逆向工程

huangyhg · 发表于 2006-11-5 09:59:26

逆向工程技术（Reverse Engineering，英文缩写RE），也称反求工程、反向工程等，它的思想最初是来自从油泥模型到产品实物的设计过程，随后发展形成一项以先进产品、设备的实物、样件、软件（包括图纸、程序、技术文件等）或影象（图象、照片等）作为研究对象，应用现代设计方法学、生产工程学、材料学和有关专业知识进行系统分析和研究、探索掌握其关键技术，进而开发出同类的更为先进的产品的技术。作为一种消化吸收先进技术的一种手段，在20世纪90年代初，逆向工程技术开始引起各国工业和学术界的高度重视，特别是随着现代计算机技术及测试技术的发展，利用CAD/CAM技术、先进制造技术来实现产品实物的逆向工程，已成为成为逆向工程技术应用的主要内容。作为研究对象，产品实物是面向消费市场最广、最多的一类设计成果，也是最容易获得的研究对象；另外，在产品开发和制造过程中，已广泛使用计算机几何造型技术，但仍有许多产品，由于种种原因，最初并不是由计算机辅助设计模型描述的，设计和制造者面对的是实物样件。

为了适应先进制造技术的发展，需要通过一定途径将实物样件转化为CAD模型，以期利用计算机辅助技术、快速原型制造和快速模具、产品数据管理及计算机集成制造系统等先进技术对其进行处理或管理。目前，这种从实物样件获取产品数学模型并制造得到新产品的相关技术，已成为CAD/CAM系统中的一个研究及应用热点，并发展成为一个相对独立的领域，在这一意义下，本书所讨论的"逆向工程"可定义为：逆向工程是和将实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造技术的总称。工业产品设计需要Copy，目前基于实物的逆向工程应用最广的是进行产品复制和仿制，尤其是外观设计产品，因为不涉及到复杂的动力学分析、材料、加工热处理等技术难题，相对容易实现。目前基于CAD/CAM系统的数字扫描技术为实物逆向工程提供了有力的支持，在进行数字化扫描、完成实物的3D重建后，通过NC加工就能快速地制造出模具，最终注塑得到所需的产品，这个过程已成为我国沿海地区许多家用电器、玩具、摩托车等产品企业的产品开发及生产模式。但在这些产品中鲜有自己的技术，实事求是地说，我们在相当长的时期里还不具备创新能力，在这个阶段更多的是学习和模仿，积累自己的经验，为今后的创新打下坚实的基础。因此，通过逆向工程技术，在消化、吸收先进技术的基础上，建立和掌握自己的产品开发设计技术，进行产品的创新设计，即在copy的基础上进行改进进而创新，是提升我国制造业的必由之路。实际上任何产品问世，不管是创新、改进还是仿制，都蕴涵着对已有科学、技术的继承和应用借鉴，逆向工程通过重构产品零件的CAD模型，可对原型进行修改和再设计，这为产品的再设计以及创新设计提供了数字原型，各种先进的计算机辅助技术手段也为此提供了强有力的支持。

一、逆向工程技术的内容及其应用范围

随着计算机技术的发展，CAD技术已成为产品设计人员进行研究开发的重要工具，其中的三维造型技术已被制造业广泛应用于产品及模具设计、方案评审、自动化加工制造及管理维护各个方面。在实际开发制造过程中，设计人员接收的技术资料可能是各种数据类型的三维模型，但很多时候，却是从上游厂家得到产品的实物模型。设计人员需要通过一定的途径，将这些实物信息转化为CAD模型，这就应用到了逆向工程技术(Reverse Engineering)。所谓逆向工程技术，是指用一定的测量手段对实物或模型进行测量，根据测量数据通过三维几何建模方法重构实物的CAD模型的过程。逆向工程技术与传统的正向设计存在很大差别。传统的产品设计一般需要经过图1所示的设计过程。

