梁晶

【摘 要】逆向工程分類、數(shù)據(jù)采集、產(chǎn)品重建規(guī)劃等。

【關(guān)鍵詞】逆向工程；數(shù)據(jù)采集；分類；

【中圖分類號】TP391.72 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2013）03-0411-01

1、概述

人類社會發(fā)展至今，已經(jīng)歷了幾千年研究和探索，在各方面都積累豐厚的知識財富和科技成果，每一項成果都是在前人研究的基礎(chǔ)上，模仿自然界和人類社會在相關(guān)領(lǐng)域、具有相應(yīng)特長、特性的事物、動物或人來實現(xiàn)的。在當今數(shù)字化時代，要快捷地利用這些知識和成果的模擬信息轉(zhuǎn)化為數(shù)字化的模型，我們可以利用逆向工程的思想，用三坐標測量機來快速地完成轉(zhuǎn)換。

逆向工程又叫反求工程（Reverse Engineering，RE），是20世紀80年代末期發(fā)展起來的一項先進制造技術(shù)，是以產(chǎn)品及設(shè)備的實物、軟件（圖樣、程序及技術(shù)文件等）或影像（圖片、照片等）為研究對象，反求出初始的設(shè)計意圖。簡單地說，逆向就是對存在的實物模型或零件進行測量并根據(jù)測量數(shù)據(jù)重構(gòu)出事物的CAD模型，進而進行分析、修改、檢驗、制造的過程。它所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：三維實體幾何形狀數(shù)據(jù)采集、規(guī)則或大量離散數(shù)據(jù)處理、三維實體模型重建、加工等。 逆向工程主要應(yīng)用于已有的零件的復(fù)制、或者是損壞、磨損件的高精度復(fù)原。數(shù)字化模型檢測等。逆向工程技術(shù)并不是簡單意義的的仿制，而是綜合運用現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計的理論方法、工程學、材料學和相關(guān)的專業(yè)知識，進行系統(tǒng)分析，進而快速開發(fā)制造出高附加值、高技術(shù)水平的新產(chǎn)品。

2、逆向工程的分類

從廣義講，逆向工程可分以下三類：

（1）實物逆向：它是在已有產(chǎn)品實物的條件下，通過測繪和分折，從而再創(chuàng)造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)等多方面的逆向。實物逆向的對象可以是整機、零部件和組件。

（2）軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標準、治理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術(shù)軟件；只有實物而無技術(shù)軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。

（3）影像逆向：設(shè)計者既無產(chǎn)品實物，也無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品的圖片、廣告介紹或參觀后的印象等，設(shè)計者要通過這些影像資料往構(gòu)思、設(shè)計產(chǎn)品，該種逆向稱為影像逆向。

目前，國內(nèi)外有關(guān)逆向工程的研究主要集中在幾何外形的逆向，即重建產(chǎn)品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。

3、逆向工程的數(shù)據(jù)采集

現(xiàn)有的數(shù)據(jù)采集方法主要分為兩大類：

（1）接觸式數(shù)據(jù)采集方法接觸式數(shù)據(jù)采集方法包括使用基于力的擊發(fā)原理的觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集和連續(xù)式掃描數(shù)據(jù)采集、磁場法、超聲波法。接觸式數(shù)據(jù)采集通常使用三坐標丈量機，丈量時可根據(jù)實物的特征和丈量的要求選擇測頭及其方向，確定丈量點數(shù)及其分布，然后確定丈量的路徑，有時還要進行碰撞的檢查。觸發(fā)式數(shù)據(jù)采集方法采用觸發(fā)探頭，觸發(fā)探頭又稱為開關(guān)測頭，當測頭的探針接觸到產(chǎn)品的表面時，由于探針受理變形觸發(fā)采樣開關(guān)，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記下探針確當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產(chǎn)品的表面輪廓的坐標數(shù)據(jù)。常用的接觸式觸發(fā)探頭主要包括：機械式觸發(fā)探頭、應(yīng)變片式觸發(fā)探頭、壓電陶瓷觸發(fā)探頭。采用觸發(fā)式測頭的優(yōu)點在于：適用于空間箱體類工件及已知產(chǎn)品表面的丈量；觸發(fā)式探頭的通用性較強，適用于尺寸丈量和在線應(yīng)用；體積小，易于在狹小的空間內(nèi)應(yīng)用；由于丈量數(shù)據(jù)點時丈量機處于勻速直線低速狀態(tài)，丈量機的動態(tài)性能對丈量精度的影響較小。但由于測頭的限制，不能丈量到被測零件的一些細節(jié)之處，不能丈量一些易碎、易變形的零件。另外接觸式丈量的測頭與零件表面接觸，丈量速度慢，丈量后還要進行測頭補償，數(shù)據(jù)量小，不能真實的反映實體的外形。

