沈陽理工大學(xué)產(chǎn)品創(chuàng)新和開發(fā)(張育增)結(jié)課論文

1、反求工程綜述胡立（沈陽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，沈陽 110000） 摘要：反求工程這一術(shù)語起源于20世紀(jì)60年代，但對(duì)它從工程的廣泛性去研究，從反求的科學(xué)性進(jìn)行深化還是從20世紀(jì)90年代初剛剛開始。世界各國(guó)在其經(jīng)濟(jì)技術(shù)發(fā)展過程中，都非常重視應(yīng)用反求工程對(duì)國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)進(jìn)行引進(jìn)和研究工作。關(guān)鍵詞：反求工程；表面重建技術(shù)；測(cè)量方法 中圖分類號(hào)：tp391the introduction to reverse engineeringhu li(school of mechanical engineering,shenyang ligong university, shenyang 110000)abs

2、tract:the term reverse engineering originated in the 1960s.but the universality of it from engi- neering to study, from the science of reverse deepen is just beginning in the early1960s.countries around the world in the process of its economic and technological development, attach great importa- nce

3、 to the application of reverse engineering to introduce foreign advanced technology and research.key words: reverse engineering;the technology of rebuilding surface;measure methods0 前言反求工程作為一種高效的產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路和方法，是在正向設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，隨著三坐標(biāo)測(cè)量數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的。反求工程技術(shù)雖然應(yīng)用的時(shí)間不長(zhǎng)，但廣闊的應(yīng)用前景己經(jīng)為絕大多數(shù)現(xiàn)代加工制造企業(yè)和工程技術(shù)人員所關(guān)注。伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人

4、們開始利用計(jì)算機(jī)來進(jìn)行產(chǎn)品的輔助設(shè)計(jì)。從最初的二維設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)展到今天功能強(qiáng)大的三維設(shè)計(jì)技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)發(fā)生了革命性的飛躍。而以已有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，進(jìn)行消化、吸收并進(jìn)行創(chuàng)新改進(jìn)，使之成為新產(chǎn)品的，這一種開發(fā)模式被稱為反求工程（reverse engineering，re），又叫做逆向工程。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)從無到有的過程，即設(shè)計(jì)人員首先在大腦中形成對(duì)該產(chǎn)品的總體構(gòu)思，然后綜合各方面的要素和因素，對(duì)產(chǎn)品的功能、性能、結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和技術(shù)參數(shù)等借助計(jì)算機(jī)建立其三維數(shù)字化信息模型，最終有可能將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，指導(dǎo)生產(chǎn)過程，這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程我們稱為正向設(shè)計(jì)過程。而在整個(gè)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中

5、，所建立的三維數(shù)字化信息模型在后續(xù)的設(shè)計(jì)及制造環(huán)節(jié)中幾乎沒發(fā)揮作用，后期模型的制作還是依靠傳統(tǒng)的手工方法制作，造成前后工作脫節(jié)?；诜辞蠊こ痰漠a(chǎn)品設(shè)計(jì)從物質(zhì)形態(tài)上來講可以認(rèn)為是一個(gè)從有到無再到有的過程。簡(jiǎn)單地說，反求工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)(包括設(shè)計(jì)圖紙和數(shù)字模型)的過程。它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上對(duì)已有產(chǎn)品進(jìn)行剖析、理解和改進(jìn)，是對(duì)已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)。其主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設(shè)計(jì)、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以及cim

6、s等先進(jìn)技術(shù)對(duì)已有的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)服務(wù)。1關(guān)鍵技術(shù)1.1表面數(shù)字化技術(shù)表面數(shù)字化就是通過特定的測(cè)量設(shè)備和測(cè)量方法獲得零件表面離散點(diǎn)的幾何坐標(biāo)數(shù)據(jù)。只有獲得了樣件的表面三維信息，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜曲面的建模、評(píng)價(jià)、改進(jìn)、制造。因而，高效、高精度地實(shí)現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，這是反求工程的主要研究?jī)?nèi)容之一。在反求工程中，傳統(tǒng)的數(shù)字化方法是采用接觸式測(cè)量，其典型代表是三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)。隨著快速測(cè)量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計(jì)算機(jī)圖像處理為主要手段的非接觸式測(cè)量技術(shù)得到飛速發(fā)展。常用的非接觸式測(cè)量方法一般可分為被動(dòng)視覺和主動(dòng)視覺兩大類。被動(dòng)式方法中無特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、成本低

