1 引言

　　目前，逆向工程研究(Reverse Engineering，RE)受到越來越多的重視。逆向工程技術(shù)是從測(cè)量過程開始，通過檢測(cè)實(shí)體的曲面輪廓、應(yīng)用CAD幾何造型技術(shù)來構(gòu)造曲面模型。該研究是分析逆向工程的實(shí)施條件和應(yīng)用領(lǐng)域，論述逆向工程軟件和商業(yè)化CAD/CAM軟件的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)多樣性和創(chuàng)新性的設(shè)計(jì)，其開發(fā)過程主要包括：用測(cè)量系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)點(diǎn)并重構(gòu)其CAD模型;對(duì)構(gòu)造的CAD模型進(jìn)行輪廓形狀測(cè)試和驗(yàn)證;通過模具、雕塑曲面，CNC加工和快速原型法重構(gòu)逆向工程的實(shí)體模型。產(chǎn)品的開發(fā)流程如圖1所示。

　　圖1逆向工程產(chǎn)品開發(fā)流程圖

　　逆向工程目前主要應(yīng)用于汽車、模具等工業(yè)領(lǐng)域。將實(shí)體模型與設(shè)計(jì)的陶制或木制模型進(jìn)行比較，生成特定的人體曲面來滿足航空制服和頭盔設(shè)計(jì)等的需要。逆向工程方法與快速原型制造技術(shù)在醫(yī)學(xué)上也有應(yīng)用，如人工肢體的設(shè)計(jì)和安裝、外科手術(shù)植入和修復(fù)設(shè)計(jì)等。該技術(shù)為快速設(shè)計(jì)和制造提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，已成為制造業(yè)信息傳遞的重要途徑之一。

　　2逆向工程技術(shù)條件

　　(1)逆向工程硬件技術(shù)條件

　　逆向工程硬件技術(shù)條件中檢測(cè)設(shè)備具有重要的地位，檢測(cè)設(shè)備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件保障。國(guó)內(nèi)使用較多的檢測(cè)設(shè)備有英國(guó)、意大利、德國(guó)、日本等國(guó)家生產(chǎn)的三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)和三維掃描設(shè)備。如Talon坐標(biāo)測(cè)量機(jī)代表了便攜搖臂式三維測(cè)量精度技術(shù)的新水平，其分辨率達(dá)到3/μm;英國(guó)LK公司生產(chǎn)的LK Ultra測(cè)量機(jī)的測(cè)量精度可達(dá)到亞微米級(jí)，重復(fù)定位精度為0.5μm，空問精度在其整個(gè)測(cè)量空間內(nèi)為(0.9+L/500)μm;日本三豐(Mitutoyo)公司的Leges測(cè)量機(jī)是亞微米精度最高的一種生產(chǎn)型測(cè)量機(jī)，該機(jī)的空問測(cè)量精度為(O.48+三/1000)μm;英國(guó)Taylor Hobson公司開發(fā)的HoloMapper和SurfAcer兩種測(cè)量?jī)x器采用激光全息成像技術(shù)和CCD光學(xué)傳感技術(shù)來采集和顯示被測(cè)表面數(shù)據(jù)。這種完全封閉式的技術(shù)過去應(yīng)用于衛(wèi)星測(cè)繪，而現(xiàn)在已被用于車問現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量。加拿大Virtek Vision公司開發(fā)的Virtek Laser QC是一臺(tái)新型非接觸式測(cè)量機(jī)，將被測(cè)工件置于(800×800)mm2的玻璃檢測(cè)臺(tái)上，利用激光從上面對(duì)其進(jìn)行掃描。一般在10秒鐘內(nèi)可達(dá)到±0.05mm的精度，通過設(shè)定分辨率掃描圖像，激光可以被觸發(fā)進(jìn)行掃描，并將零件數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)系統(tǒng)中;英國(guó)雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀可實(shí)現(xiàn)激光測(cè)頭和接觸式掃描頭的互換，激光測(cè)頭的掃描精度達(dá)0.05mm，接觸式掃描測(cè)頭精度可達(dá)0.02mm;德國(guó)GOM公司的ATOS掃描儀在測(cè)量時(shí)，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。測(cè)量設(shè)備的發(fā)展集中體現(xiàn)了檢測(cè)設(shè)備的高速化、高精度、系統(tǒng)化、集成化和智能化等特點(diǎn)，為逆向工程技術(shù)提供了硬件支撐。不同的測(cè)量對(duì)象、目的，決定了測(cè)量過程和測(cè)量方法的不同。在實(shí)際測(cè)量時(shí)，應(yīng)該根據(jù)測(cè)量對(duì)象的特點(diǎn)以及設(shè)計(jì)工作的要求，確定合適的掃描方法和掃描設(shè)備。

