逆向工程技术及应用研究

逆向工程技术及应用研究

摘要：逆向工程是由已有产品回溯产品设计思路，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。逆向工程技术在产品设计中的应用可以缩短新产品设计开发周期，大大降低设计开发成本，提高设计水平和质量，有效地提高企业的市场竞争力。

关键词：逆向工程；三维测量；曲面重构；产品设计；创新

一．逆向工程技术定义

逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。通过样件开发产品的过程。与产品正向设计过程相反，逆向工程基于已有产品设计新产品，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。它不是仅对现有产品进行简单的模仿，而是对现有产品进行改造、突破和创新。

二． 逆向工程分类

从广义讲，逆向工程可分以下三类。

(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。

(2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。

三． 逆向工程测量系统

根据测量探头是否和零件表面接触．其测量方式可分两类。

(1)接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三座标测量机是20世纪6o年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。

(2)非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。

四． 逆向工程技术流程

(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。

(2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。

(3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查／修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。

(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检

查／修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。

(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。

五．制造业的逆向过程

制造业的逆向工程是以三维测量、表面重构为核心，集光电测量、计算机图像/图形处理、计算机辅助设计/制造、快速原型/模具、数控等技术为一体的高新技术。它是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构其计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程

正向设计与逆向设计的区别 ：正向设计指由设计思路到产品的设计过程，它是一般产品的常规设计过程。

逆向设计与正向设计相反，是由已有产品回溯产品设计思路的过程，它是对传统设计、制造技术的拓宽和丰富。

六． 逆向工程的核心

逆向工程所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。三维测量和表面重构是逆向工程技术的核心。

1. 测量设备

测量设备是逆向工程的核心硬件。按测量方式分类，测量设备分为接触和非接触式两种。

2. 接触式测量设备

接触式是传统的测量方式，测量过程中探头与模型表面接触，其典型代表为机械三坐标测量仪（CMM）。这种测量技术已发展得比较成熟，其突出优点是精度高（可达±0.5µm），但由于机械式测量结构存在的固有缺陷，难以实现快速测量。

(1)三坐标测量机(CMM)

原理：采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。

特点：测量精度高，可达微米级，但效率较低，对一些软质表面无法进行测量，价格较高。

三坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构技术，使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。

(2)层析法

原理：将零件原型填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法

获取原型不同位置截面的内外轮廓数据。

特点：能测量任意复杂零件的内外轮廓，测量速度、精度中等，价格中等，破坏被测件。

(2)非接触式测量设备

随着机器视觉技术和光电技术的发展，非接触式的光电测量技术发展迅速，这种测量技术方法测量速度快，自动化程度高，常见的方法有激光三角测量法、莫尔条纹技术、断层扫描技术等。设备有三维激光数字化仪、自动断层扫描仪、工业CT和MRI等。

3. 各种测量方法的比较

各种测量方法精度、成本、适用条件各不相同。

机械三坐标测量仪 接触式 外表面形状 精度高 软体难以测量 手动成本低，自动化成本高

层析数字化测量机 破坏式 内外表面 精度高 材料不限 成本中等 三维激光数字化仪 非接触式 外表面形状 精度高 材料不限 成本中等

MRI/CT 非接触式 内外表面 精度低 材料有限制 成本高

4.表面重构

经过测量，物体表面形状离散为数据点集，有关线、面的特征全部消失，由离散数据点重构物体的CAD模型需经过离散点网格化、特征提取、表面分片、曲面生成等步骤。网格化是为了建立离散点之间的拓扑关系，但由离散点拼合物体表面网格时存在多义性，要设计全自动的算法存在难度，有设计人员根据被测实物进行交互拼接是目前比

较实用的方法。有了物体表面的网格模型，根据应用需要，选用合适的曲面生成算法构建物体的曲面模型，并通过数据接口导入CATIA、UG等常用的CAD软件进行后续的处理。

逆向工程的数据处理过程包括：分析现有产品或系统，对其原理进行抽取，结合新技术、改进并超越现有产品（第三步实际是正向工程）。

(1) 分析

分析现有产品或系统，找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。

(2) 抽取

按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性，抽取也是一个数据过滤和加密的过程。

(3) 产品重建

重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。

线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的，CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等。

整体重建实际上是智能化的重建过程，既包括线架重建和面片重建，又包括产品的实体构造，主要由软件自动化地完成，其更注重产品整体。

(4) 数字产品

逆向工程所产生的数字产品，是真实产品的数字化，同时可在模拟的环境中模拟的工作状态，排除和改进当前产品原型的不足，从而超越

样品。

(5) 加工

加工是将数字产品转化为真实产品的过程，加工的规划和数据采集有很多相似的地方，逆向工程的加工更注重加工工艺的自动化和加工的自动化完成。

5. 逆向工程的关键技术

逆向工程可以抽象地划分为三个环节：①零件原型的三维模型重构；②基于原型的再设计；③产品制造。

上述三个环节中零件原型三维模型重构是实施逆向工程的基础，也是目前研究的重点、难点。在通常情况下，提到逆向工程就指零件原型的三维模型重构。零件原型的三维模型重构可分为数据采集和三维模型重构两个部分。

七．逆向工程技术的应用领域

逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：

(1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。

(2)当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要

求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的．最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。

(3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此．逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。

(4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。

(5)借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状．而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。