逆向工程的概念

逆向工程（Reverse Engineering,，RE）是對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程的一種描述,。在工程技術(shù)人員的一般概念中，產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程是一個(gè)從無到有的過程：設(shè)計(jì)人員首先構(gòu)思產(chǎn)品的外形,、性能和大致的技術(shù)參數(shù)等,，然后利用CAD技術(shù)建立產(chǎn)品的三維數(shù)字化模型，最終將這個(gè)模型轉(zhuǎn)入制造流程,，完成產(chǎn)品的整個(gè)設(shè)計(jì)制造周期,。這樣的產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程我們可以稱之為“正向設(shè)計(jì)”。逆向工程則是一個(gè)“從有到無”的過程,。簡單地說,，逆向工程就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)（包括設(shè)計(jì)圖紙或數(shù)字模型）的過程,。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)在制造領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,，特別是數(shù)字化測量技術(shù)的迅猛發(fā)展，基于測量數(shù)據(jù)的產(chǎn)品造型技術(shù)成為逆向工程技術(shù)關(guān)注的主要對(duì)象,。通過數(shù)字化測量設(shè)備（如坐標(biāo)測量機(jī),、激光測量設(shè)備等）獲取的物體表面的空間數(shù)據(jù)，需要經(jīng)過逆向工程技術(shù)的處理才能獲得產(chǎn)品的數(shù)字模型,，進(jìn)而輸送到CAM系統(tǒng)完成產(chǎn)品的制造,。因此,，逆向工程技術(shù)可以認(rèn)為是“將產(chǎn)品樣件轉(zhuǎn)化為CAD模型的相關(guān)數(shù)字化技術(shù)和幾何模型重建技術(shù)”的總稱。
1)幾何測量：通過合適的測量方法來獲得產(chǎn)品的三維形狀,；
(2)數(shù)據(jù)處理：處理所獲得的三維數(shù)據(jù),，使其符合后續(xù)操作的要求,；

圖1　逆向工程流程圖

(3)CAD建模：建立一個(gè)完整的CAD模型,，從而能夠借以描述產(chǎn)品的全部相關(guān)信息。

本文以日本生產(chǎn)的電腦手套機(jī)凸輪的逆向工程設(shè)計(jì),、制造為例,，討論和分析了該技術(shù)的主要步驟。

2　三維數(shù)據(jù)的采集

在逆向工程中,，準(zhǔn)確,、快速、全面地獲取實(shí)物的三維幾何數(shù)據(jù),，即對(duì)物體的三維幾何形面進(jìn)行三維離散數(shù)字化處理,，是實(shí)現(xiàn)逆向工程的基礎(chǔ)。數(shù)據(jù)的采集是指采用某種測量方法和設(shè)備測出實(shí)物各表面的若干組點(diǎn)的幾何坐標(biāo),，可以有多種方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,。在表面數(shù)字化技術(shù)中，根據(jù)測量方式的不同可以將數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式兩大類,。傳統(tǒng)方法就是以三坐標(biāo)測量機(jī)(CMM)為代表的接觸式,，也是實(shí)際工程中常用的方式，精度相對(duì)精確,，但易于損傷測頭和劃傷被測零件的表面,。本次測量采用了青島前哨的三坐標(biāo)測量機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。

3　數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理是逆向工程的關(guān)鍵一步,，結(jié)果將直接影響后期模型重構(gòu)的質(zhì)量,，此過程包括以下幾方面的工作：(1)數(shù)據(jù)預(yù)處理；(2)數(shù)據(jù)分塊,；(3)數(shù)據(jù)光順,；(4)數(shù)據(jù)優(yōu)化。本設(shè)計(jì)中,，采用最簡潔的方法,，即通過人機(jī)交互，圖形顯示,，判別明顯壞點(diǎn),，在數(shù)據(jù)序列中將這些點(diǎn)刪除。

