第1篇 基础入门篇

第1章 逆向工程概述

作为本书第1章，将首先对逆向工程的理论知识进行介绍，引导读者快速入门。

1.1 逆向工程的定义

逆向工程技术是相对于传统的正向工程技术而言的。传统的正向工程是先由设计者进行产品的二维或三维图纸设计，然后根据二维或三维图纸进行实际物体的制作或生产，但在机械工业中，有时为了更好地体现产品外形，设计者往往把所设计构思的外形做成模型进行推敲；不仅如此，有时设计者获得上游的信息也只是实物，而非图纸。为适应现代先进制造技术的发展，设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术。

从广义讲，逆向工程是用于消化、吸收先进技术的一种技术组合，它是一门跨学科、跨专业的复杂的技术。广义的逆向工程主要分为以下3类。

● 实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从而再创造；其中包括功能、性能、方案、结构和材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。

● 软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有3类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。

● 影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。

通常我们所讲的逆向工程主要是指几何形状的逆向，即实物的CAD重建，称为“逆向工程”。在这种意义下，所谓逆向工程技术（Reverse Engineering），是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。

1.2 逆向工程软件介绍

对于逆向工程，可选用的软件有3种类型：第1种选择类型是基于正向的具有逆向功能的CAX软件，如Pro/E、CATIA等；第2种选择类型是选用专用逆向软件，如Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD等；第3种选择是专用逆向软件与基于正向的CAX相结合。

对于第1种类型，如CATIA、Pro/E等，由于开发商的重点不是逆向工程，导致在利用它们进行逆向工程时有如下缺点：功能众多，操作复杂，逆向功能弱，学习困难；但由于它们具有功能齐全，对产品从外形设计、结构设计、加工、管理到生产都能有一套完整的体系，能很好地对产品实施生命周期管理等优点，很多应用单位还是选择了这种类型。对于第2种选择，由于逆向软件针对性强，用途专一，在逆向工程领域不仅提供了强大的逆向功能，而且学习简单，逆向设计效率高，但用途单一，对于产品结构设计等方面不够灵活。所以一般单位常常会定位在第3种选择上，即利用高端CAD/CAM软件与逆向软件各自的优势，如Imageware进行产品的点云及外形逆向处理，利用UG进行产品的参数化结构逆向处理。这样的选择会对产品的逆向设计带来前所未有的快捷。唯一的缺点是对使用者的要求较高，需要掌握两种不同的工具。

目前在制造业比较流行的逆向软件主要有：Imageware、Geomagic Studio、CopyCAD、RapidForm和ICEM Surf等。下面分别对这5大逆向软件进行论述。

1.2.1 Imageware

Imageware软件的原名叫surfacer，是SDRC公司的产品，surfacer软件如图1-1所示。

Surfacer软件被美国EDS公司收购后，将其改名为Imageware并对原来的surfacer软件的界面及交互功能进行了重大的改进。Imageware软件是最著名的逆向工程软件，被广泛应用于汽车、航空、航天、消费家电及模具等设计与制造领域。该软件拥有广大的用户群，国外有BMW、Boeing、GM、Chrysler、Ford及Toyota等著名国际大公司，国内则有上海大众、上海交大、上海DELPHI及成都飞机制造公司等大企业。Imageware 12版的软件如图1-2所示。

Imageware在曲面上采用NURBS与Bezier混合技术，功能十分强大，易于应用，Imageware对硬件要求不高，可运行于各种配置的PC上，支持目前流行的Windows操作系统。

该软件最初主要被应用于航空航天和汽车工业，因为这两个领域不仅对空气动力学性能要求很高，而且对外形的光顺要求也很高，在产品开发的初始阶段就要认真考虑空气动力性。通常根据工业造型需要进行效果图设计，然后根据效果图制作出油泥模型，将油泥模型送到风洞实验室进行测量空气动力学性能，然后再根据实验结果对模型进行反复修改直到获得满意结果为止，如此所得到的最终油泥模型才是符合需要的模型。如何将油泥模型的外形精确地输入到计算机成为电子模型呢？这就需要采用逆向工程技术了。

