第六章 逆向工程.

二维图形处理技术将采样数据以二维图形的方式显示出来，
得到直观简略的产品结构外形。
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逆向工程与快速原型
(2)数据分析
分析原来物体的结构。物体结构包括物体的逻辑结构、物 体的功能结构、物体包含的标准件、材料构成、物体表面的 颜色分布、各个部件的几何尺寸、不同部件之间的装配方式 及不同部件之问的几何尺寸约束等。为此，要建立产品几何 特征识别及产品组件结构的自动识别分解或交互识别分解系 统。 (3)数据的恢复和修补 在采样过程中，丢失物体的某些细节是不可避免的。通过 对采样数据的二维显示及结构分析，能够发现哪些数据可能 被丢失因此，数据修复是逆工程的一个必不可少的步骤数据。
CARM通过对测量数据的处理，提取建模所需的有效数
据，对零件进行曲面和实体造型，以得到原型的CAD模型。 逆向设计是以产品为原型，通过大量的表面数据点来重构原 型的，但由于不知道原来的设计意图，反向建模过程往往是 被动的，设计的自由度较小，难度也就比正向设计大得多。
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设计图纸，按确定的工艺文件加工。这种开发模式称为预
定模式(Prescriptive Model)，此类开发工作称为正向工程 (Forward Engineering)或正向设计。产品正向开发的流程如
图6-1所示。
图6-1 正向工程开发流程图
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2. 逆向工程
随着计算机和网络技术的发展，信息高速公路加快了科 技信息的传播速度，产品的生命周期越来越短，人们追求完 美与个性化的消费需求使产品品种越来越多，批量越来越小， 企业间的竞争不再只是质量与成本上的竞争，而更重要的是 时间的竞争。以已有产品为基准点进行设计已经成为当今的 一条设计理念。如何博采众家之长，充分吸收和利用先进的 设计制造成果，使产品设计立足于更高的起点，是世界各国 都十分关注的问题。逆向工程技术在此背景下受到人们的关 注。
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(3) 由于各相关学科发展水平的限制，对零件的功能和
性能分析还不能完全由CAE来完成，因此往往需要通过实验 来最终确定零件的形状，如在模具制造中，经常需要通过反 复试冲和修改模具型面，方可得到最终符合要求的模具。若 将最终符合要求的模具测量并反求出其 CAD 模型，在下次
制造的原型产品进行快速、准确地测量，找出产品设计的不
足，进行重新设计，经过反复迭代可使产品更趋完善。
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逆向工程与传统正向设计制造过程是截然不同的设计
流程。在逆向工程中，按照现有的零件原型进行设计生产， 零件具有的几何特征与技术要求都包含在原型中，而正向 设计是根据零件最终所承担的功能以及各方面的影响因素 进行从无到有的设计。
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第六章 逆向工程与快速原型
6.1 逆向工程概述
6.2 逆向工程系统组成及工作原理
6.3 逆向工程应用实例
6.4 快速原型与快速模具
本章小结
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6.1 逆向工程概述
1. 正向工程 一般工业产品的开发是从确定预期功能与规格目标→ 构思产品结构→进行每个零部件的设计→制造→检验→装 配→性能测试等程序完成整个开发过程，每个零部件都有
原型的CAD模型。
(4) CAD模型的检验与修正： 根据重构的CAD模型重新测量或加工 出样品等方法，检验构建的CAD模型是否满足精度要求，对不满足要求 者，重复以上的模型重建过程，直至达到零件的设计要求。
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实物测量反求技术起始于用油泥模型设计汽车、摩托
车外形，现已成为模具制造业、玩具业、游戏业、电子业、 制鞋业、医学工程等行业产品造型设计的重要工具，广泛 地用于产品改进、创新设计，特别适合具有复杂曲面外形 的产品。该技术极大地缩短了产品的开发周期，提高了产
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(6)标准化部件库的建立
分析所涉及的各类产品结构的基础上，研究产品的基本组 成单元，包括它们的形状尺寸，建立标准件库。有了标准件库
以后，产品设计过程就可简化为将已有的物体分解至最小的单
元，然后用标准部件来替换这些基本单元。 为了对设计进行修改，只需要在计算机虚拟环境中对物体
逆向工程主要包括以下四个步骤：
(1) 零件原型的数字化：利用三坐标测量机或激光扫描仪等测量装
置获取零件原型表面各点的三维坐标值。 (2) 零件原型的特征识别与提取：按测量数据的几何属性进行分割，
采用几何特征匹配的方法获取零件原型所具有的设计与加工特征。
(3) 零件原型CAD模型的重建： 将三维测量数据在CAD系统中分 别做表面模型的拟合，并通过各表面片的求交、裁剪和拼接，获取零件
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(8)再设计
逆向工程的最终目的是设计新产品，通过以上步骤获 取的产品的几何数据及产品的功能、结构知识，基本上再现 原有的产品，为了在此基础上设计新产品，设计人员可以在 一个包含产品逆向工程及创新设计软件环境中，对原有的模 型进行适当的调整和修改。 这些修改主要包括功能上的，布局上的，以及外形方面 的修改。在修改过程中加入设计人员新的设计思想，以完成 新的设计方案。
业软件的功能日益强大，但目前还无法满足一些复杂曲面零 件的设计需要，还存在许多使用油泥或泡沫模型代替CAD 设计的情况，最终需要运用逆向工程将这些实物模型转换为 CAD模型。 (2) 外形设计师倾向使用产品的比例模型，以便于产品 外形的美学评价，最终可通过运用逆向工程技术将这些比例 模型用数学模型表达，通过比例运算得到美观的真实尺寸的 CAD模型。
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• 逆向工程技术实施的条件
1.逆向工程技术实施的硬件条件
在逆向工程技术设计时，需要从设计对象中提取三维数据信息。 检测设备的发展为产品三维信息的获取提供了硬件条件。目前，国内
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•逆向工程设计开发系统的基本方法 逆向工程主要通过以下步骤来实现: 数据采样，数据分 析，数据恢复及修补，原始部件的分解，模型信息处理及
CAD模型的建立，部件装配，产品功能模拟，再设计等。
(1)数据采样
数据采样是逆工程的最基木的步骤，它从己有的实物获
取产品数据。通常采用二维激光扫描仪，二维数字化仪，物 体多角度照片等数字化办法来快速、准确地获取数据。通过
进行重新组装。
