Chapter_1 逆向工程技术 逆向工程产生的背景:
(1) 产品功能上的需求已不再是赢得市场的唯一条件 (2) 产品开发的周期、生产周期、更新周期越来越短
60-70年代如何做得更好 80-90年代如何做得更便宜 二十一世纪初如何做得更快
一、顺向工程
1、 顺向工程(Forward Engineer )
从确定产品的功能与规格开始,构思产品的组件,然后进行组件的设计、制造及检验,再经过组装、整机检验、性能测试等程序来完成。这种开发流程称为顺向工程或正向工程。 其过程包含:
确定功能与规格 构思零部件需求 零件设计制造 部件组装检验 整机组装检验 性能测试
2、 顺向工程 开发流程
3、
顺向工程 设计加工流程
二、逆向工程
1、 逆向工程(Reverse Engineer )
也称反向工程、反求工程等。
逆向工程是将已有产品实物转化为CAD 模型的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。
2、 逆向工程流程
三、反求工程
是将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型,在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程。
已先进产品设备的实物、软件(图纸、程序、技术文件)或影片(图片、相片等)作为研究对象;
运用现代设计理论方法、生产工程学、材料学和有关专业知识进行分析和研究;
探索掌握其关键技术,进而开发出同类的先进产品。
反求工程含义广泛,包括设计反求、工艺反求、管理反求等。
主要内容:
功能分析与方案设计
产品结构与尺寸分析
产品材料分析
产品造型分析
工艺分析
精度分析
四、逆向工程的应用领域
1、对产品外形的美学有特别要求的领域
2、当设计需要通过实验调试才能定型时
3、无设计图纸、无CAD模型的情况时
4、模具行业
5、在新产品开发、创新设计
6、难于用基础几何元素来表现与定义的很多物品
7、特种服装和头盔的制造(如宇航服严格依据航天员的身体的尺寸来进行制造)
8、测量与检测
9、医学
10、考古学
Chapter_2 逆向工程测量系统
1.定义与分类
一、定义
数据测量:又称产品表面数字化、数据采集
是指通过特定的测量设备和测量方法,将物体的表面形状转换成离散的几何点坐标数据。
二、分类
(1)接触式测量
三坐标测量机(Coordinate measuring machine, CMM)
(2)非接触式测量
激光扫描设备(抄数机)——ATOS测量系统
2.接触式测量
一、三坐标测量机的原理
测量机具有一个采点发讯装置——测头,在沿X,Y,Z三个轴方向装有光栅标尺和读数头;
测量过程就是当测头接触工件时发出采点信号;
由控制系统去采集当前机床三轴坐标相对于机床原点的坐标值;
根据这些点的空间坐标值,经计算可求出被测对象的几何尺寸、形状和位置。
二、三坐标测量机的组成
1、三大组成部分
主机+测头+电气系统
2、主机
(1)框架
(2)标尺系统
(3)导轨
(4)驱动装置
(5)平衡部件
(6)转台与附件
3、测头(测量探头)
(1)硬式测头
通过手动使探头接触工件表面,用人眼及感觉做判断,再利用脚踏开关触发,将此点坐标传送至处理器。
硬式探头成本低;
接触力的大小及接触点的判断极为困难,故使用者需要有较多经验; 误差较大。
(2) 触发式测头(开关式)
具有电子开关结构;
当触头碰触到工件表面,则电子开关机构产生开关变化,将电子信号由ON 转为OFF ; 获得坐标并送至处理器。
(3) 模拟式测头
模拟式测头接触工件时会有侧向位移,经可变线圈感应或光栅尺感应,产生一相对的电压变化,此模拟电压信号转换为数字信号送入处理器。
三、三坐标测量机的分类
1、 桥式
(1) 移动桥式
三坐标测量机
桥式
移动桥式
固定桥式 水平臂式
单水平臂式
双水平臂式
龙门式 台式 机械手臂式
优点:
结构简单,刚性好,承重能力大;
工件重量对测量机的动态性能无影响。
缺点:
测量空间受框架限制,该结构不适用于大型测量机;
