1、一、逆向工程技術(shù)的內(nèi)容及其應(yīng)用范圍? 隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術(shù)已被制造業(yè)廣泛應(yīng)用于產(chǎn)品及模具設(shè)計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發(fā)制造過程中，設(shè)計人員接收的技術(shù)資料可能是各種數(shù)據(jù)類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產(chǎn)品的實物模型。設(shè)計人員需要通過一定的途徑，將這些實物信息轉(zhuǎn)化為CAD模型，這就應(yīng)用到了逆向工程技術(shù)(Reverse Engineering)。? 所謂逆向工程技術(shù)，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程。? 逆向工程技術(shù)與

2、傳統(tǒng)的正向設(shè)計存在很大差別。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進技術(shù)對其進行處理。不同之處在于設(shè)計的起點不同，相應(yīng)的設(shè)計自由度和設(shè)計要求也不相同。?一般來說，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)域的實際應(yīng)用中，主要包括以下幾個內(nèi)容：? (1)新零件的設(shè)計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設(shè)計。? (2)已有零件的復(fù)制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設(shè)計意圖。? (3)損壞或磨損零件的還原。? (4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進行模型的比較。 逆向工程技術(shù)為快速設(shè)計和制造提供了很好的

3、技術(shù)支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。? 二、逆向工程技術(shù)實施的條件? 1.逆向工程技術(shù)實施的硬件條件? 在逆向工程技術(shù)設(shè)計時，需要從設(shè)計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，國內(nèi)廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標(biāo)測量機和三維掃描儀。就測頭結(jié)構(gòu)原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩種，這種測頭與被測頭物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息。非接觸式測頭則是應(yīng)用光學(xué)及激光的原理進行的。近幾年來，掃描設(shè)備有了很大發(fā)展。例如，英國雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀，可實現(xiàn)激光測頭和接觸式

4、掃描頭的互換，激光測頭的掃描精度達(dá)0.05mm，接觸式掃描測頭精度可達(dá)0.02mm?？蓪σ姿椤⒁鬃冃蔚男误w及精細(xì)花紋進行掃描。德國GOM公司的ATOS掃描儀在測量時，可隨意繞被測物體進行移動，利用光帶經(jīng)數(shù)據(jù)影象處理器得到實物表面數(shù)據(jù)，掃描范圍可達(dá)8m8m。ATOS掃描不僅適于復(fù)雜輪廓的掃描，而且可用于汽車、摩托車內(nèi)外飾件的造型工作。此外，日本羅蘭公司的PIX-30網(wǎng)點接觸式掃描儀，英國泰勒霍普森公司的TALYSCAN150多傳感掃描儀等，集中體現(xiàn)了檢測設(shè)備的高速化、廉價化和功能復(fù)合化等特點。為實現(xiàn)從實物建立數(shù)學(xué)模型 CAD/CAE/CAM一體化提供了良好的硬件條件。 ? 不同的測量對象和測量目

5、的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實際三坐標(biāo)測量時，應(yīng)該根據(jù)測量對象的特點以及設(shè)計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應(yīng)的掃描設(shè)備。例如，材質(zhì)為硬質(zhì)且形狀較為簡單、容易定位的物體，應(yīng)盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設(shè)備損耗費相對較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數(shù)據(jù)的進一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點是速度快，工作距離遠(yuǎn)，無材質(zhì)要求，但設(shè)備成本較高。? 2.逆向工程技術(shù)實施的軟件條件? 目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具體應(yīng)用的反向工程系統(tǒng)主要有以下幾個

6、：Evans開發(fā)的針對機械零件識別的逆向工程系統(tǒng)；Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系統(tǒng)；H.H.DanzdeCNCCMM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對逆向設(shè)計中的實際問題進行處理，極大地方便了設(shè)計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設(shè)計模塊。例如Pro/E的ICEMSurf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點云數(shù)據(jù)。其它的象UG軟件，隨著版本的提高，逆向工程模塊也逐漸豐富起來。這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件條件。? 三、逆向工程設(shè)計前的準(zhǔn)備工作? 做一個逆向設(shè)計的工作，可能比做一個正向設(shè)計更具有挑戰(zhàn)性。在設(shè)計一個產(chǎn)品之前，首先必須盡量理解原

7、有模型的設(shè)計思想，在此基礎(chǔ)上還可能要修復(fù)或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看，逆向設(shè)計也是一個重新設(shè)計的過程。在開始進行一個逆向設(shè)計前，應(yīng)該對零件進行仔細(xì)分析，主要考慮以下一些要點：? (1)確定設(shè)計的整體思路，對自己手中的設(shè)計模型進行系統(tǒng)地分析。面對大批量、無序的點云數(shù)據(jù)，初次接觸的設(shè)計人員會感覺到無從下手。這是應(yīng)首先要周全地考慮好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個特征區(qū)，得出設(shè)計的整體思路，并找到設(shè)計的難點，基本做到心中有數(shù)。? (2)確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關(guān)系到相應(yīng)設(shè)計軟件的選擇和軟件模塊的確定。對于自由曲面，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內(nèi)飾件等

