逆向工程的現(xiàn)狀及發(fā)展前景

逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，并在此基礎(chǔ)上對已有的產(chǎn)品進行剖析、理解和改進，是對已有設(shè)計的二次設(shè)計。

分類

從廣義講，逆向工程可分以下三類：

1）實物逆向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件或組件。

2）軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術(shù)軟件；只有實物而無技術(shù)軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。

3）影像逆向：設(shè)計者既無產(chǎn)品實物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。

工藝過程

逆向工程系統(tǒng)主要由三部分組成: 產(chǎn)品實物幾何外形的數(shù)字化、CAD 模型重建、產(chǎn)品或模具制造。逆向工程中的關(guān)鍵技術(shù)是據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理和模型的重建。

(1) 數(shù)據(jù)采集：數(shù)據(jù)采集是逆向工程的第一步,其方法的得當直接影響到是否能準確、快速、完整地獲取實物的二維、三維幾何數(shù)據(jù), 影響到重構(gòu)的CAD 實體模型的質(zhì)量, 并最終影響產(chǎn)品的質(zhì)量。

(2) 數(shù)據(jù)處理：對于獲取的一系列點數(shù)據(jù)在進行CAD 模型重建前, 必須進行格式轉(zhuǎn)換、噪聲濾除、平滑、對齊、歸并、測頭半徑補償和插值補點等處理。

(3) 模型重建：將處理過的測量數(shù)據(jù)導(dǎo)入CAD系統(tǒng), 依據(jù)前面創(chuàng)建的曲線、曲面構(gòu)建出原型的CAD 模型。

逆向工程技術(shù)過程圖解：

存在的問題

盡管經(jīng)過多年的發(fā)展，逆向工程研究領(lǐng)域取得了上述的研究成果，但在應(yīng)用方面、理論方面仍然很不成熟，還有若干問題有待于解決

（1）缺乏統(tǒng)一的逆向工程的概 念、標準術(shù)語。導(dǎo)致了研究人員在交流上的困難，不利于工具的研制，也不利于逆向工程技術(shù)的應(yīng)用

（2）缺乏統(tǒng)一的逆向工程機制的分類框架。導(dǎo)致不同工具或技術(shù) 比較功能和性能時的困難。

(3)缺乏對逆向工程工具的廣泛使用。逆向工程工具缺乏 與其它開發(fā)工具的有效集成，影響到使用的普及，導(dǎo)致逆向工程技術(shù)發(fā)展上的困難

(4)缺乏對現(xiàn)有工具和理論進行有效評估的標準及工具.盡管出現(xiàn)了一些評估技術(shù) 及其應(yīng)用，還是缺乏統(tǒng)一的評估標準，缺乏有效的驗證工具的支持，無法確定逆向工程技術(shù)是否得到提高，導(dǎo)致逆向工程工具發(fā)展上的困難。

發(fā)展前景

逆向工程做為一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得得實物的三維數(shù)據(jù)及模型。為產(chǎn)品提供先進的開發(fā)、設(shè)計及制造的技術(shù)支撐。它改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)模式, 大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。目前，逆向工程在各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如汽車外觀設(shè)計、醫(yī)學(xué)上的人工器官等。但逆向工程的主要應(yīng)用部分還是在模具專業(yè)上，它大大促進了我國制造業(yè)的發(fā)展。

逆向工程的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景2017-04-07 06:53 | #2樓

1.引言

逆向工程也稱反求工程或反向工程[1]，是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計模型，并在此基礎(chǔ)上對已有的產(chǎn)品進行剖析、理解和改進，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。

從廣義講，逆向工程可分以下三類[2]：

（1）實物逆向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。

（2）軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標準、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術(shù)軟件；只有實物而無技術(shù)軟件； 沒有實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。

（3）影像逆向：設(shè)計者既無產(chǎn)品實物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計者要通過這些影像資料去構(gòu)思、設(shè)計產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。

目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何形狀的逆向，即重建產(chǎn)品實物的C A D ，稱為“實物逆向工程”。逆向工程與順向工程如下圖1 所示：

圖1 逆向工程與順向工程

2 逆向工程數(shù)據(jù)測量技術(shù)[3- 4]