(2)固定桥式
优点:
整体刚性好;
X,Y方向运动相互独立。
缺点:
工作台刚性较差,当载荷变化时易产生变形误差,故工件重量不宜太大。
2、水平臂式
优点:导轨可以足够长,适用于飞机、汽车工业;基础平台平衡性很好,安装时不需要地基。
缺点:悬臂变形与臂长3次方成正比,故Y行程不宜太大。
(1)单水平臂式
(2)双水平臂式
优点:
双水平臂量程更大
3、龙门式
特点:
结构稳定;
刚性好;
测量范围大。
4、台式
特点:
从工具显微镜发展而来;
操作方便,测量精度高。
缺点:
测量范围小。
5、机械手臂式
测量方法:操作者手持测量手臂,末端探针接触测量物体表面时按下按钮,记录坐标和探针手柄方向,通过串口线传到各种软件包上。
特点:精度低,范围大。
四、三坐标测量机的选用原则
1、测量机类型
对于中小型工件,多采用水平臂式、台式与移动桥式等;
对于中型尺寸的工件,多采用移动桥式;
对于大型工件,则多采用龙门式。
2、测量范围
(1)要考虑整个工件能在测量机上安置,应根据工件大小选择测量机。
(2) Z 轴与Z 向空间高度的关系。Z 轴行程是Z 轴的测量范围,而Z 轴的空间高度是工件能
够放得下的高度。
3、 测量精度
一般测量,测量不确定度应为被测工件尺寸公差带的1/5~1/3。
精密测量及复杂的形位测量,一般应为被测尺寸公差带的1/10~1/5。 4、 测量效率
桥式和龙门式具有较大的惯性,影响了其加减速性能,测量速度一般较低。 水平臂式惯性小,因而加减速性能较好,有利于提高测量速度。
3.
一、三角测量基本原理 二、对映函数测量原理 三、激光测距法
4. 测量数据类型
一、散乱点云
测量点没有明显的几何分布特征,程散乱无序状态
随机扫描下的CMM ,光学测量系统多张数据拼合后
二、扫描线点云
点云由一组扫描线组成,扫描线上的所有点位于扫描平面内;
CMM、激光三角测量系统沿直线扫描、线结构光扫描测量
5.测量方法比较
一、接触式测量优点
1、准确性及可靠度高
2、与工件的反射性无关
3、适合做一般基本几何形状的测量
二、接触式测量缺点
1、为准确测量基准点要求使用特殊的夹具,导致测量费用较高;
2、探头的球头容易因接触力造成磨损,故需要经常校正探头直径;
3、操作不当容易损伤工件某些重要部位的表面精度及探头本身;
4、测量速度慢,因接触式触发探头是以逐点的方式测量;
5、对于内部形状,探头的直径必须小于被测形状的尺寸;
6、测量三维曲面的尺寸时,需要做探头半径的补偿;
7、接触力将影响测量值的实际值;
8、测量系统本身的结构可能有不良的静态或动态的机械反应;
9、接触面积与工件表面纹路的几何形状有关。
三、非接触式测量优点
1、不需要做探头的半径补偿,激光点位置即为工件表面位置;
2、测量速度非常快;
3、可直接测量软工件、薄工件以及不可接触的高精密工件。
四、非接触式测量缺点
1、测量精度相对较差;
2、受被测物体表面颜色及周围环境光的影响,工件表面的明暗程度影响测量精度;
3、无法直接测量出一般几何形状;
4、被测物体的表面粗糙度会影响测量结果;
5、激光射不到的地方无法测量。
测量方式接触式测量非接触式测量
测量精度110~100
传感器开关元件光电元件
测量速度慢(逐点)1000~12000点/秒
工件材质硬质材料无限制
误差部分失真随曲面变化大
Chapter_3 数据处理技术
1.测量数据格式转换
一、逆向工程中的数据转换标准
二、*.asc数据格式
三、*.stl数据格式
stl格式的优点:
原理与格式简单明了,由CAD模型转换容易;
具有独立性,与各个CAD系统构建几何模型以及文件结构无相关性;
是当前CAD系统与快速原型系统间文件转换的标准格式。
stl格式的缺点:
数据大量重复,造成数据量的膨胀:
STL格式的存储单位为三角形,但是两个相邻的三角面由两个相同顶点,使得数据重复;
精确度与数据量难以平衡:
STL格式以三角形逼近物体的表面外形,会引起精度缺失,格式转换时以弦高差进行控制;
文件缺乏CAD模型所含信息;
四、IGES数据格式