（2）非接觸式數(shù)據(jù)采集方法非接觸式數(shù)據(jù)采集方法主要運用光學原理進行數(shù)據(jù)的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結(jié)構(gòu)光法以及圖像分析法等。

非接觸式數(shù)據(jù)采集速度快、精度高，排除了由丈量摩擦力和接觸壓力造成的丈量誤差，避免了接觸式測頭與被測表面由于曲率干涉產(chǎn)生的偽劣點題目，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產(chǎn)生的光斑也可以做得很小，可以探測到一般機械測頭難以丈量的部位，最大限度地反映被測表面的真實外形。非接觸式數(shù)據(jù)采集方法采用非接觸式探頭，由于沒有力的作用，適用于丈量柔軟物體；非接觸式探頭取樣率較高，在50次/秒到23000次/秒之間，適用于表面外形復(fù)雜，精度要求不特別高的未知曲面的丈量，例如：汽車、家電的木模、泥模等。但是非接觸式探頭由于受到物體表面特征的影響（顏色、光度、粗糙度、外形等）的影響較大，目前在多數(shù)情況下其丈量誤差比接觸式探頭要大，保持在10微米級以上。該方法主要用于對易變形零件、精度要求不高零件、要求海量數(shù)據(jù)的零件、不考慮丈量本錢及其相關(guān)軟硬件的配套情況下的丈量。

4、逆向工程中產(chǎn)品重建規(guī)劃

逆向工程的數(shù)據(jù)處理過程包括：分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，對其原理進行抽取，結(jié)合新技術(shù)、改進并超越現(xiàn)有產(chǎn)品（第三步實際是正向工程）。

分析：分析現(xiàn)有產(chǎn)品或系統(tǒng)，找出其工作原理的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。現(xiàn)階段有手工分析、自動分析和智能分析三種分析方式。

抽取：按一定規(guī)則從數(shù)據(jù)中識別出產(chǎn)品原型中的各元素和各特性，抽取也是一個數(shù)據(jù)過濾和加密的過程。

產(chǎn)品重建：重建按重建的方式分線架重建、面片重建和整體重建。

線架重建是按人們從線到面的思維方式進行的，CAD/CAM發(fā)展早期重建軟件基本都采用線架重建模式。當前流行的線架重構(gòu)軟件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在線架抽取方面非常有特色。

面片重建是直接從樣件數(shù)據(jù)中抽取面片，上述軟件都能完成這樣的任務(wù)，但效果并非理想，其主要原因是分塊和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM軟件在面片重建方面很有特色，它可輔助用戶完成分塊和自動拼接。

整體重建實際上是智能化的重建過程，既包括線架重建和面片重建，又包括產(chǎn)品的實體構(gòu)造，主要由軟件自動化地完成，其更注重產(chǎn)品整體。

數(shù)字產(chǎn)品： 逆向工程所產(chǎn)生的數(shù)字產(chǎn)品，是真實產(chǎn)品的數(shù)字化，同時可在模擬的環(huán)境中模擬的工作狀態(tài)，排除和改進當前產(chǎn)品原型的不足，從而超越樣品。

5、總結(jié)

逆向工程的研究已經(jīng)日益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標丈量機的研究開發(fā)上已經(jīng)取得了很大的成績。但是在實際應(yīng)用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操縱者的經(jīng)驗和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證，還需要進一步的探索和研究。