產品制造業中的逆向工程技術

Apurva Gautam

摘 要：工程學在一系列的機械設計和制造業中充當著重要的作用。這種技術已經在產品的設計周期中被廣泛地視為一個重要的技術。在常規的信息化制造業中，操作指令通常是開始于產品的設計且終止于機械操作，以將原材料轉換為最終的產品。當原始的圖紙或者文件無法使用或需要分析和修改來提升產品的設計時，使用任何的數字化技術去復制一個已有的部分CAD模型常常是十分關鍵的。在逆向工程方法中，幾何模型以及關聯外觀表示的特性、分割和簡單及自有形態的外觀裝配和創造準確的CAD模型都是十分重要的方面。文章展示了逆向工程方法以及其與產品設計發展相關的應用領域。運用逆向工程進行的產品重設計和研究將會很大程度上減少生產周期和產品制造業的成本。

關鍵詞：逆向工程；掃描技術；點云/STL數據；CAD/CAM/CAE

1 介紹

在過去的30年間，這個世界已經見證了三維數字化的聚合。每當新的技術突破了物質形態和數字形態的界限，新的產品和新的市場就得以創造。20世紀70年代迎來了使用信號處理的數字聲音（1D），在電信業里這種信號處理可以對一個常見的語言的一部分做出模擬和數字轉換。20世紀80年代帶來了數字化的字體和使用圖像處理技術的圖片（2D）。這種電子和文本信號轉換的便利改變了出版行業和存儲分享信息的方式。第3種聚合，開始于20世紀90年代，專注使用幾何處理（3D）將現實物質數字化。這種因為逆向和正向工程致使物質世界和數字世界的聚合從根本上改變了產品的設計、制造以及營銷。通過像拍攝一張數碼照片一樣簡單地創建一些世界的復制，21世紀的最大突破將會產生于制造業中。

逆向工程可以被應用在重塑高價的商用部分以獲得商業利潤或者無價的遺產部分以獲得歷史修復。為了實現這一任務，工程師需要理解原始部分的功能且擁有重新修復關鍵細節的技能。在機械制造和工業生產領域，逆向工程指的是從現有的部分和他們的集合中創建工程設計和文件數據的方法。在傳統的工程流程中會將工程概念和模型轉換成真實的部分；而在逆向工程工程方法中，真實的部分將會被轉化為工程的模型和概念。逆向工程有著很常見、很廣泛的領域諸如機械工程、軟件工程、動畫及娛樂工程、微芯片、化學、電子工業和藥物生產等。專注于機械制造領域，通過逆向工程的應用可以使得已有的部分可以被重新創造，這種創造通過獲取已有部分的表面或幾何信息利用接觸的或非接觸的數字化或測量化的設備。通過利用逆向工程，創造產品可以廣泛地利用CAD/CAM/CAE系統，且可以顯著的提供廣泛的收益在提升質量、材質、重設計的效率以及生產和分析。逆向工程將會在縮短產品開發周期方面產生大量的商業收益。

逆向工程已經被用于生產許多機械零件，諸如密封圈、O形環、螺栓和螺母、墊片和引擎部分，而且也被廣泛地應用于很多工業。國際制造工程協會（SME）聲稱逆向工程的實踐“起始于一個完成的產品或流程并在有邏輯的樣式中反方向工作以探索隱含其中的新科技”。世界各地的制造商已經在他們的產品研發方面實踐了逆向工程。一些新的分析技術，諸如三維（3D）激光掃描機和高分辨率顯微鏡已經使得逆向工程更將簡單，但是這其中還是有許多地方需要進一步學習。許多的專業性機構從他們的角度已經提供了逆向工程的定義。逆向工程已經融合了適當的機械設計和制造工程標準以及許多現實的生產限制，這些內容涵蓋了許多學科廣闊的知識諸如：（1）將數學、工程和科學知識應用于數據分析和理解之中。（2）使用技術、儀器和工具在逆向工程應用之中。（3）逆向工程中執行適當的實驗和測試以獲得必要的數據。（4）辨認、系統闡述并解決與逆向工程相關的問題。（5）理解與逆向工程相關的法律和道德責任。（6）評價和評估文件并促進逆向工程的實現。

