沈陽理工大學產(chǎn)品創(chuàng)新和開發(fā)(張育增)結(jié)課論文

1、反求工程綜述胡立（沈陽理工大學機械工程學院，沈陽 110000） 摘要：反求工程這一術(shù)語起源于20世紀60年代，但對它從工程的廣泛性去研究，從反求的科學性進行深化還是從20世紀90年代初剛剛開始。世界各國在其經(jīng)濟技術(shù)發(fā)展過程中，都非常重視應(yīng)用反求工程對國外的先進技術(shù)進行引進和研究工作。關(guān)鍵詞：反求工程；表面重建技術(shù)；測量方法 中圖分類號：TP391The Introduction to Reverse EngineeringHU Li(School of mechanical Engineering,Shenyang Ligong University, Shenyang 110000)Abs

2、tract:The term "Reverse Engineering" originated in the 1960s.But the universality of it from engi- neering to study, from the science of reverse deepen is just beginning in the early1960s.Countries around the world in the process of its economic and technological development, attach great

3、importa- nce to the application of reverse engineering to introduce foreign advanced technology and research.Key words: Reverse Engineering;The technology of rebuilding surface;Measure methods10 前言反求工程作為一種高效的產(chǎn)品設(shè)計思路和方法，是在正向設(shè)計的基礎(chǔ)上，隨著三坐標測量數(shù)字技術(shù)的飛速發(fā)展而產(chǎn)生的。反求工程技術(shù)雖然應(yīng)用的時間不長，但廣闊的應(yīng)用前景己經(jīng)為絕大多數(shù)現(xiàn)代加工制造企業(yè)和工程技術(shù)人員所關(guān)注。

4、伴隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，人們開始利用計算機來進行產(chǎn)品的輔助設(shè)計。從最初的二維設(shè)計技術(shù)發(fā)展到今天功能強大的三維設(shè)計技術(shù)，產(chǎn)品設(shè)計技術(shù)發(fā)生了革命性的飛躍。而以已有產(chǎn)品為基礎(chǔ)，進行消化、吸收并進行創(chuàng)新改進，使之成為新產(chǎn)品的，這一種開發(fā)模式被稱為反求工程（Reverse Engineering，RE），又叫做逆向工程。傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計過程是一個從無到有的過程，即設(shè)計人員首先在大腦中形成對該產(chǎn)品的總體構(gòu)思，然后綜合各方面的要素和因素，對產(chǎn)品的功能、性能、結(jié)構(gòu)、尺寸、形狀和技術(shù)參數(shù)等借助計算機建立其三維數(shù)字化信息模型，最終有可能將這個模型轉(zhuǎn)入到制造流程中，指導(dǎo)生產(chǎn)過程，這樣的產(chǎn)品設(shè)計過程我們稱為正向設(shè)計過程

5、。而在整個產(chǎn)品的設(shè)計過程中，所建立的三維數(shù)字化信息模型在后續(xù)的設(shè)計及制造環(huán)節(jié)中幾乎沒發(fā)揮作用，后期模型的制作還是依靠傳統(tǒng)的手工方法制作，造成前后工作脫節(jié)?；诜辞蠊こ痰漠a(chǎn)品設(shè)計從物質(zhì)形態(tài)上來講可以認為是一個從有到無再到有的過程。簡單地說，反求工程產(chǎn)品設(shè)計就是根據(jù)已經(jīng)存在的產(chǎn)品模型，反向推出產(chǎn)品設(shè)計數(shù)據(jù)(包括設(shè)計圖紙和數(shù)字模型)的過程。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)計模型，在此基礎(chǔ)上對已有產(chǎn)品進行剖析、理解和改進，是對已有設(shè)計的再設(shè)計。其主要任務(wù)是將原始物理模型轉(zhuǎn)化為工程設(shè)計概念或產(chǎn)品數(shù)字化模型：一方面為提高工程設(shè)計、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C

6、ADCAECAM以及CIMS等先進技術(shù)對已有的產(chǎn)品進行設(shè)計服務(wù)。1關(guān)鍵技術(shù)1.1表面數(shù)字化技術(shù)表面數(shù)字化就是通過特定的測量設(shè)備和測量方法獲得零件表面離散點的幾何坐標數(shù)據(jù)。只有獲得了樣件的表面三維信息，才能實現(xiàn)復(fù)雜曲面的建模、評價、改進、制造。因而，高效、高精度地實現(xiàn)樣件表面的數(shù)據(jù)采集，這是反求工程的主要研究內(nèi)容之一。在反求工程中，傳統(tǒng)的數(shù)字化方法是采用接觸式測量，其典型代表是三坐標測量機。隨著快速測量的需求及光電技術(shù)的發(fā)展，以計算機圖像處理為主要手段的非接觸式測量技術(shù)得到飛速發(fā)展。常用的非接觸式測量方法一般可分為被動視覺和主動視覺兩大類。被動式方法中無特殊光源，只能接收物體表面的反射信息，因而

