逆向工程的研究

渔夫

一.逆向工程的概念
& E0 g  ?/ `0 c9 J2 m    逆向工程（Reverse Engineering,RE）是对产品设计过程的一种描述.在工程技术人员的一般概念中,产品设计过程是一个从无到有的过程,即设计人员首先在大脑中构思产品的外形、性能和大致的技术参数等,然后通过绘制图纸建立产品的三维数字化模型,最终将这个模型转入到制造流程中,完成产品的整个设计制造周期.这样的产品设计过程我们称为“正向设计”过程.逆向工程产品设计可以认为是一个“从有到无”的过程.简单地说,逆向工程产品设计就是根据已经存在的产品模型,反向推出产品设计数据(包括设计图纸或数字模型)的过程.从这个意义上说,逆向工程在工业设计中的应用已经很久了.早期的船舶工业中常用的船体放样设计就是逆向工程的很好实例.随着计算机技术在制造领域的广泛应用,特别是数字化测量技术的迅猛发展,基于测量数据的产品造型技术成为逆向工程技术关注的主要对象.通过数字化测量设备(如坐标测量机、激光测量设备等)获取的物体表面的空间数据,需要利用逆向工程技术建立产品的三维模型,进而利用CAM系统完成产品的制造.因此,逆向工程技术可以认为是将产品样件转化为三维模型的相关数字化技术和几何建模技术的总称.逆向工程的实施过程是多领域、多学科的协同过程.逆向工程的整个实施过程包括了从测量数据采集、处理到常规CAD/CAM系统,最终与产品数据管理系统(PDM系统)融合的过程.工程的实施需要人员和技术的高度协同、融合.
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% S! R; o: ?, W1 x3 s% F    二.逆向工程实施原理
    逆向工程在CAD/CAM系统中的作用逆向工程技术不是一个孤立的技术,它和测量技术及现有CAD/CAM系统有着千丝万缕的联系.但是在实际应用过程中,由于大多数工程技术人员对逆向工程技术不够了解,将逆向工程技术与现有CAD/CAM技术等同起来,用现有CAD/CAM系统的技术水平要求逆向工程技术,往往造成人们对逆向工程技术的不信任和误解.从理论角度分析,逆向工程技术能够按照产品的测量数据重建出与现有CAD/CAM系统完全兼容的三维模型,这是逆向工程技术的最终实现目标.但是我们应该看到,目前人们所掌握的技术,包括工程上的和纯理论上的(如曲面建模理论).都还无法满足这种要求.特别是针对目前比较流行的大规模“点云”数据建模,更是远未达到可以直接在CAD系统中应用的程度.因此我们认为,目前逆向工程CAD技术与现有CAD/CAM系统的关系只能是一种相辅相成的关系.现有CAD/CAM系统经过几十年的发展,无论从理论还是实际应用上都已经十分成熟,在这种状况下，现有CAD/CAM系统不会也不可能为了满足逆向工程建模的特殊要求变更系统底层.另一方面,逆向工程技术中用到的大量建模方法完全可以借鉴现有CAD/CAM系统,不需要另外搭建新平台.基于这种分析,我们认为逆向工程技术在整个制造体系链中处于从属、辅助建模的地位,逆向工程技术可以利用现有CAD/CAM系统,帮助其实现自身无法完成的工作.有了这种认识,我们就可以明白为什么逆向工程技术(包括相应的软件)始终不是市场上的主流,而大多数CAD/CAM系统又均包含逆向工程模块或第三方软件包这样一种情况.
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    三.逆向工程技术在模具行业中的应用
2 S9 b; [% p& T/ L    从逆向工程的概念和技术特点可以看出,逆向工程的应用领域主要是飞机、汽车、玩具和家电等模具相关行业.近年来随着生物、材料技术的发展,逆向工程技术也开始应用在人工生物骨骼等医学领域.但是其最主要的应用领域还是在模具行业.由于模具制造过程中经常需要反复试冲和修改模具型面.若测量最终符合要求的模具并反求出其数字化模型,在重复制造该模具时就可运用这一备用数字模型生成加工程序,可以大大提高模具生产效率,降低模具制造成本.逆向工程技术在我国,特别是以生产各种汽车、玩具配套件的地区、企业有着十分广阔的应用前景.这些地区、企业经常需要根据客户提供的样件制造出模具或直接加工出产品.在这些企业,测量设备和CAD/CAM系统是必不可少的,但是由于逆向工程技术应用不够完善,严重影响了产品的精度以及生产周期.因此,逆向工程技术与CAD/CAM系统的结合对这些企业的应用有重要意义.这一点我们在多年的技术服务过程中深有体会.一方面各个模具企业非常欢迎在企业推广逆向工程技术,但另一方面又苦于缺乏必要的指导和合适的软件产品。这种情况严重制约了逆向工程技术在模具行业的推广.与CAD/CAM系统在我国几十年的应用时间相比，逆向工程技术为工程技术人员所了解只有十几年甚至几年的时间.时间虽短,但逆向工程技术广泛的应用前景已经为大多数工程技术人员所关注,这对提高我国模具制造行业的整体技术含量,进而提高产品的市场竞争力具有重要的推动作用.

