逆向工程的研究现状和发展前景

1、 摘要：随着测量技术和计算机技术的发展，以实体为研究对象，利用逆向工程技术对产品进行建模、仿真、优化及新产品开发成为现代设计的一大热点。本文阐述了逆向工程的基本概念及通过工业及医学的两个例子来说明逆向工程的应用，并对逆向工程的前景进行展望。关键词：逆向工程 模型重建 有限元 数据测量技术1.引言 逆向工程也称反求工程或反向工程1，是根据已存在的产品或零件原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。 从广义讲，逆向工程可分以下三类2：（1）实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、

2、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。（2）软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、管理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。（3） 影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料去构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何形状的逆向，即重建产品实物的C A D ，称为“实物逆向工程”。逆向工程与顺向工程如下图1 所示：图1 逆向工程与

3、顺向工程2 逆向工程数据测量技术3- 4数据测量是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。其测量原理是：将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，如圆、球、圆柱、圆锥、曲面等，经过数学计算的方法得出其形状、位置公差及其它几何量数据。高效、高精度地获取产品的数字化信息是实现逆向工程的基础和关键。现有的数据采集方法主要分为两大类：（1）接触式数据采集方法 接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。

4、 接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时可根据实物的特征和测量的要求选择测头及其方向，确定测量点数及其分布，然后确定测量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针的当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标据。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的测量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸测量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于测量数

5、据点时测量机处于匀速直线低速状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小。但由于测头的限制,不能测量到被测零件的一些细节之处,不能测量一些易碎、易变形的零件。另外接触式测量的测头与零件表面接触，测量速度慢，测量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的形状。（2）非接触式数据采集方法 非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由测量摩擦力和接触压力造成的测量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点问题，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，

6、可以探测到一般机械测头难以测量的部位，最大限度地反映被测表面的真实形状。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于测量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50 次/秒到23000 次/秒之间，适用于表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面的测量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、形状等）的影响较大，目前在多数情况下其测量误差比接触式探头要大，保持在10 微米级以上5。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑测量成本及其相关软硬件的配套情况下的测量。总之，在可以应用接触式测量的情况下

7、，不要采用非接触式测量；在只测量尺寸、位置要素的情况下尽量采用接触式测量；考虑测量成本且能满足要求的情况下，尽量采用接触式测量；对产品的轮廓及尺寸精度要求较高的情况下采用非接触式扫描测量；对离算点的测量采用扫描式；对易变形、精度要求不高的产品、要求获得大量测量数据的零件进行测量时采用非接式测量方法。3 逆向工程技术在快速模具制造中的应用 快速模具制造是一种低成本的逆向工程，它可以通过三维CAD系统，手工直接进行三维实体建模；或依靠扫描技术对实物进行扫描，以获得三维模型的点数据后在计算机中建模最后通过CAM系统生成NC程序并与数控机床通讯，快速地制造出简易模具6，图2为逆向工程工艺流程图以洗发水

8、瓶作为实物，通过扫描、建模、模拟加工、生成NC程序，最后在数控机床上加工出洗发水瓶模具的阴模和阳模等过程，详细分析了逆向工程在快速模具制造中的应用技术具体过程介绍如下该过程是借助英国雷尼绍公司制造的CYCLONE高速数字化扫描机，采集实物模型上的每一点的几何数据，如图4a所示，利用TRACECUT系统对所采集的数据进行处理，并通过格式转换接口与其它CAD/CAM系统相连，进行CAD建模、模拟加工、生成NC程序，最后在数控机床上加工出洗发水瓶模具的阴模和阳模7，见图4b和图4c。3.1 实现过程的关键技术 由实物建立CAD模型，要求首先对其实物表面进行数字化处理，由此可见，逆向工程的关键技术有两