而逆向工程则是从产品原型出发，进而获取产品的三维数字模型，使得能够进一步利用 CAD/ACE/CAM以及CIMS等先进技术对其进行处理。它的设计流程如图2所示，与图1的不同之处在于设计的起点不同，相应的设计自由度和设计要求也不相同。一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以下几个内容： (1)新零件的设计，主要用于产品的改型或彷型设计。
(2)已有零件的复制，再现原产品的设计意图。
(3)损坏或磨损零件的还原。
(4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质量等，以及进行模型的比较。逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持，它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。

二、逆向工程技术实施的条件

1.逆向工程技术实施的硬件条件

在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内厂家使用较多的有英国、意大利、德国、日本等国家生产的三坐标测量机和三维扫描仪。就测头结构原理来说，可分为接触式和非接触式两种，其中，接触式测头又可分为硬测头和软测头两种，这种测头与被测头物体直接接触，获取数据信息。非接触式测头则是应用光学及激光的原理进行的。近几年来，扫描设备有了很大发展。例如，英国雷尼绍公司的CYCLON2高速扫描仪，可实现激光测头和接触式扫描头的互换，激光测头的扫描精度达0.05mm，接触式扫描测头精度可达0.02mm。可对易碎、易变形的形体及精细花纹进行扫描。德国GOM公司的ATOS扫描仪在测量时，可随意绕被测物体进行移动，利用光带经数据影象处理器得到实物表面数据，扫描范围可达8m×8m。ATOS扫描不仅适于复杂轮廓的扫描，而且可用于汽车、摩托车内外饰件的造型工作。此外，日本罗兰公司的PIX-30 网点接触式扫描仪，英国泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多传感扫描仪等，集中体现了检测设备的高速化、廉价化和功能复合化等特点。为实现从实物--建立数学模型-- CAD/CAE/CAM一体化提供了良好的硬件条件。

不同的测量对象和测量目的，决定了测量过程和测量方法的不同。在实际三坐标测量时，应该根据测量对象的特点以及设计工作的要求确定合适的扫描方法并选择相应的扫描设备。例如，材质为硬质且形状较为简单、容易定位的物体，应尽量使用接触式扫描仪。这种扫描仪成本较低，设备损耗费相对较少，且可以输出扫描形式，便于扫描数据的进一步处理。但在对橡胶、油泥、人体头像或超薄形物体进行扫描时，则需要采用非接触式测量方法，它的特点是速度快，工作距离远，无材质要求，但设备成本较高。

2.逆向工程技术实施的软件条件

目前比较常用的通用逆向工程软件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具体应用的反向工程系统主要有以下几个：Evans开发的针对机械零件识别的逆向工程系统；Dvorak 开发的仿制旧零件的逆向工程系统；H.H.Danz de CNC CMM系统。这些系统对逆向设计中的实际问题进行处理，极大地方便了设计人员。此外，一些大型CAD软件也逐渐为逆向工程提供了设计模块。例如Pro/E的ICEM Surf和 Pro/SCANTOOLS模块，可以接受有序点(测量线)，也可以接受点云数据。其它的象UG软件，随着版本的提高，逆向工程模块也逐渐丰富起来。这些软件的发展为逆向工程的实施提供了软件条件。

三、逆向工程设计前的准备工作做一个逆向设计的工作，可能比做一个正向设计更具有挑战性。在设计一个产品之前，首先必须尽量理解原有模型的设计思想，在此基础上还可能要修复或克服原有模型上存在的缺陷。从某种意义上看，逆向设计也是一个重新设计的过程。在开始进行一个逆向设计前，应该对零件进行仔细分析，主要考虑以下一些要点：
(1)确定设计的整体思路，对自己手中的设计模型进行系统地分析。面对大批量、无序的点云数据，初次接触的设计人员会感觉到无从下手。这是应首先要周全地考虑好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是将模型划分为几个特征区，得出设计的整体思路，并找到设计的难点，基本做到心中有数。

(2)确定模型的基本构成形状的曲面类型，这关系到相应设计软件的选择和软件模块的确定。对于自由曲面，例如汽车、摩托车的外覆盖件和内饰件等，一般需要采用具有方便调整曲线和曲面的模块；对于初等解析曲面件，如平面、圆柱面、圆锥面等则没必要因为有测量数据而用自由曲面去拟合一张显然是平面或圆柱面的曲面。

