一、逆向工程簡(jiǎn)介

　　逆向工程(Reverse Engineering)也稱(chēng)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(guò)三維幾何建模方法，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(guò)程。與傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)制造方法不同，逆向工程是在沒(méi)有設(shè)計(jì)圖紙或圖紙不完整，而有樣品的情況下，利用三維掃描測(cè)量?jī)x，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、曲面創(chuàng)建、三維實(shí)體模型重構(gòu)，然后通過(guò)CAM系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)控編程，直至利用CNC加工機(jī)床或快速成型機(jī)來(lái)制造產(chǎn)品。

　　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，在工業(yè)領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，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)。

　　(2)現(xiàn)成零件測(cè)量及復(fù)制，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，以便修復(fù)或重制。

　　(4)產(chǎn)品的檢測(cè)，例如檢測(cè)分析產(chǎn)品的變形，檢測(cè)焊接質(zhì)量等，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，它已經(jīng)成為消化吸收和二次開(kāi)發(fā)的重要途徑之一。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)。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)，構(gòu)造出型體曲線(xiàn)、曲面，最終重構(gòu)三維模型。

　　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、改進(jìn)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的一種重要手段，有效地加快了新產(chǎn)品響應(yīng)市場(chǎng)的速度。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。

　　二、水泵葉輪的三維數(shù)據(jù)測(cè)量

　　1.數(shù)據(jù)采集實(shí)施條件

　　隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺(jué)等相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，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。目前，使用較多的有德國(guó)、英國(guó)、意大利、美國(guó)等國(guó)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(lái)說(shuō)，可分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式測(cè)量又可分為硬測(cè)頭和軟測(cè)頭，這種測(cè)頭與被測(cè)物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息，比較常用的是三座標(biāo)測(cè)量機(jī)(CMM)。非接觸式測(cè)量可分為光學(xué)法、工業(yè)CT、超聲波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中，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，包括激光掃描、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。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。它具有噪聲低、精度高(可達(dá)±0.5μm)、重復(fù)性好等優(yōu)點(diǎn)。它的缺點(diǎn)包括測(cè)量速度慢、效率低;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)取y(cè)量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是高精度低密度。

　　由于近年在分區(qū)域測(cè)量技術(shù)上的突破，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(shuō)德國(guó)GOM公司的ATOS流動(dòng)光學(xué)三維掃描儀，測(cè)量速度大于43000點(diǎn)/s，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，整體測(cè)量精度小于0.1mm/m。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)，不能完整反映出曲面的形狀。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，而光學(xué)掃描儀則恰恰相反。另外，光學(xué)掃描儀還具有測(cè)量范圍大、攜帶方便等優(yōu)點(diǎn)。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。它不僅適于復(fù)雜輪廓的掃描，而且常用于汽車(chē)、摩托車(chē)內(nèi)外飾件的逆向造型工作。

　　筆者在此采用德國(guó)GOM公司的ATOS光學(xué)掃描儀(ATOS I 600 EU)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，測(cè)量精度為0.1mm/0.5m。掃描方式：光柵原理及GPS定位原理。ATOS掃描儀在測(cè)量時(shí)，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，再經(jīng)數(shù)據(jù)影像處理系統(tǒng)計(jì)算處理，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，需對(duì)葉輪做必要的前期準(zhǔn)備，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。

　　4.水泵葉輪掃描過(guò)程

　　葉輪的整個(gè)外形都需要掃描，因此無(wú)法完成對(duì)葉輪的一次性?huà)呙琛８鶕?jù)葉輪的形狀，如圖1所示，把零件分成上、下兩部分，分別進(jìn)行掃描。然后再在A(yíng)TOS軟件中，通過(guò)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。

　　圖1 水泵葉輪實(shí)物照片

　　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，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。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，最終完成整個(gè)葉輪外形的掃描。圖2為掃描完成后，經(jīng)過(guò)點(diǎn)云對(duì)齊、三角化、光順和稀化，得到的葉輪外形點(diǎn)云文件。接下來(lái)輸出*.STL文件，以便Imageware軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行后序處理。