由于汽车与飞机对于外形都有十分严格的要求，外形曲面需要达到A级曲面要求。Imageware软件具有强大的构造A级曲面的功能，因此被航空航天和汽车工业广泛应用。

随着科学技术的进步和消费水平的不断提高，其他许多行业中的逆向工程也开始对外形提高要求，纷纷采用Imageware软件进行产品的逆向设计，以便获得高质量的外形。

Imageware在三维检测、高级曲面、多边形造型及逆向工程方面提供了独特、综合的功能及工具，使它的应用范围从早期的概念开发直到产品及制造的检测。Imageware主要提供了以下几个模块，来完成三维检测、高级曲面、多边形造型及逆向工程方面的功能。

（1）基础模块

包含文件存取、数据接口、数据显示、操作控制及数据结构等内容。

（2）点处理模块

Imageware具有功能强大的点处理功能，可以非常好地处理大规模海量点云数据。点云数据的操作是逆向工程的首项任务，点云数据的处理对整个逆向工程非常重要。用户可以借助Imageware强大的点处理模块在大量的工具中进行选择，以完成清理、稀疏及检查点云的工作。点处理模块主要功能为：读取点云数据、点云数据抽样达到要求的密度、 整齐/排序点云、点云剖面、点云的全方位模型、增加点云和切割/修剪点云等。

（3）评估模块

评估模块主要完成定量评估及定性评估。

定量评估完成了连续性的精确数据反馈和数据的精确偏差量的反馈。如曲面间的G1连续的精确度。

定性评估主要完成模型美学质量的评估。有效的定性评估类型包括环境映像工具，即将图像包裹到零件表面以获得实际效果。图像通过环境及建筑物的数字化照片获得，软件中包含了大量的预先输入的环境样本。用这种方法可以在模拟的实际环境中观察模型，以取代昂贵的物理模型。除了环境映像外，也可以使用工具预先显示跨整个模型的光流线的情况。这种方法同样可以帮助你发现曲面片构造中细微的误差。定性评估对于工业设计及汽车设计这样要求高质量的行业而言有着绝对的需求。

（4）曲面模块

曲面模块提供了完整、强大的曲线和曲面的建立和修改功能。利用曲面模块提供的曲线和曲面建立功能不仅能够完成曲线的建立，曲面的扫掠、放样、圆角、翻边及偏置功能，还能完成高质量的使用更高阶次（到21次）的几何Bezier模型（汽车的ClassA曲面）。几何的编辑可以用多种方法实现。

曲面模块提供的曲线曲面修改功能能够直接通过手工或自动方式编辑曲线及曲面的控制点，使曲线、曲面满足任何形状及光顺度的要求。为了快速处理曲面之间的连续关系，Imageware曲面模块提供了功能强大的曲面匹配功能，允许将临近的曲面片在边界线或内部点上进行曲面位置、相切及曲率连续的处理，同时提供丰富的匹配选项以精确控制结果的几何模型。

（5）多边形造型模块

多边形造型模块对三角形数据的处理提供了完美的支持，利用多边形造型模块可以方便地生成或编辑小平面模型。多边形造型模块提供了以下功能：由密集的点云建立多边形、修补多边形网格、偏置多边形用于包装、切割多边形数据剖面、通过布尔操作增加或减少多边形数据、快速加工应用、多边形雕刻及编辑、多边形可视化、快速物理样机准备及实验等。

（6）检验模块

检验模块提供了数字形状（尤其是复杂数字形状）与物理形状及物理样机的三维模型的检验。即可以实现点云与CAD模型、实际工件样机之间的模型比较。

Imageware软件的优势如下。

① 弹性的曲面创建工具：可以在一个弹性的设计环境里非常方便地直接从曲线、曲面、或点云数据创建曲面，支持Bezier和NURBS曲面两种方法。用户可以选择合适的曲面方法，通过结合两种方法的优点来获益。

② 动态的曲面修改工具：允许用户在交互的方式下动态地修改曲面，这样立刻就可以看到外形是否美观，思路是否符合工程观念。设计、工程分析和制造的标准都通过精心的构造过程考虑进去，所以当每次修改曲面时不需要再重新校核标准。