四、逆向工程工作中应该注意的问题

在实际设计中，目前存在的这些软件还存在着其较大的局限性。在机械设计领域中，集中表现为软件智能化低；点云数据的处理方面功能弱；建模过程主要依靠人工干预，设计精度不够高；集成化程度低等问题。例如，Surfacer软件在读取点云等数据时，系统工作速度较快，并且能较容易地进行点线的拟合。但通过Surfacer进行面的拟合时，软件所提供的工具及面的质量却不如其它的CAD软件如Pro/E、UG等。在很多时候，在Surfacer里做成的面，还需要到UG等软件中修改。但是，使用Pro/E、UG等软件读取点云数据时，却会造成数据庞大的问题，对它们来说，一次读取如此多的点是比较困难的。在具体工程设计中，一般采用几种软件配套使用、取长补短的方式。例如上海交通大学模具技术研究所承接的逆向工程项目，采用了Surfacer与UG和Pro/E功能结合的方法，在具体操作中，使用Surfacer进行点、线处理，得到基本控制曲线，然后使用UG和Pro/E引入控制线的数据，进行曲面造型。其中，Pro/E应用的模块主要有ICEM Surf、 Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模块主要是UG/Modeling和UG/Surface模块。这几个设计模块都是一般CAD设计时常用到的。图3～图6是上海交大模具技术研究所承接的项目中完成的几个零件，图3是Surface引入的点云数据，图4是拟合点云数据得到的数据线，图 5是在UG的CAD环境中生成的最终产品图，图6是直接采用接触式扫描仪测得的数据线，图 7是对扫描线进行处理，在UG设计环境中生成的产品图。值得注意的是，在设计过程中，并不是所有的点都是要选取的，因此，在确定基本曲面的控制曲线时，需要找出哪些点或线是可用的，哪些点或线是一些细化特征的，需要在以后的设计中用到，而不是在总体设计中就体现出来的。事实上，一些圆柱、凸台等特征是在整体轮廓确定之后，测量实体模型并结合扫描数据生成的。同时应尽量选择一些扫描质量比较好的点或线，对其进行拟合。

五、曲线曲面的光顺处理

由于测量过程中测得的是离散点数据，缺乏必要的特征信息，往往存在数字化误差，需要对曲面和曲线进行光顺。光顺是一个工程上的概念，包括光滑和顺眼两方面的含义。光滑是指空间曲线和曲面的连续阶，数学上一阶倒数连续的曲线即为光滑的曲线；而顺眼是人的主观感觉评价。对于平面曲线，光顺需要满足以下几点：曲线C2连续；没有多余拐点；曲率变化均匀。在逆向设计中，曲线的光顺性调节是非常重要的。扫描或拟合得到的曲线一般很难保证其光顺，为了构造出一条光顺的插值曲线，需要修正原形值点序列，利用软件的相关功能模块进行调节。

目前采用的曲线光顺方法主要是能量法和圆率法。设计的准则是曲线上曲率极值点尽可能少些；相邻两个极值点之间的曲率尽可能接近线性变化。曲面的光顺往往归结为网格的光顺。所谓网格的光顺，其含义是指网格的每一条曲线都是光顺的，光顺的曲面，应该是没有凸区和凹区的。在数学上，判断曲面是否满足上述条件的依据是高斯曲率。在一般CAD软件中，可以到分析模块中使用高斯曲率法对曲面进行分析。当曲面曲率变化比较均匀时，即可为达到设计要求。若曲面质量很差，需要对构成的曲线进行重新调整，直至曲面让人满意为止。逆向工程既要保证曲面质量，又要保证设计精度。除了对原始型值点进行光顺之外，有时还要控制修改后的型值点同原始型值点的坐标偏差，该偏差不应太大，以保证设计部门给出的指标不致受太大的影响。逆向工程是一项开拓性、实用性和综合性很强的技术，逆向工程技术已经广泛应用到新产品的开发、旧零件的还原以及产品的检测中，它不仅消化和吸收实物原型，并且能修改再设计以制造出新的产品。但同时设计过程中系统集成化程度比较低，人工干预的比重大，将来有望形成集成化逆向工程系统，以软件的智能化来代替人工干预的不足。
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