7、，但算法較復(fù)雜。主動(dòng)式方法使用一個(gè)專門的光源裝置來提供目標(biāo)周圍的照明，通過發(fā)光裝置的控制，能使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問題難度。1.2數(shù)據(jù)點(diǎn)云的預(yù)處理技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)一般不能直接用于曲面重構(gòu)，因?yàn)閷?duì)于接觸式測(cè)量，由于測(cè)頭半徑的影響，必須對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)云進(jìn)行半徑補(bǔ)償；在測(cè)量過程中，不可避免會(huì)帶進(jìn)噪聲、誤差等，必須去除這些點(diǎn)；對(duì)于海量點(diǎn)云數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行精簡(jiǎn)也是必要的。包括：半徑補(bǔ)償、數(shù)據(jù)插補(bǔ)、數(shù)據(jù)平滑、點(diǎn)云數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)、不同坐標(biāo)點(diǎn)云的歸一化等。1.3表面重建技術(shù)復(fù)雜曲線反求工程的目標(biāo)是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點(diǎn)集構(gòu)造出分段、光滑的cad模型，因此重建技術(shù)成為反求工程的關(guān)鍵技術(shù)。面的cad重構(gòu)是逆向工程研究的重點(diǎn)。而

8、對(duì)于復(fù)雜曲面產(chǎn)品來說，其實(shí)體模型可由曲面模型經(jīng)過一定的計(jì)算演變而來，因此曲面重構(gòu)是復(fù)雜產(chǎn)品逆向工程的關(guān)鍵。包括：多項(xiàng)式插值法、雙三次b-spline法、coons法、三邊bezier曲面法、bp神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。1.4曲線曲面光順技術(shù)在基于實(shí)物數(shù)字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在數(shù)字化誤差，光順操作在產(chǎn)品外形設(shè)計(jì)中尤為重要。根據(jù)每次調(diào)整的型值點(diǎn)的數(shù)值不同，曲線、曲面的光順方法和手段主要分為整體修改和局部修改。光順效果取決于所使用方法的原理準(zhǔn)則。方法有：最小二乘法、能量法回彈法、基于小波的光順技術(shù)等。2測(cè)量方法2.1接觸式測(cè)量方法接觸式測(cè)量是通過傳感測(cè)量頭與樣件的接觸而記錄樣件表面的

9、坐標(biāo)位置，可以細(xì)分為點(diǎn)接觸式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法。接觸式測(cè)量的精度較高，但是測(cè)量速度效率較低，應(yīng)用較廣泛的是坐標(biāo)測(cè)量?jī)x。2.1.1坐標(biāo)測(cè)量?jī)x坐標(biāo)測(cè)量機(jī)是一種大型精密的三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x器，可以對(duì)具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進(jìn)行逆向工程測(cè)量。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)一般采用觸發(fā)式接觸測(cè)量頭，一次采樣只能獲取一個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。九十年代初，英國(guó)renishaw公司研制出一種三維力位移傳感的掃描測(cè)量頭，該測(cè)頭可以在工件上滑動(dòng)測(cè)量，連續(xù)獲取表面的坐標(biāo)信息，掃描速度可達(dá)8米/秒，數(shù)字化速度最高可達(dá)500點(diǎn)/秒，精度約為0.03mm。這種測(cè)頭價(jià)格昂貴，目前尚未在坐標(biāo)測(cè)量機(jī)上廣泛采用。坐標(biāo)測(cè)量機(jī)主要優(yōu)點(diǎn)是測(cè)量精度高，適應(yīng)性強(qiáng)，

10、但一般接觸式測(cè)頭測(cè)量效率低，而且對(duì)一些軟質(zhì)表面無法進(jìn)行逆向工程測(cè)量。圖1 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x2.1.2層析法層析法是近年來發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術(shù)，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取零件原形不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點(diǎn)在于任意形狀，任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進(jìn)行測(cè)量，但測(cè)量方式是破壞性的。2.2 非接觸式逆向工程測(cè)量方法非接觸式測(cè)量根據(jù)測(cè)量原理的不同，大致有光學(xué)測(cè)量、超聲波測(cè)量、電磁測(cè)量等方式。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學(xué)測(cè)量方法（含數(shù)字圖像處理方法）作簡(jiǎn)要說明。2.2.1基于光學(xué)三角型原理的逆向工程掃描法