7、設(shè)備簡單、操作方便、成本低，但算法較復(fù)雜。主動式方法使用一個專門的光源裝置來提供目標周圍的照明，通過發(fā)光裝置的控制，能使系統(tǒng)獲得更多的有用信息，降低問題難度。1.2數(shù)據(jù)點云的預(yù)處理技術(shù)獲得的數(shù)據(jù)一般不能直接用于曲面重構(gòu)，因為對于接觸式測量，由于測頭半徑的影響，必須對數(shù)據(jù)點云進行半徑補償；在測量過程中，不可避免會帶進噪聲、誤差等，必須去除這些點；對于海量點云數(shù)據(jù)，對其進行精簡也是必要的。包括：半徑補償、數(shù)據(jù)插補、數(shù)據(jù)平滑、點云數(shù)據(jù)精簡、不同坐標點云的歸一化等。1.3表面重建技術(shù)復(fù)雜曲線反求工程的目標是根據(jù)離散的數(shù)據(jù)點集構(gòu)造出分段、光滑的CAD模型，因此重建技術(shù)成為反求工程的關(guān)鍵技術(shù)。面的CAD重

8、構(gòu)是逆向工程研究的重點。而對于復(fù)雜曲面產(chǎn)品來說，其實體模型可由曲面模型經(jīng)過一定的計算演變而來，因此曲面重構(gòu)是復(fù)雜產(chǎn)品逆向工程的關(guān)鍵。包括：多項式插值法、雙三次B-spline法、Coons法、三邊Bezier曲面法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等。1.4曲線曲面光順技術(shù)在基于實物數(shù)字化的逆向工程中，由于缺乏必要的特征信息，以及存在數(shù)字化誤差，光順操作在產(chǎn)品外形設(shè)計中尤為重要。根據(jù)每次調(diào)整的型值點的數(shù)值不同，曲線、曲面的光順方法和手段主要分為整體修改和局部修改。光順效果取決于所使用方法的原理準則。方法有：最小二乘法、能量法回彈法、基于小波的光順技術(shù)等。22測量方法2.1接觸式測量方法接觸式測量是通過傳感測量頭

9、與樣件的接觸而記錄樣件表面的坐標位置，可以細分為點接觸式和連續(xù)式數(shù)據(jù)采集方法。接觸式測量的精度較高，但是測量速度效率較低，應(yīng)用較廣泛的是坐標測量儀。2.1.1坐標測量儀坐標測量機是一種大型精密的三坐標測量儀器，可以對具有復(fù)雜形狀的工件的空間尺寸進行逆向工程測量。坐標測量機一般采用觸發(fā)式接觸測量頭，一次采樣只能獲取一個點的三維坐標值。九十年代初，英國Renishaw公司研制出一種三維力位移傳感的掃描測量頭，該測頭可以在工件上滑動測量，連續(xù)獲取表面的坐標信息，掃描速度可達8米/秒，數(shù)字化速度最高可達500點/秒，精度約為0.03mm。這種測頭價格昂貴，目前尚未在坐標測量機上廣泛采用。坐標測量機主要

10、優(yōu)點是測量精度高，適應(yīng)性強，但一般接觸式測頭測量效率低，而且對一些軟質(zhì)表面無法進行逆向工程測量。圖1 三坐標測量儀2.1.2層析法層析法是近年來發(fā)展的一種反求工程逆向工程技術(shù)，將研究的零件原形填充后，采用逐層銑削和逐層光掃描相結(jié)合的方法獲取零件原形不同位置截面的內(nèi)外輪廓數(shù)據(jù)，并將其組合起來獲得零件的三維數(shù)據(jù)。層析法的優(yōu)點在于任意形狀，任意結(jié)構(gòu)零件的內(nèi)外輪廓進行測量，但測量方式是破壞性的。2.2 非接觸式逆向工程測量方法非接觸式測量根據(jù)測量原理的不同，大致有光學測量、超聲波測量、電磁測量等方式。以下僅將在反求工程中最為常用與較為成熟的光學測量方法（含數(shù)字圖像處理方法）作簡要說明。2.2.1基于光