在Pro/E程序中,，選用主菜單命令[File]/[New]中新建一個(gè)實(shí)體零件，然后選擇主菜單命令[Application]/[Scan-tools],，指定數(shù)據(jù)密度模式(低密度模式)，建立坐標(biāo)系,，讀入數(shù)據(jù)后即可生成曲線,。若原始測量數(shù)據(jù)存在較大的誤差，必須用去除噪聲點(diǎn)(Remove Scan Point)的方法去除那些偏差較大的點(diǎn),。也可通過新建掃描曲線(Create Scan Curve),、連接掃描曲線(Join Scan Curve)、分開掃描曲線(Separate Scan Curve)等方法,，對(duì)曲線進(jìn)行直接處理,，即可獲得大致令人滿意的曲線，如圖2所示,。

生成掃描曲線后,，即可創(chuàng)建光滑曲線，用給定點(diǎn)數(shù)法(Number of Points)等方法對(duì)曲線進(jìn)行調(diào)整和光順處理,。

4　CAD建模

Pro/E有很多功能強(qiáng)大的模塊,，比如零件建模模塊，工程圖模塊,，數(shù)控加工模塊等等,，這里我們使用零件建模模塊進(jìn)行反求建模。

在零件(Part)模塊下創(chuàng)建出3DCADMoｄel,。完成3DCADMoｄel創(chuàng)建后,，可進(jìn)一步利用Ｖiew/Aｄ vanceｄ→Pｈotorenｄer制作高品質(zhì)的渲染圖

5　數(shù)控加工

將創(chuàng)建好的3DCADMoｄel匯入Pro/E的Manufac turinｇ模塊，建立新的Pro/NC文件(創(chuàng)建新的Pro/NC制造模型),，在New菜單下選擇NC組件選項(xiàng)按鈕,。在菜單管理器中選擇制造模型選項(xiàng)、選擇裝配中的參考模型項(xiàng),、打開建模的模型,。選擇制造設(shè)置，設(shè)置各種參數(shù)設(shè)置,，其中包括機(jī)床,、刀具、夾具,、參照,、退刀等的設(shè)置。接下來就可以進(jìn)行加工設(shè)置了,，選擇加工中的NC序列,，在其中的加工中選擇輪廓選項(xiàng)、接著進(jìn)行序列設(shè)置,，包括刀具的選擇,、曲線的選擇,、參數(shù)的設(shè)置等，通過輪廓加工方法對(duì)凸輪的外輪廓線進(jìn)行加工,。加工過程的動(dòng)畫演示如圖4所示,。判斷加工的合理性，并作適當(dāng)?shù)男拚?。?duì)于其它各部分(圓孔)的加工可以按照上面的方法進(jìn)行操作

等確定各加工過程準(zhǔn)確無誤后就可以進(jìn)行程序的輸出了,。在菜單管理器中選擇CL數(shù)據(jù)選項(xiàng)、選擇輸出→軌跡→文件,、選中CL文件和MCD文件選項(xiàng),，則NC加工程序的輸出生成完成,。

至此,，經(jīng)過上述反求建模，NC加工程序生成后,，再將Pro/E生成的數(shù)控加工代碼經(jīng)過一定的手工設(shè)定后,，送至電火化線切割機(jī)或加工中心加工，即可完成凸輪的反求設(shè)計(jì)與制造,。
逆向工程是全新的制造技術(shù)信息化,、科學(xué)化的系統(tǒng)工程，開辟了設(shè)計(jì)制造零件的新途徑?，F(xiàn)代幾何信息數(shù)字化獲取技術(shù)和以Pro/E為代表的三維造型技術(shù),，為逆向工程提供了強(qiáng)有力的模型設(shè)計(jì)工具。逆向工程作為一項(xiàng)新技術(shù)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)和制造方面,，能大大地縮短設(shè)計(jì)制造周期,，這一技術(shù)正以其獨(dú)特的優(yōu)勢，在產(chǎn)品的開發(fā)中發(fā)揮著越來越大的作用,。

