簡(jiǎn)述逆向工程

梁晶

【摘 要】逆向工程分類、數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品重建規(guī)劃等。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；數(shù)據(jù)采集；分類；

【中圖分類號(hào)】TP391.72 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1672-5158（2013）03-0411-01

1、概述

人類社會(huì)發(fā)展至今，已經(jīng)歷了幾千年研究和探索，在各方面都積累豐厚的知識(shí)財(cái)富和科技成果，每一項(xiàng)成果都是在前人研究的基礎(chǔ)上，模仿自然界和人類社會(huì)在相關(guān)領(lǐng)域、具有相應(yīng)特長(zhǎng)、特性的事物、動(dòng)物或人來實(shí)現(xiàn)的。在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代，要快捷地利用這些知識(shí)和成果的模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的模型，我們可以利用逆向工程的思想，用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)來快速地完成轉(zhuǎn)換。

逆向工程又叫反求工程（Reverse Engineering，RE），是20世紀(jì)80年代末期發(fā)展起來的一項(xiàng)先進(jìn)制造技術(shù)，是以產(chǎn)品及設(shè)備的實(shí)物、軟件（圖樣、程序及技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）為研究對(duì)象，反求出初始的設(shè)計(jì)意圖。簡(jiǎn)單地說，逆向就是對(duì)存在的實(shí)物模型或零件進(jìn)行測(cè)量并根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)重構(gòu)出事物的CAD模型，進(jìn)而進(jìn)行分析、修改、檢驗(yàn)、制造的過程。它所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：三維實(shí)體幾何形狀數(shù)據(jù)采集、規(guī)則或大量離散數(shù)據(jù)處理、三維實(shí)體模型重建、加工等。 逆向工程主要應(yīng)用于已有的零件的復(fù)制、或者是損壞、磨損件的高精度復(fù)原。數(shù)字化模型檢測(cè)等。逆向工程技術(shù)并不是簡(jiǎn)單意義的的仿制，而是綜合運(yùn)用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)的理論方法、工程學(xué)、材料學(xué)和相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，進(jìn)行系統(tǒng)分析，進(jìn)而快速開發(fā)制造出高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。

2、逆向工程的分類

從廣義講，逆向工程可分以下三類：

（1）實(shí)物逆向：它是在已有產(chǎn)品實(shí)物的條件下，通過測(cè)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(shí)物逆向的對(duì)象可以是整機(jī)、零部件和組件。

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

（3）影像逆向：設(shè)計(jì)者既無產(chǎn)品實(shí)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(jì)者要通過這些影像資料往構(gòu)思、設(shè)計(jì)產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。

目前，國(guó)內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何外形的逆向，即重建產(chǎn)品實(shí)物的CAD，稱為“實(shí)物逆向工程”。

3、逆向工程的數(shù)據(jù)采集

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(chǎng)法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標(biāo)丈量機(jī)，丈量時(shí)可根據(jù)實(shí)物的特征和丈量的要求選擇測(cè)頭及其方向，確定丈量點(diǎn)數(shù)及其分布，然后確定丈量的路徑，有時(shí)還要進(jìn)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(cè)頭，當(dāng)測(cè)頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時(shí)，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)記下探針確當(dāng)前坐標(biāo)值，逐點(diǎn)移動(dòng)探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標(biāo)數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機(jī)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(cè)頭的優(yōu)點(diǎn)在于：適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的丈量；觸發(fā)式探頭的通用性較強(qiáng)，適用于尺寸丈量和在線應(yīng)用；體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用；由于丈量數(shù)據(jù)點(diǎn)時(shí)丈量機(jī)處于勻速直線低速狀態(tài)，丈量機(jī)的動(dòng)態(tài)性能對(duì)丈量精度的影響較小。但由于測(cè)頭的限制，不能丈量到被測(cè)零件的一些細(xì)節(jié)之處，不能丈量一些易碎、易變形的零件。另外接觸式丈量的測(cè)頭與零件表面接觸，丈量速度慢，丈量后還要進(jìn)行測(cè)頭補(bǔ)償，數(shù)據(jù)量小，不能真實(shí)的反映實(shí)體的外形。

（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(yùn)用光學(xué)原理進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測(cè)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，排除了由丈量摩擦力和接觸壓力造成的丈量誤差，避免了接觸式測(cè)頭與被測(cè)表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點(diǎn)題目，獲得的密集點(diǎn)云信息量大、精度高，測(cè)頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測(cè)到一般機(jī)械測(cè)頭難以丈量的部位，最大限度地反映被測(cè)表面的真實(shí)外形。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，適用于丈量柔軟物體；非接觸式探頭取樣率較高，在50次/秒到23000次/秒之間，適用于表面外形復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的丈量，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、外形等）的影響較大，目前在多數(shù)情況下其丈量誤差比接觸式探頭要大，保持在10微米級(jí)以上。該方法主要用于對(duì)易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數(shù)據(jù)的零件、不考慮丈量本錢及其相關(guān)軟硬件的配套情況下的丈量。

4、逆向工程中產(chǎn)品重建規(guī)劃

逆向工程的數(shù)據(jù)處理過程包括：分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，對(duì)其原理進(jìn)行抽取，結(jié)合新技術(shù)、改進(jìn)并超越現(xiàn)有產(chǎn)品（第三步實(shí)際是正向工程）。

分析：分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，找出其工作原理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段有手工分析、自動(dòng)分析和智能分析三種分析方式。

抽取：按一定規(guī)則從數(shù)據(jù)中識(shí)別出產(chǎn)品原型中的各元素和各特性，抽取也是一個(gè)數(shù)據(jù)過濾和加密的過程。

產(chǎn)品重建：重建按重建的方式分線架重建、面片重建和整體重建。

線架重建是按人們從線到面的思維方式進(jìn)行的，CAD/CAM發(fā)展早期重建軟件基本都采用線架重建模式。當(dāng)前流行的線架重構(gòu)軟件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在線架抽取方面非常有特色。

面片重建是直接從樣件數(shù)據(jù)中抽取面片，上述軟件都能完成這樣的任務(wù)，但效果并非理想，其主要原因是分塊和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM軟件在面片重建方面很有特色，它可輔助用戶完成分塊和自動(dòng)拼接。

整體重建實(shí)際上是智能化的重建過程，既包括線架重建和面片重建，又包括產(chǎn)品的實(shí)體構(gòu)造，主要由軟件自動(dòng)化地完成，其更注重產(chǎn)品整體。

數(shù)字產(chǎn)品： 逆向工程所產(chǎn)生的數(shù)字產(chǎn)品，是真實(shí)產(chǎn)品的數(shù)字化，同時(shí)可在模擬的環(huán)境中模擬的工作狀態(tài)，排除和改進(jìn)當(dāng)前產(chǎn)品原型的不足，從而超越樣品。

5、總結(jié)

逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識(shí)別、商用專業(yè)軟件和坐標(biāo)丈量機(jī)的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績(jī)。但是在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中，整個(gè)過程仍需要大量的人機(jī)交互工作，操縱者的經(jīng)驗(yàn)和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動(dòng)重建曲面的光順性難以保證，還需要進(jìn)一步的探索和研究。