逆向工程技术的应用与研究

逆向工程技术的应用与研究
宫文峰，黄美发
（桂林电子科技大学机电工程学院，广西桂林541004）
来稿日期：2012-03-17
基金项目：国家自然科学基金资助项目（50865003）；广西制造系统与先进制造技术重点实验室主任课题（桂科能11-031-12_004）
作者简介：宫文峰，（1987－
），男，山东泰安人，硕士研究生，研究方向：机械振动与CAE 技术；黄美发，（1962-），男，广西蒙山人，博士，教授，博士研究生导师，主要研究方向：机电系统精度设计和智能测量方法
1引言
在机械设计制造领域中，有许多复杂零件需要进行逆向反求设计。

如特殊设计制作的流线型曲面、
以试验修正法设计的叶片、采用真实比例制作的泥塑模型等，这些零件大多数没有特定的设计公式、
造型准则，通常由许多设计师、工艺师、美化师等联合手工试制的，对这些特殊设计的经典零件进行复制再现原设计就用到逆向工程技术。

在逆向工程中，对模型数据点的采集精度极为重要，业内常用到现代精密测量仪器：三坐标测量机（CMM ）。

随着CMM 的广泛应用，人们逐渐发现传统的以几何学为基础的测量技术与现代数字化测量技术的测量方法有很大差异，存在CMM 测量的结果与按传统方法检测的结果不完全相同，传统标准已不再适应现代制造技术的需求[1]。

新一代GPS 标准体系是以计量数学为基础的新型国际标准，给三坐标测量机的应用提供了标准依据，为CMM 在逆向工程中的应用提供了有利条件。

2逆向工程的概述
逆向工程（Reverse Engineering ，RE ），也称为反求工程或反向工程，起源于精密测量技术，它是设计下游向设计上游反馈
信息的回路，成为实现新产品快速开发的重要技术手段[2]。

随着CAD/CAM/CAT 技术的快速发展，为逆向工程的应用提供了有利条件。

传统的产品设计通常是从概念设计到图样绘制，再制造出产品，称之为顺向工程；逆向工程即是对零件或原模型提取数据生成图样，再制造产品，如图1所示[2]。

逆向工程
顺向工程图纸实物
CAD 建模数据采集
数据处理
CAM/RP CAM/RP CAD 建模
产品图纸
产品
图1顺向工程与逆向工程
Fig.1Sequential engineering and reverse engineering
3三坐标测量机
三坐标测量机（Coordinate Measuring Machines ，简称CMM ）是近40年发展起来的一种高效率的新型三维精密测量仪器。

如今越来越多的复杂零件需要进行精密测量，而传统的测量方法无法达到要求的精度，三坐标测量机的出现是标志计量仪器从古典的手动方式向现代化自动测试技术过渡的一个里程碑[3]。

如图2所示。

摘
要：
在逆向工程领域中，实物表面的测量精度非常最要，而现行标准因内容缺失制约了现代数字化测量仪器的应用。

为解决此类问题，提出逆向工程现代设计体系模型，拟采用新一代GPS 标准指导三坐标测量机，联立计算机和数控加工中心，形成一个封闭环的现代设计体系。

介绍了逆向工程、三坐标测量机、新一代GPS 的概念和原理，分析了模型的组成和应用及，阐述了对新一代GPS 的看法。

最后，结合实例说明了CMM 在逆向工程中的应用。

关键词：逆向工程；新一代GPS ；三坐标测量机中图分类号：TH16；TH166
文献标识码：A
文章编号：1001-3997（2013）01-0110-03
Application and Research of Reverse Engineering Technology
GONG Wen-feng ，HUANG Mei-fa
（School of Mechanical and Electrical Engineering ，Guilin University of Electronic and Technology ，Guangxi Guilin 541004，China ）Abstract ：The measurement accuracy of objective surface data is very important in the field of reverse engineering （RE ）.The lack of existing geometrical product specification （GPS ）restricted the application of modern digital measuring instruments.In order to solve those problems ，it proposes the modern design system model of the reverse engineering.It uses a new generation of GPS standards to guide the coordinate measuring machine.It connects the computer and CNC machining centers.And it forms a closed modern design system.It introduces the concepts and principles of the RE ，
CMM and a new generation of GPS .And it analyzes the composition and application of the model.The views of the new generation of GPS are elaborated.Finally ，it illustrates the application of CMM in RE with an example.
Key Words ：Reverse Engineering （RE ）；New Generation of Gps ；Coordinate Measuring Machine （CMM ）
Machinery Design ＆Manufacture
机械设计与制造
第1期2013年1月
110
图2三坐标测量机应用示例
Fig.2Example of CMM application
然而，随着CMM的广泛应用，人们逐渐发现传统的测量技术与现代数字化测量技术在方法上存在很大差异，传统的几何精度测量方法与标准不能有机的结合起来，造成了标准规范与实际方法之间有较大的分歧，使测试人员对标准的应用束手无策，只能凭经验测量[4]。

