测量遗漏和重复区域、不准确的杂散乱点，即便确定是否重新测量、是否需要按一定要求减少测量点的数量，即进行数据压缩，并进行点云拼合，如图4-12所示。1.用激光扫描仪取得鞋楦点资料2.使用激光扫瞄仪取得头部点资料143 3.均匀压缩处理（0.31mm压缩至1.13mm）4.点云拼合5．利用点数据处理软件处理所需曲线图4-12点云的处理流程1.图像处理由于在三维数据测量时，很多常用的测量方式都用到光学成像原理，因此数据144 处往往首先要进行图像处理，一般分为滤波去噪和边缘检测两个部分。1）滤波去噪。如图4-13所示。就是对来自实际观测的图像加工，提取有用信息。滤波去噪方法主要有非线性滤波和线型滤波。图4-13滤波去噪非线性滤波大致分为七大类：中值滤波、形态滤波、非线性均值、有序统计滤波、多项式滤波、同态滤波、混合滤波。其中由于中值滤波器具有冲击相应为零和边缘保持特性，一直是非线性滤波器研究的主流，从而成为应用最为广泛的一种非线性滤波器。然而，中值滤波器从一维信号扩展到多维信号时，并不是总能取得令人满意的结果。尽管中值滤波器具有良好的窄脉冲干扰能力，但却造成附加信号的失真和丢失图形信号及结构信息。例如二维图像中的细线、尖锐的边角这些细节经中值滤波后就可能丢失。这是由于中值滤波对长拖尾分布噪声滤波性能好，但对中拖尾和短拖尾分布噪声的滤波性能变差，且分布拖尾越短，其滤波性能越差。总的来说，虽然中值滤波器的缺点明显，但仍以有效地抑制脉冲噪声、保持边缘特性，在图像滤波、增强特征方面独领风骚，其性能不一定最优，但总能取得满意的结果。线性滤波器，始于20世纪40年代的Wiener滤波理论，这些理论在通信及控制领域得到广泛的应用，并应用于图像滤波理论。线性滤波理论以Fourier变换为理论基础，以其完善的理论完备性、数学处理简单、易于采用FFT和硬件实现等优点，一直在图像处理领域占有举足轻重的地位。但经分析发现，尽管线性滤波器对加性高斯噪声有较好的滤波平滑作用，但对于脉冲干扰和其他形式的噪声干扰抑制效果差，且模糊信号边缘。小波理论是近十年来发展起来的一种新的分析理论，小波变换同时在空间和频域上具有良好的局部性，将空间和频域统一于一体来研究信号，因而145 对空间和频域同时具有较好的分辨率，是对传统Fourier变换的一个突破。正因如此，小波理论在图像分析和图像滤波处理、边缘检测等诸多方面有较好的应用。2）边缘检测。如图4-14所示。图像最基本的特征是边缘，所谓边缘就是指与周围象素灰度比较有突变的象素点的集合，它存在于目标与背景、目标与目标、区域与区域、基元与基元之间。从边缘的物理属性看，边缘表示了信号的变化和某种程度的不光滑性。边缘的成因较为复杂，实际景物图像中的边缘往往是各种类型的边缘及它们模糊化后的结果组合，因此很难为每一种边缘给出精确的数学模型。再者，图像中不可避免地掺杂有各种噪声，各种噪声的数学模型更是复杂，有的甚至无法给出大致的数学近似。更有甚者，部分噪声是高频分量，而边缘信号也是高频分量，单从频带滤波的思路很难将二者区分开来。所以，如何在图像的边缘和噪声中将边缘区分出来，实际上是一个非常困难的问题。边缘和噪声的一个显著的区别，就是二者的能量显著不同，边缘信号有较大的能量和范围。因此，在一般的去噪处理中，小能量的噪声会被滤掉，而结构较粗的边缘仅表现为模糊化。此时若再用普通的微分算子提取边缘，得到的往往是被移位的边缘。这是因为尽管微分算子能够放大信号的变化，检测信号的不光滑点，但由于实际得到的图像都不同程度地含有噪声，而微分算子对噪声也十分敏感。事实上噪声的粒度比边缘更小，微分又是一个局部算子，因此微分算子对噪声较边缘更加敏感，微分算子对噪声的放大作用比对边缘的放大作用更大，所以一副图像经过微分运算后，其信噪比会比原图像更低。经典的边缘检测和算法都是在降低噪声和增强边缘之间进行折中，效果不是很佳。目前的解决方法有两种思路，一种是将边缘检测问题转换为一个优化问题，如基于遗传算法进行边缘检测；另一种是多尺度分辨率思想，其基本原理是在大尺度下抑制噪声，可靠地识别边缘（算子的选择对边缘移位有影响），在小尺度下精确定位，最后通过综合不同尺度的边缘位置得出边缘的真实位置。小波多尺度分辨率边缘检测已成为非常优秀的边缘检测理论。146 图4-14边缘检测2.曲面拟合长期以来，曲面拟合技术是计算几何的重要研究内容，众多的研究成果为逆向工程中的曲面构造提供了理论基础。曲面拟合的方法分为插值和逼近两种。