2 歷史

工程被廣泛地使用在第二次世界大戰和冷戰時期。它經常被用于軍隊復制其他國家的技術、儀器或信息、或者被常規軍隊或智能操作獲取的一些部分取代。在過去幾年里，隨著計算能力的增長、更大的內存以及高速的接觸式和非接觸式掃描儀的出現，離散幾何已在汽車設計、生產和質量保障反面獲得了更重要的位置。在最近幾年，逆向工程對制造業的影響與日俱增，這一影響也促使工業革命發揮著重要的作用，這一革命通過介紹一些貴重的產品并且刺激產生更多的競爭。然而，現在發明的平均生命周期變得更短。為了適應更高概率的機械和儀器發明，逆向工程提供了高科技的工具去提升再造的流程以使得未來產業變革。逆向工業在航工業發揮著重要的作用，主要是因為：工業的成熟、現代科技的進步以及市場需求。從20世紀初航空業的開端到20世紀50年代硬件的成熟伴隨著噴氣式飛機的發展，航空工業在這50年中變革著運輸的方式。

逆向工程包含幾個步驟：數據獲取，預加工（雜余濾除和融合），三角測量，后續提取，分割和曲面擬合及CAD/CAM/ CAE工具的應用。

3 計算機輔助的逆向工程

逆向工程本身的出現時作為提供一個解決方式，這一解決方式主要用來提供備件來替換損壞或老化的且沒有技術信息的固件。如果在一種情況中，零件在初始中被進口（沒有圖紙）或者圖紙被錯放或遺失。再建工程或者逆向工程可以成為一種較低昂貴的選擇。相比于重新進口而言，這一方式不僅可以用來快速的替換，也可以創造備件用來在很長一段時間維持生產。基于電腦的表面模型在科學和工程領域都是必不可少的。比如，在設計和生產交通工具，諸如汽車和飛機，沒有CAD和模擬工具預測產品的行為的話將會很難進行生產。點云獲取正常的進行工作通過固定的掃描儀器，像是激光或者計算機斷層掃描儀。在進行多次的掃描不同的邊或通過旋轉物體，個取樣點可以與單一的點云結合，在單一的點云中其表面需要被重建。作為結果適合的重建方法是基于重復地應用如下幾個步驟：

開始于一個初始的邊界點，這一點封閉原始的電云，分層的空間分割通過細分每一個點為分點而在創造一個點集，生成的網格通過細分為粗糙的網格和調節在那些被移除點的位置的拓撲結構而獲得最終的數據繪圖局部的約束網格于點云中，所有的頂點都被投射于單個點定義的局部切面中。

逆向工程已經被定義為一種過程，這一過程為了獲取一個備用組件的技術信息。計算機輔助的逆向工程依賴于計算機輔助工具為了獲得零件的幾何形狀，辨別其材質和提升其設計、模具結構、生產計劃和物理實現。一個零件實體建模的支柱就是計算機輔助的逆向工程。這一模型數據可以被輸出和輸入進CAD/CAE/CAM系統，采用標準的格式諸如IGES，STL，VDA和STEP。

4 特征為基礎的逆向工程

特征為基礎的逆向工程很適合采用逆向工程生產機械零件。而且征式模型對于工業設計和生產也是十分理想的，因為產出的模型可以被很容易的修改。特征匹配和基于制約的方法可以被描述為基于知識的方法。作為研究者，探索設計的意圖和存在于模型中用于工業使用的特征關系是十分重要的，因為這可以證實一些使得物品過時的屬性。這些信息可以被描述為幾何約束。

5 逆向工程的基本步驟

正如之前指出的，逆向工程的主要目的是將離散的信息機轉化為分段平整的、連續的模型。在這一部分，這一轉變的不同方面會被描述出來。離散的數據集通常會包含著（X；Y；Z）的經過測量的數據點的坐標值。整理數據需要遵循以下的步驟。