　　圖2 ATOS掃描儀掃描的水泵葉輪原始點(diǎn)云

　　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(lèi)型，然后采用 Imageware軟件來(lái)做逆向處理，處理數(shù)據(jù)的流程遵循“點(diǎn)——曲線(xiàn)——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，并依據(jù)點(diǎn)云的特征，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，為提取截面線(xiàn)做準(zhǔn)備。

　　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(guò)濾掉。并對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行優(yōu)化，刪除不必要的數(shù)據(jù)點(diǎn)。適當(dāng)降低點(diǎn)云的密度，可以加快計(jì)算機(jī)處理的速度。

　　(1)特征線(xiàn)的提取

　　特征線(xiàn)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)，劃分出二次曲面的區(qū)域，如：平面、圓柱面、球面等。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、圓柱面或球面，或直接做出特征。平面可以用三點(diǎn)或兩相交直線(xiàn)來(lái)確定，圓柱面則以截面線(xiàn)和矢量來(lái)確定。對(duì)于自由曲面，需構(gòu)造出曲面的特征線(xiàn)。先對(duì)葉輪點(diǎn)云做出必要截面線(xiàn)，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(xiàn)，以便構(gòu)造自由曲面。

　　葉輪與軸連接部位是內(nèi)螺旋槽，在測(cè)量時(shí)十分困難。在此，關(guān)鍵是做出螺旋線(xiàn)，然后測(cè)量出螺距，最后在UG NX軟件中構(gòu)造標(biāo)準(zhǔn)的螺旋線(xiàn)。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(xiàn)點(diǎn)云，擬合產(chǎn)生螺旋線(xiàn)，最后通過(guò)裁剪螺旋線(xiàn)得到半圈的螺旋線(xiàn)，通過(guò)兩頭端點(diǎn)計(jì)算得出螺旋線(xiàn)的螺距為29.86mm。為了使求得的螺距更加精確，我們可多做幾個(gè)大小不同的圓，求其平均值。

　　(2)特征線(xiàn)分析

　　為了確保重構(gòu)特征線(xiàn)的精度，在任何一條特征線(xiàn)的構(gòu)建過(guò)程中，都要隨時(shí)檢測(cè)點(diǎn)云和曲線(xiàn)之間的偏差。確保特征線(xiàn)在偏差允許范圍內(nèi)，以保證與原型的一致性。螺旋線(xiàn)偏差分析結(jié)果如圖3所示。

　　圖3 特征線(xiàn)的偏差檢測(cè)

　　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，把在Imageware中構(gòu)建好的特征曲線(xiàn)導(dǎo)入到UG NX中，并且要保證坐標(biāo)系的一致性。對(duì)調(diào)入的曲線(xiàn)進(jìn)行分析，并對(duì)曲線(xiàn)進(jìn)行光順處理，或?qū)η€(xiàn)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，最終完成水泵葉輪的三維造型。如圖4所示。

　　圖4 在UG NX軟件中完成的三維模型

　　完成水泵葉輪的三維造型后，反過(guò)來(lái)可以把利用UG NX軟件重構(gòu)的三維模型讀入Imageware軟件中，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。通過(guò)用彩色云圖將差異顯示出來(lái)，很直觀(guān)地就可以了解到曲面與點(diǎn)云之間的差異值，并且可以指定一個(gè)可接受的公差帶，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。分析結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 三維模型和實(shí)測(cè)點(diǎn)云的檢測(cè)圖

　　四、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)，因此同樣可利用逆向工程技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行準(zhǔn)確、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，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，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(lái)，從而檢測(cè)零件的加工精度。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。如注塑件手機(jī)的外殼，就可以利用逆向工程技術(shù)很快地完成檢測(cè)工作。

　　五、小結(jié)

　　逆向工程技術(shù)在產(chǎn)品研究開(kāi)發(fā)中是一項(xiàng)開(kāi)拓性、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，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，其難點(diǎn)為曲線(xiàn)的構(gòu)建、檢測(cè)和修改。而只有滿(mǎn)足曲線(xiàn)光順，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(xiàn)的提取和構(gòu)建精度來(lái)保證。

　　采用逆向工程技術(shù)，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，從而使產(chǎn)品的消化吸收和二次開(kāi)發(fā)工作準(zhǔn)確快捷。不但縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，而且提高了產(chǎn)品創(chuàng)新的成功率。