逆向工程技術及其發(fā)展現狀

1、摘 要與CAD/CAM系統(tǒng)在我國幾十年的應用時間相比，逆向工程技術為企業(yè)所接受只有十幾年甚至幾年的時間。時間雖短，但是逆向工程技術廣闊的應用前景和對企業(yè)競爭力的巨大推動作用，已經引起了很多企業(yè)的關注。逆向工程實現了從實際物體到幾何建模的直接轉換。逆向工程技術涉及計算機圖形學、計算機圖像處理、微分幾何、概率統(tǒng)計等學科。本文介紹了逆向工程的基本概念，重點分析的逆向工程技術過程，闡述了現代制造業(yè)中逆向工程的的發(fā)展前景以及逆向工程技術的重要應用領域。本文對于我們正確認識逆向工程技術有一定的意義。   【關鍵詞】逆向工程  CAD/CAM so

2、lidworks  surfacer 反向工程、建模目 錄1 逆向工程簡介11.1逆向工程介紹11.2 逆向工程的應用32 逆向工程應用實例63 逆向工程的其他應用領域7參考文獻81 逆向工程介紹1. 逆向工程的概念    逆向工程（Reverse Engineering，RE）是對產品設計過程的一種描述。在工程技術人員的一般概念中，產品設計過程是一個從無到有的過程：設計人員首先構思產品的外形、性能和大致的技術參數等，然后利用CAD技術建立產品的三維數字化模型，最終將這個模型轉入制造流程，完成產品的整個設計制造周期

3、。這樣的產品設計過程我們可以稱之為“正向設計”。逆向工程則是一個“從有到無”的過程。簡單地說，逆向工程就是根據已經存在的產品模型，反向推出產品的設計數據（包括設計圖紙或數字模型）的過程。      隨著計算機技術在制造領域的廣泛應用，特別是數字化測量技術的迅猛發(fā)展，基于測量數據的產品造型技術成為逆向工程技術關注的主要對象。通過數字化測量設備（如坐標測量機、激光測量設備等）獲取的物體表面的空間數據，需要經過逆向工程技術的處理才能獲得產品的數字模型，進而輸送到CAM系統(tǒng)完成產品的制造。因此，逆向工程技術可以認為是“將產品樣件轉化為CAD模

4、型的相關數字化技術和幾何模型重建技術”的總稱。逆向工程軟件部分品牌包括Surfacer(Imageware)、ICEM、CopyCAD、Rapid Form等。逆向軟件的演進約略可區(qū)分為三個階段。十一年前在逆向工程上，只能運用CATIA等CAD/CAM高階曲面系統(tǒng)。市場后來發(fā)展出兩套主流產品約在七、八年前技術成熟，廣為業(yè)界引用。到最近四年來，發(fā)展出不同以往的逆向工程數學邏輯運算，速度快。逆向工程在臺灣的發(fā)展軌跡持續(xù)在進行，工研院曾寫過一套逆向工程軟件，學術界不少研究團隊也將逆向工程領域作為研究主題，開發(fā)出具不同功能的系統(tǒng)軟件，但是最后這些軟件都沒有真正落實到產業(yè)界應用。工研院的團隊后來也結束逆

5、向工程研究，轉而開發(fā)其它主題。原有的研發(fā)成果后繼無人，殊為可惜。1998年，N EWPOWER啟動了逆向工程的一些項目，要求是把客戶的現有設計轉變成源代碼，如果需要的話，進一步轉化成產品需求規(guī)約。這恰恰與類似于V模型的標準開發(fā)過程模型相逆。這樣一來，客戶就可以容易地維護他們的產品（需求，設計，源代碼等等），而不需要想以前那樣，每次改動產品都需要直接修改源代碼。是指從實物上采集大量的三維坐標點，并由此建立該物體的幾何模型，進而開發(fā)出同類產品的先進技術。逆向工程與一般的設計制造過程相反，是先有實物后有模型。仿形加工就是一種典型的逆向工程應用。目前，逆向工程，逆向工程的應用已從單純的技巧性手工操作，

6、發(fā)展到采用先進的計算機及測量設備，進行設計、分析、制造等活動，如獲取修模后的模具形狀、分析實物模型、基于現有產品的創(chuàng)新設計、快速仿形制造等。通俗說，從某種意義上說，逆向工程就是仿造。這里的前提是默認我們傳統(tǒng)的設計制造為“正向工程（當然，沒有這種說法）”。軟件的逆向工程是分析程序，力圖在比源代碼更高抽象層次上建立程序的表示過程，逆向工程是設計的恢復過程。逆向工程工具可以從已存在的程序中抽取數據結構、體系結構和程序設計信息。     逆向工程的實施過程是多領域、多學科的協同過程。從圖中我們可以看出，逆向工程的整個實施過程包括了測量數據的采集/處理、

