何謂逆向工程？及其在制造中的應用

????在瞬息萬變的產(chǎn)品市場中，能否快速地生產(chǎn)出合乎市場要求的產(chǎn)品就成為企業(yè)成敗的關鍵，而往往我們都會遇到這樣的難題，就是客戶給你的只有一個實物樣品或手板模型，沒有圖紙或CAD數(shù)據(jù)檔案，工程人員沒法得到準確的尺寸，制造模具就更為煩雜。

????用傳統(tǒng)的雕刻方法，時間長而效果不佳，這時候你就需要一個一體化的解決方案：從樣品→數(shù)據(jù)→產(chǎn)品，逆向工程系統(tǒng)就專門為制造業(yè)提供了一個全新、高效的三維制造路線。

????逆向工程通常是以專案方式執(zhí)行一模型的仿制工作。往往擬制作的產(chǎn)品沒有原始設計圖檔，而是委托單位交付一件樣品或模型，如木鞋模、高爾夫球頭、玩具、電氣外殼結(jié)構(gòu)等，請制作單位復制（Copy）出來。

????傳統(tǒng)的復制方法是用立體雕刻機或液壓三次元靠模銑床制作出一比一成等比例的模具，再進行量產(chǎn)。這種方法屬稱類比式（Analog type）復制，無法建立工件尺寸圖檔，也無法做任何的外形修改，已漸漸為新型數(shù)位化的逆向工程系統(tǒng)所取代。

????逆向工程是由高速三維激光掃描機對已有的樣品或模型進行準確、高速的掃描，得到其三維輪廓數(shù)據(jù)，配合反求軟件進行曲向重構(gòu)，并對重構(gòu)的曲面進行在線精度分析、評價構(gòu)造效果，最終生成IGES或STL數(shù)據(jù)，據(jù)此就能進行快速成型或CNC數(shù)控加工。

????IGES數(shù)據(jù)可傳給一般的CAD系統(tǒng)（如：UG、PRO-E等），進行進一
步修改和再設計。

????另外，也可傳給一些CAM系統(tǒng)（如：UG、MASTERCAM、SMART-
CAM等），做刀具路徑設定，產(chǎn)生數(shù)控代碼，由CNC機床將實體加工出來。STL數(shù)據(jù)經(jīng)曲面斷層處理后，直接由激光快速成型方式將實體制作出來。

以上過程就是逆向工程的流程。

逆向工程應用領域相當廣泛，有模具制造業(yè)、玩具業(yè)、游戲業(yè)、電子
業(yè)、鞋業(yè)、高爾夫球業(yè)、藝術業(yè)、醫(yī)學工程及產(chǎn)品造型設計等面。

逆向工程技術的內(nèi)容及其應用范圍 ?

????隨著計算機技術的發(fā)展，CAD技術已成為產(chǎn)品設計人員進行研究開發(fā)的重要工具，其中的三維造型技術已被制造業(yè)廣泛應用于產(chǎn)品及模具設計、方案評審、自動化加工制造及管理維護各個方面。在實際開發(fā)制造過程中，設計人員接收的技術資料可能是各種數(shù)據(jù)類型的三維模型，但很多時候，卻是從上游廠家得到產(chǎn)品的實物模型。設計人員需要通過一定的途徑，將這些實物信息轉(zhuǎn)化為CAD模型，這就應用到了逆向工程技術(Reverse Engineering)。
?
????所謂逆向工程技術，是指用一定的測量手段對實物或模型進行測量，根據(jù)測量數(shù)據(jù)通過三維幾何建模方法重構(gòu)實物的CAD模型的過程。?

????逆向工程技術與傳統(tǒng)的正向設計存在很大差別。而逆向工程則是從產(chǎn)品原型出發(fā)，進而獲取產(chǎn)品的三維數(shù)字模型，使得能夠進一步利用CAD/ACE/CAM以及CIMS等先進技術對其進行處理。不同之處在于設計的起點不同，相應的設計自由度和設計要求也不相同。?一般來說，產(chǎn)品逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面，在工業(yè)領域的實際應用中，主要包括以下幾個內(nèi)容：
?
(1)新零件的設計，主要用于產(chǎn)品的改型或彷型設計。?
(2)已有零件的復制，再現(xiàn)原產(chǎn)品的設計意圖。?
(3)損壞或磨損零件的還原。?
(4)數(shù)字化模型的檢測，例如檢驗產(chǎn)品的變形分析、焊接質(zhì)量等，以及進行模型的比較。
逆向工程技術為快速設計和制造提供了很好的技術支持，它已經(jīng)成為制造業(yè)信息傳遞的重要而簡潔途徑之一。 ?

