一、逆向工程簡介

　　逆向工程(Reverse Engineering)也稱反求工程，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據測量數據通過三維幾何建模方法，重構實物的CAD模型，從而實現產品設計與制造的過程。與傳統的設計制造方法不同，逆向工程是在沒有設計圖紙或圖紙不完整，而有樣品的情況下，利用三維掃描測量儀，準確快速地測量樣品表面數據或輪廓外形，加以點數據處理、曲面創建、三維實體模型重構，然后通過CAM系統進行數控編程，直至利用CNC加工機床或快速成型機來制造產品。

　　逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業領域的實際應用中，主要包括以下幾個內容：

　　(1)新零件的設計，主要用于產品的改型或仿形設計。

　　(2)現成零件測量及復制，再現原產品的設計意圖及重構三維數字化模型。

　　(3)損壞或磨損零件的還原，以便修復或重制。

　　(4)產品的檢測，例如檢測分析產品的變形，檢測焊接質量等，以及對加工產品與三維數字化模型之間的誤差進行分析。

　　逆向工程技術為快速制造提供了很好的技術支持，它已經成為消化吸收和二次開發的重要途徑之一。逆向工程技術主要包括兩方面內容：數字化技術和曲面重構技術。數字化技術是利用三維掃描測量儀采集實物或模型表面數據。曲面重建技術是根據測量所得到的幾何表面的一系列點數據，構造出型體曲線、曲面，最終重構三維模型。

　　逆向工程作為對已有產品進行數據測量擬合、分析、改進設計和實現新產品開發的一種重要手段，有效地加快了新產品響應市場的速度。逆向工程可以輸出快速原型制作及模具加工的多種數據格式，并支持不同用途。

　　二、水泵葉輪的三維數據測量

　　1.數據采集實施條件

　　隨著傳感技術、控制技術、圖像處理和計算機視覺等相關技術的發展，出現了各種各樣的物體表面幾何數據獲取方法，檢測設備為產品三維數據的獲取提供了硬件條件。目前，使用較多的有德國、英國、意大利、美國等國家生產的三維掃描儀和三坐標測量機。從測頭結構原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種。其中，接觸式測量又可分為硬測頭和軟測頭，這種測頭與被測物體直接接觸，獲取數據信息，比較常用的是三座標測量機(CMM)。非接觸式測量可分為光學法、工業CT、超聲波法和磁共振(MRI)等。在逆向工程中，光學測量法應用最為廣泛。典型的光測頭是運用光學與激光的原理，包括激光掃描、光學掃描。

　　2.光學掃描儀在曲面掃描中的優勢

　　實物的三維離散采樣速度及數據質量是影響逆向工程技術應用的重要因素之一。三坐標測量機(CMM)是一種較為成熟的接觸式測量設備。它具有噪聲低、精度高(可達±0.5μm)、重復性好等優點。它的缺點包括測量速度慢、效率低;對軟體對象難以做精密測量;需要對測頭表面損傷和測頭半徑進行補償等。測量數據的特點是高精度低密度。

　　由于近年在分區域測量技術上的突破，使得投影光柵法的測量精度得到進一步的提高。比如說德國GOM公司的ATOS流動光學三維掃描儀，測量速度大于43000點/s，單幅照片可掃描點數最大可達400,000個點，單幅照片精度為±0.03mm，整體測量精度小于0.1mm/m。光學掃描儀尤其便于復雜曲面的掃描，而CMM只能測量復雜曲面上有限的點，不能完整反映出曲面的形狀。雖然其測量單點精度較高，但用有限的點去描述復雜曲面反而使整體精度大大降低，而光學掃描儀則恰恰相反。另外，光學掃描儀還具有測量范圍大、攜帶方便等優點。ATOS光學掃描儀配合高分辨率數碼照相系統使掃描范圍可達8m×8m甚至更大，并且可以很方便地移動到實物現場工作。它不僅適于復雜輪廓的掃描，而且常用于汽車、摩托車內外飾件的逆向造型工作。

　　筆者在此采用德國GOM公司的ATOS光學掃描儀(ATOS I 600 EU)進行數據采集，測量精度為0.1mm/0.5m。掃描方式：光柵原理及GPS定位原理。ATOS掃描儀在測量時，可隨意圍繞被測物體移動，利用十一幅不同寬度的光柵反射信息，再經數據影像處理系統計算處理，即可得到實物表面點數據。

　　3.水泵葉輪掃描的前期準備工作

　　為了方便葉輪掃描和保證掃描的精確性，需對葉輪做必要的前期準備，如貼參考點、物體表面噴涂顯像劑和儀器與軟件校準等。

　　4.水泵葉輪掃描過程

　　葉輪的整個外形都需要掃描，因此無法完成對葉輪的一次性掃描。根據葉輪的形狀，如圖1所示，把零件分成上、下兩部分，分別進行掃描。然后再在ATOS軟件中，通過公共參考點把分別掃描所得的兩個文件合并為一個整體。