7、CAD/CAM系統(tǒng)處理和融入產品數據管理系統(tǒng)的過程。因此，逆向工程是一個多領域、多學科的系統(tǒng)工程，其實施需要人員和技術的高度協同、融合。2. 逆向工程的應用與CAD/CAM系統(tǒng)在我國幾十年的應用時間相比，逆向工程技術為企業(yè)所接受只有十幾年甚至幾年的時間。時間雖短，但是逆向工程技術廣闊的應用前景和對企業(yè)競爭力的巨大推動作用，已經引起了很多企業(yè)的關注 逆向工程技術并不是孤立的，它和測量技術、CAD/CAM技術有著千絲萬縷的聯系。      從理論角度分析，逆向工程技術能按照產品的測量數據建立與現有CAD/CAM系統(tǒng)完全兼容的數字

8、模型，這是逆向工程技術的最終目標。但憑借目前人們所掌握的技術，包括工程上的和理論上的（如曲面建模理論），尚無法滿足這種要求。特別是針對目前比較流行的大規(guī)模“點云”數據建模，更是遠沒有達到直接在CAD系統(tǒng)中應用的程度。      “點云”數據的采集有兩種方法：一種是使用三坐標測量機對零件表面進行探測，另一種是使用激光掃描儀對零件表面進行掃描。采集到的數據經過CAD/CAM軟件處理后，可以獲得零件的數字化模型和用于加工的CNC程序。如圖所示為使用激光掃描儀測量的摩托車發(fā)動機砂型排氣道點云圖 在實際工作中，先采用LACUS150B

9、激光掃描儀采集上百萬個點數據，形成摩托車發(fā)動機砂型排氣道外形輪廓，再用Surfacer逆向軟件進行由點到面的處理，如圖為用Surfacer軟件生成的摩托車發(fā)動機砂型排氣道曲面幾何形狀。 數據采集完成后，用戶可利用CAD軟件加快逆向工程的處理過程。在理情況下，CAD軟件可用于：    以任何格式輸入虛擬的幾何尺寸數據；    處理采集到的點數據，有時甚至需要處理數億個點數據序列；       通過修改和分析，處理產生的輪廓曲面； 

10、;      將幾何形狀輸出到下一級處理過程中；       分析幾何形狀，估算整體形狀與樣品的差異。最重要的是，軟件能夠允許用戶以三維透視圖的方式顯示工件，它完整地定義了工件的形狀，不再需要多個視角的投影圖，設計者可直接對曲面輪廓進行再加工，而加工工人可以利用電子模型加工工件。      后處理軟件通過以下方式縮短逆向工程的時間：     通過平滑連續(xù)的曲

11、線網絡提高曲面的質量；       省去了準備加工文件的時間         不需要原型；   運用各種分析工具提高產品質量。      可見，利用激光掃描儀掃描樣品采集點數據，再應用Surfacer軟件生成高質量曲面，相比直接在CAD系統(tǒng)中進行曲面造型，能節(jié)省數周的開發(fā)時間。另外，利用激光掃描儀采集的幾何數據能生成符合工業(yè)標準格式的文件，如IGE

12、S、VDA-FS、ISOG代碼、DXF和規(guī)定的ASCII、CAD/CAM格式，分析軟件包至少能支持其中的一種格式。 制造加工刀具并對其進行檢驗是既耗時又費錢的過程。Surfacer軟件能對各種復雜形狀的樣品進行快速完整的檢驗，從而使這一關鍵處理過程流水線化。用戶能夠參考三維模型精確地調整掃描數據，以便評估樣品和所需加工工件之間的差別，并計算相關變量，用彩色圖表的形式加以顯示，從而為幾何尺寸校驗作出清晰完整的說明。  Surfacer軟件的快速原型模塊（RPM）能夠快速利用數字化數據或利用其他系統(tǒng)的曲面幾何形狀生成原形，從而縮短了實際原型的數字化周期，新的RPM快速