③ 实时的曲面诊断工具：可以提供诸如任意截面的连续性、曲面反射线情况、高亮度线、光谱图、曲率云图和圆柱形光源照射下的反光图等多种方法，在设计的任何时候都可以查出曲面缺陷。

④ 有效的曲面连续性管理工具：在复杂的曲面缝补等情况下，即使曲面进行了移动修改等操作，也能保证曲面同与之相连的曲面间的连续约束，避免了乏味的手工再调整过程。

⑤ 强大的处理扫描数据能力：根据扫描数据的形状及曲率变化可以将扫描数据分开，这样可以很快地捕捉产品的主要特征，并迅速建立各个相应曲面，避免了费事的分析和处理。

正是由于Imageware将以上高性能工具完整地集成到一起，使其在计算机辅助曲面检查、曲面造型及快速样件等方面具有其他软件无可匹敌的强大功能，使它当之无愧地成为逆向工程领域的领导者。

1.2.2 Geomagic Studio

Geomagic Studio是由美国Raindrop公司（现归在PTC的旗下）出品的逆向工程和三维检测软件，由于具有以下几个特点成为除了Imageware以外应用最为广泛的逆向工程软件。

● 可轻易地从扫描所得的点云数据创建出完美的多边形模型和网格，并可自动转换为NURBS曲面以确保完美无缺的多边形和NURBS模型；

● 处理复杂形状或自由曲面形状时，生产率比传统CAD软件高十倍；

● 自动化特征和简化的工作流程可缩短培训时间，并可以使用户免于执行单调乏味、劳动强度大的任务；

● 可与所有主要的三维扫描设备和CAD/CAM软件进行集成，能够作为一个独立的应用程序运用于快速制造，或者作为对CAD软件的补充。

Geomagic Studio 8.0软件的界面如图1-3所示。

Geomagic Studio主要功能包括：自动将点云数据转换为多边形（Polygons）、快速减少多边形数目（Decimate）、把多边形转换为NURBS曲面、曲面分析（公差分析等），以及输出与CAD/CAM/CAE匹配的文件格式（IGS、STL、DXF等）。

Geomagic Studio的主要优势为：

（1）简化了工作流程

Geomagic Studio软件简化了初学者及经验工程师的工作流程。自动化的特征和简化的工作流程减少了用户的培训时间，避免了单调乏味、劳动强度大的任务。

（2）提高了生产率

Geomagic Studio是一款可提高生产率的实用软件。与传统计算机辅助设计（CAD）软件相比，在处理复杂的或自由曲面的形状时生产效率可提高十倍。

（3）实现了即时定制生产

定制同样的生产模型，利用传统的方法（CAD）可能要花费几天的时间，但Geomagic软件可以在几分钟内完成，并且该软件还具有高精度和兼容性的特点。Geomagic Studio是唯一可以实现简单操作、提高生产率及允许提供用户化定制生产的一套软件。

（4）兼容性强

可与所有的主流三维扫描仪、计算机辅助设计（CAD）软件、常规制图软件及快速设备制造系统配合使用。Geomagic是完全兼容其他技术的软件，可有效地减少投资。

（5）曲面封闭

Geomagic Studio软件允许用户在物理目标及数字模型之间进行工作，封闭目标和软件模型之间的曲面。可以导入一个由CAD软件专家制作的表面层作为模板，并且将它应用到对艺术家创建的泥塑模型扫描所捕获的点。结果在物理目标和数字模型之间没有任何偏差。整个改变设计过程只需花费极少的时间。

（6）支持多种数据格式

Geomagic Studio提供多种建模格式，包括目前主流的3D格式数据：点、多边形及非均匀有理B样条曲面（NURBS）模型。数据的完整性与精确性确保可以生成高质量的模型。

1.2.3 CopyCAD

CopyCAD是由英国DELCAM公司出品的功能强大的逆向工程系统软件，它能允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD能够接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。CopyCAD 5.0软件如图1-4所示。

