逆向设计及其检测技术

二维码索引表

项目一逆向工程技术概述1

任务一逆向工程技术基础认知1

任务二逆向工程技术应用了解6

项目训练与考核9

项目小结10

思考题10

项目二三维扫描与数据处理11

任务一三维扫描技术认知12

任务二焊枪外形的三维扫描18

任务三焊枪外形的三角网格结构数据

处理33

项目训练与考核43

项目小结43

思考题44

项目三坐标对齐与CAD数模重构45

任务一Geomagic Design X软件认知46

任务二数据对齐与逆向设计55

任务三焊枪外形的数模重构64

项目训练与考核88

项目小结88

思考题88

项目四Geomagic Control数据分析与

检测89

任务一Geomagic Control软件认知89

任务二板类零件Geomagic Control数据

分析与检测104

项目训练与考核125

项目小结126

思考题126

项目五VXinspect数据分析与检测127

任务一VXinspect软件认知127

任务二板类零件VXinspect数据分析与

检测138

项目训练与考核154

项目小结155

思考题155

项目六综合训练156

任务一自行车车灯的三维扫描和CAD

数模重构156

任务二箱体类零件的三维扫描和分析

检测195

项目训练与考核219

项目小结220

思考题220

参考文献221

本书从逆向设计及其质量检测技术应用需求出发，以焊枪、板类零件、自行车车灯、箱体类零件等典型产品的逆向设计为项目载体，依据产品的逆向设计和质量检测流程安排任务，在流程中体现设计任务，在任务中深化流程，结构体系清晰，便于学习和理解。 本书包括六个项目，每个项目由若干个任务构成。项目一介绍了逆向工程的概念、工艺路线、工作流程及逆向工程技术的应用领域；项目二介绍了数据采集的方法、三维扫描流程及HandySCAN 3D手持式三维激光扫描仪的使用，以焊枪为载体，进行外形三维扫描，并进行焊枪外形三角网格结构数据处理；项目三介绍了使用Geomagic Design X逆向设计软件进行坐标对齐与CAD数模重构的方法，并进行焊枪外形数模重构；项目四应用Geomagic Control软件进行板类零件的数据分析与检测，并创建检测报告；项目五应用VXinspect软件进行板类零件的数据分析与检测，并创建检测报告；项目六是综合训练，包含自行车车灯的三维扫描和CAD数模重构，以及箱体类零件的三维扫描和分析检测两个综合案例。同时，为增强表达效果，本书双色印刷，并设置彩色插页和二维码，辅助展示彩色图像和学习理解。 本书可作为应用型本科、高职高专等院校模具设计与制造、机械设计与制造、机械制造与自动化、工业设计等专业的教材，也可以作为从事逆向设计及质量检测技术工作人员的培训教材或参考用书。

在飞机、汽车、工艺美术品和模具等行业的设计和制造中，通常是由复杂的自由曲面拼接而成，因此在概念设计阶段难以用严密、统一的数学语言来描述。这些产品的初始模型是通过对事先制造出的木制或泥制模型来实现数字化产生的。近年来，逆向设计法在产品造型设计中形成并逐渐走向成熟。

由于产品造型的逆向设计有起点低、成本低、周期短、易改型、易创新等特性，自出现以来便受到了现代工业设计师的关注。该技术在下面几方面得到了广泛应用：

a．用于汽车、摩托车等具有较复杂曲面外型产品的修复与改型设计中；

b．用于设计与制造个性化的产品，如人体拟合、太空服装设计、假肢设计等；

c．根据客户样件进行模具设计时，该项技术可使自动化程度大大提高；

d．在样件缺少图形文件时，可用逆向设计来生成图形文件：

e．在快速原形制造中逆向设计可实现原形产品的快速准确建模并进行重新设计。

f．用于对产品模型进行运动模拟和仿真,代表软件：cmosmotion works；

h. 对产品模型的受力情况进行仿真,代表软件:cmosxpress；

g. 对注塑件进行注塑分析，代表软件：Mouldflow Plastics Insight、Solidworks moldflow xpress;

