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逆向工程基本步骤与关键技术

逆向工程基本步骤

逆向工程基于实物原型进行产品创新设计需要经过数据获取、建模方案制定、数据预处理、特征提取、CAD建模、创新设计及产品制造等步骤，具体内容如图 1 所示。

图1 逆向工程步骤

逆向工程的关键技术

数据获取

数据获取是逆向工程CAD建模的首要环节。根据测量方式不同，数据采集方法可分为接触式和非接触式测量两大类。接触式测量通过传感器侧头与样件的接触而记录样件表面点的坐标位置，例如三坐标测量机(CMM)和机械手等，此类测量方法测量精度高、成本低，但效率比较低；非接触式测量主要是基于光学、声学、磁学等基本原理，将一定的物理模拟量通过适当的算法转换成样件表面的坐标点，如三维激光测量仪、工业CT扫描等，此类测量方法效率高，但成本较高，且一般没接触式测量精度高。

建模方案制定

建模方案是在对逆求工程建模目的、建模方法及重建模型评价指标进行分析的基础上，确定产品数字化模型重建的总体思想和路线。逆向工程CAD建模方案制定的一般流程如图 2 所示。

图2 逆向工程CAD建模方案制定一般流程

数据预处理

数据预处理是逆向工程CAD建模的关键环节，它的结果将直接影响后续曲面重建的质量和效率。此过程包括多视拼合、噪声处理和数据精简等。

多视拼合又称为坐标统一，其任务是将多次装夹获得的测量数据融合到统一坐标系中。常用的方法主要有点位法、固定球法和平面法等，不过目前许多测量设备都具有多视拼合的功能，也即在测量阶段即可完成多视拼合处理。

在测量过程中将不可避免的受到各种环境条件和人为因素等的影响，使得测量的数据不连续或出现噪声点，因此有必要对数据进行降噪处理，以降低或消除对后续建模质量的影响。最常用的降噪处理方法为平滑滤波，通常采用高斯、平均或中值滤波来完成。

随着现代测量技术手段和设备的不断发展，以高效率、高精度为特点的高精细测量技术已成为实体模型外形数据采集的主要方法，但是采样点集往往具有海量的规模，而且包含大量的冗余数据，给数据处理及曲面重建等操作带来很大的不便。因此在保证点云型面特征、拓扑关系不变的情况下需要按照一定的要求减少测量数据的数量，从而完成数据的精简处理。

特征提取与曲面重建

逆向工程CAD建模需要尽量还原产品的原始设计参数以满足产品的机械性能、力学性能、动力学性能或美观性能等要求，因此就需要基于测量数据提取产品特征设计参数，并进行特征重构和特征运算，进而完成产品的数字化模型重建。在逆向工程中，产品表面往往无法由一张曲面进行完整描述，而是由多张曲面组成，因为必须将测量数据分割成属于不同曲面片的数据子集，然后对各个子集分别进行特征提取进而完成曲面模型的构造。

曲面重建是逆向工程CAD建模的核心环节，其目的是要构造出能满足精度要求和光顺性要求，并与相邻曲面光滑拼接的曲面模型。根据曲面拓扑形式的不同，可将曲面重建方法分为两大类：基于矩形域曲面的方法和基于三角域曲面的方法。逆向工程中的特征曲面主要有解析曲面、拉伸曲面、旋转曲面、扫描曲面、放样曲面、张量积曲面、多边形域补曲面及过渡曲面等。