工程训练·工程实践--逆向工程技术及其应用

作为消化、吸收先进技术的一种手段，需要将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统（Rapid Prototyping，RP）、计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）系统、产品数据管理（Product Data Management，PDM）等先进技术对其进行处理和管理，并进行进一步修改和再设计优化。此时，就需要一个一体化的解决方案：从样品到数据再到产品。逆向工程就专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际产品/模型到几何模型的直接转换。逆向工程技术作为产品设计制造的一种手段，在20世纪90年代初开始引起各国工业界和学术界的高度重视。从此以后，有关逆向工程技术的研究与应用就一直受到政府、企业和个人的关注，特别是随着现代计算机技术及测量技术的发展，利用CAD／CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为CAD／CAM领域的一个研究热点，并成为逆向工程技术应用的主要内容。
逆向工程技术现已广泛地用于产品的复制、仿制、改进及创新设计。利用逆向工程技术，可以直接在已有先进的国内外产品基础上进行结构性能分析、设计模型的重构、再设计优化与制造，吸收并改进国内外先进的产品和技术，极大地缩短产品开发周期，更重要的是可以快速赶上世界先进生产技术水平，有效地占据市场，领导技术前沿。
现代逆向工程技术除广泛应用在汽车工业、航空航天工业、机械工业、消费性电子产品等几个传统应用领域外，也开始应用于立体动画、多媒体虚拟实境、广告动画、文物及艺术品的仿制与破损的修复等领域。另外，在医学科技，如人体中的骨头和关节等的复制、假肢制造、人体外形量测、医疗器材制作等方面，也有其应用价值。
当前，企业界对逆向工程技术人员的需求量越来越大，而目前国内有关逆向工程技术及实际应用的书籍较少，本书正是针对这种状况而编写的。本书按逆向工程工作流程首先讲述了逆向工程数字化测量系统与方法、点云数据预处理、三维模型重构、逆向工程系统等，使读者清楚了解逆向工程技术实施的路线、关键技术，为全面应用打下坚实的基础。然后重点讲解了著名逆向工程软件Imageware，这部分内容从实用角度出发介绍了Imageware一般流程、功能模块、常用命令、曲线曲面基础、对齐与定位、大量典型范例与实用技巧，最后以汽车仪表板为综合实例讲述了汽车仪表板的逆向工程开发过程。
本书突出逆向工程应用性人才工程素质培养要求，系统性、实用性强，是作者从事逆向工程实施与应用的经验总结。本书可作为高等院校理工科本科生、高等职业技术学院的专门人才的教材、培训教程或参考书，同时可作为广大从事逆向工程方面的技术人员的自学参考书。
本书由王霄主编，刘会霞、梁佳洪副主编。其中，第1章、第3～5章由王霄编写，第2章、第6～8章由刘会霞编写，第9～12章由梁佳洪编写。全书由蔡兰主审。
本书编写过程中得到了台湾马路科技顾问有限公司陈文贤、萧伟镇、章金星、李荣华先生及宝力机械有限公司（上海）唐建树先生的大力支持，并提供了相关的技术资料。研究生吴勃、邓志华、刘东雷、朱显锋为本书做了许多辅助工作。化学工业出版社的有关工作人员也对本书出版做了大量工作，在此一并向他们表示衷心感谢。
由于时间紧迫，水平与经验有限，书中难免有不足之处，恳请读者不吝赐教。

编者
2004年5月

本书首先讲述了逆向工程的内涵及应用领域、逆向工程测量系统与方法、点云数据预处理、三维模型重构、逆向工程系统等逆向工程理论基础，然后重点讲解了著名逆向工程软件Imageware，主要内容有：Imageware一般流程、功能模块、常用命令、曲线曲面基础、对齐与定位以及大量典型范例与实用技巧，最后以汽车仪表板为综合实例讲述了汽车仪表板的逆向工程开发过程。本书突出逆向工程应用性人才工程素质培养要求，系统性、实用性强，是作者从事逆向工程实施与应用的经验总结。