插值是给定一组点，要求构造的曲面通过所有数据点；而逼近不要求拟合的曲面通过所有点，只是在某种意义下最为接近给定数据点。一般情况下，由于离散的测量数据存在各种误差，若要求构造一个曲面严格通过所有给定的带有误差的数据点没有什么意义，因此当测量点数量众多，且含有一定测量误差时需要使用逼近法。当然，精确测量下对于数据点不多时可以采用插值法。目前曲面拟合的概况如下：1．将曲线汇入高阶CAD（UG），并连接曲线147 2．利用平滑化后曲线建构曲面3．点云和复杂边界约束4．局部B样条逼近插值图4-15矩形域参数曲面拟合的流程1）矩形域参数曲面拟合。如图4-15所示。在计算几何中常用的曲面模型有Coons、Bezier、B-SplineNURBS等，因而常用的曲面拟合方法都是基于这类曲面的。目前有许多研究成果已在CAD/CAM中广泛使用。然而，这类曲面的拟合都对型值数据有较严格的要求：一是要求以张量积形式分布；二是型值数据变化不能太剧烈，否则曲面的光顺性得不到满足。2）三角Bezier曲面拟合。如图4-16所示。为了弥补矩形域曲面拟合散乱数据和不规则曲面的不足，人们探讨了采用三角Bezier曲面拟合技术。三角域Bezier曲面拟合是以Boehm等提出的三角Bezier曲面为理论基础的，具有构造灵活、适应性好等特点，在散乱数据曲面拟合中能有效应用。一般说来，定义于三角形上的插值方法包括三方面内容：a）三角化，即对型值数据进行三角划分，并建立其拓朴关系；b）建立曲线网格，对每一三角形进行Bezier曲面拟合；c）建立G1上曲面，在保证相邻曲面片间达到G1上连续的条件下，用三角曲面片填充曲面网格。148 图4-16三角曲面拟合的流程3）函数曲面拟合方法。函数曲面也是一种处理散乱数据的较为有效的方法，其特点是构造原理简单，但这种方法对数据的规模适应性不强，数据太稀疏时拟合精度难以保证，而数据量太大时计算量及存贮都成问题。另外，对边界的处理也难近人意。主要有薄板样条法、Shepard插值法等。三、三维CAD模型重构根据逆向对象及采用的数据采集测量技术和手段的不同，逆向工程的三维CAD模型重构内容可以分为两个方面：一是以处理复杂自由曲面为主要特点的表面逆向CAD建模；另一方面是整个形体的逆向CAD模型重建。1．复杂自由曲面CAD模型重构。1）在逆向工程中，基于复杂曲面的表面三维模型重构主要有以下特点：a）自由曲面数据散乱，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构造方法，需要消除各种干扰因素，精简样点，采用有效的数据转换格式，减少数据丢失和失真。b）对于含有自由曲面的复杂型面，曲面对象往往不是简单地由一张曲面构成，而是由多张曲面经过延伸、过渡、裁剪等拼合而成，因而用一张曲面来拟合所有的数据点是不可行的，需要对三维测量数据进行分割，然后分块造型。一般先按照原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域，各区域只具有单一特征，再分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个形体。这一过程将涉及到有关曲面分割与拟合算法的有效性、效率及误差问题，包括样点的特征、数量、密度、来源及对曲面拟合的影响，拟合参数曲面的延伸问题，初等曲面与自由曲面的混合问题及求交算法，CAD模型重构的约束条件等问题。c）在逆向工程中还存在一个“多视数据”问题。使用常用的接触式和非接触式方法时，由于零件的复杂性和测量方法的限制，一次装卡可能不能获得所需的全部数据，需要调整零件与测量系统的相对位置，从而导致了多次测量所得数据的坐标149 系不统一。另外，为了保证数字化的完整性，各视之间还应有一定的重叠，这就引来一个被称为“多视拼合问题”。2）目前，逆向工程中主要有四种曲面构造方案：一是以B样条和NURBS曲面为基础的四边域曲面构造方案；二是以三角Bezier曲面为基础的三边域曲面构造方案；三是以平面片逼近方式来描述曲面物体；四是用神经网络来进行曲面重构。a）基于B样条及NURBS曲面的四边域参数曲面重构方案。这类方法的应用对象是汽车、飞机、轮船上的曲面零件，该类曲面既不象单独的二次曲面那样简单，也不象人面模型那样毫无规律。由于通用的CAD软件采用了这类曲面表示方法，因此基于四边域的参数曲面重构成为目前研究得最多的一类曲面重构方法，其中又以B样条和NURBS曲面最多。如图4-17所示。图4-17基于B样条及NURBS曲面曲面重构方案在逆向工程中，测量型值点数据具有规模大、散乱的特点。