基于逆向工程的现代制造技术研究

0引言逆向工程技术是近几年迅速发展起来的一门新兴学科，也称反求工程。

它包括形状反求、工艺反求和材料反求。

但目前逆向工程技术研究较多的是基于零件实物样件的几何模型的反求，即从已有的物理模型或实物零件产生相应的CAD 模型，进而对其进行改进设计和制造。

在市场竞争更加激烈、产品技术含量不断提高、制造周期不断缩短的今天，逆向工程技术已越来越受到人们的重视。

逆向工程主要是依靠高度集成化、可视化、开放型的计算机技术和网络技术构筑产品，从概念构思、产品设计、工程分析、工艺制造、应用工程、市场服务，全过程实现无纸化、高精度、系统化的操作平台。

虽然，目前仍需制造样品进行实物试验、论证和评价，但这已经不是一种重要的手段，最终将会取消这一过程。

就这种思维的方法而言，是思维先于实体、实体用于反证思维的逆向逻辑形式，国际制造业界称之为逆向工程。

实施逆向工程的目的是为了更好地实现产品设计的并行工程，使产品设计及其相关过程实行同步作业，并使之优化，大大提高产品设计的一次成功率，从而缩短周期、降低成本、减少风险、提高质量、增强企业竞争力。

1逆向工程的基本原理传统的工业产品开发均是循着序列严谨的研发流程，即顺向的产品开发程序，由设计师依据产品企划时所定的规划与设计构想，绘制草图及效果图，并且依据效果图制作手工模型，或以建构CAD 几何模型，最后进行NC 或RP (Rapid Prototype)的加工程序。

此类开发工程亦通称为顺向工程(Forward Engineering)。

顺向工程的流程如图1、图2所示。

图2顺向工程中的产品造型设计加工流程逆向工程通常执行模型的仿制、开发工作。

基于原型或实物的逆向工程因其快捷的开发方式，极大地缩短了产品的开发周期，因而在设计和制造领域有着广泛的技术需求。

特别是对于没有原始几何信息的零件，逆向工程是完成零件精确几何造型的唯一手段，因而在模具设计和制造中成为技术热点。

同时由于逆向工程能够提供原始产品的主要外形特征，进而对其几何外形进行改进，实现产品的快速改形，能够满足系列化、多样化的要求。

传统的复制方法是用立体雕刻机或靠模铣床，制作出1∶1等比例的模具，再进行批量生产。

这种复制方式无法建立工件尺寸的图形文件，也无法做任何外形修改，因此已为数字化的逆向工程系统所取代。

目前所称的逆向工程是针对现有工件，利用3D 数字化测量仪器准确、快速测量工件的表面点数据或轮廓线条，并加以创建曲面、分模、加工，制作所需模具；或由CAD 系统生成的STL 模型文件传至快速成型机(Rapid Prototyping Machine)，将样品模型制作出来，直至达基于逆向工程的现代制造技术研究孙建林(甘肃畜牧工程职业技术学院，甘肃武威，733006)摘要：介绍应用Pro/E 软件进行逆向工程设计的具体步骤，强调了逆向工程技术与NC 加工技术或RP 技术相结合能使企业产品开发、研制周期大大缩短，为新产品进入市场创造先机，为企业带来巨大经济效益，深受制造业企业的重视。

关键词：逆向工程；现代制造技术；Pro/E 三维重构；系统整合中图分类号：TH164文献标识码：A文章编号：1006-7205(2009)02-0086-03孙建林.基于逆向工程的现代制造技术研究[J].中国农机化,2009,(2):86~88SUN Jian-lin.Based on the Reverse Engineering of Modern Manufacturing Technology Research[J].Chinese Agricultural Mecha -nization,2009,(2):86~88______________收稿日期：2008年3月4日修回日期：2008年3月26日孙建林，男，1962年生，甘肃省兰州人，甘肃畜牧工程职业技术学院机械工程系副教授；研究方向为现代制造技术，模具设计与制造。

图1组件的顺向工程开发流程中国农机化Chinese Agricultural MechanizationNo.2,2009Total No.2222009年第2期总第222期2逆向工程实现过程逆向工程常用于仿制过程，即必须对实物进行三维数字化处理，数字化手段包括传统测绘和各种先进的测量方法，将获得的三维离散数据作为初始素材，借助专用的曲面处理软件和CAD/CAM 系统构造实物的CAD 模型，输出NC 加工指令或用STL 文件驱动快速成型机制造出产品或原型，其工艺流程如图3所示。

其中实线部分是本文讨论的逆向工程的技术流程，虚线部分为逆向工程的另一条技术路线。

三维数据测量、数据处理、三维重构是逆向工程的三大关键技术。

1)几何测量：通过合适的测量方法来获得产品的三维形状；2)数据处理：处理所获得的三维数据，使其符合后续操作的要求；3)CAD 建模：建立一个完整的CAD 模型，从而能够借以描述产品的全部相关信息。

