浅谈逆向工程技术发展趋势及应用
李佩鸿
（安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南 232001）
摘要：为适应先进制造技术的发展，越来越多的产品需要一体化的解决方案，即从样品一数据一产品，逆向工程技术的运用使得产品的异形曲面快速完成数字建模，加快了新产品问世的步伐，提高了产品的外观新颖性、复杂性及制造精度，并大大降低了产品研制开发的成本。
逆向工程是专门为制造业提供了一个全新、高效的重构手段，实现从实际物体到几何模型的转换，成为现代企业开发新产品的重要设计手段。
关键词：逆向工程数字建模加快步伐降低成本
Abstract:Adapting to the development of advanced manufacturing technology, more and more products need integration solution, that is, from sample and data to products. The use of reverse engineering technology to make products of special-shaped surface quickly complete digital modeling, speed up new products, improve the appearance of novelty, complexity and manufacturing precision of the products, and greatly reduce the cost of the product research and development. Reverse engineering is dedicated to providing a new and efficient means of refactoring for manufacturing, implementing transformation from real objects to geometric model,and have become the important means of design to develop new products of modern enterprises.
Key words:The reverse engineering Digital modeling Speed up Reduce the cost
0 引言
传统的设计都是通过工程师创造性的劳动，从市场的需求出发，在概念设计的基础上进行总体及零部件的设计，制订工艺规程并设计就夹具，完成加工和装配，再对产品进行检验和性能测试，将一个未知的设计理念变成产品。
这样的流程往往需要大量的市场调查，需要花费很多的人力和物力，产品的问世也需要多次的修改完善，这样就使产品的制造周期大大延长了。
逆向工程作为软件工程领域的一个新兴分支，是对已知的事物的有关信息进行充分的消化和吸收，在此基础上加以创新改型，通过数字化及数据处理后重构实物的三维模型，大大缩短了产品的问世周期。
其主要作用是接收来自测量设备的产品数据，通过一系列的编辑操作，得到品质优良的曲线或曲面模型，并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中，在这些系统中完成最终的产品造型。
目前主流应用的四大逆向工程软件：Imageware、RapidForm、CopyCAD、Geomagic Studio。
1 逆向工程的发展历程及现状
20世纪60年代，逆向工程作为独立的新兴学科出现在国际工业界，1956年，英国Ferranti公司开发了世界上第一台三坐标测量机；1963年10月，DEA公司制造出世界上第
一台龙门式测量机，开创了坐标测量技术的新领域。
目前逆向工程已发展为CAD/CAM系统中的一个相对独立的研究分支，其相关领域包括几何测量、图像处理、计算机视觉、几何造型和数字化制造等。
2 逆向工程的应用
逆向工程主要应用于汽车、飞机、家电、玩具、模具等相关领域，它实现了制造技术的数字化，充分利用现有资源，使新产品的开发更加方便、快捷，也大大降低了开发和生产成本，缩短了设计生产周期。
其主要应用有以下几个方面：
2.1无零件设计图样逆向生成样件