对于单一矩形域内曲面的散乱数据点的曲面拟合问题采用B样条曲面拟合有其自身优点。而在实际产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品型面往往由多张曲面拼合而成，因而只用一张曲面去重构数学模型是很难保证模型精度的，于是人们采用了各种不同的方法处理数据的分块问题。如对于图像型数据（具有行、列特点的数据）可运用图像处理的原理，先获取曲面的特征线，然后根据这些曲线将曲面划分为不同块，每块用B样条曲面拟合，最终将所有块拼接成一个整体；也有采用四叉树方法：首先构造一张整体的曲面，若不能满足要求，则将其一分为四，再对每一小块进行处理，直至所有小块均满足要求为止；还有的方法是基于曲线网格：首先估算各测量型值点的局部性质，找出特征线，如尖角、C1连续及对称线等，再将特征线拟合成曲线网格，对每一网孔构造一张曲面，使网孔内部的点与其应对应曲面具有最佳逼近性，最终将所有曲面片实行光滑拼接。150 NURBS方法的突出优点是：可以精确表示二次规则曲线曲面，从而可用统一的数学形式表示规则曲面与自由曲面，而其他非有理方法无法做到这一点。通过调整NURBS中影响曲线曲面形状的权因子可更加灵活地控制曲线曲面的形状。NURBS方法是非有理B样条方法在三维空间的直接推广，多数非有理B样条线曲面的性质及其相应算法也适用于NURBS曲线曲面，便于继承和发展。鉴于NURBS方法的这些突出优点，国际标准化组织ISO于1991年颁布的关于工业产品数据交换的STEP标准中将NURBS方法作为定义工业产品几何形状的唯一数学描述方法，从而使NURBS方法成为曲面造型技术中最重要的基础。在以NURBS曲面为基础的曲面构造过程中，可以构造出作为标准的NURBS曲面，并且最终的曲面表达形式也较为简洁。但由于建立在两次优化计算基础上的曲面构造对曲面的光顺性难以保证，计算量也很大；而且曲线网格的建立、分块等很难自动完成，需要较多的交互参与；曲面构造的精度难以控制；如果构造的曲面不能满足要求，往往还需要从头开始计算，且不能很好地解决多视的拼合问题。b）基于三角曲面的构造方案（图4-18）。逆向工程中，三角曲面由于其具有构造灵活、边界适应性好等特点，所以一直受到重视。目前三角曲面的应用研究重点集中在如何提取特征线，如何简化三角形网格和如何处理多视问题上。一些学者在研究图像型数据的曲面重构时，首先利用测量型值点估算出曲面的局部几何性质，得到曲面的特征线（阶跃、尖角及曲率极值），以此特征线为基础建立初始的三角形网格；然后自适应递增地有选择地将型值点数据插入三角形网格，在三角划分中，未用到的点都当作冗余数据；最后通过三角Bezier曲面的构造得到一张光滑的曲面；还有的学者提出了一种自适应的光滑曲面逼近大规模散乱点的方法，他们用分段三次Bezier三角代数曲面作为最终输出结果，而使各三角曲面片之间达到跨边界C1连续。该方法从插值于产品的边界曲线开始，不断插入最大误差点来精化逼近曲面，直到所有测量点都在规定的误差内时，曲面的自适应逼近结束。若逼近的允许误差为零，则曲面插值于所有数据点。这种方法概念简单，数据压缩量大，并在加点过程中不需对整个曲面进行重构，而只改变相关影响域，因而速度快。但是，这一方法中采用了非参数的形式，逼近结果会受到坐标系的影响，并且只能适应单值曲面。同时，由于曲面内点之间的连接关系（特征）没有在自适应的网格划分中予以考虑，因而在逼近曲面中不能很好地重构特征（或造成特征线附近曲面片会很密）。151 图4-18三角网格模型三角曲面能够适应复杂型面的形状及不规则的边界，因而在反求工程中复杂型面的曲面CAD模型重建具有很大的应用潜力。其不足之处在于所构造的曲面模型不符合产品描述标准，并与通用的CADCAM系统通讯困难。此外，有关三角Bezier曲面的一些计算方法的研究也不太成熟，如三角曲面之间的求交、三角曲面的裁减等。c）用平面片逼近测量数据是三维数据曲面重建的一个重要方向。建立测量点群之间的拓朴关系是提高密集点群几何建模速度的关键。有些学者利用八叉树空间分割原理对密集散乱点群进行分割，建立了数据点云的八叉树拓朴关系，加快了任意点的搜寻速度，并根据规则三角形网格蒙皮法的基本原理，采用万有引力定律计算三角片顶点的坐标进行散乱点群局部插值，用形成的三角形网格逼近被测曲面，实现了散乱点群的三维重建。此外，华盛顿大学的研究人员Hoppe在散乱数据的曲面重建上做了大量的工作，他们的方法可分为三步：①初始曲面估计：利用函数方法构造一张插值于测量点的曲面，接着确定一个函数f来估计测量点到此曲面的距离。