1 引言

　　目前，逆向工程研究(Reverse Engineering，RE)受到越來越多的重視。逆向工程技術是從測量過程開始，通過檢測實體的曲面輪廓、應用CAD幾何造型技術來構造曲面模型。該研究是分析逆向工程的實施條件和應用領域，論述逆向工程軟件和商業(yè)化CAD/CAM軟件的特點，實現(xiàn)多樣性和創(chuàng)新性的設計，其開發(fā)過程主要包括：用測量系統(tǒng)獲得數(shù)據(jù)點并重構其CAD模型;對構造的CAD模型進行輪廓形狀測試和驗證;通過模具、雕塑曲面，CNC加工和快速原型法重構逆向工程的實體模型。產(chǎn)品的開發(fā)流程如圖1所示。

　　圖1逆向工程產(chǎn)品開發(fā)流程圖

　　逆向工程目前主要應用于汽車、模具等工業(yè)領域。將實體模型與設計的陶制或木制模型進行比較，生成特定的人體曲面來滿足航空制服和頭盔設計等的需要。逆向工程方法與快速原型制造技術在醫(yī)學上也有應用，如人工肢體的設計和安裝、外科手術植入和修復設計等。該技術為快速設計和制造提供了強有力的技術支持，已成為制造業(yè)信息傳遞的重要途徑之一。

　　2逆向工程技術條件

　　(1)逆向工程硬件技術條件

　　逆向工程硬件技術條件中檢測設備具有重要的地位，檢測設備的發(fā)展為產(chǎn)品三維信息的獲取提供了硬件保障。國內(nèi)使用較多的檢測設備有英國、意大利、德國、日本等國家生產(chǎn)的三坐標測量機和三維掃描設備。如Talon坐標測量機代表了便攜搖臂式三維測量精度技術的新水平，其分辨率達到3/μm;英國LK公司生產(chǎn)的LK Ultra測量機的測量精度可達到亞微米級，重復定位精度為0.5μm，空問精度在其整個測量空間內(nèi)為(0.9+L/500)μm;日本三豐(Mitutoyo)公司的Leges測量機是亞微米精度最高的一種生產(chǎn)型測量機，該機的空問測量精度為(O.48+三/1000)μm;英國Taylor Hobson公司開發(fā)的HoloMapper和SurfAcer兩種測量儀器采用激光全息成像技術和CCD光學傳感技術來采集和顯示被測表面數(shù)據(jù)。這種完全封閉式的技術過去應用于衛(wèi)星測繪，而現(xiàn)在已被用于車問現(xiàn)場測量。加拿大Virtek Vision公司開發(fā)的Virtek Laser QC是一臺新型非接觸式測量機，將被測工件置于(800×800)mm2的玻璃檢測臺上，利用激光從上面對其進行掃描。一般在10秒鐘內(nèi)可達到±0.05mm的精度，通過設定分辨率掃描圖像，激光可以被觸發(fā)進行掃描，并將零件數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬎銠C系統(tǒng)中;英國雷尼紹公司的CYCLON2高速掃描儀可實現(xiàn)激光測頭和接觸式掃描頭的互換，激光測頭的掃描精度達0.05mm，接觸式掃描測頭精度可達0.02mm;德國GOM公司的ATOS掃描儀在測量時，不僅適于復雜輪廓的掃描，而且可用于汽車、摩托車內(nèi)外飾件的造型工作。測量設備的發(fā)展集中體現(xiàn)了檢測設備的高速化、高精度、系統(tǒng)化、集成化和智能化等特點，為逆向工程技術提供了硬件支撐。不同的測量對象、目的，決定了測量過程和測量方法的不同。在實際測量時，應該根據(jù)測量對象的特點以及設計工作的要求，確定合適的掃描方法和掃描設備。

　　(2)逆向工程技術實施的軟件條件

　　逆向工程軟件的主要作用是接受來自測量設備的產(chǎn)品數(shù)據(jù)(如測量點云)，通過一系列的編輯操作，得到品質(zhì)優(yōu)良的曲線或曲面模型，并通過標準數(shù)據(jù)格式傳送到CAD/CAM系統(tǒng)中，在這些系統(tǒng)中完成最終的產(chǎn)品造型。在逆向工程設計中，需要交互使用CAD/CAM軟件和專門的逆向工程軟件來完成樣件的設計。逆向工程軟件具有較強的點云處理功能，但造型功能不夠完善，一般后期都是利用CAD/CAM軟件來實現(xiàn)最終的產(chǎn)品設計、模具設計和數(shù)控加工。