三維掃描儀技術(shù)和逆向工程技術(shù)又稱“三維復(fù)制技術(shù)”,，它可以深入到任何復(fù)雜的現(xiàn)場環(huán)境及空間中進(jìn)行掃描操作，并直接將各種大型的,、復(fù)雜的,、不規(guī)則、標(biāo)準(zhǔn)或非標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)體或?qū)嵕暗娜S數(shù)據(jù)完整的掃描到電腦中,，進(jìn)而快速重構(gòu)出目標(biāo)的三維模型及線,、面、體,、空間等各種制圖數(shù)據(jù),，同時(shí)，它所掃描的三維激光/結(jié)構(gòu)光點(diǎn)云數(shù)據(jù)還可進(jìn)行各種后處理工作（如：測繪,、計(jì)量,、分析,、仿真、模擬,、展示,、監(jiān)測、虛擬現(xiàn)實(shí),、… 等）,，它是各種正向工程工具的對(duì)稱應(yīng)用工具，即：逆向工程工具,。

快速自動(dòng)成型(Rapid Prototyping)技術(shù)是近年來發(fā)展起來的直接根據(jù)CAD模型快速生產(chǎn)樣件或零件的成組技術(shù)總稱,，它集成了CAD技術(shù)、數(shù)控技術(shù),。激光技術(shù)和材料技術(shù)等現(xiàn)代科技成果:是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分,。與傳統(tǒng)制造方法不同，快速成型從零件的CAD幾何模型出發(fā),，通過軟件分層離散和數(shù)控成型系統(tǒng),，用激光束或其他方法將材料堆積而形成實(shí)體零件。由于它把復(fù)雜的三維制造轉(zhuǎn)化為一系列二維制造的疊加,，因而可以在不用模具和工具的條件下生成幾乎任意復(fù)雜的零部件,，極大地提高了生產(chǎn)效率和制造柔性。
　　快速自動(dòng)成型技術(shù)問世不到十年,，已實(shí)現(xiàn)了相當(dāng)大的市場,，發(fā)展非常迅速。人們對(duì)材料逐層添加法這種新的制造方法已逐步適應(yīng),。制造行業(yè)的工作人員都想方設(shè)法利用這種現(xiàn)代化手段,，與傳統(tǒng)制造技術(shù)的接軌工作也進(jìn)展順利。人們用其長避共短,，效益非凡,。與數(shù)控加工、鑄造,、金屬冷噴涂,、硅膠模等制造手段一起，快速自動(dòng)成型已成為現(xiàn)代模型,、模具和零件制造的強(qiáng)有力手段,，在航空航天、汽車摩托車,、家電等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,。
　　快速成型的過程是首先生成一個(gè)產(chǎn)品的三維CAD實(shí)體模型或曲面模型文件，將其轉(zhuǎn)換成STL文件格式，再用一軟件從STL文件 "切"(Slice)出設(shè)定厚度的一系列的片層,，或者直接從CAD文件切出一系列的片層,，這些片層按次序累積起來仍是所設(shè)計(jì)零件的形狀。然后,，將上述每一片層的資料傳到快速自動(dòng)成型機(jī)中去,，類似于計(jì)算機(jī)向打印機(jī)傳遞打印信息，用材料添加法依次將每一層做出來并同時(shí)連結(jié)各層,，直到完成整個(gè)零件,。因此，快速自動(dòng)成型可定義為一種將計(jì)算機(jī)中儲(chǔ)存的任意三維型體信息通過材料逐層添加法直接制造出來,，而不需要特殊的模具,、工具或人工干涉的新型制造技術(shù)。
快速成型技術(shù)與傳統(tǒng)方法相比具有獨(dú)特的優(yōu)越性和特點(diǎn):
　　?。?）產(chǎn)品制造過程幾乎與零件的復(fù)雜性無關(guān),，可實(shí)現(xiàn)自由制造(Free FormFabrication)，這是傳統(tǒng)方法無法比擬的,。
　　?。?）產(chǎn)品的單價(jià)幾乎與批量無關(guān),，特別適合于新產(chǎn)品的開發(fā)和單件小批量零件的生產(chǎn),。
　　　（3）由于采用非接觸加工的方式,，沒有工具更換和磨損之類的問題,，可做到無人值守，無需機(jī)加工方面的專門知識(shí)就可操作,。
　　?。?）無切割、噪音和振動(dòng)等,，有利于環(huán)保,。
　　　（5）整個(gè)生產(chǎn)過程數(shù)字化,，與CAD模型具有直接的關(guān)聯(lián),，零件可大可小，所見即所得,，可隨時(shí)修改,，隨時(shí)制造。
　　?。?）與傳統(tǒng)方法結(jié)合,，可實(shí)現(xiàn)快速鑄造，快速模具制造,，小批量零件生產(chǎn)等功能,，為傳統(tǒng)制造方法注入新的活力,。