然后采用一种轮廓线抽取算法来提取f=0的曲面；②格优化：以上一步的初始网格为起点，减少三角形数目，并提高曲面的逼近精度。采用能量法来完成这些工作，首先定义一个能量函数以表示逼近精度与网格中所含节点数目的关系，然后优化这一函数，使得在满足精度条件下节点数最少（优化的变量为网格中的点数、点之间的连接关系及位置）；③分段光滑曲面片：通过一种分段细分的方法来将取名的尖角特征构造出来，以提高曲面的逼近精度。最后输出的曲面由三角平面片逼近。c）神经网络在曲面重建中的应用。如图4-19所示。曲面拟合是一项颇具难度的技术，尽管人们做了大量的工作，但仍然无一个公认的方法来处理数据量越来越大的曲面重建问题。近年来有人尝试用模拟人脑认识和形象思维的神经网络来处理152 逆向工程中的曲面重建问题。神经网络用于曲面重建的关键是网络的学习训练方法。对网络进行训练的本质是依据样本点产生的实际输出和希望输出之间的误差，改变网络神经元之间的连接值。当误差小于给定的精度时，网络达到稳定，此时可以认为网络已经完成了对自由曲面的重建。神经网络算法的优点是：利用网络神经和训练来模拟曲面上点与点的关系，不必求出曲面的具体的数学参数方程，只需测量到曲面上的有限个点而不需要其他更多的曲面信息和曲面知识。缺点是网络的收敛难度大，计算费用大，初始参数的选择对产生的误差影响大。网络的收敛速度和网络的训练算法还有待于进一步的探索。图4-19车辆及直升机齿轮变速箱实时声发射检测及人神经网络分析技术与系统2．基于整个形体的实物逆向CAD模型重构基于整个形体的实物逆向CAD模型重构的研究是建立在断层扫描测量数据的基础上，其工作过程如下：1)层析截面数据获取及其图像处理；2)层面数据的二维平面特征识别；3)实体特征识别；.重构实体再现及再设计。第一个工作过程前面己介绍了，下面仅对后三个问题作一些说明：1）层面数据的二维平面特征识别及重构。如图4-20所示。数据实际是大量离散的物体平面轮廓点集，首先应进行平面轮廓上特征点的识别。传统的多边形逼近法虽然算法简单、易于实现，但却无法识别出圆弧，控制精度对结果影响很大，且不具有仿射不变性。相比之下，采用基于轮廓近似曲率进行特征点识别是一种较为153 稳定的算法。所谓近似曲率，就是考虑轮廓上相临的若干个点，用差分法代替曲率计算公式中的微分计算。如果测量数据所含噪声较大，可将曲率计算的支撑区间扩大。利用轮廓近似曲率差分图中各特征点的波形特点，即角点对应双边脉冲波形，而切点对应单边脉冲波形，将切点和角点分类识别出来。在此基础上确定特征点相连的线段类型，即判断出特征点间的线段为直线、圆弧或是自由曲线。在实际应用中，由于受噪声的影响，还需对连接情况进行调整以达到轮廓数字化的精确分段。进行平面特征重构时，一般采用经典的最小二乘法。需要注意的是，由于先前识别出的特征点是各线段的连接点，应使用有约束条件的最小二乘算法实现平面轮廓的精确重构。图4-20层面数据的二维平面特征识别及重构2）实体特征识别。该阶段的任务是识别出哪些点属于同一个实体特征，该体特征为凸特征或凹特征。构成零件原型的体素，有的是原型上占有材料的部分，有的是原型上被切除的部分。将占有材料的体素称为凸性体素，被切除的体素称为凹性体素。我们称层析数据中按一定顺序排列的、封闭的轮廓点图环链为数据环。显然，每一层析图中至少有一个或一个以上的数据环。数据环的表示方法有很多，例如可采用包围盒和周率来表示数据环。数据环的包围盒就是周边平行于坐标轴的数据环的最小外接矩形；而数据环中全部点的某一坐标值之和与点的数目之比，称为数据环的在该坐标方向上的周率。如果相邻层的两数据环的包围盒以及x和y方向上的周率相等（误差小于某一范围视为相等），则可判断这两相邻的数据环属于同一特征体素。由于特征体素是由组成该体素的不同层上的数据环来构造的，从任意一层数据环都可以判断该体素的凸凹性。因此，特征体素凸凹性的判别，就成为数据环凸凹性的判别。在层析图中，由数据环包围被包围的关系可判断数据环的凸凹性。处于最外层，不被任何数据环包围的数据环一定是凸环。从外向里，处于第二层的是凹环，处于第三层的是凸环，依此类推。与凸环相对应的体素为凸特征，而与凹环154 对应的体素为凹特征。3）三维实体模型再现及再设计。对于这个问题的解决，目前出现一种新的思路，即将正向设计与逆向工程相结合。正向设计时，设计人员可根据设计图样构造零件的特征关系树，在商业化通用软件中建立零件CAD模型。