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逆向工程技術(shù)及應(yīng)用
文章導(dǎo)讀：
核心提示：向工程專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算。
逆向工程專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、微分幾何、概率統(tǒng)計(jì)等學(xué)科，是CAD領(lǐng)域最活躍的分支之一。
逆向工程技術(shù)及應(yīng)用
為適應(yīng)現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，需將實(shí)物樣件或手工模型轉(zhuǎn)化為CAD數(shù)據(jù)，以便利用快速成形系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)輔助系統(tǒng)等對其進(jìn)行處理，并進(jìn)行修改和優(yōu)化設(shè)計(jì)。
逆向工程專門為制造業(yè)提供了一個(gè)全新、高效的重構(gòu)手段，實(shí)現(xiàn)從實(shí)際物體到幾何建模的直接轉(zhuǎn)換。逆向工程技術(shù)涉及計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、計(jì)算機(jī)圖像處理、微分幾何、概率統(tǒng)計(jì)等學(xué)科，是CAD領(lǐng)域最活躍的分支之一。
一．逆向工程技術(shù)定義
逆向工程技術(shù)與傳統(tǒng)的產(chǎn)品正向設(shè)計(jì)方法不同，它是根據(jù)已存在的產(chǎn)品或零件原型構(gòu)造產(chǎn)品或零件的工程設(shè)計(jì)模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進(jìn)行剖析、理解和改進(jìn)，是對已有設(shè)計(jì)的再設(shè)計(jì)。其主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計(jì)概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型，一方面為提高工程設(shè)計(jì)、加工分析的質(zhì)量和效率提供充足的信息，另一方面為充分利用CAD/CAE/CAM技術(shù)對已有的產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)服務(wù)。
二．逆向工程分類
1.實(shí)物逆向：顧名思義，它是在已有實(shí)物條件下，通過試驗(yàn)、測繪和分折，提出再創(chuàng)造的關(guān)鍵，其中包括功能逆向、性能逆向、方案、結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、精度、使用規(guī)范等多方面的逆向。實(shí)物逆向?qū)ο罂梢允钦麢C(jī)、部件、組件和零件。
2.軟件逆向：產(chǎn)品樣本、技術(shù)文件、設(shè)計(jì)書、使用說明書、圖紙、有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)、管理規(guī)范和質(zhì)量保證手冊等均稱為技術(shù)軟件。軟件逆向中有三類情況：1）既有實(shí)物，又有全套技術(shù)軟件；2）有實(shí)物而無技術(shù)軟件；3）無實(shí)物，僅有全套或部分技術(shù)軟件。
3.影像逆向：無實(shí)物，無技術(shù)軟件，僅有產(chǎn)品相片、圖片、廣告介紹、參觀印象和影視畫面等，要從其中去構(gòu)思、想象來逆向，稱為影像逆向，這是逆向?qū)ο笾须y度最大的。影像逆向本身就是創(chuàng)新過程，目前還未形成成熟的技術(shù)，一般要利用透視變換和透視投影，形成不同透視圖，從外形、尺寸、比例和專業(yè)知識，去琢磨其功能和性能，進(jìn)而分析其內(nèi)部可能的結(jié)構(gòu)。
三．逆向工程測量系統(tǒng)
1.接觸式測量：根據(jù)測頭的不同，可分為觸發(fā)式和連續(xù)式。應(yīng)用最為廣泛的三坐標(biāo)測量機(jī)是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來的新型高效精密測量儀器，是有很強(qiáng)柔性的大型測量設(shè)備。
2.非接觸式測量：根據(jù)原理的不同，可分為三角形法、結(jié)構(gòu)光法、計(jì)算機(jī)視覺法、激光干涉法、激光衍射法、CT測量法、MRI測量法、超聲波法和層析法等。
四．逆向工程技術(shù)流程
1.逆向工程是以一個(gè)物理零件或模型作為開始，進(jìn)而決定下游工程。
2.點(diǎn)處理過程：主要包括多視點(diǎn)云的拼合、點(diǎn)云過濾、數(shù)據(jù)精簡和點(diǎn)云分塊等。
