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(四川理工学院计算机科学技术系，四川 自贡 643000)
摘要：逆向工程是由已有产品回溯产品设计思路，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。逆向工程技术在产品设计中的应用可以缩短新产品设计开发周期，大大降低设计开发成本，提高设计水平和质量，有效地提高企业的市场竞争力。
关键词：逆向工程；计算机图形学； CAD/CAM ；产品设计
中图分类号TP391．4
引言
随着市场竞争的加剧，现代产品的设计开发周期要求越来越短，产品需求出现小批量、多品种、个性化的特点。为了适应市场快速多变的情况，达到缩短开发周期的目的，产品的开发很少采用全新设计，而借鉴已有产品进行的改进设计则是快捷、实用的方法。从20世纪80年代初起，美国３M公司、UVP公司以及日本名古屋工业研究所等开始研究开发逆向工程技术和设备。目前美国在国内已经建立了集测量、设计、快速成型、数控加工于一体的逆向工程中心，在英国、德国、法国、日本、韩国、台湾等许多国家和地区已有商品化的逆向工程设备和系统软件相继投入使用，有效地提高了企业的竞争力，促进了生产力的发展。
我国是最大的发展中国家，消化、吸收国外先进产品技术并进行改进是重要的产品设计手段。逆向工程技术为产品的改进设计提供了方便、快捷的工具，它借助于先进的技术开发手段，在已有产品基础上设计新产品，缩短开发周期，可以使企业适应小批量、多品种的生产要求，从而使企业在激烈的市场竞争中处于有利的地位。逆向工程技术的应用对我国企业缩短与发达国家的差距具有特别重要的意义。
1 逆向工程的理论与方法
1.1 逆向工程
逆向工程（reverse engineering，RE）,亦称反向工程或反求工程。它是由已有产品或
关键设备精心测绘，认真剖析其设计制造技术，从而较早实施产品设计思路，通过样件开发产品的过程。与产品正向设计过程相反，逆向工程基于已有产品设计新产品，通过研究现存的系统或产品，发现其规律，通过复制、改进、创新从而超越现有产品或系统的过程。它不是仅对现有产品进行简单的模仿，而是对现有产品进行改造、突破和创新。
1．2 制造业的逆向过程
制造业的逆向工程是以三维测量、表面重构为核心，集光电测量、计算机图像/图形处理、计算机辅助设计/制造、快速原型/模具、数控等技术为一体的高新技术。它是在没有设计图纸或者设计图纸不完整以及没有CAD模型的情况下，利用各种数字化技术、CG/CAD技术，根据实物测量数据重构其计算机模型，运用现代设计理论、方法对模型进行再设计，并与现代快速制造技术有机结合，最终制造出产品的过程。
1．3 正向设计与逆向设计的区别
正向设计指由设计思路到产品的设计过程，它是一般产品的常规设计过程。
逆向设计与正向设计相反，是由已有产品回溯产品设计思路的过程，它是对传统设计、制造技术的拓宽和丰富。
正向设计与逆向设计两者的关系如图1所示。
设计思路
快速制造系统
三维CAD软件
正向设计：
产品
计算机
逆向设计：
已存在实物
三维数据测量
图1 正向设计与逆向设计工程系统图
2 逆向工程的核心
逆向工程所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。三维测量和表面重构是逆向工程技术的核心。
2．1 测量设备
测量设备是逆向工程的核心硬件。按测量方式分类，测量设备分为接触和非接触式两种。
2.1.1 接触式测量设备
接触式是传统的测量方式，测量过程中探头与模型表面接触，其典型代表为机械三坐标测量仪（CMM）。这种测量技术已发展得比较成熟，其突出优点是精度高（可达±0.5µm），但由于机械式测量结构存在的固有缺陷，难以实现快速测量。
(1)三坐标测量机(CMM)
原理：采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。
特点：测量精度高，可达微米级，但效率较低，对一些软质表面无法进行测量，价格较高。
三坐标测量机是近几十年来，随着计算机、机床业的飞速发展而产生的一种高效高精度的测量仪器。它采用坐标测量的原理，在计算机软件的控制和驱动下，完成对工件几何尺寸和形位公差的三坐标数据采集。它有机地结合了数字控制技术，利用了计算机软件技术，采用了先进的位置传感技术和精密机构技术，使诸如齿轮、凸轮、涡轮涡杆等以前需要专用检测设备才能完成工件，现在可用通用的三坐标测量机进行数据采集，结合相应测量、评价软件来实现专业的检测、评价功能。
(2)层析法
原理：将零件原型填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取原型不同位置截面的内外轮廓数据。
特点：能测量任意复杂零件的内外轮廓，测量速度、精度中等，价格中等，破坏被测件。
2.1.2 非接触式测量设备
随着机器视觉技术和光电技术的发展，非接触式的光电测量技术发展迅速，这种测量技术方法测量速度快，自动化程度高，常见的方法有激光三角测量法、莫尔条纹技术、断层扫描技术等。设备有三维激光数字化仪、自动断层扫描仪、工业CT和MRI等。
图2 三维立体扫描仪
(1)基于光学三角原理的激光扫描法
