逆向工程原理及應用

傳統以來，工業產品的開發均是循著序列嚴謹的研發流程，從功能與規格的預期指標確定開始，構思產品的零組件需求，再由各個元件的設計、制造以及檢驗零組件組裝、檢驗整機組裝、性能測試等程序來完成。每個元件都保留有原始的設計圖，此設計圖目前已廣用CAD圖檔來保存。每個元件的加工也有所謂的工令圖表，對復雜形狀元件則以CAM軟體產生NC加工檔案來保存。每個元件的尺寸合格與否則以品管檢驗報告來記錄。這些所記錄的檔案均屬公司的智慧財產，一般通稱機密(Know-how)。這種開發模式稱為預定模式(Prescriptivemodel)，此類開發工程亦通稱為順向工程(ForWardEngineering)。對每一元件來說，其順向工程的流程。

與之相反的稱之為逆向工程，也稱反求工程、反向工程等，其思想最初來自從油泥模型到產品實物的設計過程，但直到20世紀90年代，才開始引起各國工業界的高度重視。隨著計算機技術，特別是數字測量技術的迅猛發展，RE技術能實現已有復雜外觀造型的樣件或實物模型、三維測量數據、三維產品模型、產品的一體化開發全過程，為制造業提供了一個全新的、高效的產品開發方案。除了在航空航天、汽車工業、模具行業、消費性電子產品、玩具等傳統領域得到了廣泛的應用外，RE技術也開始在人體工程，服裝、數字化博物館、藝術品仿制與破損修復等領域得到應用。另外，在醫學領域，如骨科顱骨修復、義耳義肢修復、假牙設計等方面都有應用。

20世紀80年代中期發展起來的快速成型（RP）技術，是指在計算機的控制和管理下，有零件CAD模型直接驅動，采用材料精確堆積復雜三維實體的原型或零件的制造技術。RP技術徹底改變了制造業的生產技術，成為先進的CAD制造技術的重要組成部分，其最大特點在于制造的高柔性，即無需任何專用工具，可由零件的CAD模型，直接驅動設備完成零件或零件原型的成型制造。RP技術應用幾乎包括了制造領域的各個行業，同時在醫療、人體工程、文物保護等行業也獲得了廣泛的應用。

逆向工程具有與傳統設計制造過程截然不同的設計流程。在反求工程中，按照現有的零件原形進行設計生產，零件所具有幾何特征與技術要求都包含在原形中；在傳統的設計制造中，按照零件最終所要承擔的功能以及各方面的影響因素，進行從無到有的設計。此外，從概念設計出發到最終形成CAD模型的傳統設計是一個確定的明晰過程，而通過對現有零件原形數字化后在形成CAD模型的反求工程是一個推理，逼近的過程。

逆向工程一般可分為四個階段：

第一步:零件原形的數字化

通常采用三坐標測量機(CMM)或激光掃描儀等測量裝置來獲取零件原形表面點的三維坐標值。

第二部:從測量數據中提取零件原形的幾何特征

按測量數據的幾何屬性對其進行分割，采用幾何特征匹配與識別的方法來獲取零件原形所具有的設計與加工特征。

第三部:零件原形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，并通過各表面片的求交與拼接獲取零件原形表面的CAD模型。

第四部:重建CAD模型的檢驗與修正

采用根據獲得的CAD模型重新測量和加工出樣品的方法來檢驗重建的CAD模型是否滿足精度或其他試驗性能指標的要，對不滿足要求者重復以上過程，直至達到零件的逆向工程設計要求。

2)逆向工程中常用的測量方法

逆向工程中的測量方法可分成兩類:接觸式與非接觸式。

(1)接觸式測量方法

坐標測量機

坐標測量機是一種大型精密的三坐標標測量儀器，可以對具有復雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標測量機一般采用觸發式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標值。九十年代初，英國Renishaw公司研制出一種三維力一位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續獲取表面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數字化速度最高可達500點/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛采用。坐標測量機主要優點是測量精度高，適應性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質表面無法進行逆向工程測量。

層析法

層析法是近年來發展的一種反求工程逆向工程技術，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結合的方法獲取零件原形不同位置截面的內外輪廓數據，并將其組合起來獲得零件的三維數據。層析法的優點在于任意形狀，任意結構零件的內外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。

(2)非接觸式逆向工程測量方法

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。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學測量方法（含數字圖像處理方法）作一簡要說明。

基于光學三角型原理的逆向工程掃描法

這種測量方法根據光學三角型測量原理，以光作為光源，其結構模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據光點或光條在物體上成象的偏移，通過被測物體基平面、象點、象距等之間的關系計算物體的深度信息。

基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法

這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調制，其條紋間的相位關系會發生變化，數字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。

基于工業CT斷層掃描圖像逆向工程法

這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描,以X射線的衰減系數為依據，經處理重建斷層截面圖像，根據不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對被測物體內部的結構和形狀進行無損測量。該方法造價高，測量系統的空間分辨率低，獲取數據時間長，設備體積大。美國LLNL實驗室研制的高分辨率ICT系統測量精度為0.01mm。

立體視覺測量方法

立體視覺測量是根據同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝象機拍攝的圖像中的視差，以及攝象機之間位置的空間幾何關系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處于兩個（多個）攝象機共同視野內的目標特征點進行測量，而無須伺服機構等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數字圖象中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現了以將具有空間編碼的特征的結構光投射到被測物體表面制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與測量點的數量上仍需改進。

逆向工程做為一種非常高效的產品設計思路和方法，可以迅速、精確、方便地獲得得實物的三維數據及模型。為產品提供先進的開發、設計及制造的技術支撐。它改變了傳統產品設計開發模式,大大縮短了產品開發的時間周期,提高產品研發的成功率。目前，逆向工程在各個

領域發揮著重要作用，比如汽車外觀設計、醫學上的人工器官等。但逆向工程的主要應用部分還是在模具專業上，它大大促進了我國制造業的發展。