Initial Graphics Exchange Specification
基本图形交换规范
IGES是一种中性文件,其作用是在不同的CAD/CAM系统之间交换数据。
2.测量数据测头半径补偿方法
一、二维自动补偿方法
压力矢量:表面法向矢量
测量截面:各个测量点的压力矢量所决定的面
当测轴与测量截面在同一平面内,可采用二维补偿。
二维自动补偿:将测量点和测头的半径关系都处理成二维情况,并将补偿计算编入测量程序中,在测量时自动完成数据的测头补偿。
三点共圆法进行二维补偿:
假设在曲面曲线上测得N个点
先取曲线上3个连续的测量点P1,P2,P3
三点可以看作是圆弧上的点,P1,P2,P3确定圆弧圆心M
P2M即为法向矢量
以P2为圆心,测头半径为半径做圆,与P2M的交点即为测点
二、三维补偿方法
测轴与测量平面不在同一平面内,按二维补偿计算存在误差。
对测量数据进行测头半径的三维补偿
1、微平面法
测量探头在应测点P的一个小邻域内分别采集三个参考点,用三点组成的小平面的法向矢量近
似作为P处的法向矢量,进行半径补偿。
2、曲面偏距补偿法
根据测头中心所在的点先将曲面构建出来,然后再将曲面偏移球头半径的距离。
3、直接计算法
对规则有序的点列,根据测量点及周围点信息,可以直接计算某一确定点的法向矢量。
3.测量数据预处理
一、点数据的坐标定位
在零件表面的形状测量过程中的因素决定了无法通过一次完成对整个零件的测量过程,这些因素包括:
复杂型面往往存在投影视觉盲区,无法一次完成全部型面的测量,需要从其它方向进行补测;
对于大型零件,受测量系统范围限制,必须分块测量;
当检测物体有定位和夹紧要求时,一次测量无法获得定位面及夹紧面的测量数据,需引入二次测量。
多视点云(multi-view)
从各个视角分块测量得到的多个独立的点云
多视数据的对齐
?将各次测量对应的局部坐标系统一到同一坐标系,并消除两次测量间的重叠部分,得到被测物
体表面的完整数据。
<1>方法一利用基本像素定位
在待测物上粘上球体或利用待测物体的平面等基本像素作为测量基准点;
数据测量完毕,分割出作为测量基准点的基本像素的点群,并用Fit Primitive功能将这些近似
球体或平面的点数据的像素坐标近似求解出来;
根据相同位置的球体其圆心必在同一点(三点定位)等类似的条件将点数据作定位。
<2>方法二相同曲率数据重叠定位
选取欲整合的点群数据中数据重叠部分,然后运算该区域曲率变化;
将不同数据中应整合的相同区域做运算并以相同曲率部分为定位进行整合;
所选取的区域数目越多,整合精度越高;
所选取的区域有较大的曲率变化(明显的特征),则整合的准确率也越高。
二、异常点(误差点)处理
1、扫描线点云杂点的处理
等截面数据扫描:
根据被测对象的几何形状,锁定一个坐标轴进行数据扫描。得到的数据时一个二维数据点集。 数据失真:
测量设备的标定参数发生变化
测量环境突然变化
人工手动测量中的操作误差
数据失真的判别:
直观检查法
曲线检查法
弦高差法
(1)曲线检查法
通过截面数据的首末数据点,用最小二乘法拟合得到一条拟合曲线;
分别计算中间数据点得到样条曲线的欧式距离:
给定允许误差,若,则该点为失真点。
(2)弦高差法
通过连接检查点前后两点,计算中间点到弦的距离,同样如果,则认为该点
时失真点,应以剔除。
这种方法适合于测量点均布且较密集的场合,特别时在曲率变化较大的位置。
(3)等弦高差法
测量扫描时,不断计算云顶轨迹当前采样点和已记录点的连线到该段运动轨迹中心的高
度,通过和给定弦差来判定当前采样点是否列入记录。
2、散乱点云杂点的处理
X、Y方向的投影变化。
三、数据空白区的处理
数据空白区:
探头无法测到或激光照射不到的区域
实物零件中的表面凹边、孔及槽等
1、实物填充法
测量前,将凹边、孔及槽等区域用填充物填充后测量。
测量完毕后,将填充物去除,再测出孔或槽的边界,用来确定裁剪边界。
要求:
填充物表面应尽量光滑平滑、与周围区域光滑连接
填充物有一定的可塑性
再常温下要求有一定的刚度特性(支持接触探头)
2、造型设计法
