产品制造业中的逆向工程技术

Apurva Gautam

摘 要：工程学在一系列的机械设计和制造业中充当着重要的作用。这种技术已经在产品的设计周期中被广泛地视为一个重要的技术。在常规的信息化制造业中，操作指令通常是开始于产品的设计且终止于机械操作，以将原材料转换为最终的产品。当原始的图纸或者文件无法使用或需要分析和修改来提升产品的设计时，使用任何的数字化技术去复制一个已有的部分CAD模型常常是十分关键的。在逆向工程方法中，几何模型以及关联外观表示的特性、分割和简单及自有形态的外观装配和创造准确的CAD模型都是十分重要的方面。文章展示了逆向工程方法以及其与产品设计发展相关的应用领域。运用逆向工程进行的产品重设计和研究将会很大程度上减少生产周期和产品制造业的成本。

关键词：逆向工程；扫描技术；点云/STL数据；CAD/CAM/CAE

1 介绍

在过去的30年间，这个世界已经见证了三维数字化的聚合。每当新的技术突破了物质形态和数字形态的界限，新的产品和新的市场就得以创造。20世纪70年代迎来了使用信号处理的数字声音（1D），在电信业里这种信号处理可以对一个常见的语言的一部分做出模拟和数字转换。20世纪80年代带来了数字化的字体和使用图像处理技术的图片（2D）。这种电子和文本信号转换的便利改变了出版行业和存储分享信息的方式。第3种聚合，开始于20世纪90年代，专注使用几何处理（3D）将现实物质数字化。这种因为逆向和正向工程致使物质世界和数字世界的聚合从根本上改变了产品的设计、制造以及营销。通过像拍摄一张数码照片一样简单地创建一些世界的复制，21世纪的最大突破将会产生于制造业中。

逆向工程可以被应用在重塑高价的商用部分以获得商业利润或者无价的遗产部分以获得历史修复。为了实现这一任务，工程师需要理解原始部分的功能且拥有重新修复关键细节的技能。在机械制造和工业生产领域，逆向工程指的是从现有的部分和他们的集合中创建工程设计和文件数据的方法。在传统的工程流程中会将工程概念和模型转换成真实的部分；而在逆向工程工程方法中，真实的部分将会被转化为工程的模型和概念。逆向工程有着很常见、很广泛的领域诸如机械工程、软件工程、动画及娱乐工程、微芯片、化学、电子工业和药物生产等。专注于机械制造领域，通过逆向工程的应用可以使得已有的部分可以被重新创造，这种创造通过获取已有部分的表面或几何信息利用接触的或非接触的数字化或测量化的设备。通过利用逆向工程，创造产品可以广泛地利用CAD/CAM/CAE系统，且可以显著的提供广泛的收益在提升质量、材质、重设计的效率以及生产和分析。逆向工程将会在缩短产品开发周期方面产生大量的商业收益。

逆向工程已经被用于生产许多机械零件，诸如密封圈、O形环、螺栓和螺母、垫片和引擎部分，而且也被广泛地应用于很多工业。国际制造工程协会（SME）声称逆向工程的实践“起始于一个完成的产品或流程并在有逻辑的样式中反方向工作以探索隐含其中的新科技”。世界各地的制造商已经在他们的产品研发方面实践了逆向工程。一些新的分析技术，诸如三维（3D）激光扫描机和高分辨率显微镜已经使得逆向工程更将简单，但是这其中还是有许多地方需要进一步学习。许多的专业性机构从他们的角度已经提供了逆向工程的定义。逆向工程已经融合了适当的机械设计和制造工程标准以及许多现实的生产限制，这些内容涵盖了许多学科广阔的知识诸如：（1）将数学、工程和科学知识应用于数据分析和理解之中。（2）使用技术、仪器和工具在逆向工程应用之中。（3）逆向工程中执行适当的实验和测试以获得必要的数据。（4）辨认、系统阐述并解决与逆向工程相关的问题。（5）理解与逆向工程相关的法律和道德责任。（6）评价和评估文件并促进逆向工程的实现。

