逆向工程研究

1、逆 向 工 程 研 究关键词 ：逆向工程、正向工程、三坐标测量机、数据采集、重建、数字产品及智能化1 概述：人类社会发展至今，已经历了几千年研究和探索，在各方面都积累丰厚的知识财富和科技成果，它是产品开发的基础，是人类的宝贵财富。但由于历史的局限，在没有计算机的时代，大多数遗产都是用模拟的方式记录的，在当今数字化时代，要快捷地利用这些知识和成果，实属不便。这就要求把大量的模拟信息转化为数字化的模型，以供以后产品开发所用。在机械产品方面，我们可以利用逆向工程的思想，用三坐标测量机来快速地完成转换。翻开几千年人类探索和研究的历史，你会发现，每一项成果都是在前人研究的基础上，模仿自然界和人类社会在相

2、关领域、具有相应特长、特性的事物、动物或人来实现的。看到天空中的飞鸟，我们仿制了飞机，但飞机比鸟飞得更高、更快、更远；看到海中游的鲸，人们仿制了潜艇，但潜艇比鲸潜得更深、体积更大、续潜能力更强； 这就是说人类一直在学习现有事物、研究现有事物、仿制现有事物，即人类一直在采用逆向工程的方式工作，不仅仿制原型，而且超越原型。通过样件开发产品的过程人们称为逆向工程，和产品正向设计过程相反。逆向工程主要是研究他人或现存的系统或产品，发现其规律，以复制、改进并超越现有产品或系统的过程。逆向工程不仅仅是对现实世界的模仿，更是对现实世界的改造，是一种超越。它所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、

3、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。逆向产品研发流程如下图：2 三坐标测量机是逆向工程的数据采集器，是逆向工程的数据源。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，并使之完美结合。它顺应了硬件软件化的技术发展方向，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、

4、评价功能。通过了解三坐标测量机的原理，人们很容易知道其优越的特性：高效、高精度、高柔性而又具有相当的专用性。采用先进传感技术、数字控制技术、计算机软件控制和处理技术，使得三坐标测量机具有很高的数据采集和处理效率；它以精密的机械主体为基础，采用软件控制和补偿技术，再配以高精度的位置传感器，可实现很高的精度。它实现空间坐标点的测量，采用计算机软件来完成产品几何尺寸、形位公差的评价，不同类型的产品只要调整软件即可完成，这既使得三坐标测量机具有很高的柔性，又具有相应的专用性。逆向工程要仿制样品，就要有相应的数据信息。数据采集是逆向工程的起点，是逆向工程的基本活动。基于上述三坐标的特性，可以说三坐标测量

5、机是逆向工程理想的数据采集器。3 逆向工程中数据采集规划采集规划目的是使采集的数据正确而又高效。正确是指所采集的数据足够反映样件的特性而不会产生误导误解；高效是指在能够正确表示产品特性的情况下，所采集的数据尽量少、所走过的路径尽量短、所化费的时间尽量少。对产品数据采集，有一条基本的原则：沿着特征方向走，顺着法向方向采。就好比火车，沿着轨道走，顺着枕木采集数字信息。这是一般原则，实际应根据具体产品和逆向工程软件来定。下面分三个方面来介绍。规则形状的数据采集规划：对规则形状诸如点、直线、圆弧、平面、圆柱、圆锥、球等，也包括扩展规则形状如双曲线、螺旋线、齿轮、凸轮等，数据采集多用精度高的接触式探头，

6、依据数学定义这些元素所需的点信息进行数据采集规划，这里不做过多说明。虽然我们把一些产品的形状归结为特征，但现实产品不可能是理论形状，加工、使用、环境的不同，也影响着产品的形状。作为逆向工程的测量规划，就不能仅停留在“ 特征 ” 的抽取上，更应考虑产品的变化趋势，即分析形位公差。下表是各规则元素数学描述所需的最小数据点数，要描述其公差与变化，实际需要测量更多的点。元素名称最少点数备注点直线注意方向性圆弧平面圆柱注意点的分布圆锥注意点的分布球注意点的分布双曲线注意点的分布自由曲面的数据采集规划：对非规则形状，统称自由曲面，多采用非接触式探头或二者相结合。原则上，要描述自由形状的产品，只要记录足够的

7、数据点信息即可，但评判足够数据点是很难的。实际数据采集规划中，多依据工件的整体特征和流向，进行顺着特征走，法向特征扫的数据采集规划；对局部变化较大的地方，仍采用这一原则进行分块补充。智能数据采集规划：当前智能数据采集还处于刚开始阶段，但它是三坐标测量机所追求的目标，它包括样件自动定位、自动元素识别、自动采集规划和自动数据采集。4 逆向工程是产品研发的有效工具产品研发并非空中楼阁，需要在现有的产品和技术上进行研发，现有的产品并非都有数学模型和数据信息，人们往往需要用逆向工程的方式来进行数据采集和数学模型还原。一般产品在刚开始工作时，并非处于最佳状态，要工作一段时间后，经过机构间的有效啮合，才能达

8、到比较理想的工作状态，这时产品各部分的几何尺寸和形位公差才是我们设计所追求的。但这时的产品和设计的原样已有一定差别，需要用逆向工程的方式获取当前理想工作状态下的数据，以改进设计。可见，逆向工程是产品研发的有效、适用的工具。5 逆向工程中产品重建规划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）。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。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。产品重建：重建按重建的方式分线架重建

9、、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

10、自动化地完成，其更注重产品整体。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。6 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，这里不过多说明。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。7 总结：仿制是产品发展的原动力，逆向工程是产品研发的有效途径。逆向工程把三坐标测量机、cad/cam/cae软件、cnc 机床有机而又高效地结合在一起，成为产品研发和生产的一个高效、便捷的途径。逆向工程不仅仅是产品的仿制，它更肩负着数学模型的还原和再设计的优化等多项重任。当前，虽然逆向工程发展已取得了长足进展，逆向工程的概念已深入人心，并被广泛应用于各个领域，不仅是机械产品的研发；先进企业都纷纷采用逆向工程模式进行产品研发和生产。但产品逆向工程还是一个不完全成熟的过程，各个环节仍有待于进一步完善、探索和研究，并没有非常完善的解决方案。三坐标测量机作为逆向工程的数据源，其尺寸有待于朝着超大型和超微型两个方向发展；其测头有待于朝着高效、快捷、多用途方向发展；其软件要求功能强大且操作简便，算法可重用性强。逆向工程中的重构软件要求重构效率高、操作边界和重