在模型重建过程中运用CAD软件或逆向造型软件的曲面编辑功能,如延伸(Extend)、连接(Connect)和插入(Insert)等功能。
根据实物外形曲面的几何特征,设计出相应的曲面,再通过剪裁,得到补充的曲面,得到测量点。
3、曲线、曲面拟合法
曲线拟合法:利用已得到的测量数据拟合得到截面曲线,根据曲面的几何形状,利用曲线编辑功能,将曲线延拓通过需补充的区域,然后再离散曲线形成点列。
曲面拟合法:与曲线拟合法类似。
四、数据平滑
数据平滑的目的是消除测量噪声,以得到精确的模型和好的特征提取效果。
平衡滤波法:
该方法是将相邻的3个点取平均值取代原始点实现滤波。
,
五、数据精简
均匀网格法
原理:首先将所得的数据点进行均匀网格划分,然后从每个网格中提取样本点,网格中的区域点将被去除掉。
具体步骤:
在垂直于扫描方向建立网格平面,将所有点投影至网格平面上,每个网格与对应的数据点匹配。
每个网格中的点按照点到网格平面的距离远近排序,如果某个点位于各个点的中间,那么这个点就被选中保留。
六、数据分割
数据分割:
是根据组成实物外形曲面的子曲面的类型,将属于同一子曲面类别的数据归类分组;
这样全部数据将划分成代表不同曲面类型的数据域,方便后续曲面创建。
基于测量的分割
接触式测量,事先分割
数据分割
自动分割
非接触式测量,事后分割
1、数据分割1:特征搜寻
1)利用角度变化的搜寻方式
2)利用光反射原理找出特征
3)利用已有的圆角找出曲面交线
2、数据分割2:圈选(Circle-Select Points)
3、数据分割3:点群的剖切(Cross Section points)
Chapter_4 模型重建技术
1.概述
一、曲面重建过程
方法1: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);
方法2:直接对测量数据拟合,生成曲面(曲面片),最终经过曲面片的过渡、拼接和裁剪等曲面编辑操作,完成曲面模型的构建。
二、曲面连续性
位置连续(
G0连续)
表示曲面间或曲线间仅有边界上相接的关系。
这种相接的关系可能形成一个尖锐的边界。
切线连续(G1连续)
表示曲面间或曲线间的连续处有相同切线角度。
曲率连续(G2连续)
表示曲面间或曲线间的连续处有相同的曲率。
一般用于镜面、车灯等特殊产品。
三、曲线与曲面的数字模型
1、Bezier曲线/曲面
(1)曲线的形状可由控制点来任意操控;
(2)控制点与曲线端点重合,这一特点有利于曲线与曲线接合。
缺点:
缺少区域性控制,即当曲线上的任意一个控制点被牵动时,整条曲线都要受到牵动;
缺乏局部修改的能力。
2、B样条(B-Spline)曲线/曲面
与Bezier 曲线的区别:
局部控制性。当控制点改变时,只会影响部分曲线。
3
、
非均匀有理
B 样条(Non-Uniform Rational B-Splines ,
NUBRS )曲线/曲面
利用NUBRS 曲线,可以同时利用控制点的移动和权系数的修改来获得局部的形状控制。
2. 曲线拟合造型
一、曲线的基本概念
1、 插值(Interpolation )
给定一组有序的数据点,构造一条顺序通过这些数据点的曲线,所采用的数学方法称为插值法。 优点:
所得曲线通过所给定的点数据,曲线与点数据的误差为零。 缺点:
当点数据过大时,则曲线控制点也相对增多。
点数据有噪声存在时,应先进行数据平滑,以去除噪声。
2、 逼近(Approximation )
给定一组有序的数据点,构造一条曲线,使之接近给定的数据点,所采用的数学方法称为逼近法。
3、曲线的基本元素
(1)方向
(2)节点
(3)段
(4)起始点、终点
(5)控制点
控制点均匀分布
控制点非均匀分布
(6)阶次
阶次决定曲线外形2~22
直线2阶,圆弧3阶,其它4阶
4、曲线的分类
(1)曲面上的曲线
(2)3D曲线
二、曲线的构建
1、自由曲线
均匀曲线(Uniform Curve)
公差曲线(Tolerance Curve)
要求点云与曲线的偏差在允许的范围之内
插值曲线(Interpolate Curve)
要求曲线精确地通过每一个点,一般只对精确的数据用该方法。
