逆向工程原理及应用

传统以来，工业产品的开发均是循著序列严谨的研发流程，从功能与规格的预期指标确定开始，构思产品的零组件需求，再由各个元件的设计工程扫描仪、制造以及检验零组件组装、检验整机组装、性能测试等程序来完成。每个元件都保留有原始的设计图，此设计图目前已广用CAD图档来保存。每个元件的加工也有所谓的工令图表，对复杂形状元件则以CAM软体产生NC加工档案来保存。每个元件的尺寸合格与否则以品管检验报告来记录。这些所记录的档案均属公司的智慧财产，一般通称机密 (Know - how)。这种开发模式称为预定模式(Prescriptive model)，此类开发工程亦通称为顺向工程(ForWard Engineering)。对每一元件来说，其顺向工程的流程。

与之相反的称之为逆向工程，也称反求工程工程扫描仪、反向工程等，其思想最初来自从油泥模型到产品实物的设计过程，但直到20世纪90年代，才开始引起各国工业界的高度重视。随着计算机技术，特别是数字测量技术的迅猛发展，RE技术能实现已有复杂外观造型的样件或实物模型、三维测量数据、三维产品模型、产品的一体化开发全过程，为制造业提供了一个全新的、高效的产品开发方案。除了在航空航天、汽车工业、模具行业、消费性电子产品、玩具等传统领域得到了广泛的应用外，RE技术也开始在人体工程，服装、数字化博物馆、艺术品仿制与破损修复等领域得到应用。另外，在医学领域，如骨科颅骨修复、义耳义肢修复、假牙设计等方面都有应用。

20世纪80年代中期发展起来的快速成型（RP）技术，是指在计算机的控制和管理下，有零件CAD模型直接驱动，采用材料精确堆积复杂三维实体的原型或零件的制造技术。RP技术彻底改变了制造业的生产技术，成为先进的CAD制造技术的重要组成部分，其最大特点在于制造的高柔性，即无需任何专用工具，可由零件的CAD模型，直接驱动设备完成零件或零件原型的成型制造。RP技术应用几乎包括了制造领域的各个行业，同时在医疗工程扫描仪、人体工程、文物保护等行业也获得了广泛的应用。

逆向工程具有与传统设计制造过程截然不同的设计流程。在反求工程中，按照现有的零件原形进行设计生产，零件所具有几何特征与技术要求都包含在原形中；在传统的设计制造中，按照零件最终所要承担的功能以及各方面的影响因素，进行从无到有的设计。此外，从概念设计出发到最终形成CAD模型的传统设计是一个确定的明晰过程，而通过对现有零件原形数字化后在形成CAD模型的反求工程是一个推理，逼近的过程。

逆向工程一般可分为四个阶段：

第一步: 零件原形的数字化

通常采用三坐标测量机(CMM)或激光扫描仪等测量装置来获取零件原形表面点的三维坐标值。

第二部: 从测量数据中提取零件原形的几何特征

按测量数据的几何属性对其进行分割，采用几何特征匹配与识别的方法来获取零件原形所具有的设计与加工特征。

第三部: 零件原形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，并通过各表面片的求交与拼接获取零件原形表面的CAD模型。

第四部: 重建CAD模型的检验与修正

采用根据获得的CAD模型重新测量和加工出样品的方法来检验重建的CAD模型是否满足精度或其他试验性能指标的要，对不满足要求者重复以上过程，直至达到零件的逆向工程设计要求。

2) 逆向工程中常用的测量方法

逆向工程中的测量方法可分成两类:接触式与非接触式。

(1) 接触式测量方法

坐标测量机

坐标测量机是一种大型精密的三坐标标测量仪器，可以对具有复杂形状的工件的空间尺寸进行逆向工程测量。坐标测量机一般采用触发式接触测量头，一次采样只能获取一个点的三维坐标值。九十年代初，英国Renishaw公司研制出一种三维力一位移传感的扫描测量头，该测头可以在工件上滑动测量，连续获取表面的坐标信息，扫描速度可达8米/秒，数字化速度最高可达500点/秒，精度约为0.03mm。这种测头价格昂贵，目前尚未在坐标测量机上广泛采用。坐标测量机主要优点是测量精度高，适应性强，但一般接触式测头测量效率低，而且对一些软质表面无法进行逆向工程测量。

层析法

层析法是近年来发展的一种反求工程逆向工程技术，将研究的零件原形填充后，采用逐层铣削和逐层光扫描相结合的方法获取零件原形不同位置截面的内外轮廓数据，并将其组合起来获得零件的三维数据。层析法的优点在于任意形状，任意结构零件的内外轮廓进行测量，但测量方式是破坏性的。

(2) 非接触式逆向工程测量方法

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。以下仅将在反求工程中最为常用与较为成熟的光学测量方法（含数字图像处理方法）作一简要说明。

基于光学三角型原理的逆向工程扫描法

这种测量方法根据光学三角型测量原理，以光作为光源，其结构模式可以分为光点、单线条、多光条等，将其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象的偏移，通过被测物体基平面、象点、象距等之间的关系计算物体的深度信息。

基于相位偏移测量原理的莫尔条纹法

这种测量方法将光栅条纹投射到被测物体表面，光栅条纹受物体表面形状的调制，其条纹间的相位关系会发生变化，数字图像处理的方法解析出光栅条纹图像的相位变化量来获取被测物体表面的三维信息。

基于工业CT断层扫描图像逆向工程法

这种测量方法对被测物体进行断层截面扫描,以X射线的衰减系数为依据，经处理重建断层截面图像，根据不同位置的断层图像可建立物体的三维信息。该方法可以对被测物体内部的结构和形状进行无损测量。该方法造价高，测量系统的空间分辨率低，获取数据时间长，设备体积大。美国LLNL实验室研制的高分辨率ICT系统测量精度为0.01mm。

立体视觉测量方法

立体视觉测量是根据同一个三维空间点在不同空间位置的两个（多个）摄象机拍摄的图像中的视差，以及摄象机之间位置的空间几何关系来获取该点的三维坐标值。立体视觉测量方法可以对处于两个（多个）摄象机共同视野内的目标特征点进行测量，而无须伺服机构等扫描装置。立体视觉测量面临的最大困难是空间特征点在多幅数字图象中提取与匹配的精度与准确性等问题。近来出现了以将具有空间编码的特征的结构光投射到被测物体表面制造测量特征的方法有效解决了测量特征提取和匹配的问题，但在测量精度与测量点的数量上仍需改进。

逆向工程做为一种非常高效的产品设计思路和方法，可以迅速、精确、方便地获得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。它改变了传统产品设计开发模式, 大大缩短了产品开发的时间周期,提高产品研发的成功率。目前，逆向工程在各个

领域发挥着重要作用，比如汽车外观设计、医学上的人工器官等。但逆向工程的主要应用部分还是在模具专业上，它大大促进了我国制造业的发展。