　　光固化立體造型（SL—Stereolithography）
　　該技術(shù)以光敏樹脂為原料，將計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光按預(yù)定零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描,，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng),，從而形成零件的一個(gè)薄層截面。當(dāng)一層固化完畢,，移動(dòng)工作臺(tái),，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液態(tài)樹脂以便進(jìn)行下一層掃描固化。新固化的一層牢固地粘合在前一層上,，如此重復(fù)直到整個(gè)零件原型制造完畢,。
SL法是第一個(gè)投入商業(yè)應(yīng)用的RP技術(shù)。目前全球銷售的SL設(shè)備約占RP設(shè)備總數(shù)的70％左右,。 這種方法的特點(diǎn)是精度高,、表面質(zhì)量好。原材料利用率將近100％,，能制造形狀特別復(fù)雜（如空心零件）,、特別精細(xì)（如手飾、工藝品等）的零件,。
　　分層物件制造(LOM—Laminated Object Manufacturing)
　　LOM工藝將單面涂有熱溶膠的紙片通過加熱輥加熱粘接在一起,，位于上方的激光器按照CAD分層模型所獲數(shù)據(jù)，用激光束將紙切割成所制零件的內(nèi)外輪廓,，然后新的一層紙?jiān)侬B加在上面,，通過熱壓裝置和下面已切割層粘合在一起，激光束再次切割,，這樣反復(fù)逐層切割一粘合一切割……直至整個(gè)零件模型制作完成,。
　　選擇性激光燒結(jié)(SLS—Se1ected Laser Sintering)
　　該法采用CO2激光器作能源，目前使用的造型材料多為各種粉未材料,。在工作臺(tái)上均勻鋪上一層很?。?00μ~200μ）的粉未，激光束在計(jì)算機(jī)控制下按照零件分層輪廓有選擇性地進(jìn)行燒結(jié),，一層完成后再進(jìn)行下一層燒結(jié),。全部燒結(jié)完后去掉多余的粉未，再進(jìn)行打磨,、烘干等處理便獲得零件,。目前，成熟的工藝材料為蠟粉及塑料粉,，用金屬粉或陶瓷粉進(jìn)行粘接或燒結(jié)的工藝還正在實(shí)驗(yàn)研究階段,。
　　熔融沉積造型(FDM—Fused Deposition Modeling)
　　FDM工藝的關(guān)鍵是保持半流動(dòng)成型材料剛好在熔點(diǎn)之上（通常控制在比熔點(diǎn)高1℃左右）。FDM噴頭受CAD分層數(shù)據(jù)控制使半流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料（絲材直徑一般在1.5mm以上）從噴頭中擠壓出來,，凝固形成輪廓形狀的薄層,。每層厚度范圍在0．025～0．762mm，一層疊一層最后形成整個(gè)零件模型,。

