逆向工程的研究现状和发展前景

摘要：随着测量技术和计算机技术的发展，以实体为研究对象，利用逆向工程技术对产品进行建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大热点。本文阐述了逆向工程的基本概念及通过工业及医学的两个例子来说明逆向工程的应用，并对逆向工程的前景进行展望。关键词：逆向工程模型重建有限元数据测量技术

1.引言

逆向工程也称反求工程或反向工程[1]，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，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。

从广义讲，逆向工程可分以下三类[2]：

（1）实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，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C A D ，称为“实物逆向工程”。逆向工程与顺向工程如下图1 所示：

图1 逆向工程与顺向工程

2 逆向工程数据测量技术[3- 4]

数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散

点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。

现有的数据采集方法主要分为两大类：

（1）接触式数据采集方法

接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据

采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。

接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采

用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标据。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。

采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。

但由于测头的限制,不能测量到被测零件的一些细节之处,不能

测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。

（2）非接触式数据采集方法

非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率

较高，在50 次/秒到23000 次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10 微米级以上[5]。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。总之，在可以应用接触式测量的情况下，不要采用非接触式测量；在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离算点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。

3 逆向工程技术在快速模具制造中的应用

快速模具制造是一种低成本的逆向工程，它可以通过三维CAD系统，手工直接进行三维实体建模；或依靠扫描技术对实物进行扫描，以获得三维模型的点数据后在计算机中建模．最后通过CAM系统生成NC程序并与数控机床通讯，快速地制造出简易模具[6]，图2为逆向工程工艺流程图．以洗发水瓶作为实物，通过扫描、建模、模拟加工、生成NC程序，最后在数控机床上加工出洗发水瓶模具的阴模和阳模等过程，详细分析了逆向工程在快速模具制造中的应用技术．具体过程介绍如

下．

该过程是借助英国雷尼绍公司制造的CYCLONE高速数字化扫描机，采集实物模型上的每一点的几何数据，如图4a所示，利用TRACECUT系统对所采集的数据进行处理，并通过格式转换接口与其它CAD/CAM系统相连，进行CAD建模、模拟加工、生成NC程序，最后在数控机床上加工出洗发水瓶模具的阴模和阳模[7]，见图4b和图4c。

3.1 实现过程的关键技术

由实物建立CAD 模型，要求首先对其实物表面进行数字化处理，由此可见，逆向工程的关键技术有两个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化扫描技术；另一方面是产品建模技术（曲面