　　比較常用的通用逆向工程軟件包括Imageware、SurfAcer、Delcam、CopyCAD、Geomagic studio、Cimatron以及Strim。一些大型CAD軟件也為逆向工程提供了設計模塊，例如Pro/E的ICEM Surf和Pro/SCANTOOLS模塊，可以接受有序點(測量線)，也可以接受點云數(shù)據(jù)。這些軟件的發(fā)展為逆向工程的實施提供了軟件支撐。

　　在實際設計中采用Imageware作為逆向工程軟件，因其具有強大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測等功能，可以處理幾萬至幾百萬的點云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點云數(shù)據(jù)構造的曲面具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性，其檢測功能可以方便、直觀地顯示所構造的曲面模型與實際測量數(shù)據(jù)誤差。而UG軟件作為高端設計制造軟件整合了從產(chǎn)品設計、曲面造型、模具設計及模具數(shù)控加工編程的能力，在產(chǎn)品的后期處理、修正以及模具設計加工中有著極大的優(yōu)勢。

　　3逆向工程設計思路

　　3.1分析原型

　　從某種意義上看，逆向設計也是一個重新設計的過程。進行逆向設計前，應對原型進行分析，理解原型的設計思想，也可能要修復或克服原有模型上存在的缺陷。這就需要系統(tǒng)地分析模型，理清設計的整體思路，考慮好處理順序和所用方法，根據(jù)特征劃分模型區(qū)域，得出設計的整體思路;確定構成模型的曲面類型，選擇相應設計軟件和模塊，對于自由曲面，例如汽車、摩托車的外覆蓋件和內(nèi)飾件等，一般需采用具有方便調(diào)整曲線和曲面功能的模塊。對于初等解析曲面，如平面、圓柱面、圓錐面等，在判斷后可以直接進行構造。

　　3.2產(chǎn)品測量數(shù)據(jù)點的輸入及造型設計

　　掃描的產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)可根據(jù)不同逆向工程造型軟件系統(tǒng)的需要輸出不同的格式，常用的數(shù)據(jù)格式有DXF、IGES、STL、ASC 11等。將實體原型的測量點云數(shù)據(jù)輸入到Imageware系統(tǒng)中，可利用其Display/Gouraud2shaded功能進行渲染顯示，及時評估數(shù)據(jù)的質(zhì)量，判斷所得數(shù)據(jù)點是否全面，在早期修正問題，補充測量的數(shù)據(jù)點或者重新測量等，這就縮短了產(chǎn)品的設計周期。

　　在逆向工程產(chǎn)品設計中可以采用如下方法：①在Imageware中，對點云進行取樣、擬合，構造截面線，找出產(chǎn)品主要曲面的關鍵截面線，然后將截面線通過IGES輸入到UG中，利用其便捷多樣的曲面構造和曲面編輯功能進行后期的曲面處理和調(diào)整，之后再轉(zhuǎn)到Tmageware中進行誤差分析，根據(jù)誤差逐漸調(diào)整模型，直至模型滿足最終產(chǎn)品設計要求。②在Imageware系統(tǒng)中，直接利用其通過點云構造曲面的工具，快速準確地逐一構造出產(chǎn)品的主要輪廓面。立即對所構曲面與數(shù)據(jù)點進行誤差分析，并根據(jù)分析對每個曲面進行實時編輯和調(diào)整，直至每個曲面均達到產(chǎn)品設計要求。然后將所得曲面轉(zhuǎn)入UG進行圓角等細節(jié)設計，完成最終產(chǎn)品。在此過程中，曲面與測量數(shù)據(jù)點的誤差既達到設計要求，又能保證曲面的光順性。

　　3.3曲面重建規(guī)律

　　在造型設計和曲面重構時，將復雜曲面根據(jù)曲率變化劃分為基本曲面和連接曲面，通過合理設計曲面的生成順序及連接曲面的生成方式來分別構造。復雜曲面劃分要均衡考慮兩個因素：單個曲面盡量簡單，這樣有利于模型的構建;在能夠反映特征的前提下總的曲面數(shù)目要盡量少。

