关于逆向工程方面的文献综述

逆向工程柏为为摘 要 : 逆向工程（又称逆向技术） ，是一种产品设计技术再现过程，即对一项目标 产品进行逆向分析及研究， 从而演绎并得出该产品的处理流程、 组织结构、 功能特性及技术 规格等设计要素， 以制作出功能相近， 但又不完全一样的产品。 逆向工程源于商业及军事领 域中的硬件分析。 其主要目的是在不能轻易获得必要的生产信息的情况下， 直接从成品分析， 推导出产品的设计原理。关键词 : 扫描测量原理 ;曲线曲面理论 ;快速原型制造 ; 逆向工程引言逆向工程 （Reverse Engineering,RE） 的概念逆向工程产生于 20 世纪 80 年代末至 90 年 代初,广义上 ,逆向工程可以分为实物逆向、软件逆向和影像逆向三类。目前,大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的CAD模型重构和最终产品的制造 ,称为“实物逆向工程” 。逆向工程也称反求工程。简单地说 ,逆向工程就是根据已 经存在的产品模型 ，反向推出产品的设计数据的过程。逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。列如：1）实物扫描实验：运用三维坐标扫描仪对需要反求的实物进行扫描，得出点云图2）软件进行点云处理：将扫描得到的点云图，进行 Imageware 软件软件处理为三维CAD模型；3）快速成型加工实验：针对上步得到的三维CAD模型进行分析，利用快速成型机制作实体模型4）对实体模型进行后处理，打磨、抛光、涂漆； 其中快速反求是从实物原型到三维数字模型的转换 ，是反求工程技术实现的关键技术 ，它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分。二、逆向工程的测量技术逆向工 程的测量是指实物的数据采集 ，也称三维数据测量 ，是反求工程实现的第一步。 它是通过特定 的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据 ， 将产品的几何形状数字化。该 技术关系到对零部件（实物）描述的精确度和完整度，从而影响重构的CAD曲面和实体模型的 质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原始实物。因此 ，测量是整个原型反求的基 础。测量方法及原理。反求工程采用的测量方法主要分为两类 : 接触式和非接触式。根据测 量原理、设备结构的不同还可以进一步细分 （见图 1）。接触式数据采集通常使用三坐标测量 机， 测量时将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内 ， 可以获得被测产品上各个测量点 的坐标位置 ， 根据这些点的空间坐标值 ， 经过计算机数据处理 ， 拟合形成测量元素 ， 经过数学 计算的方法得出其形状、 中国设备工程 2008年02月表 1主要测量方法的比较机械法光学法 电气法三坐标测量法激光三角法投影光栅法断层扫描法工业 CT 和核磁共振法最高 0.5!m 高1"m较低10#m以上较低0.02mm低1mm慢快快慢较慢不适于软质软硬皆可软硬皆可软硬 皆可有要求测头微损无损无损破坏被测件无损高较高低较高最高精度速度被测材质破坏性 成本不能过于光滑对表面粗糙度、漫反射率敏感 ， 不能过于光滑对表面色泽、粗糙度敏感 ， 不能过陡无无表面特性及形状要求最适合情况无复杂内部形面、 硬质、 特殊尺寸多及精度要求高的箱体工件表面形状复杂 , 精度要求不特别高的未知曲面适于测复杂的内部几何形状管 理园地研究探讨位置公差及其他几何量数据。接触式三坐标测量机的测头属机械式，根据其工作方式的不同又可分为开关式 （ 触发式或动态发信式 ） 和扫描式 （比例式或静态发信式 ） 两类。坐标测量机可达到很高的测量精度 ， 测头体积小、通用性较强 ， 适于无复杂内部型腔、 只有少量特殊曲面的空间箱体类工件的测量。测量机工作处于迅速直线低速运动状态， 测量机的动态性能对测量精度的影响较小 ，但它有一定的局限性 ，如不能测量到细节之处、 不能测 易碎和易变形的零件、 测量速度慢、 测头半径需要补偿及数据量较小等。 在非接触式技术中 较成熟且应用最广泛的是光学测量法。其中 ， 基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影 的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。激光三角形法以激光作为光源， 根据光学三角形测量原理 ，将光源（可分为光点、 单光条、多条等）投射到被测物体表面 ，并采用光 电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量 ， 根据光点或光条在物体上成像的偏移 ， 通过被 测物体基平面、 像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。 