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(shí)物或模型進(jìn)行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法，重構(gòu)實(shí)物的CAD模型，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計與制造的過程。與傳統(tǒng)的設(shè)計制造方法不同，逆向工程是在沒有設(shè)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(zhǔn)確快速地測量樣品表面數(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，主要包括以下幾個內(nèi)容：

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1、新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或仿形設(shè)計。

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2、現(xiàn)成零件測量及復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖及重構(gòu)三維數(shù)字化模型。

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3、損壞或磨損零件的還原，以便修復(fù)或重制。

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4、產(chǎn)品的檢測，例如檢測分析產(chǎn)品的變形，檢測焊接質(zhì)量等，以及對加工產(chǎn)品與三維數(shù)字化模型之間的誤差進(jìn)行分析。

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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)是利用三維掃描測量儀采集實(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、曲面，最終重構(gòu)三維模型。

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逆向工程作為對已有產(chǎn)品進(jìn)行數(shù)據(jù)測量擬合、分析、改進(jìn)設(shè)計和實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品開發(fā)的一種重要手段，有效地加快了新產(chǎn)品響應(yīng)市場的速度。逆向工程可以輸出快速原型制作及加工的多種數(shù)據(jù)格式，并支持不同用途。

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二、水泵葉輪的三維數(shù)據(jù)測量

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1、數(shù)據(jù)采集實(shí)施條件

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隨著傳感技術(shù)、控制技術(shù)、圖像處理和計算機(jī)視覺等相關(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、英國、意大利、美國等國家生產(chǎn)的三維掃描儀和三坐標(biāo)測量機(jī)。從測頭結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)信息，比較常用的是三座標(biāo)測量機(jī)(CMM)。非接觸式測量可分為光學(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)測量法應(yīng)用最為廣泛。典型的光測頭是運(yùn)用光學(xué)與激光的原理，包括激光掃描、光學(xué)掃描。

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2、光學(xué)掃描儀在曲面掃描中的優(yōu)勢

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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)測量機(jī)(CMM)是一種較為成熟的接觸式測量設(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(jìn)行補(bǔ)償?shù)?。測量數(shù)據(jù)的特點(diǎn)是高精度低密度。

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由于近年在分區(qū)域測量技術(shù)上的突破，使得投影光柵法的測量精度得到進(jìn)一步的提高。比如說德國GOM公司的ATOS流動光學(xué)三維掃描儀，測量速度大于43000點(diǎn)/s，單幅照片可掃描點(diǎn)數(shù)最大可達(dá)400,000個點(diǎn)，單幅照片精度為±0.03mm，整體測量精度小于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到實(shí)物現(xiàn)場工作。它不僅適于復(fù)雜輪廓的掃描，而且常用于汽車、摩托車內(nèi)外飾件的逆向造型工作。

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德國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(jīng)數(shù)據(jù)影像處理系統(tǒng)計算處理，即可得到實(shí)物表面點(diǎn)數(shù)據(jù)。

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3、水泵葉輪掃描的前期準(zhǔn)備工作

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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(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。

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4、水泵葉輪掃描過程

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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(jù)葉輪的形狀，把零件分成上、下兩部分，分別進(jìn)行掃描。然后再在ATOS軟件中，通過公共參考點(diǎn)把分別掃描所得的兩個文件合并為一個整體。

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葉輪外形大致尺寸為φ370×85。在對ATOS掃描系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，就可以對水泵葉輪上下部分多個角度的不同方位進(jìn)行掃描。掃描軟件依據(jù)參考點(diǎn)，把每幅掃描照片自動進(jìn)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(jīng)過點(diǎn)云對齊、三角化、光順和稀化，得到的葉輪外形點(diǎn)云文件。接下來輸出*.STL文件，以便Imageware軟件對點(diǎn)云進(jìn)行后序處理。