3.曲線處理過程：決定所要?jiǎng)?chuàng)建的曲線類型。曲線可以設(shè)計(jì)得與點(diǎn)的片段相同，或讓曲線更光滑些；由已存在的點(diǎn)創(chuàng)建出曲面；檢查/修改曲線，檢查曲線與點(diǎn)或其它曲線的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。
4.曲面處理過程：決定所要?jiǎng)?chuàng)建的曲面類型，可以選擇創(chuàng)建的曲面以精確為主或以光滑為主，或兩者居中；由點(diǎn)云或曲線創(chuàng)建曲面；檢查/修改曲面，檢查曲面與點(diǎn)或其它曲面或特征的精確度、平滑度與連續(xù)的相關(guān)性。
5.誤差分析：應(yīng)該考慮被測物對機(jī)構(gòu)引起的綜合軌跡誤差、逆向工程設(shè)計(jì)所依據(jù)的數(shù)據(jù)值存在的測量誤差、設(shè)計(jì)中的被測物存在的加工誤差、設(shè)計(jì)中的曲線擬合存在的擬合誤差等方面。
五．逆向工程技術(shù)的常用軟件
1. Geomagic（美國RainDrop公司的）逆向工程軟件，具有豐富的數(shù)據(jù)處理手段，可以根據(jù)測量數(shù)據(jù)快速構(gòu)造出多張連續(xù)的曲面模型。
2. Imageware作為UG NX中提供的逆向工程造型軟件，具有強(qiáng)大的測量數(shù)據(jù)處理、曲面造型、誤差檢測功能，可以處理幾萬至幾百萬的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。根據(jù)這些點(diǎn)云數(shù)據(jù)構(gòu)造的A級曲面（CLASS A）具有良好的品質(zhì)和曲面連續(xù)性。Imageware的模型檢測功能可以方便、直觀地顯示所構(gòu)造的曲面模型與實(shí)際測量數(shù)據(jù)之間的誤差以及平面度、真圓度等幾何公差。
3. CopyCAD（英國DELCAM公司系列產(chǎn)品），主要處理測量數(shù)據(jù)的曲面造型。DELCAM的產(chǎn)品涵蓋了從設(shè)計(jì)到制造、檢測的全過程；包括PowerSHAPE、PowerMILL、PowerINSPECT、ArtCAM、CopyCAD、PS-TEAM等諸多軟件產(chǎn)品。CopyCAD系列中的其它軟件可以很好地集成。
4. RapidForm（韓國INUS公司開發(fā)）逆向工程軟件，主要用于處理測量、掃描數(shù)據(jù)的曲面建模以及基于CT數(shù)據(jù)的醫(yī)療圖像建模，還可以完成藝術(shù)品的測景建模以及高級圖形生成。RapidForm提供一整套模型分割、曲面生成、曲面檢測的工具，用戶可以方便地利用以前構(gòu)造的曲線網(wǎng)格，經(jīng)過縮放處理后，應(yīng)用到新的模型重構(gòu)過程中。
六．逆向工程技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域
逆向工程已成為聯(lián)系新產(chǎn)品開發(fā)過程中各種先進(jìn)技術(shù)的紐帶，并成為消化、吸收先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)新產(chǎn)品快速開發(fā)的重要技術(shù)手段。其主要應(yīng)用領(lǐng)域如下：
1.對產(chǎn)品外形美學(xué)有特別要求的領(lǐng)域，由于設(shè)計(jì)師習(xí)慣于依賴3D實(shí)物模型對產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行評估，因此產(chǎn)品幾何外形通常不是應(yīng)用CAD軟件直接設(shè)計(jì)的，而是首先制作全尺寸的木質(zhì)或粘土模型或比例模型，然后利用逆向工程技術(shù)重建產(chǎn)品數(shù)字化模型。
2.當(dāng)設(shè)計(jì)需經(jīng)實(shí)驗(yàn)才能定型的工件模型時(shí)，通常采用逆向工程的方法，例如航天航空、汽車等領(lǐng)域，為了滿足產(chǎn)品對空氣動(dòng)力學(xué)等的要求，需進(jìn)行風(fēng)洞等實(shí)驗(yàn)，建立符合要求的產(chǎn)品模型。此類產(chǎn)品通常是由復(fù)雜的自由曲面拼接而成的，最終借助逆向工程，轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品的三維CAD模型及其模具。
3.在模具行業(yè)，常需通過反復(fù)修改原始設(shè)計(jì)的模具型面，這將實(shí)物通過數(shù)據(jù)測量與處理產(chǎn)生與實(shí)際相符的產(chǎn)品數(shù)字化模型，對模型修改后再進(jìn)行加工，將顯著提高生產(chǎn)效率。因此，逆向工程在改型設(shè)計(jì)方面，可發(fā)揮正向設(shè)計(jì)不可替代的作用。
4.逆向工程也廣泛用于修復(fù)破損的文物、藝術(shù)品、或缺乏供應(yīng)的損壞零件等。
5.借助于工業(yè)CT技術(shù)，逆向工程不僅可以產(chǎn)生物體的外部形狀，而且可以快速發(fā)現(xiàn)、定位物體的內(nèi)部缺陷。