原理：根据光学三角形测量原理，以激光作为光源，其结构模式可以分为点、线，将其透射到被测物体表面，采用CCD接收反射光，根据光点或光刀成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。
特点：测量速度较快，可达10000点/s以上，精度中等，价格低。倾斜度大的面、棱边处测量误差大，反光特性不合适的材料表面需喷涂。
(2)基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法
原理：将光栅条纹透射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。
特点：基于投影面获取数据，比基于点、线获取数据的速度快，一般测量精度达几十微米，要小于10µm，光栅制作有难度。
(3)基于工业CT断层扫描图像法
原理：对被测物体进行断层截面扫描，以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。
特点：类似于医学CT，可以测量物体的内部结构和形状，属无损测量，但造价高，目前实用设备的精度约为0.1mm。
2.1.3 各种测量方法的比较
各种测量方法精度、成本、适用条件各不相同，现将各种测量设备作比较分析如表1所示。
表1 各种测量设备的比较
机械三坐标测量仪 接触式 外表面形状 精度高 软体难以测量 手动成本低，自动化成本高
层析数字化测量机 破坏式 内外表面 精度高 材料不限 成本中等
三维激光数字化仪 非接触式 外表面形状 精度高 材料不限 成本中等
MRI/CT 非接触式 内外表面 精度低 材料有限制 成本高
2.2 表面重构
经过测量，物体表面形状离散为数据点集，有关线、面的特征全部消失，由离散数据点重构物体的CAD模型需经过离散点网格化、特征提取、表面分片、曲面生成等步骤。网格化是为了建立离散点之间的拓扑关系，但由离散点拼合物体表面网格时存在多义性，要设计全自动的算法存在难度，有设计人员根据被测实物进行交互拼接是目前比较实用的方法。有了物体表面的网格模型，根据应用需要，选用合适的曲面生成算法构建物体的曲面模型，并通过数据接口导入ProE、UG等常用的CAD软件进行后续的处理。
逆向工程的数据处理过程包括：分析现有产品或系统，对其原理进行抽取，结合新技术、改进并超越现有产品（第三步实际是正向工程）。
(1) 分析
分析现有产品或系统，找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。
(2) 抽取
按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性，抽取也是一个数据过滤和加密的过程。
(3) 产品重建
重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。
线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的，CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在线架抽取方面非常有特色。
面片重建是直接从样件数据中抽取面片，上述软件都能完成这样的任务，但效果并非理想，其主要原因是分块和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM软件在面片重建方面很有特色，它可辅助用户完成分块和自动拼接。
整体重建实际上是智能化的重建过程，既包括线架重建和面片重建，又包括产品的实体构造，主要由软件自动化地完成，其更注重产品整体。
(4) 数字产品
逆向工程所产生的数字产品，是真实产品的数字化，同时可在模拟的环境中模拟的工作状态，排除和改进当前产品原型的不足，从而超越样品。
(5) 加工
加工是将数字产品转化为真实产品的过程，加工的规划和数据采集有很多相似的地方，逆向工程的加工更注重加工工艺的自动化和加工的自动化完成。
3 逆向工程的应用
3.1 应用对象与范围
逆向工程方法和思想在产品设计中早有应用，但由于三维形状数字化涉及到相关技术难度较大，直到20世纪90年代快速测量、三维打印、快速成型等技术和设备日渐成熟，逆向工程作为三维形状数字化产业的一部分才初步形成，近年来，随着数字化相关技术的发展，逆向工程在现代产品设计中的作用越来越大。总体上看，逆向工程可以分为如下3个应用层次：
(1)原形复制（copy）
复制是逆向工程应用的原始境界。例如：陶瓷、玻璃器皿、雕塑等手工制作原型，通过测量，可在计算机中建立CAD模型，进行批量生产；文物、工艺品、珠宝的复制和修复；构建地貌模型，用于建筑、水利、交通、军事，矿藏勘探；古代生物恢复等。
(2)再设计（redesign）
基于现有产品进行再设计是目前逆向工程在产品设计中的主要应用。例如：用测量数据和数据处理软件检测模具或产品原型；修复损坏部件，基于外部产品进行仿制或改型设计；基于以往产品进行改进设计等。
(3)仿真（simulation） <…… 全科论文中心http://www.issncn.net
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