數(shù)據(jù)測量是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲取產(chǎn)品表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)，將產(chǎn)品的幾何形狀數(shù)字化。其測量原理是：將被測產(chǎn)品放置于三坐標測量機的測量空間內(nèi)，可以獲得被測產(chǎn)品上各個測量點的坐標位置，根據(jù)這些點的空間坐標值，經(jīng)過計算機數(shù)據(jù)處理，擬合形成測量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經(jīng)過數(shù)學(xué)計算的方法得出其形狀、位置公差及其它幾何量數(shù)據(jù)。高效、高精度地獲取產(chǎn)品的數(shù)字化信息是實現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。

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現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類：

（1）接觸式數(shù)據(jù)采集方法

接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場法、超聲波法。

接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標測量機，測量時可根據(jù)實物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點數(shù)及其分布，然后確定測量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法采

用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關(guān)測頭，當測頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時，由于探針受理變形觸發(fā)采樣開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針的當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。

采用觸發(fā)式測頭的優(yōu)點在于：適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的測量；觸發(fā)式探頭的通用性較強，適用于尺寸測量和在線應(yīng)用；體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用；由于測量數(shù)據(jù)點時測量機處于勻速直線低速狀態(tài)，測量機的動態(tài)性能對測量精度的影響較小。

但由于測頭的限制,不能測量到被測零件的一些細節(jié)之處,不能測量一些易碎、易變形的零件。另外接觸式測量的測頭與零件表面接觸，測量速度慢，測量后還要進行測頭補償，數(shù)據(jù)量小，不能真實的反映實體的形狀。

（2）非接觸式數(shù)據(jù)采集方法

非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運用光學(xué)原理進行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點問題，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實形狀。非接觸式數(shù)據(jù)采集方法采用非接觸式探頭，由于沒有力的作用，適用于測量柔軟物體；非接觸式探頭取樣率

較高，在50 次/秒到23000 次/秒之間，適用于表面形狀復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的測量，例如：汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征的影響（顏色、光度、粗糙度、形狀等）的影響較大，目前在多數(shù)情況下其測量誤差比接觸式探頭要大，保持在10 微米級以上[5]。該方法主要用于對易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數(shù)據(jù)的零件、不考慮測量成本及其相關(guān) 軟硬件的配套情況下的測量。總之，在可以應(yīng)用接觸式測量的情況下，不要采用非接觸式測量；在只測量尺寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式測量；考慮測量成本且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式測量；對產(chǎn)品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描測量；對離算點的測量采用掃描式；對易變形、精度要求不高的產(chǎn)品、要求獲得大量測量數(shù)據(jù)的零件進行測量時采用非接式測量方法。 3 逆向工程技術(shù)在快速模具制造中的應(yīng)用

快速模具制造是一種低成本的逆向工程，它可以通過三維CAD系統(tǒng)，手工直接進行三維實體建模；或依靠掃描技術(shù)對實物進行掃描，以獲得三維模型的點數(shù)據(jù)后在計算機中建模．最后通過CAM系統(tǒng)生成NC程序并與數(shù)控機床通訊，快速地制造出簡易模具[6]，圖2為逆向工程工藝流程圖．以洗發(fā)水瓶作為實物，通過掃描、建模、模擬加工、生成NC程序，最后在數(shù)控機床上加工出洗發(fā)水瓶模具的陰模和陽模等過程，詳細分析了逆向工程在快速模具制造中的應(yīng)用技術(shù)．具體過程介紹如

下．

該過程是借助英國雷尼紹公司制造的CYCLONE高速數(shù)字化掃描機，采集實物模型上的每一點的幾何數(shù)據(jù)，如圖4a所示，利用TRACECUT系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，并通過格式轉(zhuǎn)換接口與其它CAD/CAM系統(tǒng)相連，進行CAD建模、模擬加工、生成NC程序，最后在數(shù)控機床上加工出洗發(fā)水瓶模具的陰模和陽模[7]，見圖4b和圖4c

。

3.1 實現(xiàn)過程的關(guān)鍵技術(shù)

由實物建立CAD 模型，要求首先對其實物表面進行數(shù)字化處理，由此可見，逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)有兩個方面：一方面是實物模型表面數(shù)據(jù)獲取技術(shù)，即數(shù)字化掃描技術(shù)；另一方面是產(chǎn)品建模技術(shù)（曲面

構(gòu)造技術(shù)）。下面對這兩方面作進一步研究。

（1）數(shù)字化掃描技術(shù)

