逆向工程技术及其应用

" 曲面的数字化
曲面的数字化就是在样件表面提取点的坐标值 并将其以二维或三维数据点集的形式存放起来的过 程。曲面的数字化涉及的主要内容是数据测量问 题，数据测量方法主要依据测量设备（数字化测量 仪）的不同而不同。目前逆向工程所采用的数字化
据点云，有必要对多余的数据点进行剔除；数据分 块，工程上样件往往是由多张曲面构成的，所以通常
———工业产品无损探伤。借助于层析 X 射线摄 影法 ( CT 技术 ) ，逆向工程还可以快速发现、度量、 定位物体的内部缺陷，从而成为工业产品无损探伤 的重要手段。
图 1 逆向工程系统图
样件到曲面重构的过程，本文所讨论的内容也仅指 重构，对于用于表示自由曲面的高级曲面通过用户
这方面的涵义，从这个意义上来讲逆向工程可以简 进行功能分解后亦可自动实现曲面重构，但如果要
单 地 定 义 为 从 样 件 表 面 获 取 数 据 并 将 它 转 换 为 获得满意的结果还需要进行仔细的参数设置。事实
CAD 模型的过程。这一过程通常可根据被测样件的 不同（自由曲面样件和规则曲面样件）而采用不同的
上，根据逆向工程应用领域的不断扩展，其实现方法 也在不断增加。
数据处理和曲面重构方法。但不论采用哪种方法， 逆向工程通常要完成以下几个方面的内容：数据采 集，采用合适的测量设备从样件表面获取数据点，实 现样件表面的数字化；三角网格化，将数据点集联结 构成三角网格以获得数据点集的局部拓扑关系和整 个物体表面的拓扑关系；数据简化，如果是密集的数
数据分块后，我们所得到的是各种不同的数据 块，每一数据块分别属于一张曲面，可以用不同的方 法将这些数据块拟合构成整张曲面。目前曲面构造 技术的方案主要有三种：其一是以 B 样条或 NURBS 曲面为基础的曲面构造方案，其二是以三角 Bezier 曲面为基础的曲面构造方案，其三是以多面体方式 来描述曲面物体。
事实上有很多企业其产品开发过程的起始阶 段往往都要生成 CAD 模型，但这在某种程度上常常 并不切实可行。在许多领域往往是先构造出一个产 品的原型，然后对其从产品的性能、美学以及其它 准则进行评价，在证实其设计的可行性后才能进行 CAD 建模来完成设计的后续阶段。逆向工程技术恰 好可以用于完成这样一个从产品原型到 CAD 模型 建立的过程，因而这一技术被得于广泛应用。本文 首先介绍了逆向工程的定义、曲面数字化和曲面重 构方法以及逆向工程的应用，最后给出了利用机械 接触式三坐标测量机对摩托车整车外形进行数据 测量的规划并在此基础上实现的曲面重构。
" 逆向工程的定义
逆向工程（Reverse Engineering）又名反向工程、 反求工程，也可以叫做测量造型。在某种意义上讲， 逆向工程就是以特定的方式完成一个实物模型的 仿制工作。往往一件拟制作的产品没有原始设计图 纸，而仅仅是一个产品样件或实物模型，它可能是
一个鞋模、一个石膏样件或者是一个手工工艺品， 现在要求复制变成产品。传统的复制方法是用立体 雕刻机或仿形靠模铣床制作出 1: 1 比例的模具，再 进行批量生产。这是传统意义上的仿形制造，这种 方法无法建立产品尺寸图纸，也无法做任何的外形 修改，已逐渐为数字化逆向工程系统所取代。目前 所称的逆向工程是针对一现有工件（样品或模型） 利用三坐标数字化测量仪准确、快速地将物体的三 维坐标数据以数据点集的形式获取得到，在经过数 据处理、构建曲面、编辑、修改后，传送至通常的 CAD / CAM 系统作进一步的设计，再由 CAD / CAM 系统生成刀具的 NC 加工轨迹传送至 CNC 机床制 作所需模具，或者生成 STL 文件传送到快速成型机 将样品模型制作出来，也可由 CAD 生成机械加工用 的图纸，再由传统机床加工出产品零件，这一流程 称为逆向工程，其流程如图 1 所示。
逆向工程是一个庞大的课题，在过去的几年中， 过测量头与实物的接触获得其坐标点的数据，另外பைடு நூலகம்
有关逆向工程的研究已经有了很大的进展。到目前 还有采用机械手的测量方法。三坐标测量机通常采
为止，主要还是集中于分别对自由曲面样件和规则 用点扫描、线扫描和面扫描三种不同的扫描方式。