　　(2)逆向工程技術(shù)實(shí)施的軟件條件

　　逆向工程軟件的主要作用是接受來自測(cè)量設(shè)備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)(如測(cè)量點(diǎn)云)，通過一系列的編輯操作，得到品質(zhì)優(yōu)良的曲線或曲面模型，并通過標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)格式傳送到CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中完成最終的產(chǎn)品造型。在逆向工程設(shè)計(jì)中，需要交互使用CAD/CAM軟件和專門的逆向工程軟件來完成樣件的設(shè)計(jì)。逆向工程軟件具有較強(qiáng)的點(diǎn)云處理功能，但造型功能不夠完善，一般后期都是利用CAD/CAM軟件來實(shí)現(xiàn)最終的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、模具設(shè)計(jì)和數(shù)控加工。

　　比較常用的通用逆向工程軟件包括Imageware、SurfAcer、Delcam、CopyCAD、Geomagic studio、Cimatron以及Strim。一些大型CAD軟件也為逆向工程提供了設(shè)計(jì)模塊，例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(diǎn)(測(cè)量線)，也可以接受點(diǎn)云數(shù)據(jù)。這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實(shí)施提供了軟件支撐。

　　在實(shí)際設(shè)計(jì)中采用Imageware作為逆向工程軟件，因其具有強(qiáng)大的測(cè)量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測(cè)等功能，可以處理幾萬至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性，其檢測(cè)功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)誤差。而UG軟件作為高端設(shè)計(jì)制造軟件整合了從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、曲面造型、模具設(shè)計(jì)及模具數(shù)控加工編程的能力，在產(chǎn)品的后期處理、修正以及模具設(shè)計(jì)加工中有著極大的優(yōu)勢(shì)。

　　3逆向工程設(shè)計(jì)思路

　　3.1分析原型

　　從某種意義上看，逆向設(shè)計(jì)也是一個(gè)重新設(shè)計(jì)的過程。進(jìn)行逆向設(shè)計(jì)前，應(yīng)對(duì)原型進(jìn)行分析，理解原型的設(shè)計(jì)思想，也可能要修復(fù)或克服原有模型上存在的缺陷。這就需要系統(tǒng)地分析模型，理清設(shè)計(jì)的整體思路，考慮好處理順序和所用方法，根據(jù)特征劃分模型區(qū)域，得出設(shè)計(jì)的整體思路;確定構(gòu)成模型的曲面類型，選擇相應(yīng)設(shè)計(jì)軟件和模塊，對(duì)于自由曲面，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內(nèi)飾件等，一般需采用具有方便調(diào)整曲線和曲面功能的模塊。對(duì)于初等解析曲面，如平面、圓柱面、圓錐面等，在判斷后可以直接進(jìn)行構(gòu)造。

　　3.2產(chǎn)品測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的輸入及造型設(shè)計(jì)

　　掃描的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)可根據(jù)不同逆向工程造型軟件系統(tǒng)的需要輸出不同的格式，常用的數(shù)據(jù)格式有DXF、IGES、STL、ASC 11等。將實(shí)體原型的測(cè)量點(diǎn)云數(shù)據(jù)輸入到Imageware系統(tǒng)中，可利用其Display/Gouraud2shaded功能進(jìn)行渲染顯示，及時(shí)評(píng)估數(shù)據(jù)的質(zhì)量，判斷所得數(shù)據(jù)點(diǎn)是否全面，在早期修正問題，補(bǔ)充測(cè)量的數(shù)據(jù)點(diǎn)或者重新測(cè)量等，這就縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期。