逆向设计的一般流程：

产品样件 →数据采集→ 数据处理CAD/CAE/CAM系统 → 模型重构 →制造系统→ 新产品。

在逆向设计的这些环节中，数据采集、数据处理、模型重构是产品逆向设计的三大关键环节。

逆向设计数据采集

数据采集(样件的表面数字化)是进行产品逆向设计的第一步。一般而言，数据采集有接触式与非接触式两种测量方式。

接触式测量根据测头的不同，可分为触发式和连续式。应用最广泛的接触式测量仪器是20世纪60年代发展起来的高效精密的三坐标测量机，它是有很强柔性的大型测量设备。接触式测量对物体的表面的颜色和光照没有要求，因此物体边界的测量相对精确，但对软质材料适应差且速度慢。

非接触式测量根据原理的不同，可以分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MR测量法、超声波法和层析法。通常使用非接触式测量在采集实物模型的表面资料时，采集速度快，可形成“点云”资料，缺点是精度较低而且对样件表面和光照有较高的要求。

逆向设计数据处理

数据处理的结果将影响模型重构的质量。在此阶段一般应进行数据预处理、数据分块、数据光顺、三角化、数据优化、多视拼合、噪声滤波、拓扑建立、特征提取等工作。

逆向设计模型重构

模型的重构也就是通常所说的逆向造型过程，重构的方案主要有三种，每一种都有不同的适用场合：

1)以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造法，

2)以三角Bezier曲面片为基础的曲面构造法；

3)以多面体面片为基础的曲面构造法。

在某些特定的历史阶段，有些国家往往参照其他国家原准机（而非自己国家自身产品）“设计”的“原准法”进行飞机的研制。这个过程，甚至是一个尺寸都不能改或不敢改的测绘仿制。多数情况下没有图纸、只有实物，由实物反推图纸、反推设计、反推需求。

那是一个充满了执果索因的逆行之旅。

基于“原准法”的测绘仿制是典型的逆向设计活动。特别是在早期武器装备的测绘仿制过程中，存在大量的相对低水平的逆向设计活动（如图1红色箭头所示），即仅由实物反推到图纸、反推到设计，而无需反求到军方原始需求。例如，测绘仅能测得零件的实际尺寸，但公差如何给，绝对是个技术活（公差配合的精度很大程度上决定了零件的可靠性和使用寿命），这一步的逆向，正所谓知其然知其所以然。

尽管这种反推，取得了一些成就。然而，历史的发展也证明，这种不需承担技术风险的“原准法”并非始终有效的设计方法，在设计理论上没有得到合理阐述，在航空发展史上仅有非常有限、而非明显的促进作用，其出现是特定历史条件的产物，并不是航空航天产品等复杂系统设计本身的规律所决定，已被各国所摒弃。

在经济日益国际化、市场化的今天，复杂产品和系统的测绘仿制已不可行。而随着知识产权保护的理念日益得以巩固，中国市场正向设计的主战场，已经拉开。

然而花了真金白银买了国外产品的图纸和专利技术等知识产权的引进消化吸收，不能简单地认为是逆向设计或逆向工程，而需要具体情况具体分析。

消化吸收再创新，和逃避技术风险的“原准法”目的不同，这里一定包含了反推到需求的高水平的逆向设计活动（如图1绿色箭头所示），特别是在消化吸收阶段；而到了再创新阶段，则是再次进入了完整的正向设计过程。

中国航空行业有两个非常典型的引进消化吸收的例子，一是上世纪七十年代引进英国斯贝航空发动机，历时30年到2003年完成国产化；一是上世纪九十年代从俄罗斯引进苏-27SK，历时20年衍生出性能全新的歼-11B，两者的差别十分鲜明。其他行业，高铁是走引进消化吸收再创新之路比较成功的案例。

与此形成鲜明对照的是，各种汽车生产线的引进基本上是失败案例。