我們所使用的測量設(shè)備是手動(dòng)三坐標(biāo)劃線機(jī),，可以測量剖面、輪廓,、分型線,。所以測量點(diǎn)的數(shù)據(jù)量不會(huì)象激光掃描儀測量的那么大。比如一個(gè)汽車保險(xiǎn)杠的測量點(diǎn)個(gè)數(shù)大約在10000—20000之間,，一輛踏板摩托車的全部塑料覆蓋件的測量點(diǎn)大約在50000個(gè)左右,。所以用一些非專業(yè)的逆向設(shè)計(jì)軟件（如UG、pro/E,、CATIA等）是很適合的,。對(duì)于大量的掃描數(shù)據(jù)，用專業(yè)的逆向軟件（如Surfacer,、CopyCAD）則更合適,。 
      UG的逆向設(shè)計(jì)遵循點(diǎn)——線——面——體的一般原則。 
一,、測點(diǎn) 
      測點(diǎn)之前先規(guī)劃好該怎么打點(diǎn),。測點(diǎn)的一般原則是在曲率變化比較大的地方打點(diǎn)要密一些，平滑的地方則可以稀一些,。值得注意的是除了測剖面,、分型線外，測輪廓線等特征線也是必要的,，它會(huì)在構(gòu)面的時(shí)候帶來方便。 

二,、連線 
     連線之前先整理好點(diǎn),。包括去誤點(diǎn)，同方向的剖面點(diǎn)放在同一層里,，分型線點(diǎn),、孔位點(diǎn)單獨(dú)放一層，輪廓點(diǎn)也單獨(dú)放一層,，便于管理,。 
    接下來可以連線，先連分型線點(diǎn),，后連剖面點(diǎn),。連分型線點(diǎn)盡量做到誤差最小并且光順。因?yàn)橐话闱闆r下分型線是產(chǎn)品的裝配結(jié)合線。對(duì)汽車,、摩托車來說,，連線的誤差一般控制在0.5mm以下。連線要做到有的放矢,，根據(jù)樣品的形狀,、特征大致確定構(gòu)面方法，從而確定需要連哪些線條,，不必連哪些線條,。連線可用直線、圓弧,、樣條線（spline）,。最常用的是樣條線，選用“through point”方式,。選點(diǎn)間隔盡量均勻,，有圓角的地方先忽略，做成尖角,，做完曲面后再倒圓角,。因測量有誤差及樣品表面不光滑等原因，連成的spline需要調(diào)整,，使其光順,。調(diào)整中最常用的一種方法是Edit Spline,選Edit pole選項(xiàng)，利用鼠標(biāo)拖動(dòng)控制點(diǎn),，這里有許多選項(xiàng),，如限制控制點(diǎn)在某個(gè)平面內(nèi)移動(dòng)、往某個(gè)方向移動(dòng),、是粗調(diào)還是細(xì)調(diào),、以及打開顯示spline的“梳子”開關(guān)等，具體的調(diào)整在下一次的例子中詳細(xì)說明,。另外,，調(diào)整spline經(jīng)常還要用到移動(dòng)spline的一個(gè)端點(diǎn)到另一個(gè)點(diǎn)，使構(gòu)建曲面的曲線有交點(diǎn),，這點(diǎn)要比pro/E好,。 