原因在于第一代GPS标准中没有为CMM提供检测方法，特别是传统公差标准所描述的公差，往往与通过CMM 测得的数据进行评估得到的结果经常与现存标准中所定义的公差不一致，引起了“计量危机”。

新一代GPS标准体系的提出为三坐标测量机的应用提供了标准依据。

4新一代GPS标准体系
在产品制造领域，最主要的工具就是产品几何量技术规范标准体系，它是针对所有几何产品，建立覆盖了从宏观到微观的所有产品几何特征，涉及产品从研发、设计、制造、验收、使用以及维修、报废等产品的整个生命周期的全过程[5]。

4.1现行标准体系的不足
目前所应用的标准体系是以几何学为基础的标准，这套体系存在着内容重复、空缺和不足，部分还产生了术语定义、基本规定及综合要求上的差异和矛盾。

据估计约有50%的标准不适用于或与其他技术委员会所制定的标准相矛盾[6]。

总结起来有以下几个方面的不足：
（1）现行标准偏重于设计，注重形体的纯几何要求，而较少的考虑零件的加工和测量过程，使设计要求难以实现。

（2）原公差标准之间缺乏联系，各标准的相互关系与所处位置不清楚，没有形成完整的标准体系。

（3）公差与产品功能联系不紧密，设计者凭经验设计，检验者用现有仪器测量，评定方法各异。

（4）原公差标准缺乏制造与检测的相关信息，没有为新的测量仪器定义检测标准，已成为制约CAD/CAM/CAQ/CMM集成技术发展的瓶颈。

4.2新一代GPS的提出
为解决现行标准产生的问题，丹麦某博士在做了大量科学研究后认为，只有将产品的几何规范与检验认证集成为一体才能从根本上解决规范和认证之间的矛盾[7]。

在他的建议下ISO成立了联合协调工作组，并于1995年提出“geometrical product specifications and verification（GPS，产品几何技术规范与认证）。

1996年ISO技术管理局进行改组合并，成产了ISO/TC213技术委员会，进行对新一代GPS标准体系进行构建。

4.3新一代GPS的体系结构
根据ISO/DTR14638:1999的“GPS总体规划”，新一代GPS 标准体系结构[8-9]可以用矩阵模型表示。

在矩阵中，GPS标准被划分为综合GPS标准、基础GPS标准、通用GPS标准和补充GPS 标准四个类型，如图3所示。

综合GPS标准（global GPS standards）
涉及和影响几个或全部通用和补充GPS标准，主要包括通用原则和定义标准
补充GPS标准（complementaty GPS standards）
对通用GPS标准在要素特定范畴的补充规定
基
础
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P
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标
准
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体
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依
据
图3新一代GPS标准体系结构矩阵模型
Fig.3Matrix model of new-generation GPS
新一代GPS的理论体系内容庞大，国内著名学者蒋向前[9]教授编写了关于新一代GPS标准理论与应用的著作，详细介绍了新一代GPS的体系结构、理论体系、不确定度、表面滤波技术、智能知识库系统等方面做了充分的介绍。

4.4对新一代GPS标准体系的看法
在当今，谁掌握标准谁就拥有发展的牵制权。

就新一代GPS 体系，若将其功能、规范、加工、认证一体化有效地应用于生产实际还存在很多问题，比如说对于企业，虽然说新一代GPS的应用在前景上很好，但是由于标准方面见效慢，且费时费力费财。