CopyCAD简单的用户界面允许用户在尽可能短的时间内能够快速掌握其功能，使用CopyCAD的用户将能够快速编辑数字化数据，产生具有高质量的复杂曲面。即使对于初次使用者也能做到这点。该软件系统可以完全控制曲面边界的选取，然后根据设定的公差能够自动产生光滑的多块曲面，同时，CopyCAD还能够确保在连接曲面之间的正切的连续性。

该软件的主要功能如下：

（1）数字化点数据输入

能输入CNC机床、三坐标测量机、激光扫描器和NC文件等数据。

（2）点操作

能够对点进行加减、删除、移动、隐藏及标记等操作。

能够为测量探针大小对模型的三维偏置进行补偿。

能够进行模型的转换、缩放、旋转和镜像等模型转换。

能够对平面、多边形或其他模型进行模型裁剪。

（3）三角测量

在用户定义的公差和选项内的数字化模型的三角测量。

（4）特征线的产生

边界——转换模型外边缘为特征线。

间断——为找到简单的特征（如凸出和凹下）而探测数据里的尖锐边缘，能够转换数字化扫描线为特征线。

输入的数据——能够从点文件中摘出多线条和样条曲线。

（5）曲面构造

① 通过在三角测量模型上跟踪直线产生多样化曲面。

② 在连接的曲面之间，用已存在的曲面定义带有选项的正切连续性的边界。

③ 使用特征线指导和加快曲面定义。

（6）曲面错误检查

① 比较曲面与数字化点数据。

② 报告最大限、中间值和标准值的错误背离。

③ 错误图形形象地显示变化。

CopyCAD软件的主要优势如下：

（1）强有力的CopyCAD反馈工程系统

允许从已存在的零件或实体模型中产生三维CAD模型。该软件为来自数字化数据的CAD曲面的产生提供了复杂的工具。CopyCAD接受来自坐标测量机床的数据，同时跟踪机床和激光扫描器。

（2）该软件提供了一种能从数字化数据产生CAD表面的综合工具

接受三坐标测量机、探测仪和激光扫描器所测到的数据，简易的用户界面使用户在最短的时间内掌握其功能和操作。CopyCAD用户可以快速编辑数字化数据，并能做出高质量、复杂的表面。该软件能完全控制表面边界的选择，自动形成符合规定公差的平滑、多面块曲面，还能保证相邻表面之间相切的连续性。

1.2.4 RapidForm

RapidForm是韩国INUS公司出品的全球著名的逆向工程软件之一，RapidForm提供了新一代运算模式，可实时将点云数据运算出无接缝的多边形曲面，使它成为三维扫描仪后处理的最佳接口。RapidForm也将使您的工作效率提升，使3D扫描设备的运用范围扩大，改善扫描品质。RapidForm 2004版软件如图1-5所示。

RapidForm主要功能为：3D扫描数据处理，多边形清除及编辑优化，曲线模拟与编辑，多边形到NURBS的转换、模拟与编辑，CAD到扫描和扫描到扫描比较，以及数据重建等。

RapidForm软件的优势在于：

（1）多点云数据管理界面

高级光学3D扫描仪会产生大量的数据（可达100 000～200 000点），由于数据非常庞大，因此需要昂贵的电脑硬件才可以运算，现在RapidForm提供记忆管理技术（使用更少的系统资源）可缩短处理数据的时间。

（2）多点云处理技术

可以迅速处理庞大的点云数据，不论是稀疏的点云还是高密度点云都可以轻易地转换成非常好的点云，RapidForm提供过滤点云工具及分析表面偏差的技术来消除3D扫描仪所产生的不良点云。

（3）快速点云转换成多边形曲面的计算方法

在所有逆向工程软件中，RapidForm提供一个特别的计算技术，针对3D及2D处理是同类型计算，软件提供了一个最快最可靠的计算方法，可以将点云快速计算出多边形曲面。RapidForm能处理无顺序排列的点数据和有顺序排列的点数据。

（4）彩色点云数据处理

RapidForm支持彩色3D扫描仪，可以生成最佳化的多边形，并将颜色信息映像在多边形模型中。在曲面设计过程中，颜色信息将完整保存，也可以运用RP成型机制作出有颜色信息的模型。RapidForm也提供上色功能，通过实时上色编辑工具，使用者可以直接对模型编辑自己喜欢的颜色。