5.1 數字化實體建模

逆向工程的首要目標就是數字化實體建模。數字化是獲取實體模型信息以及轉化其為數字形式的一個過程。它可以通過利用接觸式探索技術或非接觸式感應技術來實現。在表二中展示了在接觸式和非接觸式方法中獲取3D數據的一些分類。在進行多次的掃描不同的邊或通過旋轉物體，各取樣點可以與單一的點云結合，在單一的點云中其表面需要被重建。作為結果適合的重建方法是基于重復的應用如下幾個步驟：

開始于一個初始的邊界點，這一點封閉原始的電云，分層的空間分割通過細分每一個點為分點而在創造一個點集生成的網格通過細分較為粗糙的網格而獲得最終的數據繪圖局部的約束網格于點云中。所有的頂點都被投射于被單個點定義的局部切面中物體表面獲取的目的。

測量點群和標準模板庫的數據被用于2個方式：（1）分析自身和其他的產品（設計）。（2）確認自身產品的準確性（檢查）。

設計的木筆更廣泛地分為：（1）產生一個3D的實物模型以縮短開發周期。（2）3D數據不存在，使用CAD數據來執行分析。

檢查的目的更廣泛的方面分為：（1）檢查物體維度。（2）確認變形材料的數量。（3）基于結果定義物體的壽命。

為了逆向工程使用接觸式及非接觸式方法的信息獲取分類如圖1所示。

5.2 后加工

基于過去對于一些波動平滑理論的研究，網格的頂點會被重新復位通過計算直接連接的相鄰頂點的幾何中心。為了提升產生的網格的質量，可以執行一個附加的優化措施。在一個連續的步驟中，這些幾何中心可以再次在對應數據集的切面中被預計來定義理論。通常來說網格優化是一個重復的過程，會應用許多次以獲得最大可能的準確度在表面質量方面，而表面質量對于3D CAD模型是很有幫助的。

5.3 三角測量

基于過去對于在逆向工程環境下的三角測量的研究，對于三角測量的數學理論和計算算法已經發展完全。擁有充分幾何信息的多邊形網格可以被有效率的創造從而得到給定的一組數據點。三角測量中基礎的理論是狄洛尼三角剖分。除了狄洛尼三角剖分，還有許多的數學算法用來三角測量，包括移動立方體法、泊松表面重建和滑動最小二乘法等等。然后，一些三角測量算法可能不能完美地切合每個要求。他們可能在產生網格的同時產生復雜的三角形計數。而且，這些算法會潛在的暗示形狀的拓撲將回由三角測量重塑，并且測量的方法也會影響結果和穩定性。

5.4 分割

在逆向工程中最重要的一步就是網格切割。分割是一個復雜的過程，在這一過程中原始的數據是每一個邏輯上單獨屬于原始表面的子集。一些更有效率非迭代的分割方法正在使用，他們被叫做直接切割方法。通常而言，切割過程會包含一個關于一階和二階表面性質的預估。一階分割，基于正常的向量，提供一個初始的表層分割，并且探測鋒利的邊緣和平緩或高度彎曲的區域。二階分割會根據主要的彎曲對于表面進行分割，并且提供一個充分的基礎以用來細分簡單的代數表面。大多數的分割算法均會伴隨著曲面擬合，曲面擬合適合每個分段區域的最佳的原始表面。詳細說明表面類型的層級根據幾何復雜性的順序還是十分重要的。

正如之前討論的那樣，基于特征的分割提供了一個充分的基礎以劃分主要和次要幾何或參數和非參數幾何，這些幾何被展示在圖2中。代數曲面，諸如位面、球體、圓柱、圓錐和圓環，都是很容易適應于這些區域。