三、構(gòu)面 
        運(yùn)用各種構(gòu)面方法建立曲面,，包括Though Curve Mesh,Though Curves,Swept,Rule,From point cloud 等,，要根據(jù)樣品的具體特征而采用相應(yīng)的構(gòu)面方法。我最常用的是Though Curve Mesh,而有的人用的最多的是Though cuvres,。Though curve mesh構(gòu)面可以保證曲面邊界曲率的連續(xù)性,，因?yàn)門hough curve mesh可以控制四周邊界曲率（相切）,，而Though curves 只能保證兩邊曲率。假如兩曲面交線要倒圓角,，因Though curve mesh 的邊界就是兩曲面的交線,，顯然這條線要比兩個(gè)Though Curves曲面的交線光順，這樣Blend出來的圓角質(zhì)量是不一樣的,。 
      我初學(xué)點(diǎn)造型的時(shí)候,，兩個(gè)面之間往往有“折痕”，很難看,，這主要是這兩個(gè)面不相切所致,。解決這問題可以通過調(diào)整參與構(gòu)面（Though curve mesh）曲線的端點(diǎn)與中一個(gè)面中的對(duì)應(yīng)曲線相切，再加上Though curve mesh 邊界相切選項(xiàng)即可解決,，只有曲線相切,，才能保證曲面相切！ 
      另外,，有時(shí)候做一個(gè)單張且比較平坦的曲面（如汽車,、摩托車的前大燈燈面）時(shí)，直接用點(diǎn)云構(gòu)面（from point cloud）更方便更準(zhǔn)確,。有時(shí)面之間的空隙要橋接（Bridge）,，以保證曲面光滑過渡。 
      構(gòu)建曲面時(shí)還要注意,，當(dāng)一張曲面不光順時(shí),，可求此曲面的一些Section，再調(diào)整這些Section使其光順,，再利用這些Section重新構(gòu)面,，效果會(huì)好些，這一招也經(jīng)常要用到,。 
      在構(gòu)建曲面的過程中,，有時(shí)也還要再加連一些線條，用于構(gòu)面,，連線和構(gòu)面要經(jīng)常交替進(jìn)行,。 
      曲面建成后，要檢查曲面的誤差,，一般測量點(diǎn)到面的誤差，像摩托車,、汽車塑料件等,，不要超過1mm。 
     構(gòu)面最主要的是抓住樣件的特征,，該有圓角的地方就要圓角,，該尖角的地方就要輪廓清晰,。 
     構(gòu)面還要注意簡潔。面要盡量做得大,，張數(shù)少,，不要太碎，有利于后面增加一些圓角,、斜度,、增厚等特征，而且也有利于下一步編程加工,，刀路的計(jì)算量會(huì)減少,，NC文件也小。 

四,、構(gòu)體 
      當(dāng)外表面完成后,，下一步就要以構(gòu)建實(shí)體模型。當(dāng)模型比較簡單且所做的外表面質(zhì)量比較好時(shí),，用縫合增厚指令就可建立實(shí)體,。但大多數(shù)情況卻不能增厚，所以只能采用Offset偏置外表面,。用Offset指令可同時(shí)選多個(gè)面或用窗口全選,，會(huì)提高效率。對(duì)于那些無法偏置的曲面,，要學(xué)會(huì)分析原因,。一種可能是由于曲面本身曲率太大，偏置后會(huì)自相交,，導(dǎo)致Offset失?。ㄓ行┸浖乃惴ㄅc此算法不同，如犀牛王就可Offset那些會(huì)產(chǎn)生自相交的曲面）,，如小圓角,。另一種可能是被偏置曲面的品質(zhì)不好，局部有波紋,，這種情況只能修改好曲面后再Offset,。還有一些曲面看起來很好，但就是不能Offset,，遇到這種情況可用Extract Geometry成B 曲面后,，再Offset，十有八九會(huì)成功,。偏置后的曲面有的需要裁剪,，有的需要補(bǔ)面，用各種曲面編輯手段完成內(nèi)表面的構(gòu)建,，然后縫合內(nèi)外表面成一solid,，最后再進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),，如加強(qiáng)筋、安裝孔等,。 
      總之,，這種點(diǎn)——線——面的傳統(tǒng)逆向設(shè)計(jì)比較耗時(shí)，如完整地設(shè)計(jì)一個(gè)比較復(fù)雜的汽車前保險(xiǎn)杠,，需要10—20天時(shí)間,。憑我個(gè)人的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)產(chǎn)品的特征如何規(guī)劃,、分割產(chǎn)品,，以及用哪些曲線去構(gòu)造曲面，是搞好逆向設(shè)計(jì)的關(guān)鍵,。

   軟件對(duì)于我們來說很重要,，不僅對(duì)社會(huì)，還對(duì)國家起著很大的作用,，所以我們要學(xué)好這些軟件來為國家做出我們的一份力量,。