（5）点云合并功能

多个点扫描数据有可能经手动方式将特殊的点云加以合并，当然，RapidForm也提供可以方便地对点云数据进行各种合并的快速方法。

1.2.5 ICEM Surf

ICEM Surf作为逆向工程软件中被广泛应用于构造A级曲面的专业建模软件，提供的工具能满足从美学设计人员到生产工程师等所有人的需求。ICEM Surf为构造高质量曲面提供了一种被称为虚拟建模技术的全新、高效产品开发方法。设计人员和工程师可以在屏幕上，动态进行设计工作，并可立即看到他们构想的美学形象和工程效果。ICEM Surf 2001如图1-6所示。

ICEM Surf的主要功能及优势如下：

（1）点云数据处理

ICEM Surf可以处理密集、整齐或随机的云状点资料。根据其他系统的要求，曲面模型可以在极短的时间内进行有序或无序（点云）数字化数据的反向处理。

（2）支持直接建模技术

ICEM Surf对设计和工程的更新周期进行优化。在创建原始形状后，用户可以通过直接建模、操纵曲面甚至直接处理扫描数据（点云），来集中精力完善形状。由于扫描数据或曲面可以被直接处理，所有特征都得到动态更新。使用ICEM Surf，用户可以获得所见即所得的效果。

（3）全局建模特征

通过使用ICEM Surf全局建模特征，整个模型细节能够以全交互和动态方式进行修改，为美学工程师提供了一个设计解决方案的交互式工具。通过特征建模技术，可以很容易地把设计从结构化曲面调整到要改进的美学表面。

（4）同步实时分析

能让用户在处理曲面时，从参考平面动态观察监视反射线、曲率或偏差。采用这些方法，可以得到高质量的曲面。

（5）渲染模块

ICEM Surf提供了高级渲染功能和逼真图像，为设计人员提供了一个逼真的模型视图，以便用于展示及设计评审。在继续几何体建模的同时，使用立体方式，把CAD模型进行3D形象化。

（6）全面的直接和标准接口

ICEM Surf为适合所有CAD/CAM系统，提供一套全面的直接和标准接口，用于与所有CAD系统简单地共享数据，其中可以与Pro/ENGINEER、CADDS、CDRS、Unigraphics和CATIA等软件轻松进行数据交换。

通过PTC的独特相关拓扑总线（ATB）协议与Pro/ENGINEER的自然集成，提供了与从ICEM Surf导出到Pro/ENGINEER的参数化几何体的全面关联。

（7）强大的A级曲面构造分析工具

ICEM Surf是一个高度致力于不规则形状的A级曲面的处理工具，通过其提供的曲面构造功能，大大简化了目前设计环境所要求的高品质曲面生产作业，同时也大幅缩短了整体设计时间。通过其提供的实时分析功能帮助制造业进行曲面评估来解决可行性问题。

1.3 逆向工程的硬件系统

逆向工程软件的发展离不开硬件系统的支持，硬件系统直接决定了整个逆向工程的发展，下面对逆向工程的硬件系统进行阐述。

1.3.1 硬件系统概述

在逆向工程中，三坐标测量机、激光扫描仪等设备作为逆向工程中的硬件是逆向工程实现的基础和关键，是逆向工程中最基本、最不可缺少的。三坐标测量机、激光扫描仪等设备直接影响到整个工程的效率和质量，如何快速地取得较佳的物体表面数据，一直是逆向工程中的一个主要研究内容。

为了更快、更准确地对实物进行测量，取得实物的三维数据，解决对实物对象测量问题。人们不断在研究、推出新的设备。现代技术的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。

目前根据测量头是否接触被测实物，逆向工程的硬件系统被分为两大类，即接触式与非接触式。根据测量头的不同，接触式又可分为触发式与连续式；非接触式按其原理不同，可分为光学式、非光学式。光学式又可分为三角形法、结构光法、视觉法、激光干涉法、激光测距法，以及图像分析法。非光学式包括CT法、MRI测量法、超声波法及层析法等。

