简述逆向工程

梁晶

【摘 要】逆向工程分类、数据采集、产品重建规划等。

【关键词】逆向工程；数据采集；分类；

【中图分类号】TP391.72 【文献标识码】A 【文章编号】1672-5158（2013）03-0411-01

1、概述

人类社会发展至今，已经历了几千年研究和探索，在各方面都积累丰厚的知识财富和科技成果，每一项成果都是在前人研究的基础上，模仿自然界和人类社会在相关领域、具有相应特长、特性的事物、动物或人来实现的。在当今数字化时代，要快捷地利用这些知识和成果的模拟信息转化为数字化的模型，我们可以利用逆向工程的思想，用三坐标测量机来快速地完成转换。

逆向工程又叫反求工程（Reverse Engineering，RE），是20世纪80年代末期发展起来的一项先进制造技术，是以产品及设备的实物、软件（图样、程序及技术文件等）或影像（图片、照片等）为研究对象，反求出初始的设计意图。简单地说，逆向就是对存在的实物模型或零件进行测量并根据测量数据重构出事物的CAD模型，进而进行分析、修改、检验、制造的过程。它所涉及的关键技术主要包括：三维实体几何形状数据采集、规则或大量离散数据处理、三维实体模型重建、加工等。 逆向工程主要应用于已有的零件的复制、或者是损坏、磨损件的高精度复原。数字化模型检测等。逆向工程技术并不是简单意义的的仿制，而是综合运用现代工业设计的理论方法、工程学、材料学和相关的专业知识，进行系统分析，进而快速开发制造出高附加值、高技术水平的新产品。

2、逆向工程的分类

从广义讲，逆向工程可分以下三类：

（1）实物逆向：它是在已有产品实物的条件下，通过测绘和分折，从而再创造；其中包括功能逆向、性能逆向、方案、结构、材质等多方面的逆向。实物逆向的对象可以是整机、零部件和组件。

（2）软件逆向：产品样本、技术文件、设计书、使用说明书、图纸、有关规范和标准、治理规范和质量保证手册等均称为技术软件。软件逆向有三类：既有实物，又有全套技术软件；只有实物而无技术软件；没有实物，仅有全套或部分技术软件。

（3）影像逆向：设计者既无产品实物，也无技术软件，仅有产品的图片、广告介绍或参观后的印象等，设计者要通过这些影像资料往构思、设计产品，该种逆向称为影像逆向。

目前，国内外有关逆向工程的研究主要集中在几何外形的逆向，即重建产品实物的CAD，称为“实物逆向工程”。

3、逆向工程的数据采集

现有的数据采集方法主要分为两大类：

（1）接触式数据采集方法接触式数据采集方法包括使用基于力的击发原理的触发式数据采集和连续式扫描数据采集、磁场法、超声波法。接触式数据采集通常使用三坐标丈量机，丈量时可根据实物的特征和丈量的要求选择测头及其方向，确定丈量点数及其分布，然后确定丈量的路径，有时还要进行碰撞的检查。触发式数据采集方法采用触发探头，触发探头又称为开关测头，当测头的探针接触到产品的表面时，由于探针受理变形触发采样开关，通过数据采集系统记下探针确当前坐标值，逐点移动探针就可以获得产品的表面轮廓的坐标数据。常用的接触式触发探头主要包括：机械式触发探头、应变片式触发探头、压电陶瓷触发探头。采用触发式测头的优点在于：适用于空间箱体类工件及已知产品表面的丈量；触发式探头的通用性较强，适用于尺寸丈量和在线应用；体积小，易于在狭小的空间内应用；由于丈量数据点时丈量机处于匀速直线低速状态，丈量机的动态性能对丈量精度的影响较小。但由于测头的限制，不能丈量到被测零件的一些细节之处，不能丈量一些易碎、易变形的零件。另外接触式丈量的测头与零件表面接触，丈量速度慢，丈量后还要进行测头补偿，数据量小，不能真实的反映实体的外形。

（2）非接触式数据采集方法非接触式数据采集方法主要运用光学原理进行数据的采集，主要包括：激光三角形法、激光测距法、结构光法以及图像分析法等。

非接触式数据采集速度快、精度高，排除了由丈量摩擦力和接触压力造成的丈量误差，避免了接触式测头与被测表面由于曲率干涉产生的伪劣点题目，获得的密集点云信息量大、精度高，测头产生的光斑也可以做得很小，可以探测到一般机械测头难以丈量的部位，最大限度地反映被测表面的真实外形。非接触式数据采集方法采用非接触式探头，由于没有力的作用，适用于丈量柔软物体；非接触式探头取样率较高，在50次/秒到23000次/秒之间，适用于表面外形复杂，精度要求不特别高的未知曲面的丈量，例如：汽车、家电的木模、泥模等。但是非接触式探头由于受到物体表面特征的影响（颜色、光度、粗糙度、外形等）的影响较大，目前在多数情况下其丈量误差比接触式探头要大，保持在10微米级以上。该方法主要用于对易变形零件、精度要求不高零件、要求海量数据的零件、不考虑丈量本钱及其相关软硬件的配套情况下的丈量。

4、逆向工程中产品重建规划

逆向工程的数据处理过程包括：分析现有产品或系统，对其原理进行抽取，结合新技术、改进并超越现有产品（第三步实际是正向工程）。

分析：分析现有产品或系统，找出其工作原理的关键数据。现阶段有手工分析、自动分析和智能分析三种分析方式。

抽取：按一定规则从数据中识别出产品原型中的各元素和各特性，抽取也是一个数据过滤和加密的过程。

产品重建：重建按重建的方式分线架重建、面片重建和整体重建。

线架重建是按人们从线到面的思维方式进行的，CAD/CAM发展早期重建软件基本都采用线架重建模式。当前流行的线架重构软件主要有UG、ProE、Catia、Surfacer、CopyCAD等，其中Surfacer和CopyCAD在线架抽取方面非常有特色。

面片重建是直接从样件数据中抽取面片，上述软件都能完成这样的任务，但效果并非理想，其主要原因是分块和拼接不是很方便和有效。ProE新出的ICEM软件在面片重建方面很有特色，它可辅助用户完成分块和自动拼接。

整体重建实际上是智能化的重建过程，既包括线架重建和面片重建，又包括产品的实体构造，主要由软件自动化地完成，其更注重产品整体。

数字产品： 逆向工程所产生的数字产品，是真实产品的数字化，同时可在模拟的环境中模拟的工作状态，排除和改进当前产品原型的不足，从而超越样品。

5、总结

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丈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，操纵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，还需要进一步的探索和研究。