　　在逆向工程產(chǎn)品設(shè)計(jì)中可以采用如下方法：①在Imageware中，對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行取樣、擬合，構(gòu)造截面線，找出產(chǎn)品主要曲面的關(guān)鍵截面線，然后將截面線通過IGES輸入到UG中，利用其便捷多樣的曲面構(gòu)造和曲面編輯功能進(jìn)行后期的曲面處理和調(diào)整，之后再轉(zhuǎn)到Tmageware中進(jìn)行誤差分析，根據(jù)誤差逐漸調(diào)整模型，直至模型滿足最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。②在Imageware系統(tǒng)中，直接利用其通過點(diǎn)云構(gòu)造曲面的工具，快速準(zhǔn)確地逐一構(gòu)造出產(chǎn)品的主要輪廓面。立即對(duì)所構(gòu)曲面與數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行誤差分析，并根據(jù)分析對(duì)每個(gè)曲面進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯和調(diào)整，直至每個(gè)曲面均達(dá)到產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。然后將所得曲面轉(zhuǎn)入U(xiǎn)G進(jìn)行圓角等細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，完成最終產(chǎn)品。在此過程中，曲面與測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)的誤差既達(dá)到設(shè)計(jì)要求，又能保證曲面的光順性。

　　3.3曲面重建規(guī)律

　　在造型設(shè)計(jì)和曲面重構(gòu)時(shí)，將復(fù)雜曲面根據(jù)曲率變化劃分為基本曲面和連接曲面，通過合理設(shè)計(jì)曲面的生成順序及連接曲面的生成方式來分別構(gòu)造。復(fù)雜曲面劃分要均衡考慮兩個(gè)因素：?jiǎn)蝹€(gè)曲面盡量簡(jiǎn)單，這樣有利于模型的構(gòu)建;在能夠反映特征的前提下總的曲面數(shù)目要盡量少。

　　基本曲面是指不需要通過邊界約束建立的曲面，如直紋面、拉伸面、旋轉(zhuǎn)面和掃描面等?？上冗M(jìn)行曲面模型初建，直接采用已分塊的曲面點(diǎn)云，通過控制曲面U、V階數(shù)以及與測(cè)量數(shù)據(jù)的偏差來生成曲面。該曲面僅反映了模型表面的特征和走勢(shì)，而其精度、光順性和尺寸都需要進(jìn)一步調(diào)整和完善。然后進(jìn)行曲面模型修改，對(duì)曲面模型進(jìn)行修改是曲面重建中最重要的過程。通過調(diào)整控制曲線以保證曲面質(zhì)量，在建立曲線模型時(shí)要考慮：①曲線按照曲面的特征方向構(gòu)造，同一方向的曲線應(yīng)有相似的曲率變化趨勢(shì)。②曲線在偏差范圍內(nèi)盡量減少數(shù)量，增加曲面的可調(diào)整性。曲率變化大處，曲線密度應(yīng)較大;曲率變化小處，曲線可以較稀疏。③在保證精度的前提下，盡量降低曲線的段數(shù)和階數(shù)，同一方向的曲線應(yīng)具有相同的段數(shù)和階數(shù)。④保證曲線、曲面的光順性。連接曲面的產(chǎn)生通常有倒角法和直接建模法兩種方法：倒角法是以需要連接的兩曲面的交線作為導(dǎo)引線，進(jìn)行等半徑倒角或變半徑倒角。通過調(diào)整倒角半徑值來調(diào)整曲面形狀變化，逼近測(cè)量數(shù)據(jù)。通過控制相交線的光順性和趨勢(shì)，可以有效地控制倒角曲面的生成質(zhì)量，而直接建模法是用來建立具有邊界約束的連接曲面。在曲面片之問實(shí)現(xiàn)光滑連接時(shí)，首先要保證各連接曲面片具有公共邊，更重要的是保證各曲面片的控制線連接光順，這也是保證曲面片連接光順的必要條件。通過調(diào)整控制線的起點(diǎn)、終點(diǎn)約束，使其曲率或切矢在接點(diǎn)處保持一致。

