鄭州市熱力總公司王

逆向工程關(guān)鍵技術(shù)研究

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逆向工程（RE，ReverseEngineering）主要是針對已有的產(chǎn)品原型，消化吸收和挖掘其中蘊含的產(chǎn)品設(shè)計、制造等方面的知識和經(jīng)驗，并以此為開端進行產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計。隨著計算機、數(shù)控和激光測量技術(shù)的飛速發(fā)展，逆向工程已不再是對已有產(chǎn)品進行簡單的“復(fù)制”，其內(nèi)涵與外延都已發(fā)生了深刻的變化，目前已成為航空、汽車、船舶、家電、模具制造等制造業(yè)領(lǐng)域中最重要的產(chǎn)品工業(yè)設(shè)計手段之一。

一、逆向工程技術(shù)研究現(xiàn)狀

目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在產(chǎn)品幾何形狀，以及與“功能”要素相關(guān)的結(jié)構(gòu)反求方面，即重建產(chǎn)品原型的數(shù)字化模型。因此，從產(chǎn)品幾何模型重建的角度，逆向工程可狹義地定義為將產(chǎn)品原型轉(zhuǎn)化為數(shù)字模型的有關(guān)計算機輔助設(shè)計、數(shù)字化測量和幾何模型重建技術(shù)的總稱。

在逆向工程中，計算機輔助幾何設(shè)計技術(shù)主要在計算機圖形系統(tǒng)環(huán)境下，用來進行曲面的表示、逼近、分析與綜合。在這一領(lǐng)域目前已形成了以非均勻有理B樣條參數(shù)曲面和隱式代數(shù)曲面為主體，以插值、擬合、逼近為手段的復(fù)雜曲面幾何模型表示和處理的理論體系。

由于產(chǎn)品設(shè)計中大量地使用了直線、平面、二次曲線和二次曲面等幾何要素，在逆向工程中，常常需要根據(jù)測量數(shù)據(jù)來提取這些幾何要素的特征參數(shù)，因此解析幾何方法也在逆向工程中得到了廣泛的應(yīng)用。

在對逆向工程中所獲得的幾何模型的分析、處理的過程中，涉及大量的曲線、曲面法矢的計算問題，而這些問題的解決必須依靠微分幾何方法和理論。基于測量數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品數(shù)字化重建的過程本身就是一個幾何模型參數(shù)尋優(yōu)問題，其中曲線、曲面擬合是優(yōu)化技術(shù)在逆向工程中的典型應(yīng)用。而小波技術(shù)則主要被用來進行曲面的光順、測量點噪聲的去除以及數(shù)據(jù)的壓縮等方面。

在樣本數(shù)據(jù)的整理、分析和提取方面，概率統(tǒng)計方法獲得了成功的應(yīng)用，它不但可以被用來去除測量數(shù)據(jù)中的噪聲，而且還可以被用來發(fā)現(xiàn)測量數(shù)據(jù)中蘊含的設(shè)計規(guī)律。

在產(chǎn)品造型幾何反求方面，研究工作面臨的首要問題是點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理問題。點云數(shù)據(jù)具有量大和離散兩個主要特征，點云的預(yù)處理要達到使點云數(shù)據(jù)具備完整的拓撲關(guān)系和準確的法線、曲率等信息。目前，對點云數(shù)據(jù)的主要處理方法有點云分塊、任意切片以及邊界數(shù)據(jù)直接抽取等。

在實際的逆向工程的實施過程中，除了將產(chǎn)品表面擬合成參數(shù)曲面外，更多的場合是要進行截面曲線的反求、二次曲線和曲面的分割與重構(gòu)、過渡曲線和曲面特征的提取與分析，以及拉伸、旋轉(zhuǎn)和對稱面特征的處理等方面的工作。在這些方面，目前國內(nèi)外的研究成果很多，多數(shù)已實用化。

二、逆向工程技術(shù)發(fā)展需要解決的幾個問題

1.原型的色彩和材質(zhì)信息的處理與識別。在產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)反求方面，國內(nèi)外都做了大量卓有成效的研究工作，取得了大量實用性很強的研究成果。但對工業(yè)設(shè)計過程中，色彩的運用，材質(zhì)的選取，以及設(shè)計意圖、造型規(guī)律的識別則幫助甚少。為此必須從工業(yè)設(shè)計的核心需求出發(fā)，使用最新的數(shù)碼攝像測量技術(shù)解決工業(yè)設(shè)計過程中色彩和材質(zhì)表現(xiàn)等方面信息的反求問題，使工業(yè)設(shè)計過程中的逆向工程技術(shù)形成一個完整的技術(shù)系統(tǒng)，更好地服務(wù)企業(yè)的實際應(yīng)用。

2.產(chǎn)品設(shè)計意圖、造型規(guī)律的分析與提取。與色彩和材質(zhì)相比，工業(yè)設(shè)計過程中的設(shè)計意圖與造型規(guī)律則是在更高層面反映了設(shè)計師的設(shè)計理念。設(shè)計意圖與造型規(guī)律主要表現(xiàn)為全局性和整體性，這就要求在對它們的分析過程中，所采用的方法要能從原型結(jié)構(gòu)比例，表面曲率分布以及與各類模板對比等宏觀、微觀多個角度出發(fā)來進行分析。

3.逆向工程中測量方法選用與測量方案規(guī)劃。隨著工業(yè)設(shè)計過程中，對逆向工程軟硬件需求的不斷增大，各類逆向工程設(shè)備大量出現(xiàn)，這些設(shè)備各具特色，如何在實際應(yīng)用中合理地使用它們也是實際工程中一個難點，除了測量精度之外，如何提高測量的效率，如何軟硬結(jié)合進一步提高逆向工程的質(zhì)量等也是應(yīng)該考慮的問題。

4.點云數(shù)據(jù)處理和邊界識別技術(shù)。在原型的幾何反求過程中，對點云數(shù)據(jù)的處理是必不可少的。其中規(guī)則化與后續(xù)CAD模型建立的關(guān)系較大，因為在通用的CAD系統(tǒng)中，曲面模型一般采用參數(shù)曲面來表示，而構(gòu)建參數(shù)曲面一般要求原始數(shù)據(jù)呈拓撲矩形。點云的邊界是指能夠表達原型樣件原始邊界的測量點，或者由這些測量點連成的曲線。但由于目前逆向工程中所得到的點云數(shù)據(jù)量一般很大，因此研究高效、通用的點云處理方法在實際工程中是十分必要的。

5.產(chǎn)品原型制作中特殊材料的數(shù)控加工與粘接。目前，在工業(yè)設(shè)計過程中，各種模型主要通過手工或半手工制作，不但對技師或工人的技術(shù)水平要求高，而且制作精度差，效率低。比如，在車輛設(shè)計中普遍采用油泥模型，在模型制作的過程中，一般由設(shè)計師用刀片對模型進行制作與修正。由于目前我國缺乏能勝任此項工作的高級人才，致使國內(nèi)企業(yè)的模型制作水平較低，無法滿足企業(yè)的需要，這種狀況已嚴重阻礙了相關(guān)技術(shù)的進步和工作效率的提高。在這種狀況下，根據(jù)我國的實際，探索使用數(shù)控機床來完成油泥模型及其他造型材料的加工，是十分必要的，也是可行的。