1、逆向工程技術在機械領域的應用逆向工程技術已成為聯系新產品開發過程中各種先進技術的紐帶，并成為實現新產品快速開發的重要技術手段。介紹了逆向工程的概念、技術流程、測量系統、常用軟件以及實際應用。    逆向工程技術(Reverse Engineering)是近幾年迅速發展起來的一門新興學科，也稱為反求工程。從廣義講，逆向工程可分為：實物逆向、軟件逆向和影像逆向三大類。在機械領域中，逆向工程應用主要集中在實物逆向，即在沒有產品零件圖紙或者圖紙不完整以及沒有CAD模型的情況下，按照現有零件的實物，利用3D測量系統獲取數字化信息，再通過CAD技術重新構造實物CAD模型的過程。它與傳統

2、的正向設計有著很大差別。通過逆向工程所獲得的CAD模型，再經過CAM或RP系統可以復制一個外型尺寸相同的零件實物。逆向工程與順向工程如圖1所示。                逆向工程技術已成為聯系新產品開發過程中各種先進技術的紐帶，并成為實現新產品快速開發的重要技術手段。一般來說，逆向工程包括形狀反求、工藝反求和材料反求等幾個方面。在機械領域的實際應用中，主要包括以下幾個方面：對已有零件的復制，再現原產品的設計意圖；當原始設計不可得時，用于對已有產品的改型或仿型設計；在設備維修中對個別損壞或磨損零件的復制；在美學

3、設計特別重要的領域，通常采用真實比例的木制或泥塑模型來評估設計的美學效果，再通過逆向工程進行設計；當設計需要實驗才能定型的工件模型時，通常采用逆向工程的方法，例如，在航天航空領域，為了滿足空氣動力學等要求，需要進行風洞實驗的產品模型；數字化模型的檢測，如檢驗產品的變形分析、焊接質量以及零件實物與CAD模型的比較等。                    1逆向工程數據采集技術                數據的采集

4、是指通過特定的測量設備和測量方法獲取產品表面離散點的三維幾何坐標數據。高效、準確地采集到產品表面的三維幾何坐標數據，是實現逆向工程的基礎和關鍵技術之一。根據測量的方式不同，可以將三維測量設備分為接觸式和非接觸式兩大類型。                  11接觸式測量系統                接觸式三坐標測量機(Coordinate Measure Machine，CMM)可謂接觸式測量的代表。接觸式三坐

5、標測量機通常是基于受力變形的原理，通過探頭測取三維幾何坐標數據。操作者事先設計規劃好測量途徑與方式，三坐標測量機便會按照所指定的路徑測取三維幾何坐標數據。一般來說，接觸式三坐標測量機測量較穩定，易于定位，測量精度高，對被測物體的材質和色澤沒有特殊要求。其主要缺點是測量效率低，測量探頭的半徑必須進行補償，并且有可能會出現探頭測不到的盲區。使用自動測量還有較多的參數必須決定，包括探頭形狀和大小、掃瞄間隔、步進距離、誤差容許量、掃瞄速度、掃瞄方向等，這些都過分依賴操作者的經驗，特別是在測量復雜產品零件時，確定最優的采樣策略和路徑較困難。另外，由于存在測量力，接觸式三坐標測量機無法在一些軟質表面進行測

6、量。                    12非接觸式測量系統                非接觸式測量根據測量原理的不同，大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式。在逆向工程中最為常用是較為成熟的光學測量方法。其可分為：基于光學三角形原理的激光掃描法；基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法；基于工業CT斷層掃描圖像法；立體視覺測量方法。使用非接觸測量產品零件測量速度快，不需要進行探頭半徑補償。由于不存在測量力，可對

7、橡膠、油泥、人體頭像或超薄形物體進行掃描。但工件坐標定位較困難，測量精度較低，陡峭面不容易測量，另外被測產品零件表面特征(顏色、反光度、粗糙度、形狀等)對測量的精度影響較大。                                    2逆向工程的數據處理及常用軟件                數據處理是逆向工程的一個重要的技