同行中，我应用了，其他不应用怎么办，就无法实现互换性的目的。

在此问题上，作者认为可先在大型、龙头、有代表企业试点应用，并制定对策预案，若行之有效，再向其他企业推行。

还可以让有代表的企业参与标准制定，这样既可以让他们走在标准的前端，同时也为国家节省了部分人力、物力，促进GPS的应用速效。

标准是产品的根脉和依据，除非有硬性规定，否则是一个很漫长的过程。

新一代GPS的实施方案可采取旧新标准混合使用，逐步过渡的方法。

互换性是在标准的前提下实现的，这也给新一代GPS的应用带来阻力。

企业标准根据行业标准制定，行业标准根据国家标准制定，国家标准又是根据ISO国际标准制定。

因此，新一代GPS标准将会带来巨大的变革。

5逆向工程现代设计体系模型
结合逆向工程的实现要求和新一代GPS的应用，提出了逆向工程现代设计体系模型的基本框架。

在本模型中，拟采用三坐标测量机为操作基体对零件或模型操作并提取数据，采用新一代GPS标准体系指导三坐标测量机操作，并将测量数据经计算机处理、编程后传入加工中心或数控机床进行零件制造，最后还要将加工好的零件用三坐标测量机进行测量，并将结果与原零件或模
第1期宫文峰等：逆向工程技术的应用与研究111
型对比认证，而环节中按照新一代GPS 标准体系的思想，考虑不确定度因素，形成一个封闭的现代设计体系，如图4所示。

应
用指导工程机械制造领域
特种零件模型
三坐标测量机CMM 计算机辅助设计编程
加工中心
零件制造
返回送检
新一代GPS
新一代GPS
对比认证
图4逆向工程现代设计体系模型
Fig.4Modern Design System Model of Reverse Engineering
模型描述了新一代GPS 标准体系作为一个新型的国际标准在机械设计制造领域的应用，它将成为现代产品功能、规范、加工和认证的依据，为产品设计工程师、制造工程师和检验工程师提代一个共同的平台；采用新一代GPS 对三坐标测量机进行指导，即提供标准依据使检测与设计标准相一致。

测量技术是反求工程的关键，数据提取的准确性直接影响着逆向工程的精确度，传统的测量方法和标准已经满足不了逆向工程的要求，基于新一代GPS 的三坐标测量机为逆向工程的实现提供了可靠工具。

6应用实例
结合一个工程实例，说明三坐标测量机在逆向工程中的应用。

本例中对一个鼠标的表面进行逆向操作，采用瑞典HEXAGON 集团（青岛）生产的型号为GLOBAL GLASSIC SR 07.10.07的坐标测量机，Hiscanner 激光扫描测头，对鼠标表面进行扫描提取数据点。

图5Imageware 处理后的数据点云
Fig.5Treatment of Data Point Cloud by Imageware
首先用CMM 对标准球进行基准标定，在测量过程中只要保持工件位置和标准球的位置固定不变，测头在不同方向下的测量数据可自动拼合。

标定完成后，操控CMM 对鼠标表面进行扫描。

将其数据点云导入imageware 处理后得到点云图形，如图5所示。

图6导入Pro/E 的数据点云
Fig.6Import data point cloud to Pro/Engineer
将生成的数据点云保存为igs 格式导入Pro/E 、UG 等CAD 软件，对点云处理和三维重构。

采用Pro/E4.0实现，数据点云导入Pro/E ，如图6所示。

重构后的三维造型，如图7所示。

图7重构后的鼠标三维造型
Fig.73D Molding of Mouse Reconstruction From Data Point Cloud
在一些特殊情况，还可以采用触测式和扫描式多种类型的测头对被测表面联合采点，这将更有利于保障三坐标测量机在逆向工程中数据点云提取的精度。

7结论
逆向工程技术是现代设计领域的一种新方法，它将有效实现对实物的复制、再现原设计。

新一代GPS 标准体系为CMM 的应用提供了标准依据。

为逆向工程技术的更好地应用，提出了逆向工程现代设计体系思想模型，形成一个具有加工质量信息反遗的封闭环，进一步促进了现代设计和实现了对质量的控制。

目前，中国的先进设计制造水平与国外相比仍有较大差距，我国应从中国制造向中国创造转型。

在当今竞争激烈的时代，
科学技术和先进制造业的不断发展，逆向工程技术的应用，可对经典设计实现再设计，激发人们的创造性思维，对现代设计有着重要意义。

参考文献
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（Jiang Xiang-qian.Theory and applications of new-generation geometrical product specifications ［M ］.Beijing ：Higher Education Press ，2007．
）机械设计与制造
No.1Ｊａｎ．２０１３
112。