(7)产品功能模拟 在虚拟环境中对产品的各项功能进行模拟在这个过程中， 可以事先建立产品评价系统，让计算机自动判断产品设计的优 劣；或通过交互方式，以设计师的经验，通过观察局部细节， 可以知道物体的尺寸大小是否协调，物体的表面是否光顺，以 及物体外表面的颜色纹理是否满足设计的要求。
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因此，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统
设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原型数字 化后再形成CAD模型的逆向工程是一个推理、反复逼近 的过程，具有功能导向、描述模式、系统仿造等特性。
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3. 逆向工程的关键技术
零件的数字化和计算机辅助反向建模(Computer Aided Reverse Modeling，CARM)是逆向工程的两项关键技术。 零件的数字化是指通过特定的测量设备和测量方法获取 零件表面离散点的几何坐标数据。
品精度。据国外产品设计统计，正向设计仅占40%以内，
而逆向工程已占60%以上。
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承 载 式 车 身
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•逆向工程产品开发模式
逆向设计将实现从概念设计或样机到产品完整设计信息 的快速获取。 (1)逆向设计 在实际的设计工程中，设计师对所设计产品的构思，往 往难于直接在计算机或图纸上表达。此时首先可做成理想外 形的泥模或术模，然后利用二维测量系统进行快速测量，把 模型的尺寸、形状数据转化为二维CAD数据。
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(1)实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分析，从 而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多 方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。 (2)软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、 有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软 件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术 软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。 (3)影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图
一般来说，产品逆向工程包括形状反求、工艺反求和材
料反求等几个方面，在工业领域的实际应用中，主要包括以 下几个内容： (1) 新零件的设计，主要用于产品的改型或仿型设计。 (2) 已有零件的复制，再现原产品的设计意图。 (3) 损坏或磨损零件的还原。 (4)数字化模型的检测，例如检验产品的变形分析、焊接质 量等，以及进行模型的比较。 逆向工程技术为快速设计和制造提供了很好的技术支持， 它已经成为制造业信息传递的重要而简洁途径之一。
片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构
思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。
目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，
即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。
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逆向工程通常是对某一实物样件或模型(称为零件原型，如汽车的
外形、鞋楦模等)进行仿制和创新。 目前，针对已有样件(尤其是包含有复杂不规则自由曲面的样件)，
制造该模具时就可运用这一模型生成加工程序，便可大大减
少修模量，提高模具生产效率，降低模具制造成本。 (4) 艺术品、考古文物的复制。
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(5) 人体中的骨头和关节等的复制及假肢制造。 (6) 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设 计依据，此时，需首先建立人体的几何模型。 (7) 在快速原型制造(RPM)中，可以方便地对快速原型
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•逆工程技术的评价标准
(1) 采样数据的完整性
(2) 尽可能短的设计周期 (3) 尽可能低的设计成本 (4) 标准部件的利用率 (5) 产品质量优良
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逆向工程的应用途径：
(1) 尽管计算机辅助设计技术(CAD)发展迅速，各种商
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逆向工程，也称为反求工程，英文是reverse engineering
逆向技术包括影像逆向、软件逆向及实物逆向等三方面。 目前相对最多人研究的是实物逆向技术。它是研究实物 CAD模型的重建和最终产品的制造。 狭义来说，三维逆向技术是将实物模型数据化成设计、概 念模型，并在此基础上对产品进行分析、修改及优化等技术。
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(2)仿真制造
在解剖和仿真制造国内外先进样机或失去供货渠道的关
键零件时，由于形状复杂、精度很高，很难用人工精确测绘， 可先用逆工程技术对零件进行精确测量，然后输出CNC代
码，即可仿制出该零件。
(3)设计检验
使用逆向工程技术可以对零件进行整体测量，并将测量
数据转换成CAD数据，在计算机内可以对测量数据和设计 数据进行检验分析。
可利用三维数字化测量仪器准确、快速地测量出产品外形数据，在逆向
软件中构建曲面模型，再输入CAD/CAM系统作进一步编辑、修改，由CAM 生成刀具NC代码(加工路径)，送至数控机床(CNC)制作所需模具，或者 由快速成型机(RP)将样品模型制作出来。其流程如图6-2所示。
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(4)原始部件的分解
分解是将一个物体分解成若干个标准部件的过程。在分 解过程中，必须区分每一部件的尺寸位置，不同部件之间的 连接关系及连接方式，以及物体表面该如何分割。 (5)模型信息处理及CAD模型的建立 构造物体的二维CAD模型，这个模型是最基本的创新设 计模型平台。在此基本平台上，设计人员可交互构造特征线， 自动识别产品，过渡圆角、尖边等特征，提供多种物体表面 编辑技术，研究曲面整体变形技术，实现CAD模型动态修 改。