11、這種測(cè)量方法根據(jù)光學(xué)三角型測(cè)量原理，以光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點(diǎn)、單線條、多光條等，將其投射到被測(cè)物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點(diǎn)或光條在物體上成像的偏移，通過被測(cè)物體基平面、像點(diǎn)、像距等之間的關(guān)系計(jì)算物體的深度信息。2.2.2基于相位偏移測(cè)量原理的莫爾條紋法這種測(cè)量方法將光柵條紋投射到被測(cè)物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會(huì)發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測(cè)物體表面的三維信息。2.2.3基于工業(yè)ct斷層掃描圖像逆向工程法這種測(cè)量方法對(duì)被測(cè)物體進(jìn)行斷層截面掃描，以x射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重

12、建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對(duì)被測(cè)物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行無損測(cè)量。該方法造價(jià)高，測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時(shí)間長(zhǎng)，設(shè)備體積大。美國(guó)llnl實(shí)驗(yàn)室研制的 高分辨率ict系統(tǒng)測(cè)量精度為0.01mm。2.2.4立體視覺測(cè)量方法立體視覺測(cè)量是根據(jù)同一個(gè)三維空間點(diǎn)在不同空間位置的兩個(gè)（多個(gè)）攝像機(jī)拍攝的圖像中的視差，以及攝像機(jī)之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點(diǎn)的三維坐標(biāo)值。立體視覺測(cè)量方法可以對(duì)處于兩個(gè)（多個(gè)）攝像機(jī)共同視野內(nèi)的目標(biāo)特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，而無須伺服機(jī)構(gòu)等掃描裝置。立體視覺測(cè)量面臨的最大困難是空間特征點(diǎn)在多幅數(shù)字圖象中提取與匹配的精度與準(zhǔn)確性等問題

13、。近來出現(xiàn)了以將具有空間編碼的特征的結(jié)構(gòu)光投射到被測(cè)物體表面制造測(cè)量特征的方法有效解決了測(cè)量特征提取和匹配的問題，但在測(cè)量精度與 測(cè)量點(diǎn)的數(shù)量上仍需改進(jìn)。3現(xiàn)狀作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的主要手段，反求工程的研究正受到廣泛的重視，一些重要的國(guó)際和國(guó)內(nèi)學(xué)術(shù)會(huì)議都將反求工程及相關(guān)技術(shù)的討論作為一項(xiàng)重要的會(huì)議議題。例如:geometric modeling and processing series, ieee transactions on image analysis and modeling等會(huì)議。目前反求工程已發(fā)展為cad/cam系統(tǒng)中的一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的研究分支，其相關(guān)領(lǐng)域包括幾何測(cè)量、圖像處理、計(jì)算

14、機(jī)視覺、幾何造型和數(shù)字化制造等。 在國(guó)外，己經(jīng)有多種成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的反求工程系統(tǒng):kwok開發(fā)的反求工程系統(tǒng)將cmm與autocad圖形軟件包結(jié)合起來，每一個(gè)測(cè)量點(diǎn)由cmm進(jìn)行數(shù)字化，并將其自動(dòng)轉(zhuǎn)換為工ges格式，以線框圖形的形式表達(dá)模型，但不含有任何實(shí)體信息；motavalli等人開發(fā)的反求工程系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集階段綜合運(yùn)用接觸式和非接觸式兩種測(cè)量方式，在非接觸測(cè)量階段，可視系統(tǒng)攝像機(jī)首先攝入零件圖像，圖像經(jīng)過處理后，以2d線框形式畫出物體的輪廓邊界，用于第二階段的掃描處理，以生成nc數(shù)控代碼，驅(qū)動(dòng)接觸式掃描測(cè)頭，從物體表面上獲得更精確的數(shù)據(jù)點(diǎn)。與國(guó)外相比，國(guó)內(nèi)在逆向工程基礎(chǔ)理論研究方面己

