逆向工程技术的发展现状

２００８年０２月中国设备工程文章编号：１６７１－０７１１（２００８）０２－００１９－０３逆向工程技术的发展现状苏靖，陈韶娟，马建伟（青岛大学纺织服装学院，山东青岛２６６０７１）摘要：介绍实物逆向工程技术中测量技术的发展现状，包括测量方法、测量设备以及反求软件。

其中对几种主要测量方法从原理、特点方面进行了较详细的阐述，并作了比较。

最后将逆向工程的应用领域作了归纳。

关键词：逆向工程；三维测量；测量方法中图分类号：ＴＢ４文献标识码：Ｂ图１反求工程测量方法的分类一、逆向工程（ＲｅｖｅｒｓｅＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＲＥ）的概念逆向工程产生于２０世纪８０年代末至９０年代初，广义上，逆向工程可以分为实物逆向、软件逆向和影像逆向三类。

目前，大多数关于逆向工程的研究主要集中在实物几何形状的逆向重构上，即产品实物的ＣＡＤ模型重构和最终产品的制造，称为“实物逆向工程”。

逆向工程也称反求工程。

简单地说，逆向工程就是根据已经存在的产品模型，反向推出产品的设计数据的过程。

在产品设计时，如果客户给出的只是实物模型而没有产品原始图纸、文档或ＣＡＤ模型数据，需要通过对已有产品实物进行分析与测量，重新得到制造产品所需的几何模型和特性数据，即对其进行数字化处理，使之能利用ＣＡＤ、ＣＡＭ、ＲＰＭ、ＰＤＭ及ＣＩＭＳ等先进技术进行处理，形成三维模型，并最终复制出已有产品。

也可以在此基础上对已有的产品进行剖析、理解和改进，这样的过程就称为逆向工程。

逆向工程包括快速反求、快速成型、快速模具以及数控加工等多个环节。

其中快速反求是从实物原型到三维数字模型的转换，是反求工程技术实现的关键技术，它包括数据测量、数据处理、三维重建和模型评价四部分。

二、逆向工程的测量技术逆向工程的测量是指实物的数据采集，也称三维数据测量，是反求工程实现的第一步。

它是通过特定的测量设备和测量方法获取产品表面离散点的几何坐标数据，将产品的几何形状数字化。

该技术关系到对零部件（实物）描述的精确度和完整度，从而影响重构的ＣＡＤ曲面和实体模型的质量，并最终决定加工出来的产品能否真实反映原始实物。

因此，测量是整个原型反求的基础。

１．测量方法及原理。

反求工程采用的测量方法主要分为两类：接触式和非接触式。

根据测量原理、设备结构的不同还可以进一步细分（见图１）。

接触式数据采集通常使用三坐标测量机，测量时将被测产品放置于三坐标测量机的测量空间内，可以获得被测产品上各个测量点的坐标位置，根据这些点的空间坐标值，经过计算机数据处理，拟合形成测量元素，经过数学计算的方法得出其形状、管理园地研究·探讨１９中国设备工程２００８年０２月表１主要测量方法的比较机械法光学法电气法三坐标测量法激光三角法投影光栅法断层扫描法工业ＣＴ和核磁共振法最高０．５!ｍ高＞１"ｍ较低＞１０#ｍ以上较低０．０２ｍｍ低＞１ｍｍ慢快快慢较慢不适于软质软硬皆可软硬皆可软硬皆可有要求测头微损无损无损破坏被测件无损高较高低较高最高精度速度被测材质破坏性成本不能过于光滑对表面粗糙度、漫反射率敏感，不能过于光滑对表面色泽、粗糙度敏感，不能过陡无无表面特性及形状要求最适合情况无复杂内部形面、硬质、特殊尺寸多及精度要求高的箱体工件表面形状复杂，精度要求不特别高的未知曲面适于测复杂的内部几何形状研究·探讨管理园地位置公差及其他几何量数据。

接触式三坐标测量机的测头属机械式，根据其工作方式的不同又可分为开关式（触发式或动态发信式）和扫描式（比例式或静态发信式）两类。

坐标测量机可达到很高的测量精度，测头体积小、通用性较强，适于无复杂内部型腔、只有少量特殊曲面的空间箱体类工件的测量。

测量机工作处于迅速直线低速运动状态，测量机的动态性能对测量精度的影响较小，但它有一定的局限性，如不能测量到细节之处、不能测易碎和易变形的零件、测量速度慢、测头半径需要补偿及数据量较小等。

在非接触式技术中较成熟且应用最广泛的是光学测量法。

其中，基于三角形法的激光扫描和基于相位光栅投影的结构光法被认为是目前最成熟的三维形状测量方法。

激光三角形法以激光作为光源，根据光学三角形测量原理，将光源（可分为光点、单光条、多光条等）投射到被测物体表面，并采用光电敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根据光点或光条在物体上成像的偏移，通过被测物体基平面、像点、像距等之间的关系计算物体的深度信息。

这种方法测量如果采用线光源，可以达到很高的测量速度，此方法已经成熟。

其缺点是对被测表面的粗糙度、漫反射率和倾角过于敏感，限制了测头的使用范围。

基于投影光栅的结构光投影测量法被认为是目前三维形状测量中最好的方法，它的原理是将具有一定模式的光源，如栅状光条投射到物体表面，然后用两个镜头获取不同角度的图像，通过图像处理的方法得到整幅图像上像素的三维坐标。