特征关系树即原型的所有特征关系构成的树状结构。特征树的结点是特征，该特征的属性如凸凹性及二维特征均附属在结点上，结点即特征之间的连接依靠特征之间的关系。反求设计中的实体再现可借鉴正向设计的方法，当实体特征识别后，根据原型实物的结构情况，再配合已精确识别重构的二维平面特征构造出反求对象的特征树，在该特征树的指导下，利用已识别的特征体，在通用CAD软件环境下，如同正向设计一样，建立实物的CAD重构模型，并在此基础上可利用通用CAD软件的功能对模型进行工程分析和修改，以实现零件的再设计，使逆向工程从简单的仿制转变为真正地具有创新意义的产品设计。它为产品的创新设计提供了一种全新的方案，必将会受到越来越多的重视。四、原始设计参数还原和精度设计机械制造业中，零件在工作时，与其他零部件实现精密配合的要求是普遍存在的。一般而言，机器的质量要求包括机器的性能指标、几何位置精度、运动及传动精度、工作效率和使用寿命等各个方面，所有这些必须依靠零部件之间的正确装配关系来保证。显然，零件正确的设计与制造是正确装配关系得以实现的基础。但是如果逆向工程只能从重构的三维实体中得出各参数的基本尺寸，而无法提供能满足配合要求的尺寸公差和形位公差，那么该反求工程系统将无法用于配合零件的实物原型的反求设计和制造。因此，有配合要求的逆向对象经三维重建后必须进行原始设计参数的还原和精度设计。如图4-21所示。图4-21有配合要求的逆向对象155 1．原始设计参数还原。由于所选择的逆向对象一般都是经过使用认为比较优秀的产品，基于使用过程的观察、借助于专家经验，实物原型的功能原理是容易求知的。原始设计参数还原即依据实物原型、图片、工作环境等信息反求出原型在制造之初的设计参数。其直接目的是解决实物逆向中去伪存真的问题，即剔除可能包含在产品原型中的制造、装配、磨损、测量、计算等误差，在防止误差扩散的前提下还原其设计参数。但是根本目的是从本质上理解原设计对于各种设计因素间关系的处理方式、方法，找出经过实践证明是正确的设计思想即设计结果，提高自主设计能力。原始设计参数是客观存在的，但又是未知的。因此原始设计参数还原会受到诸多随机因素的影响，也许最后也无法精确获得最初的设计值，但在逆向的过程中可以使逆向参数接近于最初设计参数，并将误差控制在一定精度内，而且从逆向设计过程所依赖的知识及其参数选择的各种规则中可以窥见最初设计思想及某些设计参数的决策方法。这正如数学上的许多著名猜想是无法证明或是不需要很快写出证明，而只是从证明的过程中，得出许多新的数学思想，产生许多新的数学分支一样。对已有产品原型进行原始参数还原，使得引进、消化不只是局限于引进产品实物原型生产功能的实现，而且将真正实现附属于产品中的知识为我所用。原始设计参数还原是逆向工程达到更高阶段的关键所在。通过参数还原可以理解原型的原始设计思想包括容差、配合精度选取等，可进一步发展完善实物的三维重构模型，避免再造时误差传播。在参数还原的基础上，逆向设计还可以新的方式映射原设计，而且这种映射必然结合本国、本地区工艺、材料等特点重新构造产品。2．逆向工程精度设计。精度设计是对还原出的精度参数进行分析、校核和设计。精度设计的内容包括尺寸精度设计、形位公差设计和表面粗糙度设计。利用计算机进行机械产品的公差设计，即计算机辅助精度设计，是当前学术界的研究热点之一。但针对逆向工程的特点，研究逆向工程中的精度设计也正是其中的一个重要方面。尺寸链的计算是精度设计的重要内容。正向工程的尺寸链计算有两方面内容，一是根据尺寸链中各组成环公差计算封闭环的公差，并校验其是否满足要求。称其为正计算，即公差控制计算。目的是验证设计的正确性。另一方面是封闭环公差已知，计算并分配组成环公差。称其为逆计算，即公差分配计算。在逆向工程中，封闭环是未知的。这是逆向工程中精度设计的第一个特点。在正向设计中，各组成环的公差是设计人员根据零件的功用、工况、与其他零件的关系等依据一定的设计原156 则而定的，是组成环实际拥有的误差值；而在逆向工程中，各环的公差是在原始设计参数还原阶段由系统推断出来的，它必然隐含许多源误差（如原型的制造、测量、磨损等误差），如何剔除这些误差的影响，确定各环相对于基本尺寸所实际拥有的公差值，是一件非常困难的工作。这是逆向工程精度设计的第二个特点。因此在逆向工程的精度设计中，除了应用正向设计中精度设计的理论和方法外，还必须综合采用人工智能、专家系统等方面的知识来开展工作。