反求工程简介

引言

为适应现代先进制造技术的发展。需将实物样件或手工模型转化为CAD数据，以便利用快速成形系统、计算机辅助系统等对其进行处理。并进行修改和优化设计。逆向工程专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何建模的直接转换。逆向工程技术涉及计算机图形学、计算机图像处理、微分几何、概率统计等学科。是CAD领域最活跃的分支之一。

1 逆向工程技术定义

逆向工程技术与传统的产品正向设计方法不同。它是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，在此基础上对已有产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。其主要任务是将原始物理模型转化为工程设计概念或产品数字化模型：一方面为提高工程设计、加工分析的质量和效率提供充足的信息，另一方面为充分利用CAD／CAE／CAM 技术对已有的产品进行设计服务。

2 逆向工程分类

从广义讲，逆向工程可分以下三类。

(1)实物逆向：顾名思义，它是在已有实物条件下，通过试验、测绘和分折。提出再创造的关键；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质、精度、使用规范等多方面的逆向。实物逆向对象可以是整机、部件、组件和零件。

(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。软件逆向中有三类情况：1)既有实物，又有全套技术软件；2)有实物而无技术软件；3)无实物，仅有全套或部分技术软件。(3)影像逆向：无实物，无技术软件，仅有产品相片、图片、广告介绍、参观印象和影视画面等，要从其中去构思、想象来逆向，称为影像逆向，这是逆向对象中难度最大的。影像逆向本身就是创新过程。目前还未形成成熟的技术。一般要利用透视变换和透视投影．形成不同透视图，从外形、尺寸、比例和专业知识，去琢磨其功能和性能，进而分析其内部可能的结构。

3 逆向工程测量系统

根据测量探头是否和零件表面接触．其测量方式可分两类。

(1)接触式测量：根据测头的不同。可分为触发式和连续式。应用最为广泛的三座标测量机是20世纪6o年代发展起来的新型高效精密测量仪器，是有很强柔性的大型测量设备。

(2)非接触式测量：根据原理的不同，可分为三角形法、结构光法、计算机视觉法、激光干涉法、激光衍射法、CT测量法、MRI测量法、超声波法和层析法等。

4 逆向工程技术流程

(1)逆向工程是以一个物理零件或模型作为开始，进而决定下游工程。

(2)点处理过程：主要包括多视点云的拼合、点云过滤、数据精简和点云分块等。

(3)曲线处理过程：决定所要创建的曲线类型。曲线可以设计得与点的片段相同，或让曲线更光滑些；由已存在的点创建出曲面；检查／修改曲线，检查曲线与点或其它曲线的精确度、平滑度与连续的相关性。

(4)曲面处理过程：决定所要创建的曲面类型，可以选择创建的曲面以精确为主或以光滑为主，或两者居中；由点云或曲线创建曲面；检查／修改曲面，检查曲丽与点或其它曲面或特征的精确度、平滑度与连续的相关性。

(5)误差分析：应该考虑被测物对机构引起的综合轨迹误差、逆向工程设计所依据的数据值存在的测量误差、设计中的被测物存在的加工误差、设计中的曲线拟合存在的拟合误差等方面。

5 逆向工程技术的常用软件

目前，比较著名的逆向工程软件如下：

(1)Geomagic(美国RainDrop公司的)逆向工程软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型。

(2)Imageware作为UG NX中提供的逆向工程造型软件。具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。Imageware的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。

(3)CopyCAD(英国DELCAM公司系列产品)，主要处理测量数据的曲面造型。DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程；包括PowerSHAPE、Power-MILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等诸多软件产品。CopyCADM系列中的其它软件可以很好地集成。

(4)RapidForm(韩国INUS公司开发)逆向工程软件，主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模．还可完成艺术品的测景建模以及高级图形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具．用户可以方便地利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中。

以上介绍的是常见逆向工程软件，均是国外的。国内在逆向工程软件方面的研究．主要集中在高等学校(如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学)，也有软件产品出现，但是由于系统稳定性、可操作性等原因，这些研究性软件还没具备与国外商业化软件竞争的条件。由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件QuickForm是较好的一个：该系统采用先进的几何引擎，运行稳定性好，并有良好的可操作性。由于开发人员具有丰富的逆向工程

实施经验．因此系统的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯，这是国外软件所无法具备的。QuickForm还具有价格优势，QuickForm的价格在同类软件中具有极强的竞争力；采用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持。

6 逆向工程技术的应用领域

逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化、吸收先进技术。实现新产品快速开发的重要技术手段。其主要应用领域如下：

(1)对产品外形美学有特别要求的领域，由于设计师习惯于依赖3D实物模型对产品设计进行评估，因此产品几何外形通常不是应用CAD软件直接设计的，而是首先制作全尺寸的木质或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技术重建产品数字化模型。

(2)当设计需经实验才能定型的工件模型时，通常采用逆向工程的方法。例如航天航空、汽车等领域，为了满足产品对空气动力学等的要求，需进行风洞等实验建立符合要求的产品模型。此类产品通常是由复杂的自由曲面拼接而成的．最终借助逆向工程，转换为产品的三维CAD模型及其模具。

(3)在模具行业，常需通过反复修改原始设计的模具型面。这将实物通过数据测量与处理产生与实际相符的产品数字化模型，对模型修改后再进行加工，将显著提高生产效率。因此．逆向工程在改型设计方面可发挥正向设计不可替代的作用。

(4)逆向工程也广泛用于修复破损的文物、艺术品、或缺乏供应的损坏零件等。

(5)借助于工业CT技术，逆向工程不仅可以产生物体的外部形状．而且可以快速发现、定位物体的内部缺陷。