15、經(jīng)有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，其中比較有代表性的是:浙江大學(xué)在國(guó)內(nèi)關(guān)于逆向工程基礎(chǔ)理論研究方面處于領(lǐng)先地位，其研究重點(diǎn)主要有:“逆向工程中自由曲面的據(jù)處理與誤差補(bǔ)償”、“基于ccd的曲面測(cè)量方法”、“一類規(guī)則曲面特征提取”、“基于點(diǎn)云的特征挖掘技術(shù)”、“cad建模中點(diǎn)云數(shù)據(jù)區(qū)域分割及特征約束重構(gòu)”等多個(gè)方面;南京航空航天大學(xué)也在逆向工程研究領(lǐng)域占有重要地位，其研究重點(diǎn)主要在:“逆向工程中自由曲面與規(guī)則曲面重建技術(shù)”、“數(shù)據(jù)測(cè)量噪聲與三角網(wǎng)格濾波技術(shù)”、“數(shù)據(jù)分塊和規(guī)則曲面擬合算法”等方面;華中科技大學(xué)在“三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)”、“三角剖分技術(shù)”等方面開展研究;西北工業(yè)大學(xué)在“三角網(wǎng)格劃分算法”、大

16、連理工大學(xué)在“基于圖像灰度信息的三維曲面重構(gòu)”等多方面進(jìn)行了深入研究。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)很多高校與企業(yè)也將逆向工程技術(shù)在工程方面的具體應(yīng)用作了許多卓有成效的實(shí)踐，并取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。 目前，己經(jīng)涌現(xiàn)出許多商用專業(yè)反求工程軟件，比較常用的有siemens/eds公司的surfacer軟件以及imageware軟件、delcam公司的copycad軟件、icem公司的icem surf軟件、paraform公司的paraform軟件以及ptc公司的pro/scan等專業(yè)軟件;在國(guó)內(nèi)，浙江大學(xué)開發(fā)的反求工程軟件re-soft以及西北工業(yè)大學(xué)的實(shí)物測(cè)量造型系統(tǒng)npu-srms也占有一定的市場(chǎng)分額。4發(fā)

17、展趨勢(shì)逆向工程的研究己經(jīng)口益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識(shí)別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)測(cè)量機(jī)的研究開發(fā)上己經(jīng)取得了很大的成績(jī)。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程仍需要大量的人機(jī)交互工作，操作者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證等問題。 綜合相關(guān)文獻(xiàn)，逆向工程技術(shù)有待在下述幾方面進(jìn)行更加深入細(xì)致的研究。 數(shù)據(jù)測(cè)量方面:發(fā)展面向逆向工程的專用測(cè)量設(shè)備，能夠高速、高精度的實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量和規(guī)劃路徑; 數(shù)據(jù)預(yù)處理方面:針對(duì)不同種類的測(cè)量數(shù)據(jù)，完善改進(jìn)目前的數(shù)據(jù)處理算法; 曲面擬合:能夠控制曲面的光順性和能夠進(jìn)行光滑拼接; 集成技術(shù):發(fā)展包括測(cè)

18、量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計(jì)和數(shù)字化制造技術(shù)等方面的逆向工程技術(shù)。5結(jié)束語 逆向工程技術(shù)不是一個(gè)孤立的技術(shù)，測(cè)量技術(shù)(即數(shù)字化技術(shù)，進(jìn)行實(shí)物模型表面數(shù)據(jù)點(diǎn)的獲取)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也都與之有著千絲萬縷的聯(lián)系。現(xiàn)階段，廣泛使用的逆向工程軟件，比初期的略有進(jìn)步，但在進(jìn)行曲面分割、數(shù)據(jù)拼接、曲面的連續(xù)性處理仍舊是需要人工的干預(yù)，個(gè)人的處理技巧高低會(huì)直接關(guān)乎到最終的結(jié)果的好壞。另外，在各種軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上面，各種數(shù)據(jù)文件的兼容性也是一個(gè)問題，總的來說，應(yīng)用軟件智能化程度還是比較低的。 因此，逆向工程技術(shù)研究的重點(diǎn)應(yīng)集中在自動(dòng)的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、相關(guān)軟件的智能化點(diǎn)云處理和快速建模及相互轉(zhuǎn)換上面，切實(shí)提高相關(guān)軟件使用的方便性和處理的快捷程度，從而促進(jìn)逆向工程技術(shù)的快速發(fā)展。參考文獻(xiàn)：1 王隆太.先進(jìn)制造技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.9 wang longtai.adwanced manufacturing technology.beijing:china mechine press,2003.92 楊孟濤.基于反求工程和快速原型技術(shù)的快速模具制造技術(shù)的理論與實(shí)踐.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004,4yang mengtao. the theory and practice of rapid tooling based on reverse e