2 历史

工程被广泛地使用在第二次世界大战和冷战时期。它经常被用于军队复制其他国家的技术、仪器或信息、或者被常规军队或智能操作获取的一些部分取代。在过去几年里，随着计算能力的增长、更大的内存以及高速的接触式和非接触式扫描仪的出现，离散几何已在汽车设计、生产和质量保障反面获得了更重要的位置。在最近几年，逆向工程对制造业的影响与日俱增，这一影响也促使工业革命发挥着重要的作用，这一革命通过介绍一些贵重的产品并且刺激产生更多的竞争。然而，现在发明的平均生命周期变得更短。为了适应更高概率的机械和仪器发明，逆向工程提供了高科技的工具去提升再造的流程以使得未来产业变革。逆向工业在航工业发挥着重要的作用，主要是因为：工业的成熟、现代科技的进步以及市场需求。从20世纪初航空业的开端到20世纪50年代硬件的成熟伴随着喷气式飞机的发展，航空工业在这50年中变革着运输的方式。

逆向工程包含几个步骤：数据获取，預加工（杂余滤除和融合），三角测量，后续提取，分割和曲面拟合及CAD/CAM/ CAE工具的应用。

3 计算机辅助的逆向工程

逆向工程本身的出现时作为提供一个解决方式，这一解决方式主要用来提供备件来替换损坏或老化的且没有技术信息的固件。如果在一种情况中，零件在初始中被进口（没有图纸）或者图纸被错放或遗失。再建工程或者逆向工程可以成为一种较低昂贵的选择。相比于重新进口而言，这一方式不仅可以用来快速的替换，也可以创造备件用来在很长一段时间维持生产。基于电脑的表面模型在科学和工程领域都是必不可少的。比如，在设计和生产交通工具，诸如汽车和飞机，没有CAD和模拟工具预测产品的行为的话将会很难进行生产。点云获取正常的进行工作通过固定的扫描仪器，像是激光或者计算机断层扫描仪。在进行多次的扫描不同的边或通过旋转物体，个取样点可以与单一的点云结合，在单一的点云中其表面需要被重建。作为结果适合的重建方法是基于重复地应用如下几个步骤：

开始于一个初始的边界点，这一点封闭原始的电云，分层的空间分割通过细分每一个点为分点而在创造一个点集，生成的网格通过细分为粗糙的网格和调节在那些被移除点的位置的拓扑结构而获得最终的数据绘图局部的约束网格于点云中，所有的顶点都被投射于单个点定义的局部切面中。

逆向工程已经被定义为一种过程，这一过程为了获取一个备用组件的技术信息。计算机辅助的逆向工程依赖于计算机辅助工具为了获得零件的几何形状，辨别其材质和提升其设计、模具结构、生产计划和物理实现。一个零件实体建模的支柱就是计算机辅助的逆向工程。这一模型数据可以被输出和输入进CAD/CAE/CAM系统，采用标准的格式诸如IGES，STL，VDA和STEP。

4 特征为基础的逆向工程

特征为基础的逆向工程很适合采用逆向工程生产机械零件。而且征式模型对于工业设计和生产也是十分理想的，因为产出的模型可以被很容易的修改。特征匹配和基于制约的方法可以被描述为基于知识的方法。作为研究者，探索设计的意图和存在于模型中用于工业使用的特征关系是十分重要的，因为这可以证实一些使得物品过时的属性。这些信息可以被描述为几何约束。

5 逆向工程的基本步骤

正如之前指出的，逆向工程的主要目的是将离散的信息机转化为分段平整的、连续的模型。在这一部分，这一转变的不同方面会被描述出来。离散的数据集通常会包含着（X；Y；Z）的经过测量的数据点的坐标值。整理数据需要遵循以下的步骤。

5.1 数字化实体建模

逆向工程的首要目标就是数字化实体建模。数字化是获取实体模型信息以及转化其为数字形式的一个过程。它可以通过利用接触式探索技术或非接触式感应技术来实现。在表二中展示了在接触式和非接触式方法中获取3D数据的一些分类。在进行多次的扫描不同的边或通过旋转物体，各取样点可以与单一的点云结合，在单一的点云中其表面需要被重建。作为结果适合的重建方法是基于重复的应用如下几个步骤：

开始于一个初始的边界点，这一点封闭原始的电云，分层的空间分割通过细分每一个点为分点而在创造一个点集生成的网格通过细分较为粗糙的网格而获得最终的数据绘图局部的约束网格于点云中。所有的顶点都被投射于被单个点定义的局部切面中物体表面获取的目的。