二、逆向工程技術實施的條件 ?

1.逆向工程技術實施的硬件條件?
????在逆向工程技術設計時，需要從設計對象中提取三維數(shù)據(jù)信息。檢測設備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件條件。目前，國內(nèi)廠家使用較多的有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標測量機和三維掃描儀。就測頭結(jié)構(gòu)原理來說，可分為接觸式和非接觸式兩種，其中，接觸式測頭又可分為硬測頭和軟測頭兩種，這種測頭與被測頭物體直接接觸，獲取數(shù)據(jù)信息。非接觸式測頭則是應用光學及激光的原理進行的。近幾年來，掃描設備有了很大發(fā)展。例如，英國雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀，可實現(xiàn)激光測頭和接觸式掃描頭的互換，激光測頭的掃描精度達0.05mm，接觸式掃描測頭精度可達0.02mm。可對易碎、易變形的形體及精細花紋進行掃描。德國GOM公司的ATOS掃描儀在測量時，可隨意繞被測物體進行移動，利用光帶經(jīng)數(shù)據(jù)影象處理器得到實物表面數(shù)據(jù)，掃描范圍可達8m×8m。ATOS掃描不僅適于復雜輪廓的掃描，而且可用于汽車、摩托車內(nèi)外飾件的造型工作。此外，日本羅蘭公司的PIX-30網(wǎng)點接觸式掃描儀，英國泰勒·霍普森公司的TALYSCAN 150多傳感掃描儀等，集中體現(xiàn)了檢測設備的高速化、廉價化和功能復合化等特點。為實現(xiàn)從實物——建立數(shù)學模型—— CAD/CAE/CAM一體化提供了良好的硬件條件。
?
????不同的測量對象和測量目的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實際三坐標測量時，應該根據(jù)測量對象的特點以及設計工作的要求確定合適的掃描方法并選擇相應的掃描設備。例如，材質(zhì)為硬質(zhì)且形狀較為簡單、容易定位的物體，應盡量使用接觸式掃描儀。這種掃描儀成本較低，設備損耗費相對較少，且可以輸出掃描形式，便于掃描數(shù)據(jù)的進一步處理。但在對橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描時，則需要采用非接觸式測量方法，它的特點是速度快，工作距離遠，無材質(zhì)要求，但設備成本較高。
?
2.逆向工程技術實施的軟件條件?
????目前比較常用的通用逆向工程軟件有Surfacer、Delcam、Cimatron以及Strim。具體應用的反向工程系統(tǒng)主要有以下幾個：Evans開發(fā)的針對機械零件識別的逆向工程系統(tǒng)；Dvorak開發(fā)的仿制舊零件的逆向工程系統(tǒng)；H.H.Danzde CNC CMM系統(tǒng)。這些系統(tǒng)對逆向設計中的實際問題進行處理，極大地方便了設計人員。此外，一些大型CAD軟件也逐漸為逆向工程提供了設計模塊。例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點云數(shù)據(jù)。其它的象UG軟件，隨著版本的提高，逆向工程模塊也逐漸豐富起來。這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件條件。
?
三、逆向工程設計前的準備工作 ?

????做一個逆向設計的工作，可能比做一個正向設計更具有挑戰(zhàn)性。在設計一個產(chǎn)品之前，首先必須盡量理解原有模型的設計思想，在此基礎上還可能要修復或克服原有模型上存在的缺陷。從某種意義上看，逆向設計也是一個重新設計的過程。在開始進行一個逆向設計前，應該對零件進行仔細分析，主要考慮以下一些要點：?
(1)確定設計的整體思路，對自己手中的設計模型進行系統(tǒng)地分析。面對大批量、無序的點云數(shù)據(jù)，初次接觸的設計人員會感覺到無從下手。這是應首先要周全地考慮好先做什么，后做什么，用什么方法做，主要是將模型劃分為幾個特征區(qū)，得出設計的整體思路，并找到設計的難點，基本做到心中有數(shù)。?
(2)確定模型的基本構(gòu)成形狀的曲面類型，這關系到相應設計軟件的選擇和軟件模塊的確定。對于自由曲面，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內(nèi)飾件等，一般需要采用具有方便調(diào)整曲線和曲面的模塊；對于初等解析曲面件，如平面、圓柱面、圓錐面等則沒必要因為有測量數(shù)據(jù)而用自由曲面去擬合一張顯然是平面或圓柱面的曲面