* M* }$ ~0 B' v4 V+ y3 A$ h    四.逆向工程软件逆向工程的实施需要逆向工程软件的支撑
    逆向工程软件的主要作用是接收来自测量设备的产品数据,通过一系列的编辑操作,得到品质优良的曲线或曲面模型,并通过标准数据格式将这些曲线曲面数据输送到现有CAD/CAM系统中,在这些系统中完成最终的产品造型.由于无法完全满足用户对产品造型的需求,因此逆向工程CAD软件很难与现有主流CAD/CAM系统,如CATIA、ug、Pro/ENGINEER和SolidWorks等抗衡.很多逆向工程软件成为这些CAD/CAM系统的第三方软件.如UG采用ImageWare作为UG系列产品中完成逆向工程造型的软件,Pro/ENGINEER采用ICEM Surf作为逆向工程模块的支撑软件.此外还有一些独立的逆向工程软件,如GeoMagic等,这些软件一般具有多元化的功能.例如,GeoMagic除了处理几何曲面造型以外,还可以处理以CT、MRI数据为代表的断层界面数据造型,从而使软件在医疗成像领域具有相当的竞争力.另外一些逆向工程软件作为整体系列软件产品中的一部分,无论数据模型还是几何引擎均与系列产品中的其他组件保持一致,这样做的好处是逆向工程软件产生的模型可以直接进入CAD或CAM模块中,实现了数据的无缝集成,这类软件的代表是DELCAM公司的CopyCAD.下面介绍几个比较著名的逆向工程软件.GeoMagic(www.geomaigc.com)美国RainDrop公司的逆向工程软件,具有丰富的数据处理手段,可以根据测量数据快速构造出多张连续的曲面模型.软件的应用领域包括了从工业设计到医疗仿真等诸多方面,用户包括通用汽车、BMW等大制造商.ImageWare作为UG NX中提供的逆向工程造型软件,ImageWare具有强大的测量数据处理、曲面造型、误差检测功能.可以处理几万至几百万的点云数据.根据这些点云数据构造的A级曲面(CLASS A)具有良好的品质和曲面连续性.ImageWare的模型检测功能可以方便、直观地显示所构造的曲面模型与实际测量数据之间的误差以及平面度、真圆度等几何公差.CopyCAD是英国DELCAM公司系列CAD产品中的一个,主要处理测量数据的曲面造型.DELCAM的产品涵盖了从设计到制造、检测的全过程.包括PowerSHAPE、PowerMill、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS－TEAM等诸多软件产品.作为系列产品的一部分,CopyCAD与系列中的其他软件可以很好地集成.RapidForm是由韩国INUS公司开发的逆向工程软件.主要用于处理测量、扫描数据的曲面建模以及基于CT数据的医疗图像建模,还可以完成艺术品的测量建模以及高级图形生成.RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面检测的工具,用户可以方便的利用以前构造的曲线网格经过缩放处理后应用到新的模型重构过程中.以上介绍的是目前较常见的逆向工程软件,在国内能够见到的商品化的逆向工程软件均是国外的.国内在逆向工程软件方面虽然也有研究,但是主要集中在几所高校.其中以清华大学、浙江大学、南京航空航天大学在这方面的研究比较深入,这些研究成果也有一些以软件产品形式出现,由于系统稳定性、可操作性等方面的原因,这些研究性软件还没有完全具备与国外商业化软件竞争的条件.由国内逆向工程领域专业人士参与开发的逆向工程软件QuickForm 是国内逆向工程软件中较好的一个.该系统采用先进的几何引擎,运行稳定性好,具有良好的可操作性.由于开发人员具有丰富的逆向工程实施经验,因此系统中的功能设置、操作方式符合国内用户的习惯,这是国外软件所无法具备的.QuickForm的另一个优势是价格优势,QuickForm的价格在同类软件中具有极强的竞争力.同时,使用国产软件也是对国内制造业和软件行业的支持