隨著科技的發(fā)展和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的越來越大，對(duì)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。即產(chǎn)品的多樣化、外形美觀更高、更新?lián)Q代周期也在變短短;同時(shí)也促進(jìn)了產(chǎn)品制造過程的發(fā)展;近年來，許多產(chǎn)品的設(shè)汁、制造要求基于現(xiàn)有的原型或?qū)嵨铮虼水a(chǎn)生了逆向工程的概念。逆向工程是指根據(jù)實(shí)物模型測(cè)定的數(shù)據(jù)，構(gòu)造出CAD模型的過程。其主要目的是在不能輕易獲得必要的生產(chǎn)信息的情況下，直接從成品分析，推導(dǎo)出產(chǎn)品的設(shè)計(jì)原理。逆向工程為客戶和制造者在并行工程環(huán)境下應(yīng)用快速原型技術(shù)提供了強(qiáng)有力的工具，是縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的有效途徑。特別是形狀復(fù)雜的物體或自由曲面組成的物體，例如：流線型物體、雕塑、品模具、人體器官等。這種技術(shù)在工程上正得到越來越廣泛的應(yīng)用。

　　一 、逆向設(shè)計(jì)工程建模過程

　　由實(shí)物產(chǎn)生CAD設(shè)計(jì)模型的過程稱為逆向工程的幾何建模，是逆向工程的關(guān)鍵技術(shù)，也是逆向工程的研究重點(diǎn)，此過程分兩個(gè)階段：數(shù)據(jù)采集和CAD模型的建立。

　　1.數(shù)據(jù)采集

　　數(shù)據(jù)采集是由實(shí)物測(cè)量出數(shù)據(jù)點(diǎn)的過程。根據(jù)測(cè)量方式不同。數(shù)據(jù)采集方法分為接觸式和非接觸式測(cè)量?jī)纱箢?。接觸式測(cè)方法是通過傳感器測(cè)與樣件的接觸而記錄樣件表面點(diǎn)的坐標(biāo)位置。非接觸式測(cè)量方法主要是基于光學(xué)、聲學(xué)。滋學(xué)等領(lǐng)城中的基本原理。將一定的物理模擬通過適當(dāng)?shù)乃惴ㄞD(zhuǎn)換為樣件表面的坐標(biāo)點(diǎn)。使用的測(cè)量方法及測(cè)量設(shè)備不同。得到的測(cè)量數(shù)據(jù)組織方式也不同。

　　數(shù)據(jù)采集是逆向工程準(zhǔn)確建摸的基礎(chǔ)，采集的質(zhì)量受很多因素影響，主要有以下幾方面：測(cè)量方法本身的精度、儀器的校準(zhǔn)、測(cè)量范圍的限制、定位的準(zhǔn)確性、多視圖問題，數(shù)據(jù)的局部丟失、被測(cè)表面的光潔度、零件數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性分布等。由于以上原因，測(cè)量數(shù)據(jù)需要進(jìn)行預(yù)處理，包含多視圖拼合、嗓聲處理及數(shù)據(jù)精簡(jiǎn)等多方面的工作：經(jīng)過頂處理的數(shù)據(jù)才可進(jìn)行曲面擬合及CAD模型的建立。

　　2. CAD建模

　　由數(shù)據(jù)點(diǎn)產(chǎn)生CAD模型的方法有很多種。按照數(shù)據(jù)的組織方式、模型的產(chǎn)生過程不同，分以下幾類：

　?、倩谔卣鞯慕７椒ā?/strong>

　　該方法的原理是操作者首先通過對(duì)采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)和擬合曲面的形狀特征的提取(即區(qū)域劃分及分類)，確定曲面局部擬合區(qū)域，然后對(duì)這些擬合曲面基于合適的拓?fù)潢P(guān)系進(jìn)行求文運(yùn)算。曲面產(chǎn)生后，在人工的干預(yù)下，通過幾何拓?fù)潢P(guān)系構(gòu)造出CAD棋型。目前使用的逆向工程系統(tǒng)區(qū)域劃分大多是交互或半交互方式。

　?、诨谇衅瑪?shù)據(jù)的建模方法。

　　該方法中，物體表面上的數(shù)據(jù)點(diǎn)是通過沿著物體長(zhǎng)度方向上切分得到的輪廓線來表達(dá)，這些信息場(chǎng)常可以用計(jì)算機(jī)化的x射線斷層照相法獲得。此類數(shù)據(jù)具有特殊的分布方式，數(shù)據(jù)分布于一組平行的截面線上。模型產(chǎn)生有兩種方法。第一種是連接相鄰截面線上的點(diǎn)，形成GO連續(xù)的CAD模型;另一類方法先擬合截面線，再用蒙皮的方式產(chǎn)生曲面模型，是交互系統(tǒng)中常用方法之一：