　　4逆向工程應(yīng)用實(shí)例

　　在具體工程設(shè)計(jì)中，采用Tmageware與UG軟件相結(jié)合的方法，使用Imageware進(jìn)行點(diǎn)、線處理得到曲線形狀，然后使用UG引入控制線的數(shù)據(jù)進(jìn)行產(chǎn)品的曲面造型?，F(xiàn)以車燈的逆向工程應(yīng)用說明逆向工程應(yīng)用流程。本例采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的照相式光柵三維掃描儀——天遠(yuǎn)三維描儀(OKIO一400型)為逆向測(cè)量設(shè)備。

　　(1)三維掃描獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)

　　對(duì)物體進(jìn)行分析，確定需掃描的部分和掃描方式。由于此車燈造型的需要，要進(jìn)行內(nèi)外表面全部的多角度多方位測(cè)量。采用天遠(yuǎn)三維掃描儀(見圖2)的標(biāo)志點(diǎn)全自動(dòng)拼接的測(cè)量方法獲取三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見圖3)。

　　圖2多角度三維掃描

　　圖3生成點(diǎn)云

　　(2)對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理

　　利用Imageware、Geomagic等逆向工程軟件對(duì)點(diǎn)云進(jìn)行處理，用hTlageware處理云點(diǎn)為造型做準(zhǔn)備(見圖4)。

　　圖4用Imageware處理點(diǎn)云數(shù)據(jù)后運(yùn)用

　　(3)造型

　　利用逆向工軟件或者是CAD(UG、Pro/E、Catia)軟件進(jìn)行造型。用UG造型如圖5所示。

　　圖5用UG生成的車燈產(chǎn)品實(shí)體模型圖

　　4)比對(duì)評(píng)估

　　利用surfacer、Imageware、Geomagic等軟件的對(duì)比評(píng)估功能，用Imageware檢查造型誤差(見圖6)，確定出需要完善的地方。

　　圖6用軟件Imageware的對(duì)比評(píng)估功能檢查造型誤差圖

　　(5)后續(xù)處理

　　利用CAD/CAM軟件繼續(xù)處理，例如：修改、增加、刪減，設(shè)計(jì)內(nèi)容、出圖紙、開模具圖、編程、加工等。

　　在數(shù)學(xué)上，高斯曲率是曲面是否光順的判斷依據(jù)。在系統(tǒng)軟件中，可以在分析模塊(Analysis)中使用高斯曲率法對(duì)曲面進(jìn)行分析。當(dāng)曲面曲率變化比較均勻時(shí)，即認(rèn)為達(dá)到光順要求。再導(dǎo)人到Imageware中進(jìn)行誤差分析，根據(jù)誤差逐漸調(diào)整模型。若曲面質(zhì)量很差，需要對(duì)構(gòu)成的曲線進(jìn)行重新調(diào)整，直至模型滿足最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。重建曲面質(zhì)量檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)是：曲面的光順性、與曲面數(shù)據(jù)的偏差。曲面模型與測(cè)量數(shù)據(jù)之問的偏差與實(shí)體模型本身表面質(zhì)量關(guān)系密切。當(dāng)實(shí)體模型本身表面質(zhì)量非常好時(shí)，CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)之問的偏差可以很小，同時(shí)保證曲面光順;當(dāng)實(shí)體模型表面質(zhì)量較差時(shí)，就需要犧牲CAD模型與測(cè)量數(shù)據(jù)之問的偏差來提高曲面光順性，但須避免過于追求曲面的光順性而失去原型的特征。

　　5 結(jié)語

　　通過對(duì)逆向工程軟件和CAD/CAM系統(tǒng)的關(guān)系以及逆向工程的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行分析，采用Imageware與UG兩種軟件有機(jī)結(jié)合的方式進(jìn)行了車燈的逆向工程設(shè)計(jì)。目前逆向工程技術(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(cè)中。該技術(shù)不僅用于消化和吸收實(shí)體原型，并且能修改再設(shè)計(jì)以制造出新的產(chǎn)品。如果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，可大大縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，降低開發(fā)成本，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量。