9、个方面：一方面是实物模型表面数据获取技术，即数字化扫描技术；另一方面是产品建模技术（曲面构造技术）。下面对这两方面作进一步研究。（1）数字化扫描技术实物模型表面数据获取的数字化过程就是数字化扫描过程。事实上，数字化扫描及其相关技术技术逆向工程。扫描是采用模拟式或非接触激光扫描侧头沿着未知模型的表面连续扫描。采集模型表面的坐标值，每秒可采集十至上千点数据，把采集的数据存入计算机中，而扫描和加工过程不是同时进行的8。根据模型制造的需要，既可以对扫描模型进行阴阳转换、比例缩放、镜像、旋转、平移以及根据用户设定自动生成分型面等处理、然后生成需要的NC加工程序，同时也可以生成各种不同格式的CAD数据，送

10、到其他CAD/CAM系统中进行进一步处理。同济大学借助雷尼绍公司制造的专用高速度扫描器采用接触式方法来获取数字化的模型，见图4a。（2）产品建模技术 当零件原型数字化后形成一系列的空间离散点，生成原型的CAD模型就是要在这些离散点基础上，应用计算机辅助几何设计的有关技术，构造零件原型的CAD模型，通常对于含有自由曲面的复杂型面，用一张曲面来拟合所有数据点是不可行的，一般首先按照原型所具有的特征，将测量数据点分割成不同的区域9，各个区域分别拟合出不同的曲面，然后应用曲面求交或曲面间过渡的方法将不同的曲面连接起来构成一个整体，有效的三维测量数据分割和拟合技术是逆向工程中的重要内容。 同济大学借助雷

11、尼绍公司制造的专用高速度扫描器获得洗发水作为实物的扫描点后利用TRACE-CUT系统对所采集的数据进行处理，并通过IGES接口与其他CAD系统相连进CAD建模。如图54.基于逆向工程的医学器官有限元建模 为了提高医学器官有限元模型的建模速度和精度，采用逆向工程的思想方法，利用Medical image processing（MIPP）软件自动建立了人头部的有限元分析模型。用户可以通过MIPP进行二维图片的重构和三维显示，然后应用ANSYS参数化设计语言导出一个有限元分析模型。结果表明新的建模方法比传统的建模方法速度更快，精度更高，为生物力学分析和医学假肢制造提供了一个更加有效和实用的方法10。

12、 基于逆向工程的三维有限元模型的构建要解决两个问题：一是断层图像的三维重建和显示，二是将骨骼关节等组织器官构成有限元物同构模型。图6 断层图像的表面材质模型的重建结果经过三维重建的处理后（如图6），得到了空间点三维坐标，在多数情况下，反求工程中表面数据具有数据量大且散乱等特点，被形象地称为“点云”，为了与有限元分析软件无缝集成，以下的工作都借用了ANSYS的APDL语言，以指令流的方式对点云进行操作。头骨骨折是一种高能量损伤，大多由于压砸、撞挤、轧辗或高处坠落等所致，不论是保守还是手术治疗效果都比较差。研究尝试采用逆向工程方法建立颅脑部分三维有限元模型，不仅有利于从多角度认识脑损伤机制，为今后

13、形成完整的脑损伤理论提供试验依据；同时也为生物医学中的三维有限元分析方法的应用研究探索了一种新的建模方法，下表是传统建模方法与新方法的比较11。5.结语 逆向工程做为一种非常高效的产品设计思路和方法，可以迅速、精确、方便地获得得实物的三维数据及模型。为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。它改变了传统产品设计开发模式,大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。目前，逆向工程在各个领域发挥着重要作用，比如汽车外观设计、医学上的人工器官等。但逆向工程的主要应用部分还是在模具专业上，它大大促进了我国制造业的发展。参考文献1金涛.逆向工程技术M.机械工业出版社，2003.82蔚敬斌.逆向工程技术及应用J.机械管理开发. No.2 Apr,20063张海.逆向工程中关键技术的研究现状和发展趋势J.河南科技大学学报.Vol.26 No.4 Aug.20054周建强.逆向工程技术及应用实例J.机电产品开发与创新.Vol.18,No.3 May,20055黄会群.逆向工程技术研究J.计算机与数字工程.Vol.33.No.12.20056许文全.逆向工程技术及其应用J.新工艺 新技术.Vol.54 No.8 Aug.20057李晟伟 洗发水瓶数控加工编程 20008柯映林，李江雄，肖尧先 反求工程CAD建模技术研究 19989