包括原始的無參數的有著簡單的運動動作的曲面，像是掃描曲面、旋轉曲面、擠壓曲面和管道曲面，都是直接與CAD模型契合的。

5.5 實體建模

實體建模很可能是用于工程定形的流程以支持使用任何建模軟件的逆向工程，建模軟件諸如CAD，CATIA，Pro/E等等。實體建模的兩種基本的表示是邊界表示法和特征表示法。有許多方法可以被倡導，比如可以從輪廓曲線的點云和三角網中建立邊界表達模型 （Várady et al.，1998）。也可以通過連接花鍵方式中的兩點來創建。有一些則專注于生產特征識別以為了流程計劃的用途。然而，這些方法均不可以自動化操作建設流程和形成完全的參數化模型。

5.6 實體模型輸出

在使用逆向工程來重建3D模型時，軟件將必須輸入常見的CAD包裹以支持工程方面的設計。常見的實體模型交換，通過IGES或STEP和STL標準，是不充分的，因為參數信息、草圖約束和維度（包括實物特征以及特征樹）在交換中是不完全相同的。直接的實物模型可以被輸入和輸出通過一些軟件，諸如使用CAD/CAE/CAM系統中Rapidform XOR3的liveTransfer？模塊，這一模塊采用了一些標準的格式諸如IGES，STL，VDA和STEP。

6 逆向工程的應用

逆向工程是一個多學科的方法并且可以幾乎應用于廣泛的工業領域。其主要應用的方面是重塑部分的原始零件的復制品或追溯發生的事件。它被廣泛的應用于軟件和信息科技行業，從軟件解碼開發到網絡連接安全。每年成以千記得零件通過采用逆向工程被重造以滿足價值億萬美元的零部件市場需求。數字技術的發明徹底變革了它。對比與飛機和汽車制造業，在生命科學和醫學設備領域的數字逆向工程的應用已經面臨了更多的挑戰并且以緩和的節奏進行革新。然而，對于逆向工程應用的一些簡要的描述已經被展示如下。

6.1 在機械工業領域

工程這一名詞通常被用于描述一種創造有益事物的行為。逆向工程已經與復制原始設計為了競爭目的行為相關。然而在當今的制造業，逆向工程的概念已經被合法的應用于生產新產品或舊產品的變種。逆向這一名詞來源于在數字和物質世界的雙向數據交流這一概念。在早期計算機輔助技術（CAD）、工程（CAE）和制造（CAM）的主要推力在于創造一個在計算機中的產品，并且將其成績帶到真實世界中。CAD可以完全定義一個簡單的零件或者一個復雜的裝配來源于其尺寸的性狀。CAE組件，諸如結構或熱量分析軟件，可以獲得數字的表示并進行分析。CAM軟件可以提出相同的電子定義并且創造途徑去切割工具以為了部分的生產。今天，逆向工程正在應用于復雜的幾何機械零件的曲面生成，像是渦輪葉片、齒輪、汽車引擎、套管和攜帶式配套工具等。

6.2 在航空航天以及制船工程方面

逆向工程方法已經被播音和其他的航空公司所應用以用來創造備用零件的數字庫存或者將舊數據轉換到如今的CAD環境中。逆向工程方法與CAD工具一樣，是一個關鍵的方法在未來的航空飛機制造領域。現代的航空航天領域使用逆向工程為了一下幾點關鍵原因：（1）為了創造沒有CAD模型的傳統零件。（2）為克服數據交換中的障礙。（3）為解決問題，這些問題產生于CAD主模型和實際工具或完工零件之間的差異。（4）為確認計算機輔助檢查和機械分析的質量和表現。

CAD的一個工業應用可以展現出來，這一應用關于測量和再造一個完全船體和船的部件，而這些工作也造船和船舶維修領域的周期性任務。為了選擇最合適的測量方法，許多測量物體的典型方面，像是它的大小、可能的障礙和不良的便攜性，已經被考慮在其中。

6.3 軟件行業

軟件的逆向工程師關于分析一個已有的系統。IEEE對于軟件維護的標準中定義逆向工程為“一個流程從源代碼中提取軟件系統的信息”。通常而言，逆向工程活動的輸出是綜合的，是高級別的信息這些信息可以使得逆向工程更好的對系統進行推力并且進化為更高效的方法。