11、學三角型原理的逆向工程掃描法這種測量方法根據(jù)光學三角型測量原理，以光作為光源，其結(jié)構(gòu)模式可以分為光點、單線條、多光條等，將其投射到被測物體表面，并采用光電敏感元件在另一位置接收激光的反射能量，根據(jù)光點或光條在物體上成像的偏移，通過被測物體基平面、像點、像距等之間的關(guān)系計算物體的深度信息。2.2.2基于相位偏移測量原理的莫爾條紋法3這種測量方法將光柵條紋投射到被測物體表面，光柵條紋受物體表面形狀的調(diào)制，其條紋間的相位關(guān)系會發(fā)生變化，數(shù)字圖像處理的方法解析出光柵條紋圖像的相位變化量來獲取被測物體表面的三維信息。42.2.3基于工業(yè)CT斷層掃描圖像逆向工程法這種測量方法對被測物體進行斷層截面掃描，以

12、X射線的衰減系數(shù)為依據(jù)，經(jīng)處理重建斷層截面圖像，根據(jù)不同位置的斷層圖像可建立物體的三維信息。該方法可以對被測物體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和形狀進行無損測量。該方法造價高，測量系統(tǒng)的空間分辨率低，獲取數(shù)據(jù)時間長，設(shè)備體積大。美國LLNL實驗室研制的 高分辨率ICT系統(tǒng)測量精度為0.01mm。2.2.4立體視覺測量方法立體視覺測量是根據(jù)同一個三維空間點在不同空間位置的兩個（多個）攝像機拍攝的圖像中的視差，以及攝像機之間位置的空間幾何關(guān)系來獲取該點的三維坐標值。立體視覺測量方法可以對處于兩個（多個）攝像機共同視野內(nèi)的目標特征點進行測量，而無須伺服機構(gòu)等掃描裝置。立體視覺測量面臨的最大困難是空間特征點在多幅數(shù)字圖象

13、中提取與匹配的精度與準確性等問題。近來出現(xiàn)了以將具有空間編碼的特征的結(jié)構(gòu)光投射到被測物體表面制造測量特征的方法有效解決了測量特征提取和匹配的問題，但在測量精度與 測量點的數(shù)量上仍需改進。3現(xiàn)狀作為一種新產(chǎn)品開發(fā)的主要手段，反求工程的研究正受到廣泛的重視，一些重要的國際和國內(nèi)學術(shù)會議都將反求工程及相關(guān)技術(shù)的討論作為一項重要的會議議題。例如:Geometric Modeling and Processing Series, IEEE Transactions on Image Analysis and Modeling等會議。目前反求工程已發(fā)展為CAD/CAM系統(tǒng)中的一個相對獨立的研究分支，其相關(guān)

14、領(lǐng)域包括幾何測量、圖像處理、計算機視覺、幾何造型和數(shù)字化制造等。 在國外，己經(jīng)有多種成功應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域的反求工程系統(tǒng):Kwok開發(fā)的反求工程系統(tǒng)將CMM與AutoCAD圖形軟件包結(jié)合起來，每一個測量點由CMM進行數(shù)字化，并將其自動轉(zhuǎn)換為工GES格式，以線框圖形的形式表達模型，但不含有任何實體信息；Motavalli等人開發(fā)的反求工程系統(tǒng)，在數(shù)據(jù)采集階段綜合運用接觸式和非接觸式兩種測量方式，在非接觸測量階段，可視系統(tǒng)攝像機首先攝入零件圖像，圖像經(jīng)過處理后，以2D線框形式畫出物體的輪廓邊界，用于第二階段的掃描處理，以生成NC數(shù)控代碼，驅(qū)動接觸式掃描測頭，從物體表面上獲得更精確的數(shù)據(jù)點。與國外相比，

15、國內(nèi)在逆向工程基礎(chǔ)理論研究方面己經(jīng)有了長足的進步，其中比較有代表性的是:浙江大學在國內(nèi)關(guān)于逆向工程基礎(chǔ)理論研究方面處于領(lǐng)先地位，其研究重點主要有:“逆向工程中自由曲面的據(jù)處理與誤差補償”、“基于CCD的曲面測量方法”、“一類規(guī)則曲面特征提取”、“基于點云的特征挖掘技術(shù)”、“CAD建模中點云數(shù)據(jù)區(qū)域分割及特征約束重構(gòu)”等多個方面;南京航空航天大學也在逆向工程研究領(lǐng)域占有重要地位，其研究重點主要在:“逆向工程中自由曲面與規(guī)則曲面重建技術(shù)”、“數(shù)據(jù)測量噪聲與三角網(wǎng)格濾波技術(shù)”、“數(shù)據(jù)分塊和規(guī)則曲面擬合算法”等方面;華中科技大學在“三維掃描儀與逆向工程關(guān)鍵技術(shù)”、“三角剖分技術(shù)”等方面開展研5究;西北