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　　該方法是采用可變形的換型來描述物體。開始定義一個(gè)具有形狀和拓?fù)潢P(guān)系的變形體，它既可以完全包容給定的描述體，也可以被描述體所包容。成本函數(shù)與兩個(gè)物體有聯(lián)系，并且在滿足一定的條件下，進(jìn)行最小化，其結(jié)果是變形體既可以圍繞描述體由大到小收縮變形，也可以由小到大膨脹變形?；谖锢淼慕椒ㄊ谴祟惙椒ǖ奶乩河捎诳勺冃文Ｐ徒５膹?fù)雜性，模型往往具有針對(duì)性，所以，雖然有不少研究，但難以達(dá)到實(shí)用、通用。

　?、苷w的自動(dòng)建模方法：

　　以上三種方法對(duì)干由復(fù)雜雕塑面或大型的自由曲面產(chǎn)生的散亂數(shù)據(jù)難以達(dá)到精確或自動(dòng)的擬合，近年來出現(xiàn)了一些針對(duì)散亂點(diǎn)的整體曲面重構(gòu)方法。此類方法用三角面片或光滑曲面片表示整個(gè)實(shí)體。

　　綜上所述，目前已有多種來自坐標(biāo)點(diǎn)的建模方法，每種方法都有它的特點(diǎn)和適用范圍。

　　從以上分類比較可看出：特征建模能夠表達(dá)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)意圖，適合大多數(shù)的工程零件，單個(gè)特征進(jìn)行擬合，擬合速度高，但由于其交互式的進(jìn)行區(qū)域分割、面片相交，降低了建模的整體速度，特別是對(duì)于包含復(fù)雜曲面的物體建模，其交互操作往往費(fèi)時(shí)又難以保證精度;曲面整體建模方法雖避免了區(qū)域劃分和相交處理，但由于用一種面表示整個(gè)實(shí)體，對(duì)于工程零件。沒有表達(dá)出產(chǎn)品設(shè)計(jì)意圖;可變形建模方法對(duì)于具有簡(jiǎn)單輪廓或者凸面幾何形狀的物體非常適用，但有關(guān)工程上應(yīng)用的報(bào)道卻很少。該方法中的特征信息沒有包含逆向工程中制造所需要的面、邊等信息，因此不適用于逆向工程系統(tǒng)。

　　逆向工程幾何建模的理想系統(tǒng)是可適用任意數(shù)據(jù)分布、可對(duì)任意形狀物體建模的自動(dòng)化通用建模系統(tǒng)。作者目前正開發(fā)的系統(tǒng)結(jié)合特征建模和曲面整體建模的優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步完善了面片分割的算法，對(duì)于分割產(chǎn)生的具有不規(guī)則邊界的自由曲面，利用樣條曲面細(xì)分技術(shù)進(jìn)行整體擬合，提高了特征建模的自動(dòng)化程度。

　　二、逆向工程系統(tǒng)及應(yīng)用情況

　　目前研究或應(yīng)用中的系統(tǒng)可分以下幾類：

　　1、針對(duì)具體應(yīng)用開發(fā)的系統(tǒng)開發(fā)了一種針對(duì)機(jī)械零件識(shí)別的逆向工程系統(tǒng)，此系統(tǒng)只能識(shí)別由平面組成的零件。開發(fā)了基于微機(jī)的逆向工程系統(tǒng)主要用于仿制空軍部門淘汰的零件。

　　2、專用曲面擬合軟件系統(tǒng)曲面擬合是逆向下程的關(guān)鍵過程，開發(fā)了擬合3D激光掃描數(shù)據(jù)的軟件包，數(shù)據(jù)點(diǎn)被交互的劃分區(qū)域，擬合曲面輸入通用CAD系統(tǒng)進(jìn)行相交、延伸、過渡、建立完整的CAD模型。此系統(tǒng)只處理標(biāo)準(zhǔn)的二次曲面。

　　3、與商用CAD系統(tǒng)的結(jié)合有些系統(tǒng)直接把數(shù)字化系統(tǒng)與商用CAD系統(tǒng)結(jié)合，Kwok開發(fā)的系統(tǒng)將CMM與AutoCAD結(jié)合起來，每測(cè)一個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)，自動(dòng)轉(zhuǎn)化為IGES格式，系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)可視化功能。