13、工具大幅度地提高了快速原型技術的水平。因此筆者認為，逆向工程技術與CAD/CAM系統(tǒng)是相輔相成的?，F有CAD/CAM系統(tǒng)經過幾十年的發(fā)展，無論從理論還是實際應用上都已經十分成熟，在這種情況下，現有CAD/CAM系統(tǒng)不會也不能為了滿足逆向工程建模的特殊要求從系統(tǒng)底層結構上進行變更。另一方面，逆向工程技術中用到的大量建模方法完全可以借鑒現有CAD/CAM系統(tǒng)，不需要另外搭建新的平臺。如圖所示為用Solidworks三維軟件生成的摩托車發(fā)動機砂型進排氣道實體?；谶@種分析，我們認為逆向工程技術在整個制造體系鏈中處于一個從屬、輔助建模的地位，它可以利用現有CAD/CAM系統(tǒng)，幫助其實現自身無法完成的工

14、作。有了這種認識，我們就可以明白為什么逆向工程技術（包括相應的軟件）始終不是市場上的主流，而大多數CAD/CAM系統(tǒng)又均包含了逆向工程模塊或第三方軟件包這樣一種情況。 2，逆向工程應用實例      如所示為日本某品牌汽車的泵體。國內某企業(yè)為增強企業(yè)競爭力，節(jié)省開發(fā)時間，計劃要在原有泵體的設計基礎上進行再設計。逆向工程技術在其中起到了舉足輕重的作用。在實際工作中，以該泵體為直接復制對象，整個復制過程的主要步驟如下：（）樣本零件幾何型面原始數據的獲取。運用LACUSE150B激光掃描儀直接從模型中以CCD(光電偶合)方式獲取點

15、數據。（）對采集到的數據進行必要的過濾與修正，剔除測量過程中由于各種因素及樣本零件表面缺陷而造成的誤差，從而獲得構建樣本零件原始幾何模型的數據。（）對所測得的數據進行必要的數學擬合，為進一步造型提供基礎數據。（4）由于樣本泵體的使用時間長，已發(fā)生了某些變化，因此在對零件應用功能充分理解的基礎上，通過再設計對樣本零件的原始數據作必要的修正，并產生一個新的泵體零件幾何數字模型。（5）利用生成的數字模型進行零件的手板制作。（6）對手板零件進行幾何形狀與應用功能的檢驗，如果效果不好，根據實際情況，用工業(yè)油泥在手板零件的基礎上進行手工完善，再利用激光掃描重新獲取模型數據。重復步驟（3）、（4）的工作。（

16、7）進行復制零件模具的加工制造，利用數控機床進行復雜曲面的加工。（8）在對模具進行試模后，對泵體零件進行幾何形狀與應用功能的檢驗。  在整個復制過程中，為了保證復制的精度與準確性，對復制過程中作了以下幾個方面的考慮：（）從零件應用的角度，綜合考慮樣本零件的數據獲取與整個再設計過程，以提高復制精度和數據獲取與處理的效率。（）綜合考慮測量工藝、制造工藝，這樣能有效地控制由制造過程引起的各種誤差，進而提高整個復制過程的精確度。（）由于樣本零件的復雜性，所以復制零件的檢驗是整個逆向工程中應引起足夠重視的一環(huán)，是成功與否的關鍵。（）充分了解樣本零件的工作環(huán)境及其功能，才能在復制過程中

17、學習先進的東西，提高與充實自己。      3，逆向工程的其他應用領域 以上介紹的只是逆向工程的一部分應用，據有關資料報道，逆向工程還可用于許多領域。      損壞或磨損零件的還原：當零件損壞或磨損時，可以直接采用逆向工程的方法重構出CAD模型，對損壞的零件表面進行還原和修補。由于被測零件表面的磨損，損壞等因素，會造成測量誤差，這就要求逆向工程系統(tǒng)具有推理和判斷能力。例如，對稱性、標準尺寸、平面間的平行和垂直等特性。最后，加工出零件。  

18、60;   數字化模型檢測：對加工后的零件，進行掃描測量，再利用逆向工程法構造出CAD模型，通過將該模型與原始設計的CAD模型在計算機上進行數據比較，可以檢測制造誤差，提高檢測精度。      其他應用：在汽/機車、航天、制鞋、模具和消費性電子產品等制造行業(yè)，甚至在休閑娛樂行業(yè)也可發(fā)現逆向工程的痕跡。另外在醫(yī)學領域逆向工程也有其應用價值，如人工關節(jié)模型的建立。    逆向工程作為作為一種非常高效的產品設計思路和方法，可以迅速方便精確地獲得實物的三維數據及模型。為產品提