逆向工程的過程通常開始于降低信息的級別，諸如系統的源代碼，可能也會包括系統的構建環境。當執行一個逆向工程活動，逆向工程會遵循一些固定的流程。逆向工程過程的工作流程可以拆解為子任務的提取、分析和可視化。在實踐過程中，流程中會有一些因素使得流程變得特別而又富有創造性。

6.4 在醫藥生命科學領域

人身體的工程創新已經在生命科學和醫藥設備領域將逆向工程置于一個獨特的位置，特別是將人造的部件防御人體中。應用于掃描影像技術伴隨著逆向工程中有限單元的分析幫助了工程師精確的定制固定的模型以最好的適應個體患者。逆向工程的基線要求是在在生命科學和醫藥設備領域中更好的服務于存活的細胞、人體器官以及之前的交流的生理特征。工程師和科學家經常會在逆向方向中工作，而且可以通過觀察身體行為和生物因素中得到幫助。這其中已經蘊含著某種機制可以復制這些生理功能。

在逆向工程的環境中，工程師首先必須辨別一些材質，這些材質可以被用作醫學器械中的零件和特征，之后幾何形式的零件可以精確的數字化，且制造過程可以被證實。逆向工程被用于許多醫學領域：牙醫業、助聽器、人造膝蓋和心臟等。

基于這些要求，高級計算機輔助的生產流程可以創建定制化的牙齒矯正儀器為了個體的病人。逆向工程應用的提升也會很大程度上以來技術的變革以使得無線助聽器更小、更精致并且以更低的成本實現更高效。逆向工程在矯形術中的應用，諸如膝蓋、臀部、脊柱中的應用，也是非常有挑戰性的，一部分也是因為這些部分復雜的運動方式。

這些由逆向工程生產的人工移植的身體部位的合適的設計功能需要他們在維持多軸運動的壓力的同時有著不同模式和重量的負載。

在飛機、汽車和其他交通工具產業發生安全事故的前后，逆向工程也可以用來重構時間的情況。其他的領域，諸如在時尚設計、化學工業、建筑和土木工程方面以及畫廊，也可以發現許多逆向工程的應用。

7 現代數字化系統的簡要回顧

數字化和掃描的概念經常被用來描述相同的流程。就傳統而言，數字化這一名詞主要講的是使用接觸觸發式貪占或者光學技術來從表面獲取不連續的點的一種過程。這樣的數字點云可以被從不同的數字化方式獲取。

原始的設備制造商和供應商的區別在當今動態和競爭的全球市場中已經日漸模糊。逆向工程的應用和備用零件的再生產以為了維修和替換老化零件已經對于航空工業以及他們的顧客有著顯著的經濟影響。在20世紀70年代，由于對于高度戒備行業所有權信息解碼的需求，逆向工程在高壓的渦輪頁片的應用成為了一個挑戰。在20世紀初，技術創新已經改變了逆向工程的流程，而且實施逆向工程也被更廣泛的接受。逆向工程零件的生產的確需要完全的對于工程設計和生產流程進行重塑。為了獲取精確的幾何信息為零件市場的汽車零件，許多公司也訴諸于數字掃描和逆向工程技術。它提供了各種各樣的汽車零件，包括阻流板、腳踏板、防撞墊和輪罩。公司并不會總能利用裝備生產商的原始CAD數據，這一部分也是因為完工的零件會與CAD數據有輕微的不同。

汽車零件協會鼓勵在市場上價格和質量的競爭，這也導致了顧客的預算下降的同時仍想要保持零件的質量。其中逆向工程廣泛被引用的在軍隊中的案例就是蘇聯的Tupolve Tu-4（Bull）轟炸機。在二戰期間，3個被戰斗損毀的美國B-29超級空中戰斗機在向日本投彈之后再蘇聯進行緊急迫降。在當時逆向工程項目并不是非常的成功。比如，在2003年12月15日，復制1903年萊特兄弟的飛機在嘗試起飛后陷入了泥潭。這個不幸的飛行嘗試給逆向工程帶來了另一危險的因素。即便如此，這也生產出看似與原件相同的復制品，而逆向工程的零件的操作性也依賴于運行的環境。一個成功的逆向工程的項目需要對小圖的細節和測量的準確性予以充分重視，而且對原件的功能性也要有充分的理解。