　　4、測(cè)量與擬合的集成

　　以上系統(tǒng)中數(shù)字化與曲面擬合是兩個(gè)分離的過程，為了提高測(cè)量精度，用擬合結(jié)果指導(dǎo)測(cè)量，減少測(cè)量數(shù)據(jù)，出現(xiàn)了測(cè)量與擬合的集成系統(tǒng)。Liang-Chia提出的集成系統(tǒng)，首先由用戶交互地劃分測(cè)量邊界，每個(gè)面片的測(cè)量中實(shí)時(shí)進(jìn)行B2樣條曲面擬合，用擬合結(jié)果進(jìn)行下一個(gè)測(cè)量點(diǎn)的位置預(yù)測(cè)，用實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值的誤差控制測(cè)量精度和擬合精度。

　　5、與快速原形制造的結(jié)合

　　縮短產(chǎn)品制造的周期是逆向工程的目的之一，近年來出現(xiàn)了數(shù)字化系統(tǒng)直接用子制造的逆向工程與快速制造的集成系統(tǒng)，Jones C開發(fā)了由激光掃描結(jié)果產(chǎn)生螺旋線數(shù)控加工路徑的系統(tǒng)。

　　三、逆向工程的發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)

　　1、現(xiàn)有系統(tǒng)的不足之處

　　當(dāng)前使用的逆向工程系統(tǒng)存在以下不足之處：

　?、俅蠖鄶?shù)系統(tǒng)是針對(duì)具體的應(yīng)用而開發(fā)，數(shù)據(jù)處理往往針對(duì)特定的測(cè)量設(shè)備、測(cè)量對(duì)象，通用性差。

　?、谇鏀M合系統(tǒng)大多是對(duì)于代數(shù)二次曲面，對(duì)自由曲面，特別是由大數(shù)據(jù)量散亂點(diǎn)擬合自由曲面，系統(tǒng)一般沒有此功能

　?、蹟?shù)據(jù)區(qū)域分割往往要交互操作，降低了CAD建模的速度，自動(dòng)化程度低;

　　④系統(tǒng)集成化程度低，有些系統(tǒng)只側(cè)重與曲面的擬合，有些系統(tǒng)只側(cè)重于與特定制造技術(shù)的結(jié)合，系統(tǒng)只包含簡(jiǎn)單幾何數(shù)據(jù)，不符合現(xiàn)代設(shè)計(jì)制造的并行思想。

　　2、發(fā)展方向及關(guān)鍵技術(shù)

　　幾何建模是逆向工程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時(shí)也是影響逆向工程速度的瓶頸問題，因此，提高逆向工程幾何建模的自動(dòng)化程度和通用性是目前逆向工程研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。作者提出了一種逆向工程幾何建模自動(dòng)化系統(tǒng)，具有體現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖的特征建模的特點(diǎn)，數(shù)據(jù)點(diǎn)的組織方式不限，輸出的B-rep模型與現(xiàn)有商用CAD系統(tǒng)完全兼容。系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)在于特征的自動(dòng)提取、組合自由曲面的光滑連接。

　　提高系統(tǒng)的集成性， 有些情況CAD 模型并不是必需的， 或者為了最快的制造產(chǎn)品， 需要數(shù)字化系統(tǒng)與CMM 的直接結(jié)合;另外，有些產(chǎn)品(例如注塑模、注塑件的設(shè)計(jì))需要多次進(jìn)行CA E 分析，由數(shù)據(jù)點(diǎn)直接產(chǎn)生CA E 模型，可極大地提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、分析過程， 在上一節(jié)已有一些集成系統(tǒng)的應(yīng)用實(shí)例，大多是根據(jù)具體情況的部分集成，邢淵提出了完整的逆向工程集成系統(tǒng)框架，具有CAD、 CA E、CAM 多個(gè)數(shù)據(jù)接口， 采用了面向?qū)ο蟮募煞椒āｊP(guān)鍵技術(shù)是通用、開放的產(chǎn)品數(shù)據(jù)庫結(jié)構(gòu)。

　　逆向工程是隨著科技發(fā)展、產(chǎn)品設(shè)計(jì)的需要而產(chǎn)生的一種新的產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造過程， 是一種交叉的技術(shù)， 涉及測(cè)量、圖像、圖形、先進(jìn)制造多個(gè)領(lǐng)域， 也將隨著各項(xiàng)支撐技術(shù)和理論的發(fā)展得到進(jìn)一步完善。逆向工程在很多方面可能會(huì)被誤認(rèn)為是對(duì)知識(shí)產(chǎn)權(quán)的嚴(yán)重侵害，但是在實(shí)際的應(yīng)用上，反而可以保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)所有者。例如在集成電路領(lǐng)域，如果懷疑某公司侵犯知識(shí)產(chǎn)權(quán)，可以用逆向工程技術(shù)去尋找證據(jù)。