曲面样件这两个方面的研究，对于一些中等复杂程 扫描方式的选择，根据被测样件的扫描工艺而定。
非接触式测量方法是一种无需与被测样件接 触就能获取数据的方法，它又可分为主动式测量和 被动式测量。主动式测量有专门仪器产生测量光源 或声源，被动式测量则没有。主动式测量是逆向工 程中常用的方法。非接触式测量机主要有光学测量 机、声学测量机和磁学测量机。
光学测量方法是目前最广泛使用的也是相对 速度最快的非接触式获取数据的方法，主要有以下 五种光学测量方法：结构光法、激光三角形法、激光 测距法、干涉测量法、图像分析法。最常用的主动式 测量是激光三角形测量法，其基本原理是利用激光 源投射到被测表面，反射光在图象传感器上成像， 按照预设计的三角形光路原理得到被测点的位置 坐标。 2. 3 数据测量规划
———对现有产品的局部修改。由于工艺、美观、 使用效果等方面的原因，经常要对已有的产品做局 部修改。在原始设计没有三维 CAD 模型的情况下， 若能将实物构件通过数据测量与处理产生与实际相 符的 CAD 模型，对 CAD 模型进行修改以后再进行 加工，将显著提高生产效率。因此，逆向工程在改型 设计方面可以发挥不可替代的作用。
全球化市场的激烈竞争对产业工业提出了更 高的要求，尤其对那些中小型规模的企业。这些需 求包括大幅度削减产品的开发周期、增加产品的客 户性，它们需要有全新的技术策略和工具来支持。 在激烈竞争的全球化市场中，企业往往采用并行工 程的概念以实现对提高产品质量和快速响应周期 的需求。逆向工程技术则可以有效地实现这一目 标，利用这一技术可以缩短产品从设计到制造的时 间，从而可以提高产品在国际市场上的竞争力。
作者简介：平雪良，男，江南大学机械工程学院副教授，南京航空航天大学机电学院在读博士研究生；周儒荣，男，南京航空航天大学 CAD / CAM 工程研究中心教授，博士生导师；安鲁陵，男，南京航空航天大学 CAD / CAM 工程研究中心副教授，博士。
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科技与经济 2003 年 第 2 期 第 16 卷 / 总第 92 期
逆向工程与传统工程不同，它是基于一个可以 获得的实物模型来构造出它的设计概念和 CAD 模 型，并通过调整相关参数来达到对实物模型的逼 近、修改和完善，进而将这些 CAD 模型用于产品的 分析和制造，如图一所示。它起始于对一个已有实 物模型的测量，其研究的主要对象是如何将离散的 数据点转变成为分段光滑、连续的 CAD 模型，与传 统的 CAD / CAM 系统等相结合构成一个庞大的系 统工程。事实上，人们习惯上把整个系统的前半部 分当作逆向工程来看待，如图中虚线的上部分所 示。因为有关逆向工程的研究基本上集中在由实物
———磨损或损坏物体的还原。某些大型设备，如
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航空发动机、汽轮机组等，常会因为某一零部件的 损坏而停止运行，通过逆向工程手段，可以快速生 产这些零部件的替代件，从而提高设备的利用率和 使用寿命。
———医学模型制作。逆向工程系统可通过 CT、 MRI 等临床检测手段获取人体扫描的分层截面图 像，并将数据传送至 RPM 系统，制作出人体局部或 内脏器官的模型。
度的规则曲面样件的 CAD 模型现在已经可以自动 检测点样本的分布和大小的制定原则是：首先要满
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Science & TeclnoIogy And Economy 2003 VoI. 16 No. 2
平 雪 良 ，周 儒 荣 ，安 鲁 陵 逆 向 工 程 技 术 及 其 应 用
科技了望
足精度要求，其次使样本尽可能小，以节省检测时 间。利用三坐标测量机将样件表面数据化，测量中 必须考虑测量探头的补偿。由于测量误差的存在， 得到的表面数据应进行数据处理，包括坏点的去 除，测量盲区数据的补齐，数据均化和平滑等，然后 才能进行曲面重构。 2. 2 非接触式测量方法
