逆向工程技術及其應用

摘要：通過分析和研究逆向工程技術，提出了其關鍵技術為數據采集、數據預處理、數據分割、曲面重構和CAD模型建模，分析了逆向工程技術在產品設計中的應用，其能提高產品設計的準確性，大大縮短產品研發周期。

關鍵詞：逆向工程數據采集曲面重構點云

0引言

在21世紀的今天，市場的產品變化很快，能不能很快制造出符合市場需要的商品是一個公司生存發展的關鍵。但由于很多原因我們只能得到簡單的實物模型，無法得到圖紙和相關的產品數據。因此就沒有辦法得到產品的數據尺寸，從而把極大地困難帶給后續的制造技術和模具的制造。從而就急需一種能通過先進技術對實體進行處理進而將樣品制造出來的技術，而逆向工程正是在這種背景下應運而生。

1逆向工程概述

逆向工程又叫反求工程或反向工程，它是根據一個實物產品，通過三維數字化掃描儀精確快速的測量事物的輪廓坐標，再通過三維CAD曲面重建并修改后傳遞給一般地CAD/CAM系統，再通過CAM編出刀具的程序傳給CNC加工設備，從而制造相應的模具。單地說，逆向工程就是根據已存在的產品樣件模型，進行解剖、深化和再設計，反向推出產品設計數據的過程。反向工程分為下面三類：

①實物反向：它是已經有了實物，經過測量和相關分析進而再生產。它有性能逆向、功能逆向、結構、材料等各方面的反向。而且這種反向的目標可以是一個整體可以是一部件也可以是一組件。

②軟件反向：我們把產品的樣本和設計書、產品的圖紙和使用手冊、相關的標準和質量保證文件等都叫做技術軟件。它分為以下三類：有實物和全套技術軟件的；只有全套技術軟件的；只有實物的。

③影像反向:這種逆向沒有技術軟件也沒有相關的實物，我們只能獲得產品的一些廣告圖片和一些參觀視頻等，產品的研發人員只能根據這些資料去設計和構思產品，我們把這種反向叫做影像反向。

2逆向工程中的關鍵技術

逆向工程主要有數據的采集、數據的預處理、數據分割、曲面重構和CAD模型的建立等關鍵技術。

2.1 數據的采集

數據的采集首先是采用特殊的采集設備和特殊的采集方法測得產品輪廓的坐標數據，再把產品幾何外形數字化。它的基本原理是:把要測量的產品放在三維坐標掃描儀器中，從而得到掃描點的坐標數據，再根據這些坐標數據，最后經過計算機數據的處理，擬合形成采集元素，如圓、圓柱、圓錐、球、曲面等，經過數學計算得出其外形、位置公差及其它相關的幾何量數據。現有數據的采集方法主要有兩種:

2.1.1 接觸式數據采集：它包括觸發式的數據采集、連續掃描式的數據采集、超聲波法、磁場法等。接觸式的數據采集經常三坐通過三坐標丈量機，測量時可通過實物的特征和測量的要求選擇測頭和方向，確定測量點數和它的分布，進而確定測量的路徑，有時要進行碰撞的檢查。接觸式測量的測頭與零件表面接觸，測量速度很慢，測量后還要進行測頭補償，數據量很小，不可能真正的反映實體外形。

2.1.2 非接觸式數據采集：這種采集方法主要依據光學原理，它包括結構光法、激光三角形法、圖像分析法等。非接觸式數據的采集具有精度高和速度快的優點，可以避免因為接觸壓力以及測量摩擦力而產生的誤差。而且測頭產生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭很難測量的部位，最大限度地體現被測量表面的真實輪廓。

2.2 數據的預處理

因為測量設備的缺陷、測量的方法和零件的表面質量的影響，使得測量結果含有誤差，特別對于邊界和尖銳邊的數據測量。對原始數據預處理能夠降低甚至消除誤差對后面建模的影響。預處理包括：去除誤差的點、精簡數據、多視點云對齊、提取特征以及數據的分塊等。

