逆向工程技術的研究現狀及發展趨勢
　　引言

　　逆向工程也稱反求工程或反向工程，是根據已存在的產品或零件原型構造產品或零件的工程設計模型，并在此基礎上對已有的產品進行剖析、理解和改進，是對已有設計的再設計。

　　從廣義講，逆向工程可分以下三類：

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

　　(2)軟件逆向：產品樣本、技術文件、設計書、使用說明書、圖紙、有關規范和標準、治理規范和質量保證手冊等均稱為技術軟件。軟件逆向有三類：既有實物，又有全套技術軟件；只有實物而無技術軟件；沒有實物，僅有全套或部分技術軟件。

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

　　目前，國內外有關逆向工程的研究主要集中在幾何外形的逆向，即重建產品實物的CAD，稱為“實物逆向工程”。逆向工程與順向工程如下圖l所示：

　　2 逆向工程數據丈量技術

　　數據丈量是通過特定的丈量設備和丈量方法獲取產品表面離散點的幾何坐標數據，將產品的幾何外形數字化。其丈量原理是：將被測產品放置于三坐標丈量機的丈量空間內，可以獲得被測產品上各個丈量點的坐標位置，根據這些點的空間坐標值，經過計算機數據處理，擬合形成丈量元素，如圓、球、圓柱、圓錐、曲面等，經過數學計算的方法得出其外形、位置公差及其它幾何量數據。高效、高精度地獲取產品的數字化信息是實現逆向工程的基礎和關鍵。

　　現有的數據采集方法主要分為兩大類：

　　(1)接觸式數據采集方法接觸式數據采集方法包括使用基于力的擊發原理的觸發式數據采集和連續式掃描數據采集、磁場法、超聲波法。接觸式數據采集通常使用三坐標丈量機，丈量時可根據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。觸發式數據采集方法采用觸發探頭，觸發探頭又稱為開關測頭，當測頭的探針接觸到產品的表面時，由于探針受理變形觸發采樣開關，通過數據采集系統記下探針確當前坐標值，逐點移動探針就可以獲得產品的表面輪廓的坐標數據。常用的接觸式觸發探頭主要包括：機械式觸發探頭、應變片式觸發探頭、壓電陶瓷觸發探頭。采用觸發式測頭的優點在于：適用于空間箱體類工件及已知產品表面的丈量；觸發式探頭的通用性較強，適用于尺寸丈量和在線應用；體積小，易于在狹小的空間內應用；由于丈量數據點時丈量機處于勻速直線低速狀態，丈量機的動態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，數據量小，不能真實的反映實體的外形。

　　(2)非接觸式數據采集方法非接觸式數據采集方法主要運用光學原理進行數據的采集，主要包括：激光三角形法、激光測距法、結構光法以及圖像分析法等。

　　非接觸式數據采集速度快、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生的偽劣點題目，獲得的密集點云信息量大、精度高，測頭產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。非接觸式數據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、要求海量數據的零件、不考慮丈量本錢及其相關軟硬件的配套情況下的丈量。

　　總之，在可以應用接觸式丈量的情況下，不要采用非接觸式丈量；在只丈量尺寸、位置要素的情況下盡量采用接觸式丈量；考慮丈量本錢且能滿足要求的情況下，盡量采用接觸式丈量；對產品的輪廓及尺寸精度要求較高的情況下采用非接觸式掃描丈量；對離算點的丈量采用掃描式；對易變形、精度要求不高的產品、要求獲得大量丈量數據的零件進行丈量時采用非接式丈量方法。

　　3 逆向工程數據處理技術

　　數據處理是逆向工程的一項重要的技術環節，它決定了后續CAD模型重建過程能否方便、正確地進行。根據丈量點的數目，丈量數據可以分為一般數據點和海量數據點；根據丈量數據的規整性，丈量數據又可以分為散亂數據點和規矩數據點；不同的丈量系統所得到的丈量數據的格式是不一致的，且幾乎所有的丈量方式和丈量系統都不可避免地存在誤差。因此，在利用丈量數據進行CAD重建前必須對丈量數據進行處理。數據處理工作主要包括：數據格式的轉化、多視點云的拼合、點云過濾、數據精簡和點云分塊等。

　　每個CAD／CAM系統都有自己的數據格式，目前流行的CAD／CAM軟件的產品數據結構和格式各不相同，不僅影響了設計和制造之間的數據傳輸和程序銜接，而且直接影響了CMM與CAD／CAM系統的數據通訊。目前通行的辦法是利用幾種主要的數據交換標準(IGES、STEP、AutoCAD的DXF等)來實現數據通訊。