测量点群和标准模板库的数据被用于2个方式：（1）分析自身和其他的产品（设计）。（2）确认自身产品的准确性（检查）。

设计的木笔更广泛地分为：（1）产生一个3D的实物模型以缩短开发周期。（2）3D数据不存在，使用CAD数据来执行分析。

检查的目的更广泛的方面分为：（1）检查物体维度。（2）确认变形材料的数量。（3）基于结果定义物体的寿命。

为了逆向工程使用接触式及非接触式方法的信息获取分类如图1所示。

5.2 后加工

基于過去对于一些波动平滑理论的研究，网格的顶点会被重新复位通过计算直接连接的相邻顶点的几何中心。为了提升产生的网格的质量，可以执行一个附加的优化措施。在一个连续的步骤中，这些几何中心可以再次在对应数据集的切面中被预计来定义理论。通常来说网格优化是一个重复的过程，会应用许多次以获得最大可能的准确度在表面质量方面，而表面质量对于3D CAD模型是很有帮助的。

5.3 三角测量

基于过去对于在逆向工程环境下的三角测量的研究，对于三角测量的数学理论和计算算法已经发展完全。拥有充分几何信息的多边形网格可以被有效率的创造从而得到给定的一组数据点。三角测量中基础的理论是狄洛尼三角剖分。除了狄洛尼三角剖分，还有许多的数学算法用来三角测量，包括移动立方体法、泊松表面重建和滑动最小二乘法等等。然后，一些三角测量算法可能不能完美地切合每个要求。他们可能在产生网格的同时产生复杂的三角形计数。而且，这些算法会潜在的暗示形状的拓扑将回由三角测量重塑，并且测量的方法也会影响结果和稳定性。

5.4 分割

在逆向工程中最重要的一步就是网格切割。分割是一个复杂的过程，在这一过程中原始的数据是每一个逻辑上单独属于原始表面的子集。一些更有效率非迭代的分割方法正在使用，他们被叫做直接切割方法。通常而言，切割过程会包含一个关于一阶和二阶表面性质的预估。一阶分割，基于正常的向量，提供一个初始的表层分割，并且探测锋利的边缘和平缓或高度弯曲的区域。二阶分割会根据主要的弯曲对于表面进行分割，并且提供一个充分的基础以用来细分简单的代数表面。大多数的分割算法均会伴随着曲面拟合，曲面拟合适合每个分段区域的最佳的原始表面。详细说明表面类型的层级根据几何复杂性的顺序还是十分重要的。

正如之前讨论的那样，基于特征的分割提供了一个充分的基础以划分主要和次要几何或参数和非参数几何，这些几何被展示在图2中。代数曲面，诸如位面、球体、圆柱、圆锥和圆环，都是很容易适应于这些区域。

包括原始的无参数的有着简单的运动动作的曲面，像是扫描曲面、旋转曲面、挤压曲面和管道曲面，都是直接与CAD模型契合的。

5.5 实体建模

实体建模很可能是用于工程定形的流程以支持使用任何建模软件的逆向工程，建模软件诸如CAD，CATIA，Pro/E等等。实体建模的两种基本的表示是边界表示法和特征表示法。有许多方法可以被倡导，比如可以从轮廓曲线的点云和三角网中建立边界表达模型 （Várady et al.，1998）。也可以通过连接花键方式中的两点来创建。有一些则专注于生产特征识别以为了流程计划的用途。然而，这些方法均不可以自动化操作建设流程和形成完全的参数化模型。

5.6 实体模型输出

在使用逆向工程来重建3D模型时，软件将必须输入常见的CAD包裹以支持工程方面的设计。常见的实体模型交换，通过IGES或STEP和STL标准，是不充分的，因为参数信息、草图约束和维度（包括实物特征以及特征树）在交换中是不完全相同的。直接的实物模型可以被输入和输出通过一些软件，诸如使用CAD/CAE/CAM系统中Rapidform XOR3的liveTransfer？模块，这一模块采用了一些标准的格式诸如IGES，STL，VDA和STEP。