此法的主要优点是对实物的测量范围大、速度快、成本低。

缺点是精度低，在陡峭处会发生相位突变，影响精度，适于测量表面起伏不大的较平坦物体。

目前，分区测量技术的进步使光栅投影范围不断增大，结构光法测量设备成为现在逆向测量系统领域中使用最广泛且最成熟的系统。

非光学测量方法由于其成本较高、应用上有局限性，目前在逆向工程的数据获取中很少使用。

主要测量方法的比较见表１。

总的来说，在实测时，需要根据测量对象的特点及设计工作的要求选择合适的扫描方法及设备。

如果只测量尺寸和位置要素，宜采用接触开关式测量；若对产品的轮廓及尺寸有较高的精度要求，宜采用接触扫描式测量；在对易变形、精度要求不高、测量数据多的产品进行测量时，可采用非接触式测量方法。

２．测量设备发展概况。

三坐标测量机是最早用于现代三维测量技术的机器，由英国Ｆｅｒｒａｎｔｉ公司于２０世纪５０年代研制的。

德国Ｚｅｉｓｓ公司于１９７３年推出了ＵＭＭ５００三坐标测量机。

目前，国际上较有影响的三坐标测量机制造厂商主要有意大利ＤＥＡ公司、美国Ｂｒｏｗｎ－Ｓｈａｒｐｅ公司、英国ＺＫ公司以及德国Ｚｅｉｓｓ公司。

海克斯康测量技术（青岛）有限公司，是瑞典高科技制造业集团海克斯康ＨＥＸＡＧＯＮ集团计量产业的核心成员和九大测量机制造基地之一，已成为国内有影响力的数控三坐标测量机专业制造厂商。

三次元坐标量床过去一般以接触式探针为主，用于模具检测、产品外型验证、工件外型特征变化和几何形状等。

随着逆向工程的快速发展，大量曲面的产品零件应运而生，接触式探针为主的三次元坐标量床已不能满足要求，结合接触式及非接触式的探头已成为必然的发展趋势。

在测头的研制方面，英国Ｒｅｎｉｓｈａｗ公司的测头最有代表性，该公司的测头被大多数三坐标生产商所采用。

国内也在三维测量设备方面展开了较深入的研究，主要集中在２０管理园地研究·探讨西安交通大学、华中科技大学等高等院校。

３．逆向软件发展概况。

目前，较知名的专业逆向工程软件有ＥＤＳ公司的Ｉｍａｇｅｗａｒｅ、ＲａｉｎｄｒｏｐＧｅｏｍａｇｉｃ公司的Ｇｅｏｍａｇｉｃ、ＤＥＬ－ＣＡＭ公司的Ｃｏｐｙ－ｃａｄ、ＩＮＵＳ公司的Ｒａｐｉｄｆｏｒｍ。

较知名的ＣＡＤ逆向模块有Ｐｒｏ／Ｅ的Ｓｃａｎ２Ｔｏｏｌ模块、ＰＴＣ公司的ＩＣＥＭＳｕｒｆ、ＣＡＴＩＡ的ＤＳＥ、ＱＳＲ模块以及Ｐａｒａｆｏｒｍ公司的Ｐａｒａｆｏｒｍ等。

国内在逆向工程软件方面的研究，主要集中在高校，如清华大学、浙江大学、南京航空航天大学。

软件产品主要有高华ＣＡＤ、ＣＡＸＡ系列、ＧＳ－ＣＡＤ９８、金银花系统、开目ＣＡＤ、Ｒｅ－ｓｏｆｔ和Ｑｕｉｃｋ－Ｆｏｒｍ等。

其中，ＱｕｉｃｋＦｏｒｍ是国内开发的较好的逆向工程软件。

三、逆向工程的应用领域逆向工程可以迅速、精确、方便地获得实物的三维数据及模型，为产品提供先进的开发、设计及制造的技术支撑。

据统计，国外７０％以上的技术来自于反求。

逆向工程已成为联系新产品开发过程中各种先进技术的纽带，并成为消化和吸收先进技术、实现新产品快速开发的重要技术手段。

以下是其在各领域的应用。

１．在缺少图纸及没有ＣＡＤ模型的情况下，通过对零件原型的测绘，形成图纸或模型，并由此生成数控加工的ＮＣ代码，加工复制出与其相同的零件。

２．在对产品外观有较高美学要求的领域，如汽车、家电等民用产品以及工艺品的外型设计，设计师往往使用油泥、黏土或木头等材料先制作模型，这时根据所提供的模型运用反求工程的技术，可以快速准确地建立三维立体模型。

３．当设计需要经过反复试制、修改、或者需要通过实验测试才能定型的零部件（如在航空航天领域业和模具制造业）时，反求工程可缩短过程。

４．应用于修复破损的艺术品或缺乏供应的被损零件，如修复破损的雕像、雕刻及艺术造型等。

此时并不需要对整个零件原型进行复制，而是借助反求工程技术获取零件原形的设计思想来指导新的设计。

这是由实物反求推理出设计思想的一种渐近过程。

５．对于国外的产品，要对其不适合国内使用处进行修改时，可以通过逆向工程建立三维模型进一步改进。

６．逆向工程技术与医学的结合日益紧密，在骨缺损的修复、人工关节、人工骨、整形复体、人工器官等医学假体设计中具有极其重要的作用。

通过逆向造型，可以为患者提供更为准确的个性化设计替代物模型，使得缺损部位与替代物能更好地匹配，提高缺损修复的成功率。

７．特种服装、头盔的制造要以使用者的身体为原始设计依据，并要求产品与人体部位有相当好的形状适应性，此时，可利用逆向工程实现这一要求。

８．可实现电视、电影产业的３Ｄ造型。

随着先进制造技术、计算机技术的不断进步，逆向工程技术也得到相应发展，包括其关键技术如三维测量、数据处理以及快速制造技术等，相信将来的逆向工程技术将会和产品制造等技术结合得越来越紧密，并在更多的领域发挥其显著的作用。

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