先进制造技术 第4章 产品逆向工程 西南交大

先进制造技术第四章 产品逆向工程

一. 逆向工程概述

一.逆向工程概述1. 正向工程一般工业产品开发是从确定预期功能与规格目标开始，构思产品结构，然 后进行每个零部件的设计、制造以及检验，再经过装配、性能测试等程序完 成整个开发过程，每个零部件都有设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种 开发模式称为预定模式(prescriptive model),此类开发工作称为正向工程 (forward engineering)或正向设计，产品正向开发的流程如图所示。

规格确定

设计

制造

检验

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一.逆向工程概述

2.逆向工程逆向工程(Reverse Engineering 简称RE),又称反求工程或逆向设计， 是将已有产品模型(实物模型)转化为工程设计模型和概念模型，并在 此基础上进行工程分析和再创新设计的一种方法和应用技术，可有效提 高产品的技术水平，缩短设计周期，增强产品竞争力，是消化、吸收先 进技术，进而创新和开发各种新产品的重要手段。逆向工程作为吸收先 进技术的一种手段，使产品研制周期缩短百分之四十以上。掌握逆向工 程技术，对我国国民经济的发展、科学技术水平的提高和企业快速响应 市场能力的提升，具有重要的工程意义。

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一.逆向工程概述

逆向工程通常是对某一实物样件或模型(称为零件原型，如汽车 的外形、鞋楦模等)进行仿制。

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一.逆向工程概述目前，针对已有样件(尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件),可 利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向软件 中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统进一步编辑、修改，由CAM生成刀 具NC代码(加工路径)送至数控机床(CNC)制作所需模具，或者由快速 成型机(RP)将样品模型制作出来。

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一.逆向工程概述

逆向工程主要包括以下四个步骤：

(1) 零件原型的数字化 (2) 零件原型的特征识别与提取 (3) 零件原型CAD模型的重建 (4) CAD模型的检验与修正

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一.逆向工程概述逆向工程大致应用在以下几种情况：

(1) 许多使用粘土或泡沫模型代替CAD设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为CAD模型。

(2) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例模型用数学模型表达，通过 比例运算得到美观的真实尺寸的CAD模型。

(3) 需要通过实验来最终确定零件的形状，

(4) 艺术品、考古文物的复制。

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一.逆向工程概述

(5) 人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造。

(6) 特种服装、头盔的制造要以使用者的

身体为原始设计依据，此时，需首先建立人体的几何模型

(7) 在快速原型制造(RPM)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形产品进行快速、准确的测量， 找出产品设计的不足，进行重新设计，经过反复多次迭代可使产品完 善。。

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一.逆向工程概述反求工程的关键技术有: 数据测量技术、数据预处理技术、模型重 构及产品制造技术。

(1) 数据测量技术反求工程中数据测量方法主要分为两种:一种是传统的接触式测量 法，如三坐标测量机法；另一种是非接触测量法，如投影光栅法、 激光三角形法、工业CT 法、核磁共振法(MRI)、自动断层扫描法等。 只有获取了高质量的三维坐标数据，才能生成准确的几何模型。所 以，测量方法的选取是反求工程中一个非常重要的问题。

(2) 数据预处理技术对得到的测量数据在CAD 模型重构之前应进行数据预处理，主要 是为了排除噪声数据和异常数据、精简和归并冗余数据，通常包括: ①噪声点过滤②数据点分区③数据点精简④数据点平滑。

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一.逆向工程概述

(3) 模型重构及产品制造技术通过重构产品零件的CAD 模型，在探询和了解原设计技术的基础 上，实现对原型的修改和再设计，以达到设计创新、产品更新之目 的，同时也可以完成产品或模具的制造。

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二. 逆向工程系统及工作原理 1. 逆向工程系统组成(1) 测量测头 分接触式和非接触式 (2) 测量机 有三坐标测量机、多轴关节式机械臂及激光追踪站等。 (3) 数据处理软件

(4) 模型重建软件(5) CAE软件 (6) 数控加工设备 (7) 快速原型机 (8) 产品批量生产设备

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二. 逆向工程系统及工作原理

2. 测量方式逆向工程多用三维立体测量，具体有：接触式测量与非接触式测 量。

(1) 接触式测量接触式测量的优点有： 接触式测量不受样件表面的反射特性、颜色及曲率影响，配合测 量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如面、圆柱、 圆锥、圆球等。接触式测量的机械结构及电子系统已相当成熟，有 较高的准确性和可靠性。

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二. 逆向工程系统及工作原理

接触式测量的缺点有： ① 确定测量基准点而使用特殊的夹具，测量费用较高。 ② 测量系统的支撑结构存在静态及动态误差。 ③ 检测某些轮廓时，可能会有先天的限制。 ④ 以逐点进出方式进行测量，测量速度慢。 ⑤ 测头尖端部分与被测件之间发生局部变形影响测量值的实际读 数。 ⑥ 不当的操作容易损害样件,也会使测头磨耗、损坏。

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二. 逆向工程系统及工作原理

(2) 非接触式测量非接触光学测量有如下优点： ① 没有测量力 ② 测量速度和采样频率较高。 ③ 不必进行测头半径的补偿。 ④ 不少光学测头具有大的量程。 ⑤ 同时探测的信息丰富。

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二. 逆向工程系统及工作原理

但非接触式测量也还存在一些缺点： ① 测量精度较差。 ② 使用CCD作探测器时，成像镜头的焦距会影响测量精度。 ③ 非接触式测头是接收工件表面的反射光或散射光，测量结果易受环 境光线及工件表面的反射特性的影响，噪声较高，噪声信号的处理比 较麻烦。

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二. 逆向工程系统及工作原理三坐标测量机 激光扫描仪 测量方式 测量精度 传感器 测量速度 前置作业 工件材质 测量死角 误差 非接触式 10~100 μm 光电接收器件 1000~12000点/秒 通常表面需喷漆，无基准点 无限定 光学阴影处及光学焦距变化处 随曲面变化大 接触式 1 μm 开关器件 人工控制(较慢) 设定坐标系统，校正基准面 硬质材质 工件内部不易测量 部分失真

优点

①测量速度快，曲面数据获取容易； ①精度较高； ②不必做测头半径补偿； ②可直接测量工件的特定几何特征。 ③可测量柔软、易碎、不可接触、薄件、 皮毛、变形细小等工件； ④无接触力，不会伤害精密表面。

缺点

①测量精度较差，无法判别特定几何特 征； ②陡峭面不易测量，激光无法照射到的 地方亦无法测量； ③工件表面与测头表面不垂直，则测得 的误差变大； ④工件表面的明暗程度会影响测量的精 度。

①需逐点测量，速度慢； ②测量前需做半径补偿； ③接触力大小会影响测量值； ④接触力会造成工件及测头表面磨耗，影响光滑 度； ⑤倾斜面测量时，不易补偿半径，精度低； ⑥测量工件内部时，形状尺寸会影响测量值。

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