摘 要

第三次全球工业科技革命方兴未艾，我国在迈向“中国制造2025”的道路上不断前行。逆向工程技术的运用在激烈竞争、不断创新的全球制造行业和工业产品设计领域发挥着越来越独特的作用。在计算机辅助设计(Computer Aided Design，CAD)和计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing，CAM）设计技术中，逆向工程逐步成为一个重要的应用模块。逆向工程技术的运用，能够显著减少从设计到加工制造的时间间隔，从而可以提高相关商品在商业市场的竞争力。逆向工程技术的运用可以缩短产品的研发时长、降低开发费用，通过对现有的先进技术去粗取精，理解消化后进行创新、改进，并实现再开发。以站在巨人肩膀上的方式提高速度迈向“中国制造2025”的宏伟目标。

本文通过介绍逆向工程的概念、特点和工作过程，以小比例汽车模型及其零部件为例，运用Reeyee三维扫描仪，通过非接触式光学测量手段，测量BMW X6和兰博基尼LP-700以及一个小型棘轮的小比例实体模型获得原始点云数据；将获得的点云数据进行降噪、删杂、拼接等预处理后生成STL文件并导入3ds Max软件中，以曲线曲面原理为基础通过放样、扫掠、拼块等手段对点云数据进行曲面重构，并根据二次开发的需求，大胆创新，最终获得可用于投入生产制造的实体模型。之后把实体模型导入Auto CAD软件中，可以生成二维工程图。

关键词：逆向工程；三维扫描仪；点云数据；实体模型

Abstract

The third global industrial and technological revolution is just around the corner. Our country is moving forward on the road to “Made in China 2025”. The use of reverse engineering technology is playing an increasingly unique role in the fierce competition, continuous innovation of the global manufacturing industry and industrial product design. In Computer Aided Design (CAD) and Computed Aided Manufacturing (CAM) design techniques, reverse engineering has gradually become an important application module. The use of reverse engineering technology can significantly reduce the time interval from design to processing and manufacturing, which can increase the competitiveness of related products in the commercial market. The use of reverse engineering technology can shorten the research and development time of products, reduce development costs, and refine the existing advanced technologies, understand and digest, innovate and improve, and realize redevelopment. To stand on the shoulders of giants to increase speed to the grand goal of “Made in China 2025”.

This article introduces the concept, characteristics and working process of reverse engineering. Taking a small proportion of automobile models and their components as examples, Reyee 3D scanners are used to measure the BMW X6 and Lamborghini LP-700 and a small one by means of non-contact optical measurement. The ratchet's small-scale solid model obtains the original point cloud data; the STL file is generated after the preprocessing of noise reduction, deletion, and splicing of the obtained point cloud data, and is imported into the 3ds Max software, based on the principle of curve and surface, through the setting out and sweeping. Sweeps, blocks, and other means to surface reconstruction of point cloud data, and based on the requirements of secondary development, bold innovation, and ultimately obtain a solid model that can be used for production and manufacturing. After importing the solid model into Auto CAD software, a 2D engineering drawing can be generated.

Key words：reverse engineering; three-dimensional scanner; point cloud data; solid model

目 录

第1章 前言 1

1.1. 逆向工程概述 1

1.2. 国内外逆向工程研究现状 2

1.1.1. 国外研究现状 2

1.1.2. 国内研究现状 2

第2章 产品模型数据获取 3

2.1. 主要测量方法 3

2.1.1. 接触式测量 3

2.1.2. 非接触式测量 4

2.2. 三维扫描仪比较 4

2.3. 威步三维Reeyee扫描仪 5

2.3.1. 三角测量法原理 5

2.3.2. 扫描仪技术参数 7

2.3.3. 三维扫描仪特点 7

2.3.4. 三维扫描仪应用领域 8

第3章 逆向设计软件 9

3.1. 专业逆向工程软件 9

3.1.1. Imageware 9

3.1.2. Geomagic Studio 9

3.1.3. CopyCAD 9

3.1.4. Rapid Form 9

3.2. 3ds Max软件介绍 10

第4章 曲线及曲线重构 11

4.1. 曲线及曲面的表示 11

4.2. 点云数据处理 11

4.3. 曲线及曲面重构方法 12

4.3.1. 直纹曲面重构 12

4.3.2. 放样曲面重构 13

4.3.3. 扫掠曲面重构 13

4.3.4. 桥接曲面重构 14

第5章 逆向设计实践 15

5.1. 三维扫描仪准备 15

5.1.1. 组装 15

5.1.2. 标定 16

5.2. 扫描模型 17

5.3. 数据预处理 18

5.4. 数据输出 19

5.5. 曲面重构 20

5.6. 生成二维图 20

第6章 总结与期望 22

6.1. 总结 22

6.2. 期望 22

参考文献 23

致 谢 24

前言

逆向工程概述

传统意义上的工业产品设计开发，研发人员对其普遍认识是一个“从零开始、无中生有”的过程，研发人员以产品要满足的使用场景、功能为基础，从而确定产品的外观、使用机能和大致设计参数，接着通过工业设计应用程序构建与之对应的三维实体模型，再将此实体模型投入到加工制造过程中，以此来实现产品研发设计制造的整个流程，这样的设计流程被称之为产品的正向设计^[1]。显然，一个“从零开始”的研发过程具有较大困难、耗时长、费用高等特点，从而限制新产品的研究开发。

因此，一种反其道而行之的全新设计方法——逆向工程，在新工业产品的研发中被采用。在飞机、汽车、船舶等交通工具和工艺品、模具等行业的设计研发中，这些产品通常是由繁杂的自由曲面拼合组成，因此正向设计过程中很难用严格、前后一致的设计语言来表达。这时，可以采用比照现有已知的实体模型，运用逆向工程来反求产品设计参数。

逆向工程实质是采用对现有产品的性状、功能、运行方式进行解构研究的方法，实现一种功能相近，但又不完全一样的新产品过程^[2]。逆向工程技术可以被称为“扬弃”的过程，通俗来说，逆向工程就是根据现有已知的实体模型，反求出新产品技术参数、设计图纸或实体的过程；使用三维数字扫描仪对现有已知的产品迅速、精确地测量出产品的轮廓尺寸坐标，并生成点云数据后进行曲面重构、编辑、修改，从而得到准确的实体模型，将数据发送至CAD/CAM系统，进一步得到刀具的加工路径并发送至CNC数控机床系统，以此来得到相应的模具，或者发送至3D快速成型机得到样品模型。逆向工程在某种程度上类似于所谓的“仿造”；毫无疑问，在努力向“中国制造2025”进发的今天，逆向工程正在大显神威。