在接触式数据采集系统中，通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径。

由于测头的限制，不能测量到被测零件的一些细节之处，不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，造成测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，测量的数据少从而不能真实地反映实体的形状。

非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。

非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23 000次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大。该方法主要用于对易变形的零件、精度要求不高的零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。

不同的测量对象和测量目的决定了测量过程和测量方法的不同，同时也确定了不同的逆向工程的硬件系统。在实际测量时，应该根据测量对象的特点及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，精度高；缺点是效率低、数据量小，不能适应形状复杂的对象。在对橡胶、油泥或超薄物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，能获取到“海量”数据，能适应复杂表面的数据获取，但设备成本较高。

综上所述，只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量，如利用三坐标可以精确地计算出位置要素（如同轴度、斜度等）；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下尽量采用接触式扫描测量；对易变形、精度要求不高、要求测量时间短、需要大量测量数据的零件进行测量时最好采用非接触式测量系统。

1.3.2 接触式测量三坐标机系统

三坐标机系统以其价格低、测量数据易于后续处理，以及测量精度高等优点被广泛用于逆向工程中。作为接触式数据采集系统的三坐标测量机具有以下优点：

（1）接触式探头发展已有几十年的历史，其机械结构及电子系统已相当成熟，有较高的准确性和可靠性。

（2）接触式测量的探头直接接触工件表面，与工件表面的反射特性、颜色及曲率关系不大。

（3）被测物体固定在三坐标测量机上，并配合测量软件，可快速准确地测量出物体的基本几何形状，如平面、圆、圆柱、球等。

缺点如下：

（1）为确定测量基准点面使用特殊的夹具，会导致较高的测量费用，不同形状的产品会要求不同的夹具，而使成本大幅度增加。

（2）球形探头容易因为接触力而造成磨损，所以为维持一定的精度，需要经常对探头进行校正。

（3）不当的操作很容易对工件表面造成损害，也对三坐标机造成损害。

（4）接触式数据测量是以探头逐点式进行测量的，因此测量速度很慢。

（5）对于一些内部部分，如果尺寸太小，不能容纳下探头的直径，则无法进行测量。

（6）对于三维曲面的测量，如果利用球头的探头，需要进行补偿，这样常常会带来补偿误差。

三坐标测量机触发式数据采集方法一般采用触发探头，触发探头又称为开关测头。当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受力变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。这便是三坐标测量机的测量原理。

常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头和压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。

1.三坐标测量机的分类

常见的三坐标测量机通常以机械结构的不同分为：桥式、龙门式、镗床式和悬臂式，如图1-7所示。

2.三坐标测量机的系统构成

对于一般三坐标测量系统，都是由4个子系统构成的。

（1）机械本体：在基础平台上运动的三维导向机构，完成X，Y，Z这3个方向的运动，构造出三坐标测量空间的框架，其上安装位移传感器。

（2）信号处理系统：完成位置检测及采集。记录安装在机械本体三维导向机构上的位移传感器的位置变化，处理显示X，Y，Z三维坐标值，同时接收测头的采样信号将测量点坐标显示并传送给数据处理系统。

