逆向工程的现状发展前景

逆向工程的现状及发展前景逆向工程也称反求工程或反向工程，是根据已存在的产品或零件 原型构造产品或零件的工程设计模型，并在此基础上对已有的产品进 行剖析、理解和改进，是对已有设计的再设计。逆向工程设计实施步骤如下：(1)设计前的准备工作。设计之前应确定设计的整体思路， 对实物模型进行系统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的基本 构成形状的曲面类型，这些关系到相关软件的选择和软件模块的确 定。(2)零件原形的数字化。根据测量对象的特点确定扫描方 法以及扫描设备，利用3D扫描测量设备来获取零件实物表面点的三 维坐标值。(3)提取零件的几何特征。按测量数据的几何属性对其进 行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是 基于区域分割法。区域分割法将相似几何特征的点划为同一区域，具 有明确的几何意义，是较为常用的分割方法。(4)零件CAD模型的重建。将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过表面片的拼接获取零件实物表 面的CAD模型。(5)重建CAD模型的检验与修正。由于测量得到的数据点 往往存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理， 提高 曲面质量。另外还要检验重建的 CAD模型是否满足精度或其他试验 性能指标的要求，对不满足要求的应进行适当的调整修改， 直至达到 零件的标准坐标测量机1. 1接触式测量系统接触式三坐标测量机 (Coordinate Measure Machine , CMM)可谓接触式测量的代表。接触式三坐标测量机通常是基于受力 变形的原理，通过探头测取三维几何坐标数据。 操作者事先设计规划 好测量途径与方式，三坐标测量机便会按照所指定的路径测取三维几 何坐标数据。一般来说，接触式三坐标测量机测量较稳定，易于定位, 测量精度高，对被测物体的材质和色泽没有特殊要求。其主要缺点是 测量效率低，测量探头的半径必须进行补偿，并且有可能会出现探头 测不到的盲区。使用自动测量还有较多的参数必须决定， 包括探头形 状和大小、扫瞄间隔、步进距离、误差容许量、扫瞄速度、扫瞄方向 等，这些都过分依赖操作者的经验，特别是在测量复杂产品零件时， 确定最优的采样策略和路径较困难。另外，由于存在测量力，接触式 三坐标测量机无法在一些软质表面进行测量。1 . 2非接触式测量系统非接触式测量根据测量原理的不同，大致有光学测量、 超声波测量、电磁测量等方式。在逆向工程中最为常用是较为成熟的 光学测量方法。其可分为：基于光学三角形原理的激光扫描法； 基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法；基于工业 CT断层扫描图像 法；立体视觉测量方法。使用非接触测量产品零件测量速度快，不 需要进行探头半径补偿。由于不存在测量力，可对橡胶、油泥、人体 头像或超薄形物体进行扫描。但工件坐标定位较困难，测量精度较低, 陡峭面不容易测量，另外被测产品零件表面特征 （颜色、反光度、粗 糙度、形状等）对测量的精度影响较大。逆向工程嗔向工悭I实物 Ic可遑阎图纸图1逆向工程与期同工樨2逆向工程的数据处理及常用软件数据处理是逆向工程的一个重要的技术环节，它决定了 CAD模型重建过程是否能够方便、准确地进行。使用测量设备测取 的三维几何坐标数据都是一些离散点的点云数据，其中存在着噪声 点，所以还需要相应的软件来处理点云数据。点云数据的处理包括噪 声去除、多视对齐、数据精简、数据光顺、数据分割等诸多方面。目 前比较常用的逆向工程软件有：(1)Geomagic 。美国RainDrop(雨点)公司的逆向工程CAD软件，具有丰富的数据处理手段，可以根据测量数据快速构造 出多张连续的曲面模型。处理复杂形状或自由曲面形状时， 效率比传 统CAD软件提高了 10倍。另外还可为新兴应用提供理想的选择， 如定制设备大批量生产、即定即造的生产模式以及原始零部件的自动 重造。(2)Imageware 。作为UG NX中提供的逆向工程造型软件，ImageWare具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能。可以处理几万至几百万的点云数据。根据这些点云数据构造的A 曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性。ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之 间的误差以及平面度、真圆度等几何公差。(3)CopyCAD 。英国DelCam 公司系列CAD产品中的一 个，主要处理测量数据的曲面造型。作为一个系列产品的一部分， CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成，为用户的使用提供方便。(4)RapidForm 。韩国 INUS 公司开发的逆向工程CAD软件。主要用于处理测量、扫描数据的曲面 建模以及基于CT数据的医疗图像建模，还可以完成艺术品的测量建 模以及高级图形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、 曲面检测的工具，用户可以方便地利用以前构造的曲线网格经过缩放 处理后应用到新的模型重构过程中。3 实施逆向工程的步骤逆向工程设计实施步骤如下：(1)设计前的准备工作。设计之前应确定设计的整体思路, 对实物模型进行系统的分析，划分出模型的特征区，确定模型的基本 构成形状的曲面类型，这些关系到相关软件的选择和软件模块的确 定。(2)零件原形的数字化。根据测量对象的特点确定扫描方 法以及扫描设备，利用3D扫描测量设备来获取零件实物表面点的三 维坐标值。(3)提取零件的几何特征。按测量数据的几何属性对其进 行分割，分割方法一般可分为两类，一类是基于边界分割法，一类是 基于区域分割法。区域分割法将相似几何特征的点划为同一区域，具 有明确的几何意义，是较为常用的分割方法。(4)零件CAD模型的重建。将分割后的三维数据在 CAD 系统中分别做表面模型的拟合，并通过表面片的拼接获取零件实物表 面的CAD模型。(5)重建CAD模型的检验与修正。由于测量得到的数据点 往往存在一些数字误差，所以需要对曲面或曲线进行光顺处理， 提高 曲面质量。另外还要检验重建的 CAD模型是否满足精度或其他试验 性能指标的要求，对不满足要求的应进行适当的调整修改， 直至达到 零件的设计要求。发展前景逆向工程的研究已经日益引人注目，在数据处理、曲面片拟合、几何 特征识别、商用专业软件和坐标测量机的研究开发上已经取得了很大 的成绩。但是在实际应用当中，整个过程仍需要大量的人机交互工作， 操作者的经验和素质直接影响着产品的质量， 自动重建曲面的光顺性 难以保证，下面一些关键技术将是逆向工程主要发展方面 ：(1)数据测量方面：发展面向逆向工程的专用测量设备，能够高速、 高精度的实现产品几何形状的三维数字化， 并能进行自动测量和规划 路径；(2)数据的顶处理方面：针对不同种类的测量数据，开发研究一种 通用的数据处理软件，完善改进目前的数据处理算法 ；(3)曲面拟合:能够控制曲面的光顺性和能够进行光滑拼接；(4)集成技术：发展包括测量技术、模型重建技术、基于网络的协 同设计和数字化制造技术等的逆向工程技术。