四、逆向工程工作中應該注意的問題

????在實際設計中，目前存在的這些軟件還存在著其較大的局限性。在機械設計領域中，集中表現(xiàn)為軟件智能化低；點云數(shù)據(jù)的處理方面功能弱；建模過程主要依靠人工干預，設計精度不夠高；集成化程度低等問題。例如，Surfacer軟件在讀取點云等數(shù)據(jù)時，系統(tǒng)工作速度較快，并且能較容易地進行點線的擬合。但通過Surfacer進行面的擬合時，軟件所提供的工具及面的質(zhì)量卻不如其它的CAD軟件如Pro/E、UG等。在很多時候，在Surfacer里做成的面，還需要到UG等軟件中修改。但是，使用Pro/E、UG等軟件讀取點云數(shù)據(jù)時，卻會造成數(shù)據(jù)龐大的問題，對它們來說，一次讀取如此多的點是比較困難的。?

????在具體工程設計中，一般采用幾種軟件配套使用、取長補短的方式。例如上海交通大學模具技術研究所承接的逆向工程項目，采用了Surfacer與UG和Pro/E功能結(jié)合的方法，在具體操作中，使用Surfacer進行點、線處理，得到基本控制曲線，然后使用UG和Pro/E引入控制線的數(shù)據(jù)，進行曲面造型。其中，Pro/E應用的模塊主要有ICEM Surf、Pro/DESIGNER(CDRS)等，UG使用的模塊主要是UG/Modeling和UG/Surface模塊。這幾個設計模塊都是一般CAD設計時常用到的。圖3～圖6是上海交大模具技術研究所承接的項目中完成的幾個零件，值得注意的是，在設計過程中，并不是所有的點都是要選取的，因此，在確定基本曲面的控制曲線時，需要找出哪些點或線是可用的，哪些點或線是一些細化特征的，需要在以后的設計中用到，而不是在總體設計中就體現(xiàn)出來的。事實上，一些圓柱、凸臺等特征是在整體輪廓確定之后，測量實體模型并結(jié)合掃描數(shù)據(jù)生成的。同時應盡量選擇一些掃描質(zhì)量比較好的點或線，對其進行擬合。?

五、曲線曲面的光順處理 ?
????由于測量過程中測得的是離散點數(shù)據(jù)，缺乏必要的特征信息，往往存在數(shù)字化誤差，需要對曲面和曲線進行光順。光順是一個工程上的概念，包括光滑和順眼兩方面的含義。光滑是指空間曲線和曲面的連續(xù)階，數(shù)學上一階倒數(shù)連續(xù)的曲線即為光滑的曲線；而順眼是人的主觀感覺評價。對于平面曲線，光順需要滿足以下幾點：曲線C?2連續(xù)；沒有多余拐點；曲率變化均勻。在逆向設計中，曲線的光順性調(diào)節(jié)是非常重要的。掃描或擬合得到的曲線一般很難保證其光順，為了構(gòu)造出一條光順的插值曲線，需要修正原形值點序列，利用軟件的相關功能模塊進行調(diào)節(jié)。目前采用的曲線光順方法主要是能量法和圓率法。設計的準則是曲線上曲率極值點盡可能少些；相鄰兩個極值點之間的曲率盡可能接近線性變化。?曲面的光順往往歸結(jié)為網(wǎng)格的光順。所謂網(wǎng)格的光順，其含義是指網(wǎng)格的每一條曲線都是光順的，光順的曲面，應該是沒有凸區(qū)和凹區(qū)的。在數(shù)學上，判斷曲面是否滿足上述條件的依據(jù)是高斯曲率。在一般CAD軟件中，可以到分析模塊中使用高斯曲率法對曲面進行分析。當曲面曲率變化比較均勻時，即可為達到設計要求。若曲面質(zhì)量很差，需要對構(gòu)成的曲線進行重新調(diào)整，直至曲面讓人滿意為止。?

????逆向工程既要保證曲面質(zhì)量，又要保證設計精度。除了對原始型值點進行光順之外，有時還要控制修改后的型值點同原始型值點的坐標偏差，該偏差不應太大，以保證設計部門給出的指標不致受太大的影響。 ?

六、結(jié)束語 ?
????逆向工程是一項開拓性、實用性和綜合性很強的技術，逆向工程技術已經(jīng)廣泛應用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中，它不僅消化和吸收實物原型，并且能修改再設計以制造出新的產(chǎn)品。但同時設計過程中系統(tǒng)集成化程度比較低，人工干預的比重大，將來有望形成集成化逆向工程系統(tǒng)，以軟件的智能化來代替人工干預的不足。?????