　　在逆向工程實際的過程中，由于坐標丈量都有自己的丈量范圍，因此無論我們采用什么丈量方法，都很難在同一坐標系下將產品的幾何數據一次完全測出。產品的數字化不能在同一坐標系下完成，而在模型重建的時候又必須將這些不同坐標下的數據同一到一個坐標系里，這個數據處理過程就是多視數據定位對齊(多視點云的拼合)。多視數據的對齊主要可以分為兩種：通過專用的丈量軟件裝置實現丈量數據的直接對齊；事后數據處理對齊。采用事后數據處理對齊又可以分為：對數據的直接對齊和基于圖形的對齊。對數據的直接對齊研究研究中，出現了多種算法，如ICP算法；四元數法；SVD法；基于三個基準點的對齊方法等。

　　數據平滑的目的是消除丈量數據的噪聲，以得到精確的數據和好的特征提取效果。目前通常是采用標準高斯、均勻或中值濾波算法。其中高斯濾波能較好地保持原數據的形貌，中值濾波消除數據毛刺的效果較好。因此在選用時應該根據數據質量和建模方法靈活選擇濾波算法。

　　運用點云數據進行造型處理的過程中，由于海量數據點的存在，使存儲和處理這些點云數據成了不可突破的瓶頸。實際上并不是所有的數據點都對模型的重建起作用，因此，可以在保證一定的精度的條件下減少數據量，對點云數據進行精簡。·目前采用的方法有：利用均勻網格減少數據的方法；利用減少多變形三角形達到減少數據點的方法；利用誤差帶減少多面體數據點的方法。

　　數據分割是根據組成實物外形曲面的子曲面的類型，將屬于同一曲面類型的數據成組，劃分為不同的數據域，為后續的模型重建提供方便。數據分割方法可以分為基于丈量的分割和自動分割兩種方法。目前的分割方法有：基于參數二次曲面逼近的數據分割方法；散亂數據點的自動分割方法；基于CT技術的數據分割方法。

　　4 逆向模型重建技術

　　在整個逆向工程中，產品的三位幾何模型CAD重建是最關鍵、最復雜的環節。由于只有獲得了產品的CAD模型我們才能夠在此基礎上進行后續產品的加工制造、快速成型制造、虛擬仿真制造和進行產品的再設計等。在進行模型重建之前，設計者不僅需要了解產品的幾何特征和數據的特點等前期信息，而且需要了解結構分析、加工制作模具、快速成型等后續應用題目。目前使用的造型方法主要有：

　　(1)曲線擬合造型：用一個多項式的函數通過插值往逼近原始的數據，終極得到足夠光滑的曲面。曲線是構成曲面的基礎，在逆向工程中常用的模型重建方法為，首先將數據點通過插值或逼近擬合成樣條曲線，然后采用造型軟件完成曲面片的重構造型。優點是原理比較簡單，只要多項式的次數足夠高就可以得到滿足的曲面，但也輕易造成計算的不穩定，同時邊界的處理能力也比較差，一般用于擬合比較簡單的曲面。

　　(2)曲面片直接擬合造型該方法直接對丈量數據點進行曲面片擬合，獲得曲面片經過過渡、混合、連接形成終極的曲面模型。曲面擬合造型既可以處理有序點，也可以處理散亂數據點。算法有：基于有序點的B樣條曲面插值；B樣條曲面插值；對任意丈量點的B樣條曲面逼近。

　　(3)點數據網格化網絡化實體模型通常是將數據點連接成三角面片，形成多面體實體模型。目前已經形成兩種簡化方法：基于給定數據點在保證初始幾何外形的基礎上，反復排除節點和面片，構建新的三角形，終極達到指定的節點數；尋找具有最小的節點和面片的最小多面體。

　　5 展看

　　逆向工程的研究已經日益引人注目，在數據處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業軟件和坐標丈量機的研究開發上已經取得了很大的成績。但是在實際應用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操縱者的經驗和素質直接影響著產品的質量，自動重建曲面的光順性難以保證，下面一些關鍵技術將是逆向工程主要發展方面：

　　(1)數據丈量方面：發展面向逆向工程的專用丈量設備，能夠高速、高精度的實現產品幾何外形的三維數字化，并能進行自動丈量和規劃路徑；

　　(2)數據的頂處理方面：針對不同種類的丈量數據，開發研究一種通用的數據處理軟件，完善改進目前的數據處理算法；

　　(3)曲面擬合：能夠控制曲面的光順性和能夠進行光滑拼接；

　　(4)集成技術：發展包括丈量技術、模型重建技術、基于網絡的協同設計和數字化制造技術等的逆向工程技術

標簽：逆向工程技術趨勢