6 逆向工程的应用

逆向工程是一个多学科的方法并且可以几乎应用于广泛的工业领域。其主要应用的方面是重塑部分的原始零件的复制品或追溯发生的事件。它被广泛的应用于软件和信息科技行业，从软件解码开发到网络连接安全。每年成以千记得零件通过采用逆向工程被重造以满足价值亿万美元的零部件市场需求。数字技术的发明彻底变革了它。对比与飞机和汽车制造业，在生命科学和医学设备领域的数字逆向工程的应用已经面临了更多的挑战并且以缓和的节奏进行革新。然而，对于逆向工程应用的一些简要的描述已经被展示如下。

6.1 在机械工业领域

工程这一名词通常被用于描述一种创造有益事物的行为。逆向工程已经与复制原始设计为了竞争目的行为相关。然而在当今的制造业，逆向工程的概念已经被合法的应用于生产新产品或旧产品的变种。逆向这一名词来源于在数字和物质世界的双向数据交流这一概念。在早期计算机辅助技术（CAD）、工程（CAE）和制造（CAM）的主要推力在于创造一个在计算机中的产品，并且将其成绩带到真实世界中。CAD可以完全定义一个简单的零件或者一个复杂的装配来源于其尺寸的性状。CAE组件，诸如结构或热量分析软件，可以获得数字的表示并进行分析。CAM软件可以提出相同的电子定义并且创造途径去切割工具以为了部分的生产。今天，逆向工程正在应用于复杂的几何机械零件的曲面生成，像是涡轮叶片、齿轮、汽车引擎、套管和携带式配套工具等。

6.2 在航空航天以及制船工程方面

逆向工程方法已经被播音和其他的航空公司所应用以用来创造备用零件的数字库存或者将旧数据转换到如今的CAD环境中。逆向工程方法与CAD工具一样，是一个关键的方法在未来的航空飞机制造领域。现代的航空航天领域使用逆向工程为了一下几点关键原因：（1）为了创造没有CAD模型的传统零件。（2）为克服数据交换中的障碍。（3）为解决问题，这些问题产生于CAD主模型和实际工具或完工零件之间的差异。（4）为确认计算机辅助检查和机械分析的质量和表现。

CAD的一个工业应用可以展现出来，这一应用关于测量和再造一个完全船体和船的部件，而这些工作也造船和船舶维修领域的周期性任务。为了选择最合适的测量方法，许多测量物体的典型方面，像是它的大小、可能的障碍和不良的便携性，已经被考虑在其中。

6.3 软件行业

软件的逆向工程师关于分析一个已有的系统。IEEE对于软件维护的标准中定义逆向工程为“一个流程从源代码中提取软件系统的信息”。通常而言，逆向工程活动的输出是综合的，是高级别的信息这些信息可以使得逆向工程更好的对系统进行推力并且进化为更高效的方法。

逆向工程的过程通常开始于降低信息的級别，诸如系统的源代码，可能也会包括系统的构建环境。当执行一个逆向工程活动，逆向工程会遵循一些固定的流程。逆向工程过程的工作流程可以拆解为子任务的提取、分析和可视化。在实践过程中，流程中会有一些因素使得流程变得特别而又富有创造性。

6.4 在医药生命科学领域

人身体的工程创新已经在生命科学和医药设备领域将逆向工程置于一个独特的位置，特别是将人造的部件防御人体中。应用于扫描影像技术伴随着逆向工程中有限单元的分析帮助了工程师精确的定制固定的模型以最好的适应个体患者。逆向工程的基线要求是在在生命科学和医药设备领域中更好的服务于存活的细胞、人体器官以及之前的交流的生理特征。工程师和科学家经常会在逆向方向中工作，而且可以通过观察身体行为和生物因素中得到帮助。这其中已经蕴含着某种机制可以复制这些生理功能。

在逆向工程的环境中，工程师首先必须辨别一些材质，这些材质可以被用作医学器械中的零件和特征，之后几何形式的零件可以精确的数字化，且制造过程可以被证实。逆向工程被用于许多医学领域：牙医业、助听器、人造膝盖和心脏等。

基于这些要求，高级计算机辅助的生产流程可以创建定制化的牙齿矫正仪器为了个体的病人。逆向工程应用的提升也会很大程度上以来技术的变革以使得无线助听器更小、更精致并且以更低的成本实现更高效。逆向工程在矫形术中的应用，诸如膝盖、臀部、脊柱中的应用，也是非常有挑战性的，一部分也是因为这些部分复杂的运动方式。