2、派生曲线
依附其它几何体的曲线
(1)曲面上的曲线(2D曲线或CONS曲线)
曲线依附于曲面上
(2)由曲线生成曲线
2D曲线转化为3D曲线
混成曲线
三、曲线的编辑
1、调整控制点
2、重新参数化曲线
3、插入、删除节点
4、曲线修剪
5、曲线延伸
6、连接曲线
匹配:两条曲线独立
混成:间隙处增加一条曲线不改变原有曲线
四、曲面的构建
1、曲面的基本元素
(1)法线
曲面由一个法线方向,正方向显示为曲面的颜色,负方向显示为灰色。
(2)节点和跨度
当通过曲线来创建曲面时,曲面将有和曲线一样的节点和跨度。
(3)控制点
如同曲线的控制点,曲面的控制点是在小区域内影响以及约束曲面形状的点。
(4)阶次
平面通常是一个2阶的曲面,球体是一个3阶的曲面,其他的曲面大多数可以用4阶曲
面来描述。
(5)U和V的方向
每个NURBS曲面都有四条边,由两条边之间相互垂直的地方被分为u、v方向。
2、曲面构建常用方法
(1)旋转曲面
轮廓曲线绕一轴线旋转某一角度而生成的曲面。
(2)线性拉伸面
一曲线沿某一矢量方向拉伸一段距离而得到的曲面。
(3)直纹面
多条线沿某个方向(u或v)构成面。
生成曲面时,把相邻两曲线参数值相同的点用直线段连接得到曲面
(4)扫描面
截面发生线沿方向控制曲线(1、2、3条)扫描而生成的曲面。
(5)网格曲面
由一系列曲线构成的曲面。
单方向网格曲面由一组平行或近似平行的曲线构成;
双方向网格曲面由一组横向曲线和另一组与之相交的纵向曲线构成。
(6)边界曲面
由四条曲线做边界创建一个封闭的曲面。
(7)填充曲面
在N条边界包围的区域填充形成的曲面。
五、模型精度评价
1、模型精度评价问题
(1)由逆向工程中重建得到的模型的实物样件的误差到底有多大?
(2)所建立的模型是否可以接受?
(3)根据模型制造的零件是否与数字模型相吻合。
模型精度的评价过程:评价逆向工程过程的精度或误差大小。
过程1:曲面评价方法,即问题(1)和(2)
通过比较数据模型和CAD模型的差一来评价模型精度;
对模型的光滑性能,即曲面质量进行评价。
过程2:检验制造产品和CAD模型的差异,即问题(3)
测量规划,对产品进行数字化,然后将数据点与模型对其后,通过计算点到模型的距离来
比较差异。
两个过程的精度之和即为逆向工程的总精度或总误差。
2、误差的构成
(1
)原型误差
原产品实物误差
制造误差:实物几何尺寸与设计参数之间偏差
磨损误差:原型使用过程磨损
(2)测量误差
测量设备系统误差:标定误差+温度误差+探针弯曲误差
测量人员视觉和操作误差
产品变形误差
(3)测头半径误差
主要由接触式坐标测量机的探头半径补偿造成。
(4)数据处理误差
数据平滑:会损失特征点的信息。
数据转换(数据坐标变换):多视数据的重定位,数据的坐标变换,基准点的选择、基
准点的测量误差都将影响变换的精度。
(5)造型误差
实体造型误差
曲线、曲面的拟合误差
3、模型精度评价
(1)模型精度评价指标
精度:实物和逆向模型以及模型和产品差距的大小
整体指标实物或模型总体特质
整体几何尺寸、体积、面积(表面积)
几何特征间的几何约束关系,如孔、槽间的尺寸和定位关系;
局部指标
曲面片与实物对应曲面的偏移程度。
量化指标和非量化指标
(2)曲面品质分析方法
主要是分析曲面的光顺性
非量化指标
主要以人的眼光来判断曲面是否光顺(观察曲率图、矢量图和反射线图等)。
1)反射线法
反射线的构成原理
L c——光源
E p——视点
N——法线
反射线由曲面上的一组点P组成
N与矢量a夹角=N与视点E p夹角
如果两相邻曲面上的反射线断开,则这两个曲面最多点连续;
如反射线由尖点,则曲面切矢连续;
如反射线光滑过度,则两曲面曲率连续。
2)高光线法
光源与视点重合
3)等照度线法
等照度线:
曲面上具有相同光照度的点的集合所形成的曲线。
法向N与光照方向L所成角度一致
相邻曲面上的等照度线是光滑过渡的,则这些曲面之间满足曲率连续。
4、模型精度量化指标
(1)模型精度量化指标
精度量化指标:
各项误差的均方根作为精度误差