这种方法测量如果采用线光 源， 可以达到很高的测量速度 ， 此方法已经成熟。 其缺点是对被测表面的粗糙度、 漫反射率和 倾角过于敏感 ， 限制了测头的使用范围。基于投影光栅的结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法， 它的原理是将具有一定模式的光源 ， 如栅状光条投射到物体表面 ， 然后用两个镜头获取不同角度的图 像， 通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。此法的主要优点是对实物的测量 范围大、速度快、成本低。缺点是精度低 ， 在陡峭处会发生相位突变 ， 影响精度 ， 适于测量表 面起伏不大的较平坦物体。 目前， 分区测量技术的进步使光栅投影范围不断增大 ， 结构光法测 量设备成为现在逆向测量系统领域中使用最广泛且最成熟的系统。非光学测量方法由于其成本较高、应用上有局限性 ， 目前在逆向工程的数据获取中很少使用。主要测量方法的比较见 表 1。总的来说 ， 在实测时 ， 需要根据测量对象的特点及设计工作的要求选择合适的扫描方法 及设备。如果只测量尺寸和位置要素 ， 宜采用接触开关式测量 ; 若对产品的轮廓及尺寸有较高 的精度要求 ，宜采用触扫描式测量 ;在对易变形、精度要求不高、 测量数据多的产品进行测量 时， 可采用非接触式测量方法。Surfacer 主要用来做逆向工程，它处理数据的流程遵循点曲线曲面原则，流程简单清晰，软件易于使用。曲面建模也称为NURBS!模，NURBS是Non-Uniform RationalB-Splines的缩写，是"非统一均分有理性 B样条”的意思。具体解释是：.Non-Uniform（非 统一）是指一个控制顶点的影响力的范围能够改变。 当创建一个不规则曲面的时候这一 点非常有用。同样，统一的曲线和曲面在透视投影下也不是无变化的，对于交互的3D建模来说这是一个严重的缺陷；Rational（有理）一一是指每个 NURBS物体都可以用数学表达式来定义； B-Spline（B 样条）是指用路线来构建一条曲线，在一个或更多的点之间以内 插值替换的。简单地说，NURB哦是专门做曲面物体的一种造型方法。NURBS造型总是由曲线和曲面来定义的，所以要在NURB滾面里生成一条有棱角的边是很困难的。就是因为这一特点，我们可以用它做出各种复杂的曲面造型和表现特殊的效果，如人的皮肤， 面貌或流线型的跑车等。曲面建模既NURBS!模，是由曲线组成曲面，再有曲面组成立体模型，曲线有控制点可以控制曲线曲率、方向、长短。属于目前两大流行建模方式之一，另一种是多边形建模。 快速原型制造（ RPM ： Rapid Prototyping Manufacturing ）技术，又叫快速成形技术，简 称 RP 技术，是 90 年代初发展起来的新兴技术， RPM 是 CAD 技术、数控技术、激光技 术和材料技术等现代科技成果， 被认为是近年来制造技术领域的一次重大突破， 融合了机械 工程、 CAD 技术、激光技术、数控技术和材料技术等，可以直接、自动、快速地将设计师 的设计思想物化为具有一定功能的原型或直接制造零件， 从而可以对产品设计进行快速评价、 修改及功能验证， 有效地缩短了产品的研发周期， 为企业的新产品开发和创新提供了技术支 持。快速原型制造（RPM）产生的背景，随着全球市场一体化的形成，制造业的竞争十分激烈，产品的开发速度日益成为市场竞争的主要矛盾。在这种情况下，自主快速产品开发的能力（周期和成本）成为制造业全球竞争的实力与基础。同时，制造业为满足日益变化的用户需求，又要求制造技术有较强的灵活性，能够以小批量甚至单件生产而不大幅度增加产品的成本。因此，产品开发的速度和制造技术的柔性就变的十分关键了。RPM技术就是在这种社会背景下，于80年代后期产生于美国，并很快扩展到日本及欧洲，是近20年来制造技术领域的一项重大突破。RPM技术问世不到十年，已实现了相当大的市场，发展非常迅速，在短短不到十年的时间里已实现了近五亿美元的市场。人们对材料逐层添加法这种新的制造方法已逐步适应。制造行业的工作人员都想方设法利用这种现代化手段，与传统制造技术的接轨工作也进展顺利。人们用其长避其短，效益非凡。与数控 加工、铸造、金属冷喷涂、硅胶模等制造手段一起，快速成型已成为现代模型、模具和零件 制造的强有力手段，在航空航天、汽车摩托车、家电等领域得到了广泛应用。RPM技术，是由CAD模型直接驱动的快速制造任意复杂形状三维实体和技术总称。RPM技术采用离散/堆积成型原理，其过程是：先由三维CAD软件设计出所需要零件的计算机三维曲面或实体模型； 然后根据工艺要求， 将其按一定厚度进行分层，使原来的三维电子模型变成二维平面信息（截面信息），加入加工参数，产生数控代码；微机控制下，数控系统以 平面加工方式，有序地连续加工出每个薄层， 并使它们自动粘接而成形，这就是材料堆积的过程。不同种类的快速成型系统因所用成形材料不同，成形原理和系统特点也各有不同。