第一章绪论1
第一节概述1
第二节逆向工程的定义1
第三节逆向工程的工作流程2
第四节逆向工程的应用领域3第二章逆向工程测量系统5
第一节概述5
第二节接触式测量6
一、三坐标测量机的原理6
二、三坐标测量机的组成7
三、三坐标测量机的分类9
四、三坐标测量机的测头10
五、测量过程12
六、实物分解15
七、测量误差的影响因素16
八、接触式测量的优、缺点17
第三节非接触式测量18
一、非接触式测量的分类18
二、ATOS激光扫描测量系统23
三、非接触式测量的优、缺点25
第四节数据测量的各种方式的比较26
第五节数据测量的误差分析26
第六节小结28第三章数据预处理29
第一节概述29
第二节多视点云的对齐29
一、对齐问题的提出30
二、基于三基准点的对齐方法32
三、多视数据对齐的误差分析36
第三节数据平滑、精简及误差点的识别和去除38
一、误差点的识别和去除38
二、数据平滑41
三、数据精简42
第四节数据分块47
一、数据分块方法47
二、散乱数据的自动分割49
第五节小结53第四章三维模型重构54
第一节绪论54
第二节曲线、曲面数学模型55
第三节曲线拟合造型56
一、曲线拟合（插值与逼近）概念57
二、参数曲线、曲面插值与逼近57
三、B样条曲线插值与逼近62
四、曲线编辑66
五、基于曲线的曲面重构66
第四节曲面片直接拟合造型67
一、基于有序点的B样条曲面插值67
二、B样条曲面逼近71
三、对任意测量点的B样条曲面逼近72
四、曲面编辑79
第五节模型质量评价79
一、参数曲线的几何连续性定义80
二、参数曲面的几何连续性定义81
三、曲线、曲面光顺评价和处理81
第六节小结83第五章逆向工程系统84
第一节概述84
第二节逆向工程系统框架84
一、逆向工程系统的特点84
二、逆向工程系统框架85
第三节逆向工程系统86
一、数字化及数据处理子系统86
二、模型重建子系统88
三、产品制造子系统94
第四节逆向工程系统与产品创新98
第五节基于逆向工程的产品快速开发99第六章Imageware及逆向一般流程103
第一节Imageware简介103
第二节Imageware模块103
一、基础模块104
二、点处理模块104
三、曲线、曲面模块104
四、多变形造型模块104
五、检验模块105
六、评估模块105
第三节Imageware数据处理流程105
一、点处理过程106
二、曲线创建过程108
三、曲面创建过程110
第四节逆向工程的要求111第七章Imageware常用命令113
第一节Edit菜单113
第二节Create菜单114
第三节Construct菜单115
第四节Modify菜单126
第五节Evaluate菜单135第八章Imageware曲线、曲面基础138
第一节曲线建构与分析138
一、曲线的基本元素138
二、曲线创建139
三、曲线编辑145
四、注意点150
第二节曲面建构与分析151
一、曲面元素151
二、常用功能152
三、具体用法152
四、小结179第九章对齐与定位181
第一节引言181
第二节配对定位的形式182
一、点对正183
二、线对正184
三、方向对正184
四、向线对正184
五、定线对正184
六、平面对正184
第三节几项常用的功能184
一、点对点式对齐184
二、最佳拟合式对齐186
三、逐步模式定位（Stepwise Registration）188
四、混合式对齐（Mixed Mode Registration）196
五、SPT模式定位（SPT Registration）197
六、编辑定位动作199第十章范例201
第一节车座201
一、查看点云信息201
二、求解对称面，将点云摆放在基准面上202
三、边界线的创建205
四、中间控制曲线的创建212
五、中间架构线的创建212
六、曲面的创建214
七、小结218
第二节手柄219
一、查看点云信息219
二、底部曲面的创建219
三、顶部曲面的生成221
四、创建中间曲面223
五、过渡曲面的建立225
六、小结227
第三节鞋楦227
一、鞋楦底面的构建227
二、侧边和底部曲面的架构线的建立234
三、侧边和底部曲面的重构238
第四节车身A级曲面243
一、侧围面的生成244
二、构建曲线249
三、创建轮舱凸缘曲面252
四、小结258
第五节手机258
一、点云信息258
二、上、下表面的建立259
三、周边曲面的创建263
四、按钮和屏幕的创建270
五、天线的创建283
六、最终模型286第十一章实用技巧287
第一节不规则边界曲面的处理287
一、三角面的处理287
二、五边面的处理296
三、六边面的处理297
四、小结297
第二节对称零件的处理298
一、对称产品重建的方法298
二、对称平面特征重建304第十二章汽车仪表板的逆向设计308
第一节前期准备308
第二节数据获取308
第三节数据预处理309
第四节曲面重构311
第五节三维结构设计318
第六节小结319参考文献320