　　基本曲面是指不需要通過邊界約束建立的曲面，如直紋面、拉伸面、旋轉(zhuǎn)面和掃描面等?？上冗M行曲面模型初建，直接采用已分塊的曲面點云，通過控制曲面U、V階數(shù)以及與測量數(shù)據(jù)的偏差來生成曲面。該曲面僅反映了模型表面的特征和走勢，而其精度、光順性和尺寸都需要進一步調(diào)整和完善。然后進行曲面模型修改，對曲面模型進行修改是曲面重建中最重要的過程。通過調(diào)整控制曲線以保證曲面質(zhì)量，在建立曲線模型時要考慮：①曲線按照曲面的特征方向構造，同一方向的曲線應有相似的曲率變化趨勢。②曲線在偏差范圍內(nèi)盡量減少數(shù)量，增加曲面的可調(diào)整性。曲率變化大處，曲線密度應較大;曲率變化小處，曲線可以較稀疏。③在保證精度的前提下，盡量降低曲線的段數(shù)和階數(shù)，同一方向的曲線應具有相同的段數(shù)和階數(shù)。④保證曲線、曲面的光順性。連接曲面的產(chǎn)生通常有倒角法和直接建模法兩種方法：倒角法是以需要連接的兩曲面的交線作為導引線，進行等半徑倒角或變半徑倒角。通過調(diào)整倒角半徑值來調(diào)整曲面形狀變化，逼近測量數(shù)據(jù)。通過控制相交線的光順性和趨勢，可以有效地控制倒角曲面的生成質(zhì)量，而直接建模法是用來建立具有邊界約束的連接曲面。在曲面片之問實現(xiàn)光滑連接時，首先要保證各連接曲面片具有公共邊，更重要的是保證各曲面片的控制線連接光順，這也是保證曲面片連接光順的必要條件。通過調(diào)整控制線的起點、終點約束，使其曲率或切矢在接點處保持一致。

　　4逆向工程應用實例

　　在具體工程設計中，采用Tmageware與UG軟件相結(jié)合的方法，使用Imageware進行點、線處理得到曲線形狀，然后使用UG引入控制線的數(shù)據(jù)進行產(chǎn)品的曲面造型。現(xiàn)以車燈的逆向工程應用說明逆向工程應用流程。本例采用國內(nèi)首創(chuàng)的照相式光柵三維掃描儀——天遠三維描儀(OKIO一400型)為逆向測量設備。

　　(1)三維掃描獲取產(chǎn)品的三維數(shù)據(jù)

　　對物體進行分析，確定需掃描的部分和掃描方式。由于此車燈造型的需要，要進行內(nèi)外表面全部的多角度多方位測量。采用天遠三維掃描儀(見圖2)的標志點全自動拼接的測量方法獲取三維點云數(shù)據(jù)(見圖3)。

　　圖2多角度三維掃描

　　圖3生成點云

　　(2)對點云進行處理

　　利用Imageware、Geomagic等逆向工程軟件對點云進行處理，用hTlageware處理云點為造型做準備(見圖4)。

　　圖4用Imageware處理點云數(shù)據(jù)后運用

　　(3)造型

　　利用逆向工軟件或者是CAD(UG、Pro/E、Catia)軟件進行造型。用UG造型如圖5所示。

　　圖5用UG生成的車燈產(chǎn)品實體模型圖

　　4)比對評估

　　利用surfacer、Imageware、Geomagic等軟件的對比評估功能，用Imageware檢查造型誤差(見圖6)，確定出需要完善的地方。

　　圖6用軟件Imageware的對比評估功能檢查造型誤差圖

　　(5)后續(xù)處理

　　利用CAD/CAM軟件繼續(xù)處理，例如：修改、增加、刪減，設計內(nèi)容、出圖紙、開模具圖、編程、加工等。

　　在數(shù)學上，高斯曲率是曲面是否光順的判斷依據(jù)。在系統(tǒng)軟件中，可以在分析模塊(Analysis)中使用高斯曲率法對曲面進行分析。當曲面曲率變化比較均勻時，即認為達到光順要求。再導人到Imageware中進行誤差分析，根據(jù)誤差逐漸調(diào)整模型。若曲面質(zhì)量很差，需要對構成的曲線進行重新調(diào)整，直至模型滿足最終產(chǎn)品設計要求。重建曲面質(zhì)量檢測的標準是：曲面的光順性、與曲面數(shù)據(jù)的偏差。曲面模型與測量數(shù)據(jù)之問的偏差與實體模型本身表面質(zhì)量關系密切。當實體模型本身表面質(zhì)量非常好時，CAD模型與測量數(shù)據(jù)之問的偏差可以很小，同時保證曲面光順;當實體模型表面質(zhì)量較差時，就需要犧牲CAD模型與測量數(shù)據(jù)之問的偏差來提高曲面光順性，但須避免過于追求曲面的光順性而失去原型的特征。

　　5 結(jié)語

　　通過對逆向工程軟件和CAD/CAM系統(tǒng)的關系以及逆向工程的應用領域進行分析，采用Imageware與UG兩種軟件有機結(jié)合的方式進行了車燈的逆向工程設計。目前逆向工程技術已經(jīng)廣泛應用到新產(chǎn)品的開發(fā)、舊零件的還原以及產(chǎn)品的檢測中。該技術不僅用于消化和吸收實體原型，并且能修改再設計以制造出新的產(chǎn)品。如果形成集成化逆向工程系統(tǒng)，以軟件的智能化來代替人工干預的不足，可大大縮短產(chǎn)品設計制造周期，降低開發(fā)成本，提高設計質(zhì)量。