通常除了用上述自由曲面重构技术将测量的数据点转化为曲面模型外,还可以用专业曲面反求软件,如Pro/ENGINEER、CATIA、UG等,直接对测量数据进行编辑、过滤、求精和排序,将杂乱的离散数据点整理为有规则的点,并且要求曲率变化小,然后自动快速生成曲面模型。五、逆向工程相关软件（模块）分析逆向工程的实施需要逆向工程CAD软件的支撑。逆向工程CAD软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。由于无法完全满足用户对产品造型的需求，因此逆向工程CAD软件很难与现有主流CAD/CAM系统，如CATIA、UG、Pro/E等抗衡。很多逆向工程软件成为这些CAD/CAM系统的第三方软件。如UG采用ImageWare作为UG系列产品中完成逆向工程造型的软件，Pro/E采用ICEMSurf作为逆向工程模块的支撑软件。此外还有一些独立的逆向工程软件，如GeoMagic等，这些软件一般具有多元化的功能。如GeoMagic除了处理几何曲面造型以外，还可以处理以CT、MRI数据畏代表的断层界面数据造型，从而使软件在医疗成像领域具有相当竞争力。另外一类逆向工程软件作为一个整体系列软件产品中的一部分，无论从数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致，这样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入CAD设计或加工模块中，实现了数据的无缝集成，这类软件的代表是DelCom公司的DelCopy软件。下面介绍几个著名的逆向工程软件。Imageware(www.imageware.com)时UGNX提供的逆向工程造型软件，具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A曲面具有良好的品质和曲面连续性。它主要有包括：1.扫描点的分析及处理，可接收来自不同来源的数据，如CMM、Lasersensors、Moiresensors、Ultrasound等；157 2.曲面模型构造，快速而准确地把扫描点变换成NURBS曲面模型；并对其进行模型精度、品质分析；3.曲面曲线实时交互形状修改，该系统主要方法有：可由扫描点直接产生曲面而不需要经过构造曲线的过程；亦可先建立周边曲线，而后在其内部扫描点群中构造NURBS曲线，再连同边界曲线产生曲面。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据间的误差及平面度、圆度等几何公差。DelCopy(www.delcam.com)是英国DelCam公司系列CAD产品中的一个，主要处理测量数据的曲面造型。DelCom的产品涵盖了从设计大制造、检测全过程。包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS－TEAM等诸多软件产品。DelCopy主要有如下功能：1.数字化点的输入与处理，包括数据输入、数字化点数据的变换与处理；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；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；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，实现曲面片之间的光滑拼接；5.曲面模型精度、品质分析。作为一个系列产品的一部分，CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成，为用户的使用提供方便。GeoMagic(www.geomaigc.com)美国RainDrop公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面，用户包括通用汽车、BMW等大制造商MDTV公司的STRIM是在国内有较大影响的系统，对一个数字化对象的制作步骤大体为：1.以不同的角度将测量数据显示于计算机屏幕上，以便及时发现不准确的数字化点和遗漏的测量区域；2．编辑数字化点，所有的数字化点必须经过筛选和自由光滑处理，去除杂散点从而提高数字化的精度；3．建立线框模型，以交互方式定义模型的特征线；4.生成曲面，通过定义面与面之间的过渡约束（如曲线的相切、连续性等）由线框模型生成一组曲面，这些曲面自动地覆盖到数字化模型上，以尽可能地与数字化点相吻合。158 5．校核。