實物模型表面數(shù)據(jù)獲取的數(shù)字化過程就是數(shù)字化掃描過程。事實上，數(shù)字化掃描及其相關(guān)技術(shù)技術(shù)逆向工程。掃描是采用模擬式或非接觸激光掃描側(cè)頭沿著未知模型的表面連續(xù)掃描。采集模型表面的坐標值，每秒可采集十至上千點數(shù)據(jù)，把采集的數(shù)據(jù)存入計算機中，而掃描和加工過程不是同時進行的[8]。根據(jù)模型制造的需要，既可以對掃描模型進行陰陽轉(zhuǎn)換、比例縮放、鏡像、旋轉(zhuǎn)、平移以及根據(jù)用戶設(shè)定自動生成分型面等處理、然后生成需要的NC加工程序，同時也可以生成各種不同格式的CAD數(shù)據(jù)，送到其他CAD/CAM系統(tǒng)中進行進一步處理。同濟大學(xué)借助雷尼紹公司制造的專用高速度掃描器采用接觸式方法來獲取數(shù)字化的模型，見圖4a。

（2）產(chǎn)品建模技術(shù)

當零件原型數(shù)字化后形成一系列的空間離散點，生成原型的CAD模型就是要在這些離散點基礎(chǔ)上，應(yīng)用計算機輔助幾何設(shè)計的有關(guān)技術(shù)，構(gòu)造零件原型的CAD模型，通常對于含有自由曲面的復(fù)雜型面，用一張曲面來擬合所有數(shù)據(jù)點是不可行的，一般首先按照原型所具有的特征，將測量數(shù)據(jù)點分割成不同的區(qū)域[9]，各個區(qū)域分別擬合出不同的曲面，然后應(yīng)用曲面求交或曲面間過渡的方法將不同的曲面連接起來構(gòu)成一個整體，有效的三維測量數(shù)據(jù)分割和擬合技術(shù)是逆向工程中的重要內(nèi)容。

同濟大學(xué)借助雷尼紹公司制造的專用高速度掃描器獲得洗發(fā)水作

為實物的掃描點后利用TRACE-CUT系統(tǒng)對所采集的數(shù)據(jù)進行處理，并通過IGES接口與其他CAD系統(tǒng)相連進CAD建模。如圖

5

4.基于逆向工程的醫(yī)學(xué)器官有限元建模

為了提高醫(yī)學(xué)器官有限元模型的建模速度和精度，采用逆向工程的思想方法，利用Medical image processing（MIPP）軟件自動建立了人頭部的有限元分析模型。用戶可以通過MIPP進行二維圖片的重構(gòu)和三維顯示，然后應(yīng)用ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言導(dǎo)出一個有限元分析模型。結(jié)果表明新的建模方法比傳統(tǒng)的建模方法速度更快，精度更高，為生物力學(xué)分析和醫(yī)學(xué)假肢制造提供了一個更加有效和實用的方法[10]。

基于逆向工程的三維有限元模型的構(gòu)建要解決兩個問題：一是斷層圖像的三維重建和顯示，二是將骨骼關(guān)節(jié)等組織器官構(gòu)成有限元物同構(gòu)模型。

圖6 斷層圖像的表面材質(zhì)模型的重建結(jié)果

經(jīng)過三維重建的處理后（如圖6），得到了空間點三維坐標，在多數(shù)情況下，反求工程中表面數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大且散亂等特點，被形象地稱為“點云”，為了與有限元分析軟件無縫集成，以下的工作都借用了ANSYS的APDL語言，以指令流的方式對點云進行操作。

頭骨骨折是一種高能量損傷，大多由于壓砸、撞擠、軋輾或高處墜落等所致，不論是保守還是手術(shù)治療效果都比較差。研究嘗試采用逆向工程方法建立顱腦部分三維有限元模型，不僅有利于從多角度認識腦損傷機制，為今后形成完整的腦損傷理論提供試驗依據(jù)；同時也為生物醫(yī)學(xué)中的三維有限元分析方法的應(yīng)用研究探索了一種新的建模方法，下表是傳統(tǒng)建模方法與新方法的比較[11]。

5.結(jié)語

逆向工程做為一種非常高效的產(chǎn)品設(shè)計思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得得實物的三維數(shù)據(jù)及模型。為產(chǎn)品提供先進的開發(fā)、設(shè)計及制造的技術(shù)支撐。它改變了傳統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計開發(fā)模式, 大大縮短了產(chǎn)品開發(fā)的時間周期,提高產(chǎn)品研發(fā)的成功率。目前，逆向工程在各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，比如汽車外觀設(shè)計、醫(yī)學(xué)上的人工器官等。但逆向工程的主要應(yīng)用部分還是在模具專業(yè)上，它大大促進了我國制造業(yè)的發(fā)展。

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