16、工業(yè)大學在“三角網(wǎng)格劃分算法”、大連理工大學在“基于圖像灰度信息的三維曲面重構(gòu)”等多方面進行了深入研究。與此同時，國內(nèi)很多高校與企業(yè)也將逆向工程技術(shù)在工程方面的具體應(yīng)用作了許多卓有成效的實踐，并取得了良好的經(jīng)濟效益。 目前，己經(jīng)涌現(xiàn)出許多商用專業(yè)反求工程軟件，比較常用的有SIEMENS/EDS公司的Surfacer軟件以及Imageware軟件、DELCAM公司的CopyCAD軟件、ICEM公司的ICEM Surf軟件、ParaForm公司的ParaForm軟件以及PTC公司的Pro/Scan等專業(yè)軟件;在國內(nèi)，浙江大學開發(fā)的反求工程軟件RE-SOFT以及西北工業(yè)大學的實物測量造型系統(tǒng)NPU-

17、SRMS也占有一定的市場分額。4發(fā)展趨勢逆向工程的研究己經(jīng)口益引人注目，在數(shù)據(jù)處理、曲面片擬合、幾何特征識別、商用專業(yè)軟件和坐標測量機的研究開發(fā)上己經(jīng)取得了很大的成績。但是在實際應(yīng)用當中，整個過程仍需要大量的人機交互工作，操作者的經(jīng)驗和素質(zhì)直接影響著產(chǎn)品的質(zhì)量，自動重建曲面的光順性難以保證等問題。 綜合相關(guān)文獻，逆向工程技術(shù)有待在下述幾方面進行更加深入細致的研究。 數(shù)據(jù)測量方面:發(fā)展面向逆向工程的專用測量設(shè)備，能夠高速、高精度的實現(xiàn)產(chǎn)品幾何形狀的三維數(shù)字化，并能進行自動測量和規(guī)劃路徑; 數(shù)據(jù)預(yù)處理方面:針對不同種類的測量數(shù)據(jù)，完善改進目前的數(shù)據(jù)處理算法; 曲面擬合:能夠控制曲面的光順性和能夠進

18、行光滑拼接; 集成技術(shù):發(fā)展包括測量技術(shù)、模型重建技術(shù)、基于網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同設(shè)計和數(shù)字化制造技術(shù)等方面的逆向工程技術(shù)。5結(jié)束語 逆向工程技術(shù)不是一個孤立的技術(shù)，測量技術(shù)(即數(shù)字化技術(shù)，進行實物模型表面數(shù)據(jù)點的獲取)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)也都與之有著千絲萬縷的聯(lián)系?，F(xiàn)階段，廣泛使用的逆向工程軟件，比初期的略有進步，但在進行曲面分割、數(shù)據(jù)拼接、曲面的連續(xù)性處理仍舊是需要人工的干預(yù)，個人的處理技巧高低會直接關(guān)乎到最終的結(jié)果的好壞。另外，在各種軟件間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換上面，各種數(shù)據(jù)文件的兼容性也是一個問題，總的來說，應(yīng)用軟件智能化程度還是比較低的。 因此，逆向工程技術(shù)研究的重點應(yīng)集中在自動的數(shù)字化數(shù)據(jù)采集、相關(guān)軟件的智能化點云處理和快速建模及相互轉(zhuǎn)換上面，切實提高相關(guān)軟件使用的方便性和處理的快捷程度，從而促進逆向工程技術(shù)的快速發(fā)展。參考文獻：1 王隆太.先進制造技術(shù).北京：機械工業(yè)出版社，2003.9 WANG Longtai.Adwanced Manufacturing Technology.Beijing:China Mechine Press,2003.92 楊孟濤.基于反求工程和快速原型技術(shù)的快速模具制造技術(shù)的理論與實踐.重慶大學碩士學位論文，2004,4YANG Mengtao. The Theory and Practice of Rapid Tooling Based on Reverse E