RapidForm(www.rapidform.com)是由韩国INUS公司开发的逆向工程CAD软件，主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具，用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。GeoMagic(www.geomaigc.com)是美国RainDrop公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面，用户包括通用汽车、BMW等大制造商。以上这些软件系统采用的都是NURBS曲面，从它们的功能或操作方法来看，其共同特点是先构造曲线，然后或是利用曲线直接构造曲面，或是通过曲线界定曲面拟合区域，先生成曲面片，再通过拼接构成完整的曲面模型。其优点是NURBS曲面的应用在CADCAM领域内相当广泛，因而这些系统与其他的CAD/CAM系统的通信、交流就十分方便。特征曲线的构造在其中起着非常重要的作用。然后通过交互定义特征线费时费力，而自动提取的方法在目前仍相当有限。以上介绍的是目前较常见的逆向工程CAD软件，在国内能够见到的商品化的逆向工程软件都是国外的。国内在逆向工程软件方面虽然也有研究，但是主要集中在几所高校。以清华大学、浙江大学、南京航空航天大学在这方面的研究比较深入，其中，浙江大学开发的逆向工程软件RE-Soft在曲面重构方面另辟蹊径，采用了三角Bezier曲面模型。具体过程是：首先对数字化点建立一个三角形网格模型，利用这一模型对曲面的特征（如尖边、过渡等）进行辨识，然后利用辨识结果和用户定义的误差对三角形网格进行必要的简化和调整，使得网格表示的曲面模型与实物一致，再在三角网格的网孔内构造三角Bezier曲面的曲面片，各个相邻曲面间实现GC1连续。其优点在于三角形曲面在表现形状方面最为灵活，它能适应各种复杂的形状。因而RE-Soft在保形性方面明显优于国外的产品。另外，RE-Soft操作简单，不需过多的交互操作构造特征曲线。但是由于采用三角Bezier曲面模型，与其他通用CAD/CAM软件之间无法通信。为了解决这一问题，在RE-Soft中集成了一个NURBS曲面转换模块，同时还集成了基于三角Bezier曲面模型的曲面加工模块。但是这些研究性软件在系统稳定性、可操作性等方面还没有完全具备与国外商业化软件竞争的条件。159 另外由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程CAD软件QuickForm(http://www.zd-czy.zj001.net)是国内逆向工程CAD软件中较好的一个。该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好，具有良好的可操作性。由于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验，因此系统中的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这也是国外软件所无法具备的。QuickForm的另一个优势是价格优势。由于国外逆向工程软件价格昂贵，因而QuickForm的价格在同类软件中具有极强的竞争力。同时，使用国产软件也是对国内制造业和软件行业的巨大推动。第三节逆向工程在实际生产中的应用任何事物只有适应实际的需要,才有存在价值,逆向工程就是因为有需求才诞生的。在实际生产中,它可以参与新产品的设计,也可用于完成已有零件的模具设计等。一、新产品的设计随着科技的发展和人们对完美事物的追求,现在特别是汽车制造行业中,一般采用先由有经验的模型制造者用软性材料(胶泥、木材、石膏等)捏一个一定比例的实物模型,然后通过逆向工程使其成为一个能被计算机所认知的三维数学模型,接着进行性能及工艺分析,最后投入到生产加工。这种方法也可有效地应用于新船型设计时性能试验用船模的制作。如图4-22所示。图4-22新产品的设计160 二、已有零件的模具设计在实际生产中,许多产品靠仿制成熟制品,这就需要逆向工程的支持。鉴于目前不少地方实现手段的相对落后,非接触式测量方法尚未普及,而仍较多使用机械接触式的三坐标测量仪法,所以对技术人员的技术水平要求相对较高。要求工作人员能抓住被扫描事物的关键,既要得到准确的测量结果,又要尽量减少测量的数据量,使系统误差不至于干扰正确判断。如图4-23所示。