　　圖1 水泵葉輪實物照片

　　葉輪外形大致尺寸為φ370×85。在對ATOS掃描系統進行校準后，就可以對水泵葉輪上下部分多個角度的不同方位進行掃描。掃描軟件依據參考點，把每幅掃描照片自動進行拼合，最終完成整個葉輪外形的掃描。圖2為掃描完成后，經過點云對齊、三角化、光順和稀化，得到的葉輪外形點云文件。接下來輸出*.STL文件，以便Imageware軟件對點云進行后序處理。

　　圖2 ATOS掃描儀掃描的水泵葉輪原始點云

　　三、用Imageware和UG NX對點云進行處理及三維重構

　　首先要確定葉輪基本形狀的曲面類型，然后采用 Imageware軟件來做逆向處理，處理數據的流程遵循“點——曲線——曲面”的原則。

　　1.用Imageware軟件對點云數據進行處理

　　Imageware軟件調入掃描所得點云文件，并依據點云的特征，做出一些輔助的基準，以便把葉輪點云進行方位對齊，為提取截面線做準備。

　　葉輪的點云數據中含有許多雜點，因此需把雜點過濾掉。并對點云數據進行優化，刪除不必要的數據點。適當降低點云的密度，可以加快計算機處理的速度。

　　(1)特征線的提取

　　特征線的提取是整個曲面重構的關鍵。根據葉輪外形特點，劃分出二次曲面的區域，如：平面、圓柱面、球面等。并對葉輪點云進行分割，把這些二次曲面擬合構造平面、圓柱面或球面，或直接做出特征。平面可以用三點或兩相交直線來確定，圓柱面則以截面線和矢量來確定。對于自由曲面，需構造出曲面的特征線。先對葉輪點云做出必要截面線，然后剔除截面點云的雜點進行必要的光順，最后把截面點云擬合成曲線，以便構造自由曲面。

　　葉輪與軸連接部位是內螺旋槽，在測量時十分困難。在此，關鍵是做出螺旋線，然后測量出螺距，最后在UG NX軟件中構造標準的螺旋線。首先以孔的中心為圓點作一個圓并投影在螺旋面點云上，產生螺旋截面線點云，擬合產生螺旋線，最后通過裁剪螺旋線得到半圈的螺旋線，通過兩頭端點計算得出螺旋線的螺距為29.86mm。為了使求得的螺距更加精確，我們可多做幾個大小不同的圓，求其平均值。

　　(2)特征線分析

　　為了確保重構特征線的精度，在任何一條特征線的構建過程中，都要隨時檢測點云和曲線之間的偏差。確保特征線在偏差允許范圍內，以保證與原型的一致性。螺旋線偏差分析結果如圖3所示。

　　圖3 特征線的偏差檢測

　　2.用UG NX軟件構建曲面模型

　　在UG NX軟件中直接讀取Image ware軟件的*.IMW格式的文件，把在Imageware中構建好的特征曲線導入到UG NX中，并且要保證坐標系的一致性。對調入的曲線進行分析，并對曲線進行光順處理，或對曲線進行重構和編輯。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，反過來可以把利用UG NX軟件重構的三維模型讀入Imageware軟件中，比較分析最終重構的三維模型和掃描的點云之間的偏差。通過用彩色云圖將差異顯示出來，很直觀地就可以了解到曲面與點云之間的差異值，并且可以指定一個可接受的公差帶，求出在公差帶內點的數量，從而檢測逆向掃描測量的精確性。分析結果如圖5所示。

　　圖5 三維模型和實測點云的檢測圖

　　四、利用逆向工程進行產品檢驗

　　不論用何種方法加工，都需要對其加工精度進行檢驗。利用傳統的檢測手段很難準確檢測，因此同樣可利用逆向工程技術對零件進行準確、高效率的檢測。

　　如同上述方法首先對加工零件進行掃描，然后把掃描所得的點云和原始設計的三維數字模型一起調入逆向工程軟件Imageware中，分析比較二個模型間的偏差，用彩色云圖將差異顯示出來，從而檢測零件的加工精度。逆向工程技術不但在單件加工上可以很方便地對復雜零件進行檢測，而且在批量生產和流水化生產中對產品的抽檢也顯得十分方便。如注塑件手機的外殼，就可以利用逆向工程技術很快地完成檢測工作。

　　五、小結

　　逆向工程技術在產品研究開發中是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術。利用光學掃描儀作為獲取空間三維數據的手段，用逆向工程軟件Imageware對獲取的點云數據進行處理，其難點為曲線的構建、檢測和修改。而只有滿足曲線光順，曲面才能光順。曲面與點云的吻合精度主要靠關鍵特征線的提取和構建精度來保證。

　　采用逆向工程技術，不僅能夠得到實物的精確數字模型和復制品，而且還可以進一步修改并生成新的數學模型和產品工程圖，從而使產品的消化吸收和二次開發工作準確快捷。不但縮短了產品開發周期，而且提高了產品創新的成功率。