（3）测头：采点装置，安装在机械本体上。随着三维导向机构的运动，可以将放置在三坐标测量空间中的零件表面上点的坐标位置采集下来。

（4）数据处理系统：接收位置检测和采集系统的采样点，根据测量要求，通过该对象的数学模型进行数据处理，按所需方式输出结果。

三坐标测量系统原理如图1-8所示。

下面是某公司生产的悬臂式三坐标系统构成，如图1-9所示。

其中信号处理系统的控制面板如图1-10所示。

其基本功能如下。

● X，Y，Z三轴坐标显示；

● X，Y，Z轴清零、置数；

● 公/英制转换；

● 分辨率转换；

● X，Y，Z轴计数方向转换；

● 测头采样点数N值显示；

● 最大采样点数N值置数；

● X与Y换轴；

● 测头置零（测头采样点为零点）；

● 测头采样允许/禁止；

● 测头采样点存储、编辑、观测；

● 标准RS-232接口，可与计算机通信。

在逆向工程中，三坐标使用的流程为：工件的固定→测量→数据处理，图1-11是利用三坐标系统（双机）对汽车模型进行测量的示例。

1.4 逆向工程设计流程与步骤

本节将详细介绍逆向工程设计流程与各个步骤。

1.4.1 逆向工程流程

在逆向产品设计中，我们可以把逆向设计分为两大类，即基于小平面模型（一般为三角面片），基于曲面（一般为NURB、BEZER曲面）和实体模型。

小平面模型通常是以三角形集合来表示物体外轮廓形状的几何模型，也称为三角面片模型。由于小平面模型仅仅记录物体表面的几何位置，结构非常简单，被广泛应用于模拟、分析和快速原型制造系统。

小平面模型还被用在一些用曲面或实体模型表达困难的情况，利用点云数据生成小平面模型却很容易实现如图1-12所示的雕刻外形。

由于小平面模型仅仅记录了物体表面的几何位置信息，没有任何表达几何体之间关系的拓扑信息，对于光顺度要求高的曲面及实体无法表达，对于后期的CNC加工、曲率及质心等分析带来不便，无法实现参数化设计，通常我们所设计的CAD模型均是基于曲面、实体的。在本书中，我们所讲的逆向设计，如果不特殊说明，均是基于曲面、实体的设计。

1.4.2 逆向工程设计步骤

概括地讲，逆向工程的设计流程可以分为3个步骤。

（1）收集信息及确定方案，进行数据测量

了解所测量对象的信息，如精度要求、材质的软硬、表面的光洁度及确定其需要的精度，根据所收集的信息确定方案，提出测量要求。根据提出的测量要求选择合适的测量方法，即选择机械三坐标测量机测量有序离散数据还是选择激光、数字成像的测量方式测量出大批无序的点云数据，如图1-13所示。

（2）分析及处理测量数据。

根据所测量的数据不同，选择合适的软件对点数据进行处理。数据的处理主要包括对点的对齐、去噪、平滑及取样等。对于点云数据为了后续的处理可能还要进行离散化处理，如图1-14所示。

（3）利用软件进行CAD数学模型设计及分析。

利用处理好的点数据，选择合适的CAD软件进行CAD数学模型设计，即建立三维（或二维，一般情况下是三维）数学模型，如图1-15所示。

1.5 逆向工程的应用领域

对于现代工业生产中，逆向工程已成为产品开发中不可缺少的一环，其应用领域主要包括以下几个方面。

（1）新产品的设计，主要用于产品的改型或新型设计。

为了研究上的需求，许多企业都会应用逆向工程协助产品的开发和研究，利用逆向工程可以直接在已有的国内外先进产品的基础上进行结构性能分析、优化设计、吸收及改进。这样，极大地缩短了产品开发周期，有效地占领市场。

在对产品外形的美学要求比较高的情况下，为方便评价其美学效果，设计人员常利用油泥等材料进行模型制作，如图1-16所示是汽车仪表板的油泥模型。利用逆向工程可以将设计人员制作的模型转化为三维CAD模型。

（2）已有零件的复制，再现原产品的设计意图。

在没有设计图或设计图不完整的情况下，对零件原形进行测量，形成零件设计图，再现原产品的设计意图。

（3）损坏或磨损零件的还原。

对于损坏或磨损零件，利用逆向工程的先进技术，不需要复制整个零件，只对受损部位进行过渡补面。

（4）数字化模型的检测。

检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较，如图1-17所示为对模型的比较。

（5）代替难用基本几何来表达的产品。

对于很多产品如浮雕，如果只是以正向设计的手段来重建这些物体的CAD模型，在精度、速度等方面都会异常困难，必须采用逆向工程，如图1-18所示是利用逆向工程构造的浮雕。

逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁的途径之一。

1.6 本章小结

本章主要对逆向工程的一些理论知识进行了介绍，通过本章学习，读者可以了解逆向工程的定义、逆向工程的设计软件及逆向工程的硬件系统，熟悉逆向工程设计流程和具体的应用领域，为后续的学习打下一定基础。