8、，一般需要采用具有方便調(diào)整曲線和曲面的模塊；對于初等解析曲面件，如平面、圓柱面、圓錐面等則沒必要因為有測量數(shù)據(jù)而用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面。 四、逆向工程工作中應(yīng)該注意的問題 在實際設(shè)計中，目前存在的這些軟件還存在著其較大的局限性。在機械設(shè)計領(lǐng)域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；點云數(shù)據(jù)的處理方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預(yù)，設(shè)計精度不夠高；集成化程度低等問題。例如，Surfacer軟件在讀取點云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較快，并且能較容易地進行點線的擬合。但通過Surfacer進行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質(zhì)量卻不如其它的CAD軟件如Pro/E、UG等。在很多時候，在Su

9、rfacer里做成的面，還需要到UG等軟件中修改。但是，使用Pro/E、UG等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時，卻會造成數(shù)據(jù)龐大的問題，對它們來說，一次讀取如此多的點是比較困難的。 ? 在具體工程設(shè)計中，一般采用幾種軟件配套使用、取長補短的方式。例如上海交通大學(xué)模具技術(shù)研究所承接的逆向工程項目，采用了Surfacer與UG和Pro/E功能結(jié)合的方法，在具體操作中，使用Surfacer進行點、線處理，得到基本控制曲線，然后使用UG和Pro/E引入控制線的數(shù)據(jù)，進行曲面造型。其中，Pro/E應(yīng)用的模塊主要有ICEMSurf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模塊主要是UG/Modeling和UG

10、/Surface模塊。這幾個設(shè)計模塊都是一般CAD設(shè)計時常用到的。圖3圖6是上海交大模具技術(shù)研究所承接的項目中完成的幾個零件，值得注意的是，在設(shè)計過程中，并不是所有的點都是要選取的，因此，在確定基本曲面的控制曲線時，需要找出哪些點或線是可用的，哪些點或線是一些細(xì)化特征的，需要在以后的設(shè)計中用到，而不是在總體設(shè)計中就體現(xiàn)出來的。事實上，一些圓柱、凸臺等特征是在整體輪廓確定之后，測量實體模型并結(jié)合掃描數(shù)據(jù)生成的。同時應(yīng)盡量選擇一些掃描質(zhì)量比較好的點或線，對其進行擬合。? 五、曲線曲面的光順處理? 由于測量過程中測得的是離散點數(shù)據(jù)，缺乏必要的特征信息，往往存在數(shù)字化誤差，需要對曲面和曲線進行光順。光

11、順是一個工程上的概念，包括光滑和順眼兩方面的含義。光滑是指空間曲線和曲面的連續(xù)階，數(shù)學(xué)上一階倒數(shù)連續(xù)的曲線即為光滑的曲線；而順眼是人的主觀感覺評價。對于平面曲線，光順需要滿足以下幾點：曲線C?2連續(xù)；沒有多余拐點；曲率變化均勻。在逆向設(shè)計中，曲線的光順性調(diào)節(jié)是非常重要的。掃描或擬合得到的曲線一般很難保證其光順，為了構(gòu)造出一條光順的插值曲線，需要修正原形值點序列，利用軟件的相關(guān)功能模塊進行調(diào)節(jié)。目前采用的曲線光順方法主要是能量法和圓率法。設(shè)計的準(zhǔn)則是曲線上曲率極值點盡可能少些；相鄰兩個極值點之間的曲率盡可能接近線性變化。?曲面的光順往往歸結(jié)為網(wǎng)格的光順。所謂網(wǎng)格的光順，其含義是指網(wǎng)格的每一條曲線

12、都是光順的，光順的曲面，應(yīng)該是沒有凸區(qū)和凹區(qū)的。在數(shù)學(xué)上，判斷曲面是否滿足上述條件的依據(jù)是高斯曲率。在一般CAD軟件中，可以到分析模塊中使用高斯曲率法對曲面進行分析。當(dāng)曲面曲率變化比較均勻時，即可為達(dá)到設(shè)計要求。若曲面質(zhì)量很差，需要對構(gòu)成的曲線進行重新調(diào)整p;逆向工程既要保證曲面質(zhì)量，又要保證設(shè)計精度。除了對原始型值點進行光順之外，有時還要控制修改后的型值點同原始型值點的坐標(biāo)偏差，該偏差不應(yīng)太大，以保證設(shè)計部門給出的指標(biāo)不致受太大的影響。? 六、結(jié)束語? 逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術(shù)，逆向工程技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中，它不僅消化和吸收實物原

13、型，并且能修改再設(shè)計以制造出新的產(chǎn)品。但同時設(shè)計過程中系統(tǒng)集成化程度比較低，人工干預(yù)的比重大，將來有望形成集成化逆向工程系統(tǒng)，以軟件的智能化來代替人工干預(yù)的不足。? 引 言適應(yīng)現(xiàn)代先進制造技術(shù)的發(fā)展。需將實物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)、計算機輔助系統(tǒng)等對其進行處理。并進行修改和優(yōu)化設(shè)計。逆向工程專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的重構(gòu)手段，實現(xiàn)從實際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程技術(shù)涉及計算機圖形學(xué)、計算機圖像處理、微分幾何、概率統(tǒng)計等學(xué)科。是CAD領(lǐng)域最活躍的分支之一。1 逆向工程技術(shù)定義逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設(shè)計方法不同。它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造