8、術環節，它決定了CAD模型重建過程是否能夠方便、準確地進行。使用測量設備測取的三維幾何坐標數據都是一些離散點的點云數據，其中存在著噪聲點，所以還需要相應的軟件來處理點云數據。點云數據的處理包括噪聲去除、多視對齊、數據精簡、數據光順、數據分割等諸多方面。目前比較常用的逆向工程軟件有：                (1)Geomagic。美國RainDrop(雨點)公司的逆向工程CAD軟件，具有豐富的數據處理手段，可以根據測量數據快速構造出多張連續的曲面模型。處理復雜形狀或自由曲面形狀時，效率比傳統CAD軟件提高了1

9、0倍。另外還可為新興應用提供理想的選擇，如定制設備大批量生產、即定即造的生產模式以及原始零部件的自動重造。                (2)Imageware。作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，ImageWare具有強大的測量數據處理、曲面造型、誤差檢測功能。可以處理幾萬至幾百萬的點云數據。根據這些點云數據構造的A曲面(CLASS A)具有良好的品質和曲面連續性。ImageWare的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數據之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。  

10、0;             (3)CopyCAD。英國DelCam公司系列CAD產品中的一個，主要處理測量數據的曲面造型。作為一個系列產品的一部分，CopyCAD與系列中的其他軟件可以很好地集成，為用戶的使用提供方便。                (4)RapidForm。韓國INUS公司開發的逆向工程CAD軟件。主要用于處理測量、掃描數據的曲面建模以及基于CT數據的醫療圖像建模，還可以完成藝術品的測量建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套

11、模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具，用戶可以方便地利用以前構造的曲線網格經過縮放處理后應用到新的模型重構過程中。                                    3實施逆向工程的步驟                逆向工程設計實施步驟如下:          

12、0;     (1)設計前的準備工作。設計之前應確定設計的整體思路，對實物模型進行系統的分析，劃分出模型的特征區，確定模型的基本構成形狀的曲面類型，這些關系到相關軟件的選擇和軟件模塊的確定。                (2)零件原形的數字化。根據測量對象的特點確定掃描方法以及掃描設備，利用3D掃描測量設備來獲取零件實物表面點的三維坐標值。                (3)提取零件的幾何特征。按測量數據的幾何屬

13、性對其進行分割，分割方法一般可分為兩類，一類是基于邊界分割法，一類是基于區域分割法。區域分割法將相似幾何特征的點劃為同一區域，具有明確的幾何意義，是較為常用的分割方法。                (4)零件CAD模型的重建。將分割后的三維數據在CAD系統中分別做表面模型的擬合，并通過表面片的拼接獲取零件實物表面的CAD模型。                (5)重建CAD模型的檢驗與修正。由于測量得到的數據點往往存在一些數字誤差，所

14、以需要對曲面或曲線進行光順處理，提高曲面質量。另外還要檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要求，對不滿足要求的應進行適當的調整修改，直至達到零件的設計要求。                                                4應用實例           

15、                     某化工企業攪拌機的葉片由于損壞且購買不到配件，使用逆向工程技術構造CAD模型用于加工。筆者使用的掃描設備是美國三維數碼公司(3D Digital Corp)產品，型號為Optix 400S。掃描前先將葉片實物噴上光學測量的顯影粉(圖2)。                掃描過程中，每掃描完一次需要將零件轉過一定的角度再掃描，直到將所有的面都被掃到為止。特別要注意的是零件掃描的

16、面要與上一次掃描的面具有一定的重合部分，并且重合的部分要有一些特征點(如尖角、邊角等)，否則在后期點云處理時這兩次掃描的數據點云沒辦法拼接。如果實在找不到特征點，掃描前需要手工制作標記，待點云數據拼接完后，刪除標記處的數據，再在逆向工程軟件中使用補洞的功能將這一部分補起來。全部掃描結束后，筆者使用Geomagic軟件將數據文件導入進行后處理，生成CAD模型(圖3)。使用Geomagic軟件可以輸出igs、stl、stp、dxf、obj等多種格式的文件，可被在CADCAM領域廣泛應用的軟件，如UG、PROE、CIMATRON、CATIA、SOLIDWORK等導入。                    5結束語