这些由逆向工程生产的人工移植的身体部位的合适的设计功能需要他们在维持多轴运动的压力的同时有着不同模式和重量的负载。

在飞机、汽车和其他交通工具产业发生安全事故的前后，逆向工程也可以用来重构时间的情况。其他的领域，诸如在时尚设计、化学工业、建筑和土木工程方面以及画廊，也可以发现许多逆向工程的应用。

7 现代数字化系统的简要回顾

数字化和扫描的概念经常被用来描述相同的流程。就传统而言，数字化这一名词主要讲的是使用接触触发式贪占或者光学技术来从表面获取不连续的点的一种过程。这样的数字点云可以被从不同的数字化方式获取。

原始的设备制造商和供应商的区别在当今动态和竞争的全球市场中已经日渐模糊。逆向工程的应用和备用零件的再生产以为了维修和替换老化零件已经对于航空工业以及他们的顾客有着显著的经济影响。在20世纪70年代，由于对于高度戒备行业所有权信息解码的需求，逆向工程在高压的涡轮页片的应用成为了一个挑战。在20世纪初，技术创新已经改变了逆向工程的流程，而且实施逆向工程也被更广泛的接受。逆向工程零件的生产的确需要完全的对于工程设计和生产流程进行重塑。为了获取精确的几何信息为零件市场的汽车零件，许多公司也诉诸于数字扫描和逆向工程技术。它提供了各种各样的汽车零件，包括阻流板、脚踏板、防撞垫和轮罩。公司并不会总能利用装备生产商的原始CAD数据，这一部分也是因为完工的零件会与CAD数据有轻微的不同。

汽车零件协会鼓励在市场上价格和质量的竞争，这也导致了顾客的预算下降的同时仍想要保持零件的质量。其中逆向工程广泛被引用的在军队中的案例就是苏联的Tupolve Tu-4（Bull）轰炸机。在二战期间，3个被战斗损毁的美国B-29超级空中战斗机在向日本投弹之后再苏联进行紧急迫降。在当时逆向工程项目并不是非常的成功。比如，在2003年12月15日，复制1903年莱特兄弟的飞机在尝试起飞后陷入了泥潭。这个不幸的飞行尝试给逆向工程带来了另一危险的因素。即便如此，这也生产出看似与原件相同的复制品，而逆向工程的零件的操作性也依赖于运行的环境。一个成功的逆向工程的项目需要对小图的细节和测量的准确性予以充分重视，而且对原件的功能性也要有充分的理解。

8 結语

逆向工程的基础原则和基本限制在大多数工业中是相似的。逆向工程的一般实践，诸如信息搜集、微观的详细分析、建模、原型设计、性能评估和规则执行，在所有工业中的原则都是类似的。这些努力的成果也同样会经受一些现代科技的通用限制。然而一些特定的方法论在不同的领域也有很大的不同。

由CAD/CAE/CAM技术支持的机械设计使得得到了数控机床辅助的产品制造得以优化，以在完整的客户需求出现之前，管理高速的产品研发和正规生产。对于一些产品研发的过程，逆向工程（RE）使得产生了一些表面模型通过三维（3D）扫描技术，而后续这一方法也一定会促使在短时间内重新设计和生产不同的零件（给汽车使用或给家用）和工具。逆向工程应用的结果也会对产品实现系统提速而且很大程度上减少了生产的成本。

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Reverse Engineering Technology in Product Manufacturing Industry

Apurva Gautam（School of Mechanical and Electrical Engineering， Nanjing University of Aeronautics & Astronautics， Nanjing 210016， China）

Abstract： Engineering plays an important role in a series of mechanical design and manufacturing. This technology has been widely regarded as an important technology in the design cycle of the product. In the conventional information manufacturing industry， the operating instructions are usually designed to begin with the design of the product and to terminate the operation of the machine， in order to convert the raw material into the final product. When the original drawings or documents can not be used or need to be analyzed and modified to enhance the design of the product， the use of any digital technology to copy an existing part of the CAD model is often very critical. In the reverse engineering method， the geometric model， the characteristic， the segmentation and the simple and the appearance of the own form of the CAD model are very important. This chapter shows the reverse engineering method and its application fields related to product design and development. The use of reverse engineering to design and research products will greatly reduce the cost of production cycle and product manufacturing industry.

Key words： reverse engineering； scanning technology； point cloud /STL data； CAD/CAM/CAE