2.1三维数据的采集在逆向工程中，准确、快速、全面地获取实物的三维几何数据，即对物体的三维几何形面进行三维离散数字化处理，是实现逆向工程的基础。

数据的采集是指采用某种测量方法和设备测出实物各表面的若干组点的几何坐标，可以有多种方式进行数据采集。

在表面数字化技术中，根据测量方式的不同可以将数据采集方法分为接触式和非接触式两大类。

传统方法就是以三坐标测量机(CMM)为代表的接触式，也是实际工程中常用的方式，精度相对精确，但易于损伤测头和划伤被测零件的表面。

2.2数据处理数据处理是逆向工程的关键一步，结果将直接影响后期模型重构的质量，此过程包括以下几方面的工作：数据预处理；数据分块；数据光顺；数据优化。

在Pro/E 程序中，选用主菜单命令[File]/[New]中新建一个实体零件，然后选择主菜单命令[Applica -tion]/[Scan-tools]，指定数据密度模式(低密度模式)，建立坐标系，读入数据后即可生成曲线。

若原始测量数据存在较大的误差，必须用去除噪声点(Remove ScanPoint)的方法去除那些偏差较大的点。

也可通过新建扫描曲线(Create Scan Curve)、连接扫描曲线(Join Scan Curve)、分开扫描曲线(Separate Scan Curve)等方法，对曲线进行直接处理，即可获得大致令人满意的曲线。

生成扫描曲线后，即可创建光滑曲线，用给定点数法(Number of Points)等方法对曲线进行调整和光顺处理。

2.3CAD 建模在逆向工程中，三维CAD 模型的重建是指利用产品表面的散乱点数据，通过插值或者拟合，构建一个近似模型来逼近产品原型。

三维CAD 模型的重构是整个逆向工程中最关键、最复杂的一环，是后续产品加工制造、快速成形、工程分析和产品再设计的基础。

产品的三维CAD 建模是指从一个已有的物理模型或实物零件产生出相应的CAD 模型的过程，包含物体离散测点的网格化、特征提取、表面分片和曲面生成等，是整个RE 过程中最关键、最复杂的一环，也为后续的工程分析、创新设计和加工制造等应用提供数学模型支持。

其内容涉及计算机、图像处理、图形学、计算几何、测量和数控加工等众多交叉学科和工程领域，是国内外学术界，尤其是CAD/CAM 领域广泛关注的热点和难点问题。

在实际的产品中，只由一张曲面构成的情况不多，产品形面往往由多张曲面混合而成。

由于组成曲面类型的不同，因此，CAD 模型重建的一般步骤为：先根据几何特征对点云数据进行分割，然后分别对各个曲面片进行拟合，再通过曲面的过渡、相交、裁剪、倒圆等手段，将多个曲面“缝合”成一个整体，即重建的CAD 模型。

Pro/E 有很多功能强大的模块，比如零件建模模块，工程图模块，数控加工模块等等，这里我们使用零件建模模块进行反求建模。

在零件(Part)模块下创建出3DCADModel 。

完成3DCADModel 创建后，可进一步利用View/Advanced到满意效果。

在许多逆向工程应用实例中，并不是要完全仿制原有的产品，而只是要掌握原有的设计理念，经过调整来建立一个类似的设计模型，因此逆向工程所涵盖的意义不只是重制(RE-Manufacturing)，也包括了再设计(RE-Design)，其过程如图3所示。

因此，逆向工程可归纳为：功能导向(Functionally-oriented)、描述模式(Descriptive mode)、系统仿造(System as-is)、以及非所属数系统(Non-legacy system)。

图3逆向工程流程图孙建林：基于逆向工程的现代制造技术研究第2期87Based on the Reverse Engineering of Modern Manufacturing Technology ResearchSUN Jian-lin(Gansu animal husbandry projects Vocational and Technical College mechanical engineering,Wuwei ,733006,China )Abstract:Introduces Pro /E software reverse engineering design of the concrete steps that reverse engineering technology and NC machining technology or combination of RP technology enables enterprises product development,greatly shorten the development cycle for new products to enter the market to create opportunities ,bring tremendous economic benefits for enterprises,the importance attached by the manufacturing sector.Keywords:reverse engineering;modern manufacturing technology;Pro/E 3D reconstruction;systems integration→Photorender 制作高品质的渲染图。

2.4数控加工将创建好的3DCADModel 汇入Pro/E 的Manufac -turing 模块，建立新的Pro/NC 文件(创建新的Pro/NC 制造模型)，在New 菜单下选择NC 组件选项按钮。

在菜单管理器中选择制造模型选项、选择装配中的参考模型项、打开建模的模型。