———对无法得到图纸的已有产品数字化。传统 产业的产品往往无图纸可用，需要采用逆向工程的 方法来实现传统产品的数字化。因此逆向工程技术 是改造传统产业，推动产品更新换代，带动产业结构 升级的重要手段。
———对以已有产品为基准点进行的设计。借鉴 别人的成功设计并在此基础上进行产品再创新设计 是在剧烈竞争的市场中赶超同类行业先进水平的一 个重要捷径，也是当今的一条新的设计理念。
4 逆向工程技术的应用
逆向工程是一个迅速发展的学科，它覆盖了许 多应用领域，概括起来有以下一些具体应用：
———基于实物模型的产品外形设计。当设计师 难以直接用计算机进行某些物体如复杂的艺术造 型、人体和其他动植物外形等的三维几何设计时，常 用黏土、木材或泡沫塑料进行初始外形设计（概念设 计），这就需要通过逆向工程将实物模型转化为三维 CAD 模型。
数据测量规划主要根据被测样件的性质来决 定如何进行测量、如何规划数据测量。为了便于精 确重建曲面的数学模型，必须对测点的数量和位置 提出特定的要求：合适的测点数量、合适的测点位 置、测点在曲面上按经纬线网格分布等等。从数据 测量的角度出发，样件曲面可分为数学模型已知和 数学模型未知两种。前者的数据测量主要反映在产 品的曲面检测，通常采用 CAD 驱动的自动测量，计 算机利用产品的 CAD 信息自动生成测量程序，通过 与测量机控制系统的数据通讯，命令测量机自动完 成测量任务，获得测量结果，然后根据测量结果来 评价产品的加工准确度，得出测量报告。后者则侧 重于样件的复制和开发，对于不同的测量设备又有 不同的数据测量规划。
逆向工程技术及其应用
平雪良 1，周儒荣 2，安鲁陵 2
( 1. 江南大学机械工程学院，无锡 214063；2. 南京航空航天大学 CAD / CAM 工程研究中心，南京 210016 )
摘 要：逆向工程技术在激烈竞争的全球化市场中起着重要的作用，利用这一技术可以缩短产品从设计到制造的时 间，从而可以提高产品在国际市场上的竞争力。本文简要介绍了逆向工程的定义、曲面数字化和曲面重构方法以及逆 向工程的应用，最后给出了利用机械接触式三坐标测量机对摩托车整车外形进行数据测量的规划并在此基础上实现 的曲面重构。 关键词：逆向工程；数据测量；曲面重构
3 曲面重建
通过数据采集得到曲面上的数据点后，还要进 行数据处理以增强数据的合理性及完备性。通常要 对原始数据进行过滤、筛减、去噪、平滑和编辑等操 作使数据集满足后续模型重建的要求，达到较好的 特征提取效果并得到较为精确的模型。另外，对于 形状较为复杂样件的数据测量往往不能一次采集
完成，需要从几个不同方位进行采集，这就需要考虑 不同坐标系下采集的数据点的拼接问题。为了得到 点云数据间的拓扑关系，还要对数据进行三角网格 化。实际的产品型面往往由多张曲面混合而成，因 而，只用一张曲面去重构其数学模型是很难保证其 模型精度的。于是往往采用不同的方法来处理数据 的分块问题，分块可以进一步对数据子集进行分类 以确定其数学表达形式。由于数据分块是一个相对 复杂的一个过程，通常根据不同样件性质采用不同 的数据分块方法。
测量仪主要有机械接触式坐标测量机、光学坐标测 量机、激光坐标测量机。除此之外，还有工业 CT 等
图 2 数据测量方式
要在点集数据中找出可以形成单张曲面或多张曲面 断层扫描设备也广泛应用于逆向工程系统中。根据
的曲面边界以实现数据点集的分块；曲面拟合，单张 不同的测量设备以及获取数据的不同方法，我们可
曲面的数据点集确定后，接下来的任务就是要将数 以把测量分为接触式和非接触式两大类。
据点拟合成曲面；曲面光顺，由于点集数据中会含有 "# $ 接触式测量方法
间隙和噪声数据再加上算法的计算误差，所生成的
接触式测量方法是通过物理接触被测样件来获
模型不会象我们所期望的那样显得十分匀称，因此 取数据的方法，最常用的就是机械接触式三坐标测
需要对模型作进一步的修改，我们称之为曲面光顺。 量机（Coordinate Measuring Macline ，CMM），它是通