8 結語

逆向工程的基礎原則和基本限制在大多數工業中是相似的。逆向工程的一般實踐，諸如信息搜集、微觀的詳細分析、建模、原型設計、性能評估和規則執行，在所有工業中的原則都是類似的。這些努力的成果也同樣會經受一些現代科技的通用限制。然而一些特定的方法論在不同的領域也有很大的不同。

由CAD/CAE/CAM技術支持的機械設計使得得到了數控機床輔助的產品制造得以優化，以在完整的客戶需求出現之前，管理高速的產品研發和正規生產。對于一些產品研發的過程，逆向工程（RE）使得產生了一些表面模型通過三維（3D）掃描技術，而后續這一方法也一定會促使在短時間內重新設計和生產不同的零件（給汽車使用或給家用）和工具。逆向工程應用的結果也會對產品實現系統提速而且很大程度上減少了生產的成本。

[參考文獻]

[1]Bopaya，B.I.&Hosni Y.A.Reverse Engineering and Its Relevance to Industrial Engineering：A Critical Review[J]. nternational journal of Computers and Engineering，1994（2）：343-348.

[2]Herbert J.Koelman.Application of a photogrammetry-based system to measure and re-engineer ship hulls and ship parts：An industrial practices-based report[J].Computer-Aided Design，2010（42）：731-743.

[3]Kumar，A.，Jain，P.K.and Pathak，P.M.Industrial Application of Point Cloud/Stl Data for Reverse Engineering[J].DAAAM International Scientific Book 2012，B.Katalinic （Ed.），Published by DAAAM International，2012（4）：445-462.

[4]Pal，D.K.，Ravi B.L.，Bhargava S.Chandrasekhar，U.Computer-Aided Reverse Engineering for Rapid Replacement Parts：A Case Study Defence Science Journal[J].DESSIDOC，DRDO，New Delhi，2005（8）：1-14.

[5]Sokovic，M.&Kopac，J.RE（reverse engineering） as necessary phase by rapid product development[J].Journal of Materials Processing Technology，2006（175）：398-403.

[6]Thompson William B.，Jonathan C.Owen，H.James de St.Germain，Stevan R.Stark，Jr.，and Thomas C.Henderson.Feature-Based Reverse Engineering of Mechanical Parts[J].IEEE transactions on robotics and automation，1999（15）：57-66.

[7]Tut V.，A.Tulcan，C.Cosma，and Serban I.Application of CAD/CAM/FEA，Reverse Engineering And Rapid Prototyping In Manufacturing Industry[J].International Journal Of Mechanics，2010（4）：79-86.

[8]Varady；Tamas，Martin，Ralph R.&Coxt，Jordan.Reverse engineering of geometric models-an introduction[J].International Journal of Computer-Aided Design，1997（4）：255-268.

Reverse Engineering Technology in Product Manufacturing Industry

Apurva Gautam（School of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： Engineering plays an important role in a series of mechanical design and manufacturing. This technology has been widely regarded as an important technology in the design cycle of the product. In the conventional information manufacturing industry， the operating instructions are usually designed to begin with the design of the product and to terminate the operation of the machine， in order to convert the raw material into the final product. When the original drawings or documents can not be used or need to be analyzed and modified to enhance the design of the product， the use of any digital technology to copy an existing part of the CAD model is often very critical. In the reverse engineering method， the geometric model， the characteristic， the segmentation and the simple and the appearance of the own form of the CAD model are very important. This chapter shows the reverse engineering method and its application fields related to product design and development. The use of reverse engineering to design and research products will greatly reduce the cost of production cycle and product manufacturing industry.

Key words： reverse engineering； scanning technology； point cloud /STL data； CAD/CAM/CAE