图4-23快速成型三、快速逆向工程的新应用——快速成形制造快速逆向工程的应用很多,如三维实体重构、原始设计参数还原、产品性能预测、装配及工作过程仿真等。如今,快速成形制造(RPM)成为快速逆向工程的一个新应用领域，即利用快速逆向工程得到的实物几何模型,驱动快速原型机快速制造出与实物原型相同的零件。快速成形技术是八十年代末产生的一种涉及多学科的新型制造技术,其基本原理是基于离散/堆积概念,即将任何三维零件都看成是许多二维平面沿某坐标方向迭加而成,因此,可先将CAD系统内三维实体模型切分成一系列平面几何信息(离散),转换成控制成型机工作的ＮＣ代码,控制材料有规律地、精确地迭加起来(堆161 积)而构成零件,目前,RPM成型工艺已发展了三十余种,其中成功商业化的工艺方法有十余种。如:光敏液相固化法(SL)、熔融沉积成型法(FDM)、喷墨打印法(IJP)、选择性激光烧结法(SLS)、激光履层法(LC)、三维打印法(3DP)、叠层实体制造工艺(LOM)、选择性激光汽化物沉积法(SLCVD)等。它与快速逆向工程相结合,得到了广泛应用。如图4-24所示。162 快速成型设备完成的摩托车覆盖件图例图4-24快速成形制造四、远程制造最新研究表明,逆向工程、快速成形制造与网络技术结合,可实现远程制造新概念。为完成远程制造,需引入一些新技术,包括：基于Internet的通讯软件、自动定价工具软件和生产计划自动生成工具软件等。如图4-26所示。其业务流程如下：1．客户通过逆向工程得出实物的CAD模型,然后通过Internet登录RP服务中心的信息服务器,将实物的CAD/STL文件传递至服务器;(如果客户不具备反求设备,163 可直接将实物邮寄至RP服务中心,由中心完成逆向并得出CAD/STL文件；2．RP服务中心对STL文件进行错误检测并修复错误；3．RP服务中心根据零件材料、形状、大小等参数自动确定产品价格，并通过Internet价格通知客户；4．客户接受该价格，填写委托协议书,协议书可通过Internet从RP中心服务器获得,向RP服务中心发出订单；5．RP服务中心接到订单，自动进行生产工艺安排；6．生产；7．将产品通过国际邮递送至客户。图4-25远程制造五、医学模型制作快速逆向系统可通过CT、MRI等临床检测手段获取人体扫描分层截面图像,并将数据传送至RPM系统,制作出人体局部或内脏器官的模型。模型能显示出这些部位病变情况的实体结构,可用于临床辅助诊断、复杂手术方案确定、假肢制造,也可作为医学教学模型使用。目前,国外正大力发展RPM技术在医疗领域的应用。例如:美国Ｒayton大学研制了一种桌面成型系统,专门用于人体软组织器官模型的建造,研究人员根据肾脏的CT数据,制成RP实体模型。如图4-26所示。164 图4-26医学中的快速逆向系统六、逆向工程技术的应用策略及前景我国是机械加工大国,仅以模具行业来说,每年需进口的模具费用就高达8亿美特别在航空、航天、汽车以及电子医疗等工业,都存在着开发缓慢的问题.缺乏先进快速成型及模具制造技术的配合,开发周期、产品质量、市场竞争力、成本等方面的问题都很难解决.为了同国际经济接轨,我国政府和经济界越来越认识到,推广应用逆向工程技术是我国工业发展的必由之路.鉴于我国大部分企业的产品开发能力还比较薄弱、财力不足及高新技术人才的缺乏,我国推广应用逆向工程技术的模式应该是服务中心和大企业并举,以服务中心为主,形成专业技术社会化服务体系.这种中心预计在全国应分布500～1000个,目前在部分中心城市进行试点有许多高校也开始注目或涉入这个高新技术产业,国内市场已经起动.但仅限于西交大、清华和华中科技大学及个别专业公司,还没有真正形成集开发、研制和销售于一体的经济实体,在政策、人才和资金等方面还需要国家的大力扶持.为了解决新产品开发缓慢,提高本国产品在国际市场的竞争力,许多国家和我国一样迫切需要先进的逆向工程设备,因此,只要我们在技术上达到国际先进水平,逆向工程技术设备研制、开发、推广应用的前景,将是十分美好的。逆向工程的关键技术,国外对我国是绝对保密的,而要进口全套技术设备所需投资较大，并且需要一个高层次、多学科的技术队伍的支持.成立实物模型的逆向工程技术中心,既可以使广大中小企业享受逆向工程技术服务,促进企业开发新产品,降低企业投资风险和使广大中小企业享受反求工程技术服务,促进企业开发新产品,降低企业投资风险和开发成本,避免重复建设;又可以提高技术服务中心设备的使用率,提高服务中心的专业技术水平,实现社会化协作和资源共享。165