逆向工程技術的應用和發展分析

【摘要】 隨著測量技術和計算機技術的發展，以實體為研究對象，利用逆向工程技術對產品進行建模、仿真、優化及新產品開發成為現代設計的一大熱點。

【關鍵詞】 機械零件；實體建模；逆向工程

在實際開發制造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數據類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產品的實物模型。沒有圖紙或CAD數據檔案，工程人員無法得到準確的尺寸，制造模具就更為煩雜。用傳統的雕刻方法，時間長且效果不佳，這時候就需要一個一體化的解決方案：從樣品→數據→產品，逆向工程系統就專門為制造業提供了一個全新、高效的三維制造路線。這就是模具制造中擁有的“逆向思維”，即逆向工程。

一、逆向工程的概念

逆向工程是由高速三維激光掃描機對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數據，配合反求軟件進行曲向重構，并對重構的曲面進行在線精度分析、評價構造效果，最終生成IGES或STL數據，據此就能進行快速成型或CNC數控加工。

逆向工程技術與傳統的正向設計存在很大的差別。概括地說， 正向設計工程是由概念到CAD模型，再到實物模型的開發過程；而逆向工程則是由實物模型到CAD模型的過程， 對實物模型進行三維數字化處理， 構造實物的CAD模型， 并利用各種成熟的CAD/ACE/CAM以及CIMS 等先進技術進行再創新設計。

二、逆向工程技術實施的條件

1、硬件條件

不同的測量對象和測量目的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實際三坐標測量時，應該根據測量對象的特點以及設計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應的掃描設備。例如，材質硬且形狀較為簡單、容易定位的物體，應盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設備損耗費相對較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數據的進一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點是速度快，工作距離遠，無材質要求，但設備成本較高。

2、軟件條件

具體應用的反向工程系統主要有以下幾個：Evans開發的針對機械零件識別的逆向工程系統；Dvorak開發的仿制舊零件的逆向工程系統；H.H.Danzde CNC CMM系統。這些系統對逆向設計中的實際問題進行處理，極大地方便了設計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設計模塊。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點數據。其它的象UG軟件，隨著版本的改進，逆向工程模塊也逐漸豐富起來。這些軟件的發展為逆向工程的實施提供了軟件條件。。

三、逆向工程的應用領域

逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，為后續的產品制造、加工及模具設計等工作提供了基礎， 它已成為制造業信息傳遞的重要而簡潔的途徑之一。

逆向工程的應用領域大致可分為以下幾種情況:

(1)在沒有設計圖紙或者設計圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，在對零件原型進行測量的基礎上形成零件的設計圖紙或CAD模型，并以此為依據生成數控加工的NC代碼，加工復制出一個相同的零件。

(2)當要設計必須通過實驗測試才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法。比如航天航空領域，為了滿足產品對空氣動力學等要求，首先要求在初始設計模型的基礎上經過各種性能測試(如風洞實驗等) 建立符合要求的產品模型，這類零件一般具有復雜的自由曲面外型，最終的實驗模型將成為設計這類零件及反求其模具的依據。

(3)在美學設計特別重要的領域，例如汽車外型設計廣泛采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果。此外，如電腦仿型、禮品創意開發等都需用逆向工程的設計方法。

四、逆向工程數據測量技術

現有的數據采集方法主要分為兩大類：接觸式數據采集方法和非接觸式數據采集方法。

1、接觸式數據采集方法

接觸式數據采集方法包括使用基于力的擊發原理的觸發式數據采集和連續式掃描數據采集、磁場法、超聲波法。接觸式數據采集通常使用三坐標測量機，測量時可根據實物的特征和測量的要求選擇測頭及其方向，確定測量點數及其分布，然后確定測量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。

2、非接觸式數據采集方法

非接觸式數據采集方法主要運用光學原理進行數據的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。非接觸式數據采集速度快、精度高，排除了由測量摩擦力和接觸壓力造成的測量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產生的偽劣點問題，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以測量的部位，最大限度地反映被測表面的真實形狀。

五、逆向工程的研究現狀及發展趨勢

逆向工程的研究已經日益引人注目，在數據處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業軟件和坐標測量機的研究開發上已經取得了很大的成績。但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操作者的經驗和素質直接影響著產品的質量，自動重建曲面的光順性難以保證，下面一些關鍵技術將是逆向工程主要發展方面：

(1)數據測量方面：發展面向逆向工程的專用測量設備，能夠高速、高精度的實現產品幾何形狀的三維數字化，并能進行自動測量和規劃路徑。

(2)數據的頂處理方面：針對不同種類的測量數據，開發研究一種通用的數據處理軟件，完善改進目前的數據處理算法。

(3)曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進行光滑拼接。

(4)集成技術：發展包括測量技術、模型重建技術、基于網絡的協同設計和數字化制造技術等的逆向工程技術。

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