但是，其基本原理都是一样的，那就是”分层制造，逐层叠加”，类似于数学上的积分过程。形象地讲，快速成形系统就像是一台"立体打印机"，如下图所示。三维CAD模型二维C如模型快速成型系统映射快速成型系统y AM三维样件V三维样逆向工程的应用领域几何建模是逆向工程的关键环节，同时也是影响逆向工程速度的瓶颈问题，因此，提高逆向工程几何建模的自动化程度和通用性是逆向工程研究的一个重点方向。这是一种逆向工程几何建模自动化系统，具有体现设计意图的特征建模的特点，数据点的组织方式不限，输出的B-rep模型与现有商用 CAD系统完全兼容。系统的关键技术在于特征的自动提取、组合自由曲面的光滑连接。提高系统的集成性，有些情况CAD模型并不是必需的，或者为了最快的制造产品，需要数字化系统与 CMM的直接结合；另外，有些产品 （例如注塑模、注塑件的设计 ）需要多次 进行CAE分析，由数据点直接产生 CAE模型，可极大地提高产品的设计、分析过程，在上 一节已有一些集成系统的应用实例，大多是根据具体情况的部分集成，邢渊提出了完整的逆向工程集成系统框架，具有 CAD CAE CAM多个数据接口，采用了面向对象的集成方法。 关键技术是通用、开放的产品数据库结构。逆向工程可以迅速、精确、方便地获得实物的三维数据及模型，为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。据统计，国外70%A上的技术来自于反求。逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化和吸收先进技术、实现新产品快速开发的 重要技术手段。以下是其在各领域的应用。1.在缺少图纸及没有 CAD莫型的情况下，通过对零件原型的测绘，形成图纸或模型，并由此生成数控加工的 NC代码，加工复制出与其相同的 零件。 2. 在对产品外观有较高美学要求的领域 , 如汽车、家电等民用产品以及工艺品的外型 设计,设计师往往使用油泥、 黏土或木头等材料先制作模型 , 这时根据所提供的模型运用反求 工程的技术 , 可以快速准确地建立三维立体模型。 3. 当设计需要经过反复试制、 修改、 或者 需要通过实验测试才能定型的零部件 (如在航空航天领域业和模具制造业 ) 时,反求工程可缩 短过程。4. 应用于修复破损的艺术品或缺乏供应的被损零件, 如修复破损的雕像、雕刻及艺术造型等。此时并不需要对整个零件原型进行复制 , 而是借助反求工程技术获取零件原形的设计 思想来指导新的设计。这是由实物反求推理出设计思想的一种渐近过程。5. 对于国外的产品 , 要对其不适合国内使用处进行修改时 , 可以通过逆向工程建立三维 模型进一步改进。6. 逆向工程技术与医学的结合日益紧密 , 在骨缺损的修复、人工关节、人工骨、整形复 体、人工器官等医学假体设计中具有极其重要的作用。通过逆向造型 , 可以为患者提供更为 准确的个性化设计替代物模型 ,使得缺损部位与替代物能更好地匹配 , 提高缺损修复的成功 率。7. 特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据 , 并要求产品与人体部位有 相当好的形状适应性 ,此时 ,可利用逆向工程实现这一要求。 8. 可实现电视、电影产业的 3D 造型。随着先进制造技术、 计算机技术的不断进步 , 逆向工程技术也得到相应发展 , 包括其关 键技术如三维测量、数据处理以及快速制造技术等 , 相信将来的逆向工程技术将会和产品制 造等技术结合得越来越紧密 , 并在更多的领域发挥其显著的作用参考文献1 许惠丽 , 马源 , 李军显 . 反求工程在复杂曲面模具制造中的应用 J. 河南科技大学学 报(自然科学版 ) , 2005,(05)2 熊邦书 , 吴铮 , 俞华璟 . 一种基于二维局部 Lagrange 插值的曲面重构算法 J. 西安 工程科技学院学报 , 2003,(02)3 孙大宇 , 李杰 , 海锦涛 . 径向基函数神经网络应用于反向工程曲面重构的研究 J. 塑性工程学报 , 2002,(02)4 何汉武 , 孙健 , 陈新度 , 黄小平 . 塑料模具逆向工程框架与实现方法研究 J. 中国机 械工程 , 1999,(08)5 刘志明 , 王敏杰 , 赵丹阳 , 于庆安 , 宋满仓 , 邵安平 . 塑料异型材挤出模头流道曲面 重构技术的研究 J. 模具工业 , 2005,(05)6 陈罡 , 康剑莉 . 基于 Pro/E 的汽车覆盖件模具反求 J. 模具制造 , 2003,(06)7 许文全 , 何文学 , 陈国金 . 反求工程技术及其应用 J. 铸造 , 2005,(08)8 张滔, 李峰. 逆向工程在模具制造中的应用 J. 模具制造 , 2004,(01)9 锁小红 , 崔凤奎 , 王晓强 . 基于坐标测量机的反求软件系统开发 J. 矿山机械 , 2004,(10)10 唐炳涛, 赵震, 栾贻国, 阮雪榆. 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