逆向工程關鍵技術研究

鄭州市熱力總公司王

逆向工程關鍵技術研究

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逆向工程（RE，ReverseEngineering）主要是針對已有的產品原型，消化吸收和挖掘其中蘊含的產品設計、制造等方面的知識和經驗，并以此為開端進行產品創新設計。隨著計算機、數控和激光測量技術的飛速發展，逆向工程已不再是對已有產品進行簡單的“復制”，其內涵與外延都已發生了深刻的變化，目前已成為航空、汽車、船舶、家電、模具制造等制造業領域中最重要的產品工業設計手段之一。

一、逆向工程技術研究現狀

目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在產品幾何形狀，以及與“功能”要素相關的結構反求方面，即重建產品原型的數字化模型。因此，從產品幾何模型重建的角度，逆向工程可狹義地定義為將產品原型轉化為數字模型的有關計算機輔助設計、數字化測量和幾何模型重建技術的總稱。

在逆向工程中，計算機輔助幾何設計技術主要在計算機圖形系統環境下，用來進行曲面的表示、逼近、分析與綜合。在這一領域目前已形成了以非均勻有理B樣條參數曲面和隱式代數曲面為主體，以插值、擬合、逼近為手段的復雜曲面幾何模型表示和處理的理論體系。

由于產品設計中大量地使用了直線、平面、二次曲線和二次曲面等幾何要素，在逆向工程中，常常需要根據測量數據來提取這些幾何要素的特征參數，因此解析幾何方法也在逆向工程中得到了廣泛的應用。

在對逆向工程中所獲得的幾何模型的分析、處理的過程中，涉及大量的曲線、曲面法矢的計算問題，而這些問題的解決必須依靠微分幾何方法和理論。基于測量數據進行產品數字化重建的過程本身就是一個幾何模型參數尋優問題，其中曲線、曲面擬合是優化技術在逆向工程中的典型應用。而小波技術則主要被用來進行曲面的光順、測量點噪聲的去除以及數據的壓縮等方面。

在樣本數據的整理、分析和提取方面，概率統計方法獲得了成功的應用，它不但可以被用來去除測量數據中的噪聲，而且還可以被用來發現測量數據中蘊含的設計規律。

在產品造型幾何反求方面，研究工作面臨的首要問題是點云數據的預處理問題。點云數據具有量大和離散兩個主要特征，點云的預處理要達到使點云數據具備完整的拓撲關系和準確的法線、曲率等信息。目前，對點云數據的主要處理方法有點云分塊、任意切片以及邊界數據直接抽取等。

在實際的逆向工程的實施過程中，除了將產品表面擬合成參數曲面外，更多的場合是要進行截面曲線的反求、二次曲線和曲面的分割與重構、過渡曲線和曲面特征的提取與分析，以及拉伸、旋轉和對稱面特征的處理等方面的工作。在這些方面，目前國內外的研究成果很多，多數已實用化。

二、逆向工程技術發展需要解決的幾個問題

1.原型的色彩和材質信息的處理與識別。在產品的幾何數據反求方面，國內外都做了大量卓有成效的研究工作，取得了大量實用性很強的研究成果。但對工業設計過程中，色彩的運用，材質的選取，以及設計意圖、造型規律的識別則幫助甚少。為此必須從工業設計的核心需求出發，使用最新的數碼攝像測量技術解決工業設計過程中色彩和材質表現等方面信息的反求問題，使工業設計過程中的逆向工程技術形成一個完整的技術系統，更好地服務企業的實際應用。

2.產品設計意圖、造型規律的分析與提取。與色彩和材質相比，工業設計過程中的設計意圖與造型規律則是在更高層面反映了設計師的設計理念。設計意圖與造型規律主要表現為全局性和整體性，這就要求在對它們的分析過程中，所采用的方法要能從原型結構比例，表面曲率分布以及與各類模板對比等宏觀、微觀多個角度出發來進行分析。

3.逆向工程中測量方法選用與測量方案規劃。隨著工業設計過程中，對逆向工程軟硬件需求的不斷增大，各類逆向工程設備大量出現，這些設備各具特色，如何在實際應用中合理地使用它們也是實際工程中一個難點，除了測量精度之外，如何提高測量的效率，如何軟硬結合進一步提高逆向工程的質量等也是應該考慮的問題。

4.點云數據處理和邊界識別技術。在原型的幾何反求過程中，對點云數據的處理是必不可少的。其中規則化與后續CAD模型建立的關系較大，因為在通用的CAD系統中，曲面模型一般采用參數曲面來表示，而構建參數曲面一般要求原始數據呈拓撲矩形。點云的邊界是指能夠表達原型樣件原始邊界的測量點，或者由這些測量點連成的曲線。但由于目前逆向工程中所得到的點云數據量一般很大，因此研究高效、通用的點云處理方法在實際工程中是十分必要的。

5.產品原型制作中特殊材料的數控加工與粘接。目前，在工業設計過程中，各種模型主要通過手工或半手工制作，不但對技師或工人的技術水平要求高，而且制作精度差，效率低。比如，在車輛設計中普遍采用油泥模型，在模型制作的過程中，一般由設計師用刀片對模型進行制作與修正。由于目前我國缺乏能勝任此項工作的高級人才，致使國內企業的模型制作水平較低，無法滿足企業的需要，這種狀況已嚴重阻礙了相關技術的進步和工作效率的提高。在這種狀況下，根據我國的實際，探索使用數控機床來完成油泥模型及其他造型材料的加工，是十分必要的，也是可行的。