簡述逆向工程

梁晶

【摘 要】逆向工程分類、數據采集、產品重建規劃等。

【關鍵詞】逆向工程；數據采集；分類；

【中圖分類號】TP391.72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0411-01

1、概述

人類社會發展至今，已經歷了幾千年研究和探索，在各方面都積累豐厚的知識財富和科技成果，每一項成果都是在前人研究的基礎上，模仿自然界和人類社會在相關領域、具有相應特長、特性的事物、動物或人來實現的。在當今數字化時代，要快捷地利用這些知識和成果的模擬信息轉化為數字化的模型，我們可以利用逆向工程的思想，用三坐標測量機來快速地完成轉換。

逆向工程又叫反求工程（Reverse Engineering，RE），是20世紀80年代末期發展起來的一項先進制造技術，是以產品及設備的實物、軟件（圖樣、程序及技術文件等）或影像（圖片、照片等）為研究對象，反求出初始的設計意圖。簡單地說，逆向就是對存在的實物模型或零件進行測量并根據測量數據重構出事物的CAD模型，進而進行分析、修改、檢驗、制造的過程。它所涉及的關鍵技術主要包括：三維實體幾何形狀數據采集、規則或大量離散數據處理、三維實體模型重建、加工等。 逆向工程主要應用于已有的零件的復制、或者是損壞、磨損件的高精度復原。數字化模型檢測等。逆向工程技術并不是簡單意義的的仿制，而是綜合運用現代工業設計的理論方法、工程學、材料學和相關的專業知識，進行系統分析，進而快速開發制造出高附加值、高技術水平的新產品。

2、逆向工程的分類

從廣義講，逆向工程可分以下三類：

（1）實物逆向：它是在已有產品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結構、材質等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。

（2）軟件逆向：產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規范和標準、治理規范和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術軟件；只有實物而無技術軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術軟件。

（3）影像逆向：設計者既無產品實物，也無技術軟件，僅有產品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設計者要通過這些影像資料往構思、設計產品，該種逆向稱為影像逆向。

目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何外形的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。

3、逆向工程的數據采集

現有的數據采集方法主要分為兩大類：

（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丈量機，丈量時可根據實物的特征和丈量的要求選擇測頭及其方向，確定丈量點數及其分布，然后確定丈量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。觸發式數據采集方法采用觸發探頭，觸發探頭又稱為開關測頭，當測頭的探針接觸到產品的表面時，由于探針受理變形觸發采樣開關，通過數據采集系統記下探針確當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產品的表面輪廓的坐標數據。常用的接觸式觸發探頭主要包括：機械式觸發探頭、應變片式觸發探頭、壓電陶瓷觸發探頭。采用觸發式測頭的優點在于：適用于空間箱體類工件及已知產品表面的丈量；觸發式探頭的通用性較強，適用于尺寸丈量和在線應用；體積小，易于在狹小的空間內應用；由于丈量數據點時丈量機處于勻速直線低速狀態，丈量機的動態性能對丈量精度的影響較小。但由于測頭的限制，不能丈量到被測零件的一些細節之處，不能丈量一些易碎、易變形的零件。另外接觸式丈量的測頭與零件表面接觸，丈量速度慢，丈量后還要進行測頭補償，數據量小，不能真實的反映實體的外形。

（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，排除了由丈量摩擦力和接觸壓力造成的丈量誤差，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題目，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丈量的部位，最大限度地反映被測表面的真實外形。非接觸式數據采集方法采用非接觸式探頭，由于沒有力的作用，適用于丈量柔軟物體；非接觸式探頭取樣率較高，在50次/秒到23000次/秒之間，適用于表面外形復雜，精度要求不特別高的未知曲面的丈量，例如：汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征的影響（顏色、光度、粗糙度、外形等）的影響較大，目前在多數情況下其丈量誤差比接觸式探頭要大，保持在10微米級以上。該方法主要用于對易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數據的零件、不考慮丈量本錢及其相關軟硬件的配套情況下的丈量。

4、逆向工程中產品重建規劃

逆向工程的數據處理過程包括：分析現有產品或系統，對其原理進行抽取，結合新技術、改進并超越現有產品（第三步實際是正向工程）。

分析：分析現有產品或系統，找出其工作原理的關鍵數據。現階段有手工分析、自動分析和智能分析三種分析方式。

抽取：按一定規則從數據中識別出產品原型中的各元素和各特性，抽取也是一個數據過濾和加密的過程。

產品重建：重建按重建的方式分線架重建、面片重建和整體重建。

線架重建是按人們從線到面的思維方式進行的，CAD/CAM發展早期重建軟件基本都采用線架重建模式。當前流行的線架重構軟件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在線架抽取方面非常有特色。

面片重建是直接從樣件數據中抽取面片，上述軟件都能完成這樣的任務，但效果并非理想，其主要原因是分塊和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM軟件在面片重建方面很有特色，它可輔助用戶完成分塊和自動拼接。

整體重建實際上是智能化的重建過程，既包括線架重建和面片重建，又包括產品的實體構造，主要由軟件自動化地完成，其更注重產品整體。

數字產品： 逆向工程所產生的數字產品，是真實產品的數字化，同時可在模擬的環境中模擬的工作狀態，排除和改進當前產品原型的不足，從而超越樣品。

5、總結

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丈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，操縱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，還需要進一步的探索和研究。