在没有设计图纸的情况下，对零件原型进行测量分析，得出数据，再用已有的软件进行数据重组，建立模型，从而加工出新的产品。
2.2以实验模型作为设计零件及反求其模具的依据
对于一些需要通过实验测试才能定型的工件模型，往往就利用逆向工程，等实验模型合格后，再反求其模具。
如飞机、汽车等。
2.3模具行业
由于模具制造中需要反复进行试冲及修改模具，对于已经符合要求的模具进行反求数据然后再制造出和其一样的模具，这样可以大大提高效率，降低模具制造成本。
2.4美学设计领域
如汽车外形、新产品创意、计算机仿形等都要用到逆向工程的设计方法。
3 逆向工程系统组成以及设计制造工作流程
逆向工程系统是计算机辅助测量(CAT)/计算机辅助设计(CAD)/计算机辅助制造(CAM)/计算机辅助工程分析(CAE)等先进的计算机辅助技术集成应用的一个典型例子，也是计算机集成制造系统(CIMS)研究的一个重要分支。
逆向工程系统的组成框架如图1所示。
图1 逆向工程系统组成
从逆向工程系统框架图中可以看出，逆向工程系统主要由三部分组成：产品实物几何形状的数字化子系统、三维CAD模型重建子系统、产品或模具的制造子系统。
产品实物几何外形的数字化系统产品表面的数字化又称数据测量，是指通过特定的测量设备和测量方法，将物体的表面形状转化成离散的几何点坐标数据，在此基础上，就可以进行复杂曲面的建模、评价、改进和制造。
在逆向工程中，由于后续产品加工制造、快速原型制造、虚拟制造仿真、工程分析和产品再设计都需要CAD数学模型支持，所以实物的三维CAD模型重建是逆向工程设计过程中最关键、最复杂的一环。
在完成实物的CAD三维模型重构后，可以直接在CAD 软件模具设计模块进行模具设计(CATIA的Mold ToolingDesign为模具设计模块)或通过数控加工制造产品，也可以通过快速原型制造技术(Rapid Protyping Manufacturing)来直接制造原型和模具。
逆向工程设计制造的工作流程一般分为5个阶段：
（1）零件原型的三维数字化测量
（2）提取零件原型的几何特征
（3）零件原型的三维重构
（4）CAD模型的分析及改进
（5）CAD模型的校验与修正
4 逆向工程关键技术
数据采集与处理和曲面构造，加以其它技术的辅助构成了逆向工程技术体系。
4.1 数据采集
运用接触测量和非接触测量两种方式对样件表面的位置坐标进行测量，得到物体表面的三维几何数据，再根据这些数据进行快速成型和NC加工。
常用的几种测量方法有三维坐标测量法、工业CT法、层析法及CNC坐标测量机等。
它们分别用于不同的场合及不同类
型样件的测量，各有优点，我们可以根据不同的需要而选择合适的测量仪器及方法。
4.2 数据的处理
为保证测量数据的合理性和完整性，我们需要对测量的某些数据进行补偿、筛选等工作。
数据的处理方法一般有基于边界的分割法和基于区域的分割法，由于在分割的过程中只用到了边界的部分数据，还要用到微分运算，所以这种方法容易受到影响，特别是对于曲面变化微小的样件并不适用。
4.3 曲面构造
目前在逆向工程中主要有三种曲面构造的方案：其一是以B-Spline或NURBS曲面为基础的曲面构造方案；其二是以三角Bezier曲面为基础的曲面构造方案；其三是以多面体方式来描述曲面物体。
5 逆向工程存在的问题及发展趋势
5.1存在的问题
（1）数字化问题。
（2）点云的好、快、精的处理问题。
（3）便捷、兼容的数据传递问题。
5.2发展趋势
（1）测量应用的发展趋势
目前，三维技术测量主要集中在如何高速、安全、全面的获取所需要的数据。
主要体现在：新型计算机的应用，能够更多、更快的分析、处理大量的测量数据；传感器和非接触测量的精度的提高以及测量的简单化、人性化、智能化。
（2）规模作业方式的发展趋势
（3）理论研究的现状及趋势
Ohio州立大学的Menq等对三坐标测量技术、自由曲线曲面拟合、数据分块等进行了研究。
6 结束语
随着计算机技术及测量技术的发展，逆向工程技术利用CAD/CAM技术、先进快速制造技术将更快速地实现产品设计，以此来满足人们不同方面的需求。
参考文献
[1] 黄诚驹.逆向工程综合技能实训教程.北京：高等教育出版社，2011.
[2] 任小中.先进制造技术.武汉：华中科技大学出版社，2013.
[3] 方新，费仁元.实物逆向工程的关键技术[J].现代制造工程，2002(12):18～21.。