2.2.1 去除誤差點

誤差點又叫失真點，它是由于測量設備的參數改變或者環境變化而造成的。若是人工測量會產生操作誤差，所以數據預處理關鍵是找出潛在的誤差點。在相同的一個截面掃描中，若一點和它鄰近的偏差較大，我們就把這個點認為是一個誤差點。判別誤差點方法有：直觀檢查法、角度判斷法、曲線檢測法等。

2.2.2 數據的精簡

通過測量儀器獲得的數據點云非常密集，含有很多的冗余數據，不可能直接用來構造曲面。而且冗余的數據會浪費很多無效的運算開支進而大大降低幾何建模速度。精簡數據就是刪減原始的點云和壓縮冗余的數據。

2.2.3 點云對齊

在反向工程中，有時要測的產品尺寸會大于設備測量范圍，所以要從多個視角測量來獲取產品表面的全部數據。多視角測量就是把實物從不同角度裝夾測量來獲取實物的表面數據。因為每次測量的點集是在不同的坐標系下測得，因此必須進行數據對齊處理使各個坐標系統一，我們把這叫做多視點云對齊。

2.2.4 特征提取與數據的分塊

特征的提取最重要的是在測量數據中篩選出便于生成特征曲線和特征曲面的點，再用這些點去生成特征線和面。而數據的分塊是根據構成產品外形曲面的子曲面類型，再把屬于同一個子曲面類型的數據分成一組。再把全部的數據分成不同曲面類型的數據區域，進而分別擬合單個去面片最后用過曲面相交、裁剪、倒圓等方法從而把多個子曲面縫合成一個整體。

2.3 曲面的重構

曲面重構是根據數據采集的信息來恢復原始曲面幾何模型，它是反向工程的重要階段。根據曲面重構的不同方法，它可分為：

2.3.1 基于曲線的曲面重建

這種方法的原理是以數據分割為基礎在用測量的點坐標擬合出曲面的網絡樣條曲線，繼而通過CAD/CAM系統提供的混合、放樣、掃掠等功能進行重建曲面模型，在使用求交、過渡、剪裁等方法把各光滑子曲面拼接成一整體曲面。基于曲線的曲面重建是應用網格曲線來構造曲面，是規則形狀產品的一種有效模型重構方法。

2.3.2 基于測量點的直接擬合

這種方法的原理是直接重構符合測量的擬合或插值曲面。它分為曲面逼近和曲面插值，其中曲面逼近是構建一個曲面使之在某一條件下最接近測量點數據，而曲面插值是構建一個順序通過測量點集的曲面。這種方法可分為基于三邊域的曲面重建和基于四邊域的參數曲面重建。

3 逆向工程應用

在設計需要通過實驗才能定型的產品模型時，我們就經常使用逆向工程的手段。比如在汽車、航空、航天等領域，經常要通過風洞等實驗來建立符合空氣動力學等的要求產品模型。然而這類產品大多是由復雜的曲面拼接而成。我們借助反向工程可把產品轉換成三維CAD模型和模具。而往往在模具行業中，通常需要反復的修改原始的設計模具型面。把實物產品經過數據測量和處理使之產生和實際相符合的產品數字化模型，把模型進行修改后再進行加工這會大大的提高產品生產率。所以逆向工程對于改型設計方面可發揮著正向設計不可替代的作用。逆向工程在醫學領域中，可以對人體外形測量，進行人體關節復制和制造假肢等功能。也可用于修復或者復制壞損的藝術品、文物、或者缺乏供應的損壞零部件等。

4 結論

逆向工程是一種整合實用性、開拓性以及綜合性于一體的技術，通過逆向工程對產品設計不僅能大大提高產品設計精確性而且能大大縮小產品開發的周期。伴隨著各種行業對快速創新產品的急需，逆向工程技術一定將發揮著廣泛和不可替代的作用。

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通訊作者：楊蘭玉