14、產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行剖析、理解和改進，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。其主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設(shè)計、加工分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用CADCAECAM技術(shù)對已有的產(chǎn)品進行設(shè)計服務(wù)。2 逆向工程分類從廣義講，逆向工程可分以下三類。(1)實物逆向：顧名思義，它是在已有實物條件下，通過試驗、測繪和分折。提出再創(chuàng)造的關(guān)鍵；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等多方面的逆向。實物逆向?qū)ο罂梢允钦麢C、部件、組件和零件。(2)軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范

15、和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向中有三類情況：1)既有實物，又有全套技術(shù)軟件；2)有實物而無技術(shù)軟件；3)無實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。(3)影像逆向：無實物，無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從其中去構(gòu)思、想象來逆向，稱為影像逆向，這是逆向?qū)ο笾须y度最大的。影像逆向本身就是創(chuàng)新過程。目前還未形成成熟的技術(shù)。一般要利用透視變換和透視投影形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專業(yè)知識，去琢磨其功能和性能，進而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。3 逆向工程測量系統(tǒng)根據(jù)測量探頭是否和零件表面接觸其測量方式可分兩類。(1)接觸式測量：根據(jù)測頭的不同?？煞譃橛|

16、發(fā)式和連續(xù)式。應(yīng)用最為廣泛的三座標(biāo)測量機是20世紀(jì)6o年代發(fā)展起來的新型高效精密測量儀器，是有很強柔性的大型測量設(shè)備。(2)非接觸式測量：根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計算機視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MRI測量法、超聲波法和層析法等。4 逆向工程技術(shù)流程(1)逆向工程是以一個物理零件或模型作為開始，進而決定下游工程。(2)點處理過程：主要包括多視點云的拼合、點云過濾、數(shù)據(jù)精簡和點云分塊等。(3)曲線處理過程：決定所要創(chuàng)建的曲線類型。曲線可以設(shè)計得與點的片段相同，或讓曲線更光滑些；由已存在的點創(chuàng)建出曲面；檢查修改曲線，檢查曲線與點或其它曲線的精確度、平滑度與連續(xù)的相

17、關(guān)性。(4)曲面處理過程：決定所要創(chuàng)建的曲面類型，可以選擇創(chuàng)建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中；由點云或曲線創(chuàng)建曲面；檢查修改曲面，檢查曲麗與點或其它曲面或特征的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。(5)誤差分析：應(yīng)該考慮被測物對機構(gòu)引起的綜合軌跡誤差、逆向工程設(shè)計所依據(jù)的數(shù)據(jù)值存在的測量誤差、設(shè)計中的被測物存在的加工誤差、設(shè)計中的曲線擬合存在的擬合誤差等方面。5 逆向工程技術(shù)的常用軟件目前，比較著名的逆向工程軟件如下：(1)Geomagic(美國RainDrop公司的)逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。(2)Imageware作為UG NX

18、中提供的逆向工程造型軟件。具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能?？梢蕴幚韼兹f至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級曲面(CLASS A)具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。(3)CopyCAD(英國DELCAM公司系列產(chǎn)品)，主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計到制造、檢測的全過程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。CopyCADM系列中的其它

19、軟件可以很好地集成。(4)RapidForm(韓國INUS公司開發(fā))逆向工程軟件，主要用于處理測量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模還可完成藝術(shù)品的測景建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具用戶可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格經(jīng)過縮放處理后應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過程中。以上介紹的是常見逆向工程軟件，均是國外的。國內(nèi)在逆向工程軟件方面的研究主要集中在高等學(xué)校(如清華大學(xué)、浙江大學(xué)、南京航空航天大學(xué))，也有軟件產(chǎn)品出現(xiàn)，但是由于系統(tǒng)穩(wěn)定性、可操作性等原因，這些研究性軟件還沒具備與國外商業(yè)化軟件競爭的條件。由國內(nèi)逆向工程領(lǐng)域?qū)I(yè)人士參與開發(fā)的

20、逆向工程軟件QuickForm是較好的一個：該系統(tǒng)采用先進的幾何引擎，運行穩(wěn)定性好，并有良好的可操作性。由于開發(fā)人員具有豐富的逆向工程實施經(jīng)驗因此系統(tǒng)的功能設(shè)置、操作方式符合國內(nèi)用戶的習(xí)慣，這是國外軟件所無法具備的。QuickForm還具有價格優(yōu)勢，QuickForm的價格在同類軟件中具有極強的競爭力；采用國產(chǎn)軟件也是對國內(nèi)制造業(yè)和軟件行業(yè)的支持。6 逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進技術(shù)的紐帶，并成為消化、吸收先進技術(shù)。實現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：(1)對產(chǎn)品外形美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，由于設(shè)計師習(xí)慣于依賴3D實物模型對產(chǎn)品設(shè)計進行評估，因