所謂逆向工程技術(shù)，是指用一定的測量手段對實(shí)物或模型進(jìn)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(shí)物的CAD模型的過程。

　　一、逆向工程技術(shù)的內(nèi)容及其應(yīng)用范圍

　　隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CAD技術(shù)已成為產(chǎn)品設(shè)計人員進(jìn)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(hù)各個方面。在實(shí)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(shí)物模型。設(shè)計人員需要通過一定的途徑，將這些實(shí)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)。

　　逆向工程技術(shù)與傳統(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(jìn)而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進(jìn)一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進(jìn)技術(shù)對其進(jìn)行處理。不同之處在于設(shè)計的起點(diǎn)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(shí)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(yàn)產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進(jìn)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(shí)施的條件

　　1.逆向工程技術(shù)實(shí)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(jī)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(jìn)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(shí)現(xiàn)激光測頭和接觸式掃描頭的互換，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。可對易碎、易變形的形體及精細(xì)花紋進(jìn)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(jìn)行移動，利用光帶經(jīng)數(shù)據(jù)影象處理器得到實(shí)物表面數(shù)據(jù)，掃描范圍可達(dá)8m×8m。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(diǎn)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(diǎn)。為實(shí)現(xiàn)從實(shí)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的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實(shí)際三坐標(biāo)測量時，應(yīng)該根據(jù)測量對象的特點(diǎn)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(fèi)相對較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數(shù)據(jù)的進(jìn)一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進(jìn)行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點(diǎn)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(shí)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：Evans開發(fā)的針對機(jī)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(shí)際問題進(jìn)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(diǎn)(測量線)，也可以接受點(diǎn)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(shí)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(jìn)行一個逆向設(shè)計前，應(yīng)該對零件進(jìn)行仔細(xì)分析，主要考慮以下一些要點(diǎn)：

　　(1)確定設(shè)計的整體思路，對自己手中的設(shè)計模型進(jìn)行系統(tǒng)地分析。面對大批量、無序的點(diǎn)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(diǎn)，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，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?yàn)橛袦y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(shí)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(jī)械設(shè)計領(lǐng)域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低;點(diǎn)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(diǎn)云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較快，并且能較容易地進(jìn)行點(diǎn)線的擬合。但通過Surfacer進(jìn)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Surfacer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(diǎn)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(diǎn)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(bǔ)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(xiàng)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(jìn)行點(diǎn)、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(jìn)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/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(xiàng)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(diǎn)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(diǎn)或線是可用的，哪些點(diǎn)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(shí)上，一些圓柱、凸臺等特征是在整體輪廓確定之后，測量實(shí)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(diǎn)或線，對其進(jìn)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(diǎn)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(jìn)行光順。光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(diǎn)：曲線C?2連續(xù);沒有多余拐點(diǎn);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(diǎn)序列，利用軟件的相關(guān)功能模塊進(jìn)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(diǎn)盡可能少些;相鄰兩個極值點(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)進(jìn)行光順之外，有時還要控制修改后的型值點(diǎn)同原始型值點(diǎn)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(xiàng)開拓性、實(shí)用性和綜合性很強(qiáng)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(shí)物原型，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。